Dispositivos Semicondutores de Potência

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Cachoeira do Sul, RS
Universidade Federal de Santa Maria
Campus Cachoeira do Sul
Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência
DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA
Profa. Thieli S. Gabbi
2Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
SUMÁRIO
▪ Dispositivos semicondutores de potência
▪ Chaves SSPST e SPDT
▪ Tipos de chaves de potência
▪ Um, dois e quatro quadrantes
▪ Tecnologias de chaves de potência
▪ Diodo de potência
▪ MOSFET
▪ TBJ
▪ IGT
▪ Tiristores (SCR e GTO)
▪ Faixas de aplicação 
 
3Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Chaves Single-Pole Single-Throw (SPST)
• Todos os dispositivos semicondutores operam como chaves SPST
Conversor Buck
Conceito: Chave Single-Pole Double-Throw (SPDT)
Implementação: Chave Single-Pole Single-Throw (SPST)
4Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
• O estado de condução de uma chave SPST pode ser dependente da tensão ou 
corrente aplicada (exemplo, diodo)
• Duas chaves SPST não são exatamente equivalente a uma chave SPDT
• É possível que ambas as chaves SPDT estejam ON ou OFF
• Isto implica no funcionamento do conversor (exemplo, modo descontínuo)
Chaves Single-Pole Single-Throw (SPST)
5Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Quadrantes de operação
Um quadrante
Bloqueio 
de tensões 
Conduz 
correntes 
Dois quadrante
(Bidirecional em corrente)
Bloqueio 
de tensões 
Conduz 
correntes
Bloqueio 
de tensões 
Conduz 
correntes 
Dois quadrante
(Bidirecional em tensão)
Quatro quadrante
(Bidirecional em corrente 
e tensão )
Conduz 
correntes
Bloqueio 
de tensões 
6Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Chaves de um quadrante
Diodo
▪ Chave passiva
▪ Conduz correntes positivas
▪ Bloqueia tensões negativas
on
off
i
v
7Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Chaves de um quadrante
TBJ e IGBT
on
off
i
v
▪ TBJ – Transistor Bipolar de Junção
▪ IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
▪ Chave ativa, controlada pelo terminal “C”
▪ Conduz correntes positivas
▪ Bloqueia tensões positivas
TBJ IGBTColetor
Emissor
Base
Coletor
Emissor
Gate
8Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Chaves de dois quadrante (bidirecional em corrente)
MOSFET
on
off
i
v
▪ MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
▪ Chave ativa, controlada pelo terminal “C”
▪ Conduz correntes positivas e negativas
▪ Bloqueia tensões positivas
Dreno
Fonte
Gate
on
9Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
TBJ/IGBT + Diodo Antiparalelo
on
off
i
v
▪ Chave ativa, controlada pelo terminal “C”
▪ Conduz correntes positivas e negativas
▪ Bloqueia tensões positivas
Chaves de dois quadrante (bidirecional em corrente)
Transistor conduz
on Diodo conduz
10Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
TBJ/IGBT/MOSFET + Diodo Série
on
off
i
v
▪ Chave ativa, controlada pelo terminal “C”
▪ Conduz correntes positivas
▪ Bloqueia tensões positivas e negativas
Chaves de dois quadrante (bidirecional em tensão)
off
Transistor bloqueia 
tensão
Diodo bloqueia 
tensão
11Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Configurações compostas
on
off
i
v
▪ Chave ativa, controlada pelo terminal “C”
▪ Conduz correntes positivas e negativas
▪ Bloqueia tensões positivas e negativas
Chaves de quatro quadrante
off
on
12Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Desafio
▪ Dispositivos de alta tensão de bloqueio e pequena tensão/resistência de 
condução, bem como pequeno tempo de comutação.
