Universidade Federal do Ceará PET Engenharia Elétrica Fortaleza CE, Brasil, Abril, 2013 Universidade Federal do Ceará Departamento de Engenharia Elétrica PET Engenharia Elétrica UFC Circuitos de Comando para MOSFETs e IGBTs de Potência Autores: René Pastor Torrico Bascopé, Dr.; Ícaro Silvestre Freitas Gomes; Nestor Rocha Monte Fontenele; Túlio Naamã Guimarães Oliveira
Sumário 1. Motivação do Trabalho 2. Tipos de Drivers 3. Sinais de Entrada e Saída dos Drivers 4. Circuito Driver Escolhido para Montagem 5. Circuito de Potência para Montagem 6. Circuito de Controle para Montagem 7. Resultados da Simulação 8. Conclusões
1. Motivação do Trabalho - O transistor de efeito de campo FET (Field Effect Transistor) é conhecido como transistor unipolar porque a condução de corrente acontece por apenas um tipo de portador, dependendo do tipo do FET, de canal n ou p. O nome efeito de campo decorre do fato que o mecanismo de controle do componente é baseado no campo elétrico estabelecido pela tensão aplicada no terminal de controle. Transistores de Efeito de Campo tipo MOS (Metal Oxide Semicondutor) ou MOSFETs são dispositivos derivados dos transistores de efeito de campo comuns, mas com algumas mudanças na sua estrutura. - Devido aos modos diferentes de como os MOSFETs podem operar, eles se subdividem em dois tipos: tipo depleção e tipo intensificação. Figura 1 Estrutura e Símbolo do MOSFET tipo depleção de canal n. Figura 2 Curva característica para um MOSFET tipo depleção de canal n.
1. Motivação do Trabalho - O IGBT é a sigla para Insulated Gate Bipolar Transistor e trata-se, basicamente, da associação da característica de comando dos MOSFETs com as características de condução dos transistores bipolares de junção, ele reúne a facilidade de acionamento dos MOSFETs e sua elevada impedância de entrada com as pequenas perdas em condução dos Transistores Bipolares de Potência, desse modo, unindo as melhores características desses dois tipos de transistores, o IGBT é um componente altamente recomendado para comutação de carga de alta corrente em regime de alta velocidade. Figura 3 - Símbolo adotado para o IGBT de potência. Figura 4 Curvas características de um IGBT.
1. Motivação do Trabalho - O driver é um circuito de interfase entre o circuito de controle e o circuito de potência, cujas funções são: amplificar os níveis de corrente e tensão para acionar os transistores que se encontram em diferentes potenciais e realizar a proteção dos transistores quando detectado um curto-circuito. Figura 5 Célula de Comutação NPC. Figura 6 Ilustração de circuitos driver.
2. Tipos de Drivers Drivers não isolados - Para usar este tipo de driver, o circuito de controle deve ficar no mesmo potencial do emissor (IGBT) ou fonte (MOSFET). Exemplo de aplicação: conversor Boost. Figura 7 Pinos do driver. Figura 8 Circuito interno do driver
2. Tipos de Drivers 1 - Drivers não isolados - O driver do tipo bootstrap, que também é não isolado, permite enviar energia a um capacitor eletrolítico com outro potencial por meio de um diodo. Funciona adequadamente na configuração meia ponte (half-bridge). Figura 9 Tipos de encapsulamentos. Figura 10 Conexão típica.
2. Tipos de Drivers Drivers isolados - É usado quando o terra do circuito de controle é diferente do terminal do emissor (IGBT) ou da fonte (MOSFET). O isolamento pode ser feito usando OPTOACOPLADOR ou elemento MAGNÉTICO. a) com Optoacoplador (Optodrivers) Figura 11 Tipos de encapsulamentos. Figura 12 Aplicação do driver.
2. Tipos de Drivers Drivers isolados - b) com Elemento Magnético Figura 13 Encapsulamento e Circuito interno. Figura 14 Aplicação do driver.
3. Sinais de Entrada e Saída do Driver - A largura do sinal de saída deve ser igual à largura do sinal de entrada; - Os tempos de atraso (delay times) na transição de nível baixo a nível alto (t PLH ) e de nível alto a nível baixo (t PHL ) devem ser reduzidos. Tabela 1 Especificações de chaveamento Figura 15 Sinais de entrada e saída.
4. Circuito Driver Escolhido para Montagem - Para realizar a montagem em laboratório, foi escolhido o driver Bootstrap IR21844 da International Rectifier. Os detalhes das características do driver são mostrados a seguir: Tabela 2 Características comparativas do IR21844.
4. Circuito Driver Escolhido para Montagem Figura 16 Circuito exemplo de aplicação do IR21844.
4. Circuito Driver Escolhido para Montagem Tabela 3 Definição dos pinos do IR21844.
4. Circuito Driver Escolhido para Montagem Figura 17 Sinais de entrada e saída do IR21844. IN : sinal de entrada : sinal de proteção HO: Sinal de saída p/ chave superior LO : Sinal de saída p/ chave inferior
5. Circuito de Potência para Montagem CIRCUITO DE POTÊNCIA Figura 18 Circuito de potência para testes.
6. Circuito de Controle para Montagem CIRCUITO DE CONTROLE Figura 19 Circuito de controle adotado.
7. Resultados de Simulação Especificações de Projeto Tensão de entrada V in (rms) = 110 V Frequência da rede F = 60 Hz Frequência de comutação Fs = 20 KHz Figura 20 Forma de onda da tensão de entrada. Tensão de saída V out (rms) = 110 V Relação de transformação a = 1,15 Figura 21 Forma de onda da corrente de entrada.
7. Resultados de Simulação Figura 22 Forma de onda da tensão de entrada retificada.
7. Resultados de Simulação Figura 23 Forma de onda da tensão na chave, dois ciclos de f = 60 Hz. Figura 24 Forma de onda da tensão na chave, ciclos de f = 20 khz.
7. Resultados de Simulação Figura 25 Forma de onda da corrente na chave, dois ciclos de f = 60 Hz. Figura 26 Forma de onda da corrente na chave, ciclos de f = 20 khz.
7. Resultados de Simulação Figura 27 Forma de onda da tensão no primário do transformador, dois ciclos de f = 60 Hz. Figura 28 Forma de onda da tensão no primário do transformador, ciclos de f = 20 khz.
7. Resultados de Simulação Figura 29 Forma de onda da tensão na carga. Figura 30 Forma de onda da corrente na carga.
8. Conclusões O objetivo da pesquisa foi conhecer os tipos de circuitos de comando (drivers) para transistores MOSFETs e IGBTs, que são amplamente utilizados no desenvolvimento de fontes de alimentação (estabilizadores de tensão alternada, nobreaks, inversores para acionamento de motores, sistemas para interligar energia a rede elétrica, etc.) Os drivers foram classificados em dois tipos: não isolados e isolados. Nos drivers isolados, para se fazer o isolamento, são usados optoacopladores e elementos magnéticos. Para realizar os testes foi adotado o driver bootstrap IR21844 da International rectifier. O citado driver apresenta um sinal de entrada e dois sinais de saída, um para o transistor superior e outro para o transistor inferior. O driver sob análise já apresenta tempo morto e o valor pode ser adicionado. Para fazer os testes do driver, será montado um circuito de potência que realiza a função de modulação e demodulação para reproduzir a tensão alternada de entrada retificada de 120Hz.
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