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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA PEE00041 Aula 1 Introdução EP Interruptores Semicondutores Prof. Dr. Flávio A. Serrão Gonçalves Prof. Fernando Pinhabel Marafão Universidade Estadual Paulista - UNESP Campus Experimental de Sorocaba/FEB-Bauru Materiais Semicondutores • Materiais: – Isolante: material que oferece um nível muito baixo de condutividade quando submetido a uma fonte de tensão. – Condutor: material que sustenta um grande fluxo de carga ao se aplicar através de seus terminais uma fonte de tensão de amplitude limitada. (condutividade elevada); Resistividade (ρ) • Condutor: ρ = 10-6 Ω-cm (cobre) • Isolante: ρ = 10+12 Ω-cm (mica) • Semicondutor: ρ = 50 Ω-cm (Germânio) ρ = 50x103 Ω-cm (Silício) Condutor Isolante Semicondutor l R A Materiais Semicondutores • Materiais Semicondutores – Evolução da Fabricação de Materiais Semicondutores • Alto grau de pureza (1: 10 bilhões). • Inserção de impurezas (1:1 milhão) em uma wafer de silício: – Transformar condutor ruim em ótimo; – Dopagem: processo de fabricação que altera as características do material, por meio da modificação da pureza pela inserção de outros componentes “impurezas”) ; • Boro ou Alumínio : 3 átomos na camada de valência; • Fósforo: 5 átomos na camada de valência; – Germânio e Silício • Materiais com estruturas cristalinas singulares; • Átomos tetravalentes : possuem 4 elétrons na camada de valência; • Dopagem Materiais do tipo P e do tipo N; Ligações: Material do tipo P e Material do tipo N • Ligações covalentes incompletas ou com excesso de elétrons; • O material permanece eletricamente neutro? – a quantidade total de elétrons e prótons é a mesma! • Material do tipo N: portadores majoritários são os elétrons e minoritários as lacunas; • Material do tipo P: portadores majoritários são as lacunas e minoritários os elétrons; + + ++ + + + Bo Lacuna Si Si Si Si Si Si + + ++ + + + P Elétron livre Si Si Si Si Si Si Introdução Conversores Estáticos: Controle do fluxo de energia entre dois ou mais sistemas elétricos com características distintas. Área de Estudo: Eletrônica de Potência Sub-áreas: Eletrônica de Potência Básica Comutação Natural, tensões 2 kV, correntes 1kA e freqüências 1 kHz. Elevadas correntes Aplicações com correntes > 1 kA Elevadas tensões Aplicações com tensões > 2 kV Elevadas Freqüências Aplicações com freqüências > 1 kHz Elevadas Potências Aplicações com tensões > 2 kV e correntes > 1 kA Comutação forçada Inversores de tensão autônomos à SCR. Técnicas Especiais de Controle e Filtragem. Retificador Chopper Inversor Conversor Direto de Freqüência = = Conversor Indireto de Freqüência Conversor Indireto de Tensão E2 E1 v f2 2( , ) v f1 1( , ) Principais Aplicações Fontes de alimentação, Controle de máquinas elétricas, Aquecimento indutivo, Alimentação de segurança e emergência, Transmissão em corrente contínua, Interligação de sistemas com freqüências diferentes, Carregadores de baterias, Retificadores em geral, etc... Princípio Básico da Conversão Estática Ação dos dispositivos de processamento de energia INTERRUPTORES INTERRUPTOR IDEAL (S) • Tempos de comutação nulos (entrada em condução e bloqueio instantâneo); • Resistência nula em condução; • Resistência infinita quando bloqueado. EVOLUÇÃO DOS DISPOSITIVOS INTERRUPTORES Relés Contatores Reatores com núcleos saturáveis Retificadores à arco Válvulas Tiraton SCR (anos 60 pela General Electric e Bell Telephone Laboratory), etc... Conversão Estática: Revolução no processamento de energia elétrica, possibilitando: Redução de peso, volume e custos; Redução das perdas e aumento da densidade de potência; Operação com freqüências maiores; Aumento do rendimento. V S I Características de Atuação para os Interruptores Processamento Estático de Energia: Requer em diversas aplicações, ações diferentes de controle para os dispositivos interruptores. Operações Básicas Desejadas I V Operação em um quadrante Diodos (bloqueio reverso) SCR (bloqueio direto) Transistor Bipolar IGBT I V Operação em dois quadrantes com