Dispositivos Semicondutores de Potência
Tensão de 
bloqueio
Perdas em condução
Tempo de comutação
13Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
▪ Tensão de bloqueio
– Alta tensão requer pequena dopagem → Alta resistividade
Dispositivos Semicondutores de Potência
▪ Portadores majoritários (MOSFET e Diodo Schottky)
– Dependência de primeira ordem entre tensão de bloqueio e resistência de condução;
– Baixa tensão e altas frequências;
▪ Portadores minoritários (Diodo, TBJ, IGBT e Tiristor)
– Injeção de portadores minoritários na região fracamente dopada, reduzindo a resistividade;
– Apresentam maiores tempos de comutação (tempo requerido para injetar/drenas 
portadores);
– Alta tensão e baixas frequências.
14Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
▪ Diodo reversamente polarizado
– Contém uma região 𝑛− fracamente dopada
– Quando bloqueado, quase que a totalidade do campo elétrico (e da tensão) 
aparece sobre a região 𝑛−
Diodo de Potência
15Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
▪ Diodo diretamente polarizado
– Lacunas são injetadas na região 𝑛−, reduzindo a sua resistividade 
(conductivity modulation)
Diodo de Potência
16Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Diodo de Potência
Região 𝑛− fracamente dopada
Taxa de Recuperação
Tempo de Recuperação 
Reversa
Conductivity 
modulation
17Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
▪ Os diodos são classificados de acordo com o 𝒕𝒓
▪ Standard recovery rectifiers
▪ Operação em 50 e 60 Hz
▪ Fast recovery e ultrafast recovery rectifiers
▪ Aplicação em conversores estáticos
Diodo de Potência
▪ Diodos Schottky
▪ Dispositivos de portadores majoritários (metal-semiconductor junction)
▪ Carga de portadores minoritários desprezível 𝑄𝑟 = 0 → Rápidos tempos de comutação;
▪ Pequena queda em condução
▪ Disponíveis principalmente para pequenos níveis de tensão de bloqueio (< 100 V)
18Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Diodo de Potência
Part number Rated max voltage Rated avg current 𝑉𝐹 (𝑡𝑦𝑝𝑖𝑐𝑎𝑙) 𝑡𝑟 (𝑚𝑎𝑥)
Fast recovery rectifiers
1N3913 400 V 30 A 1,1 V 400 ms
SD453N25S20PC 2500 V 400 A 2,2 V 2 μs
Ultra-fast recovery rectifiers
MUR815 150 V 8 A 0,975 V 35 ns
MUR1560 600 V 15 A 1,2 V 60 ns
RHRU100120 1200 V 100 A 2,6 V 60 ns
Schottky rectifiers
MBR6030L 30 V 60 A 0,48 V
444CNQ045 45 V 440 A 0,69 V
30CPQ150 150 V 30 A 1,19 V
19Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
▪ Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor – MOSFET 
– Composto de pequenas células conectadas em paralelo sob um mesmo wafer;
MOSFET
MOSFET canal n
20Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
▪ Off state
– Junção 𝑝 − 𝑛− reversamente polarizada;
– A tensão de bloqueio aparece sobre a região 𝑛−;
MOSFET
Região de depleção 
21Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
▪ On state
– Junção 𝑝 − 𝑛− levemente reversamente polarizada;
– Uma tensão positiva no gate induz um canal de condução;
MOSFET
22Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
▪ Body diode
– Tensão negativa entre dreno-fonte polariza diretamente o body diode;
– A velocidade de comutação deste diodo não é otimizada (grande 𝑄𝑟);
MOSFET
23Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
MOSFET
Part number Rated max voltage Rated avg current 𝑅𝑜𝑛 𝑄𝑔 (typical)
IRFZ48 60 V 50 A 0,018 Ω 110 nC
IRF510 100 V 5,6 A 0,54 Ω 8.3 nC
IRF540 100 V 28 A 0,077 Ω 72 nC
APT10M25BNR 100 V 75 A 0,025 Ω 171 nC
IRF740 400 V 10 A 0,55 Ω 63 nC
MTM15N40E 400 V 15 A 0,3 Ω 100 nC
APT5025BN 500 V 23 A 0,25 Ω 83 nC
APT1001RBNR 1000 V 11 A 1,0 Ω 150 nC
24Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
– Dispositivo de portadores minoritários
• Conductivity modulation nas regiões 𝑝 e 𝑛− 
Transistor Bipolar de Junção - TBJ
– Substituído pelo MOSFET em aplicações < 500 V
– Substituído pelo IGBT em aplicações > 500 V
25Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
– Corrente de base (ideal)
Transistor Bipolar de Junção - TBJ
26Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
– On state: portadores minoritários são injetados na região 𝑛−
– Comparado ao MOSFET:
• Maiores tempos de comutação, menor resistência de condução
• Aplicações para altas tensões (exemplo, 3500 V)
Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT
27Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Símbolo
Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT
Circuito equivalente
28Eletrônica de Potência Profa. Thieli SmidtGabbi
– Corrente de Cauda (tail current)
Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT
29Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT
Part number Rated max voltage Rated avg current 𝑉𝐹 (typical) 𝑡𝑓(typical)
Single-chip devices
HGTG32N60E2 600 V 32 A 2,4 V 0,62 μs
HGTG30N120D2 1200 V 30 A 3,2 V 0,58 μs
Multiple-chip power modules
CM400HA-12E 600 V 400 A 2,7 V 0,3 μs
CM300HA-24E 1200 V 300 A 0,7 V 0,3 μs
30Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
– Componente mais empregado na faixa de 500 a 1700 V, potências de 1 a 1000 kW;
• Principal aplicação: acionamento de máquinas
– Coeficiente de temperatura positivo para altas correntes;
– Fácil acionamento (semelhante ao MOSFET);
– Frequência de operação: 3-30 kHz
• Existem IGBTs para 150 kHz
Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT
31Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
SCR → Silicon Controlled Rectifier
Tiristores (SCR)
Símbolo Circuito 
Equivalente
Construção
32Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
– Realimentação positiva
• Latching device
• Não pode ser ativamente bloqueado
Tiristores (SCR)
– Dispositivo de portadores minoritários
• Pequena queda direta para dispositivos de 
alta tensão
– Exemplos
• 5000 – 6000 V, 1000 – 2000 A
33Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
– Os contatos de Gate (G) e Catodo (K) são fortemente “entrelaçados”;
• Uma corrente negativa no terminal G permite polarizar reversamente a junção Gate-
Catodo
Tiristores (GTO)
– Ganho de corrente para o turn-off: 2 a 5
34Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Faixas de aplicação
35Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Aplicação
CONVERSORES O QUÊ FAZ O QUÊ USA
Retificador Não-controlado Converte tensão AC em DC Diodos
Retificador Controlado Converte tensão AC em DC Tiristores
Choppers 
Converte DC em DC de 
amplitude variável
MOSFETs, IGBTs e BPT
Inversores Convertem DC em AC MOSFETs, IGBTs e BPT
Conversores Cíclicos Convertem AC para AC Tiristores
36Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Dimensionamento
– Frequência de operação;
– Tensão de bloqueio;
– Corrente eficaz e de pico (não-repetitiva);
– Perdas: 𝑃 = 𝐼𝑑
2𝑅𝐷𝑆𝑜𝑛
– Temperatura de operação (junção)
✓ Pinagem:
37Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Datasheet
38Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Datasheet
39Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Efeito da Temperatura
40Eletrônica de Potência Profa. Thieli Smidt Gabbi
Bibliografia
[1] Daniel W. Hart, Eletrônica de Potência, 2010
[2] Ivo Barbi, Eletrônica de Potência, 6ª Edição, 2006
[3] Muhammad H. Rashid, Eletrônica de Potência – Dispositivos, Circuitos e Aplicações, 2015
 
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