corrente bidirecional MOSFET SCR + diodo em anti- paralelo IGBT + diodo em anti- paralelo Transistor Bipolar + diodo em anti-paralelo I V Operação em dois quadrantes com tensão bidirecional SCR (bloqueio direto e reverso) Transistor Bipolar + diodo em série I V Operação em quatro quadrantes Arranjo de diodos com transistores bipolares Interruptor para Operação em Quatro Quadrantes Implementações: (-) (+) l1 i 0 0 i (+) (-) i 1 i vv 1 i 1 i v ++ - - + + - v 000 1 Evolução temporal dos principais dispositivos semicondutores 1950 60 70 80 90 2000 10 BJTs MOSFETs IGBTs MCTs MOSFETs Silicon-Carbide Aumento da potência 1980 84 88 92 Ano 102 107 105 104 103 106 P O T E N C IA (V ·A ) IGBT MCT MOSFET Potência (versus) freqüência (ano 2005) 102 107 105 104 103 106 P O T E N C IA (V ·A ) IGBT MOSFET 10 102 103 104 105 106 107 108 GTO SCR BJT FREQÜÊNCIA (Hz) Área de Atuação (Potência x Frequência) Limites de capacidade de componentes semicondutores de potência Área de Atuação (Potência x Freqüência) - 2007 • Observa-se que as dificuldades do processamento estático de energia aumentam com a potência processada e freqüência de operação dos interruptores. 10 10 10 1010 10 10 10 10 10 10 10 10 -1 1 2 3 4 5 -1 0 1 2 4 65 Freqüência de Operação [kHz] Potência Controlável [kVA] MOSFET BPT IGBT MCT SI Thy GTO SCR GTO : Gate Turn-off Thyristor MCT : MOS Controlled Thyristor SI Thy : Static Induction Thyristor BPT : Bipolar Power Transistor IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor MOSFET : MOS Field-Effect Transistor SCR : Silicon Controlled Rectifier Características Gerais dos Principais Dispositivos Interruptores Principais interruptores em Eletrônica de Potência Análise das características básicas de funcionamento, para os seguintes interruptores: • Diodos de Potência (Diodo) • Transistores Bipolares de Potência (BPT) • MOSFETs de Potência (MOSFET) • Transistores tipo IGBT (IGBT) • Tiristores (Diodo PNPN, SCR, TRIAC, DIAC e GTO) O Diodo de Potência Cátodo (C) Ânodo (A) vi Símbolo Polarização Reversa (Bloqueio) aumento da resistência da região de depleção R VS A C VS Característica Volt-Ampère Polarização Direta (Condução) Injeção de portadores minoritários A C redução da resistência da região de depleção VSR i v V(TO) 1 rTIRVRRM Polarização Reversa Polarização Direta Características Dinâmicas do Diodo de Potência Onde: VFP: Máxima tensão direta na entrada em condução trr: Tempo de recuperação reversa Qr: Carga armazenada na capacitância de junção VFP V S Bloqueio indutivo trr toff ton v(t) i(t) Q r t t dtdi Tipos de Diodos de Potência Diodos Convencionais (Standard) Tempo de recuperação reversa não é especificado. Operação normalmente em 50 ou 60 Hz. Diodos Rápidos e Ultra-rápidos (Fast/Ultra-fast) Tempo de recuperação reversa e carga armazenada na capacitância de junção são especificados. Operação em médias e elevadas freqüências. Diodos tipo Schottky Praticamente não existe tempo de recuperação (carga armazenada praticamente nula). Operação com freqüências elevadas e baixas tensões (poucos componentes possuem capacidade de bloqueio superior à 100 V). Filme metálico em contato direto com o semicondutor. Características de Alguns Diodos de Potência Existentes no Mercado Componente Máxima Tensão Corrente Média Tensão em Condução Tempo Recuperacão Diodos Rápidos 1N3913 400 V 30 A 1,1 V 400 ns SD453N25S20PC 2500 V 400 A 2,2 V 2 s Diodos Ultra-rápidos 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 Diodos Schottky MBR6030L 30 V 60 A 0,48 V 444CNQ045 45 V 440 A 0,69 V 30CPQ150 150 V 30 A 1,19 V TIRISTORES (Diodo PNPN, SCR, TRIAC, DIAC, GTO) Definição IEC: Tiristor é qualquer dispositivo semicondutor biestável, contendo três ou mais junções (P-N), com capacidade de conduzir ou bloquear uma corrente num ou nos dois sentidos. O diodo PNPN (Diodo Schokley) (A) Ânodo (C) Cátodo Símbolo Circuito Equivalente T2 C A T1 Construção Básica •Vak for negativa:, J1 e J3 estão reversamente polarizadas, e J2 diretamente polarizada. J3 é intermediária a regiões de alta dopagem, não suporta altas tensões, cabendo a J1 manter o estado de bloqueio; • Em condução (Resistência tipicamente 10 W) • Bloqueado (Resistência tipicamente 100 MW) Utilização em Baixa Potência A C I P + N- P N + V S R + J1 J2 J3 1 1 2 2 1 2 1 2 1 2 : : 1 : 1 ( ) 1 ( ) CO CO ganhodeT I I ganhodeT I correntede saturação reversa condução bloqueio O diodo PNPN VAC VBO Entra em condução Passa pela região de resistência negativa e opera em regime na região de saturação (VAC @ 1V) Em condução e com I < IH Bloqueio IH e VH : Corrente e tensão de manutenção em condução. VBO : ordem de alguns volts até centenas de volts. IBO : ordem de centenas de A. Dispositivo para operação em baixas potências. Característica Volt-Ampère Polarização Inversa Região de Saturação Região de Resistência Negativa Região de Corte direto VAC I VH VBO VBR Região Corte Inverso IBO IH Polarização Direta O SCR (A) Anodo (C) Cátodo Gate (G) Símbolo Q2 Catodo GateQ1 Anodo Circuito Equivalente Construção Básica A C G C Q1 Q2 • O SCR foi desenvolvido em 1965 pelo Bell Telephone Laboratory (EUA). • É ainda hoje um dos principais dispositivos interruptores para elevadas tensões e potências (operação em baixas freqüências, tipicamente menores que 2 kHz). A DIFERENÇA em relação ao Diodo Schokley é a presença do terminal de GATE, com a finalidade de modificar a tensão de entrada em condução (VBO). O SCR Funcionamento Básico •Quando uma corrente Ig positiva é aplicada, Ic2 e Ik crescerão. •Como Ic2 = Ib1, T1 conduzirá e teremos Ib2=Ic1 + Ig, que aumentará Ic2 e assim o dispositivo evoluirá até a saturação, mesmo que Ig seja retirada. •O componente se manterá em condução desde que, após o processo dinâmico de entrada em condução, a corrente de anodo tenha atingido um valor superior ao limite IL, chamado de corrente de manutenção ("latching“). •Para que o tiristor deixe de conduzir é necessário que a corrente por ele esteja abaixo do valor mínimo de manutenção (IH), permitindo que se restabeleça a barreira de potencial em J2. (Não basta: aplicação de uma tensão negativa entre anodo e cátodo) O SCR Funcionamento Básico •Máxima taxa de crescimento da corrente de anodo (di/dt): fisicamente, o início do processo de condução de corrente pelo tiristor ocorre no centro da pastilha de silício, ao redor da região onde foi construída a porta, espalhando-se radialmente até ocupar toda a superfície do catodo, à medida que cresce a corrente. Mas se a corrente crescer muito rapidamente, antes que haja a expansão necessária na superfície condutora, haverá um excesso de dissipação de potência na área de condução, danificando a estrutura semicondutora. Este limite é ampliado para tiristores de tecnologia mais avançada fazendo-se a interface entre gate e catodo com uma maior área de contato, por exemplo, 'interdigitando" o gate. Em condução VAC iA VH VBO -VBR Bloqueio Reverso IBO IH Polarização direta iG > 0 iG =0 Bloqueio direto Características Estáticas para o SCR Característica Volt-Ampère • Com o aumento da corrente de gate, diminui a tensão direta de entrada em condução (VBO). • Em condução a característica é similar ao diodo PN. • Não existe capacidade de bloqueio pelo terminal de gate após a entrada em condução. • Dispositivo com características em condução de portadores minoritários. • Características de reduzidas resistências e tensões em condução, permitindo a aplicação em elevadas tensões e potências (5000 - 6000 V e 1000 - 2000 A) - 1998. • Bloqueio através da redução da corrente à valores inferiores à IH (corrente de manutenção), uma vez que, mesmo com a inversão da corrente de gate, não é possível bloquear o SCR. Acionamento: Tensão VAK>VB0, VAK>0+Ação de corrente no gate, Taxa de Crescimento da Tensão Direta (dv/dt), Temperatura e Energia Radiante; vG t t IG iG G10% I vAC 90% E 10% E t tftd ton E Características Dinâmicas para o SCR Entrada em Condução Bloqueio E1 iA tq tinv t1t0 VAC IRM E2 t Qrr 2E + V • td : Tempo de retardo • tf : Tempo de descida de VAC • ton : Tempo de entrada em condução td é a maior parcela e depende da amplitude e velocidade de crescimento de iG. — tf independe de iG. — ton (tipicamente entre 1s- 5 s) • tq : Tempo mínimo de aplicação de tensão reversa durante o processo de bloqueio. — tipicamente : (10 s <tq < 200 s). i t G 1 2 Curva 1 - Disparo Lento Curva 2 - Disparo Rápido Característica Comando Portanto, o SCR é um dispositivo para operação em baixas freqüências. O Triodo CA (TRIAC) O TRIAC Circuito Equivalente Construção Básica Símbolo (Tp2) Terminal Principal 2 Terminal Principal 1 (G) Gate • O TRIAC permite o controle de corrente nas duas direções. • Equivalente à dois SCRs conectados em anti-paralelo. SCR1 G1 SCR2 G2 Tp2 Tp1 P N P N P N P N Tp2 Tp1 SCR2 SCR1 G1 G2 N Tp2 Tp1 G P N N P N O TRIAC • Operação em dois quadrantes, com corrente de gate positiva ou negativa. • Embora seja bidirecional, sua sensibilidade é maior operando no 1o quadrante com Ig > 0 e tensões positivas ( G - TP1 eTP2 - TP1). • Operação em baixas potências — Tipicamente para correntes eficazes inferiores à 40 A • Operação em baixas freqüências — Tipicamente inferiores à 400 Hz. Ig VTP2 - TP1 VG -TP1 Quadrante Sensibilidade + + + 1 o >> - + - 1 o < + - + 3 o << - - - 3 o > Característica Volt-Ampère VTp2-Tp1 ITp2 +VH +VBO Operação 3 o Quadrante -VH +IH Ig0 = 0 Ig2 > Ig1 > Ig0 = 0 -IH Ig1 Ig2 -VBO Operação 1 o Quadrante O Diodo CA (DIAC) O DIAC Símbolo Construção Básica Característica Volt-Ampère I P P N I V N N • V VD Condução — I > 0 (1o Quadrante) • V -VD Condução — I < 0 (3o Quadrante) • Bloqueio I < IH (1o Quadrante) I > - IH (3o Quadrante) • IH : corrente de manutenção em condução. • VD : Tensão de disparo (entrada em condução) • Permite corrente nos dois sentidos. • Não há designação de terminais devido simetria (na prática ocorre pequena assimetria). • Aplicações em baixa potência V I +VH +VD Operação 3o Quadrante -VH +IH -IH -V D Operação 1o Quadrante O Tiristor Controlado pelo Gate (GTO) O GTO: Tiristor especialmente projetado de modo que a corrente de gate possa alterar de modo apreciável a corrente de manutenção (IH), permitindo o bloqueio pelo gate. O processo de entrada em condução é análogo ao SCR. Símbolo (A) Cátodo (G) Gate Ânodo I (C) • Corrente de gate positiva controla entrada em condução. • Corrente de gate negativa controla o bloqueio: — Aplicação tensão negativa gate-cátodo. • A estrutura de gate e cátodo são fortemente intercaladas, possibilitando uma forte ação de gate. Construção Básica O Tiristor Controlado pelo Gate (GTO) O GTO • A entrada em condução é tipicamente análoga ao SCR. — Quando em condução, a corrente de gate pode ser suprimida (como no SCR), não afetando sua operação. • O ganho de corrente de gate para o bloqueio é tipicamente baixo (entre 2 - 5), implicando em elevadas correntes de gate reversas. • Capacidade de bloqueio de elevadas tensões (acima de 4,5 kV). • Tensão em condução ( 2 - 3 V) maior do que o SCR. • Operação em baixas freqüências (tipicamente inferiores à 10 kHz). Característica Volt-Ampère • O bloqueio ocorre pela alteração de IH através do gate. Com corrente de gate negativa modifica-se IH até que seja superior à corrente de carga, provocando o bloqueio. VAC I VACmáx IH entrada em condução Ig1 >0 Ig2 >Ig1 VBR Bloqueio Ig < 0 IH: Corrente de manutenção em condução bloqueio (Ig <0) Ig = 0 Base Emissor Coletor Transistor Bipolar De Potência (BPT) Símbolo Construção Básica (E) (C) Coletor (B) Base Emissor O BPT é sempre do tipo NPN Corrente flui através do BPT verticalmente/transversalmente Base e emissor são distribuídos em seções interconectadas Em condução: Junções Base-Emissor e Coletor-Base são polarizadas diretamente. Bloqueio: corrente de Base nula ou junção Base-Emissor polarizada reversamente. O TBJ não suporta tensões no sentido oposto devido a alta dopagem do emissor que provoca a ruptura de J1 (5V a 20V); Junção J1 (B-E) diretamente polarizada e Junção J2 (B-C) reversamente polarizada; Os elétrons são atraídos do emissor pela potência + da Base; A camada central é fina para que a maior parte dos portadores tenham energia cinética para atravessá-la, chegando a região de transição de J2, e sendo atraídos pelo potencial positivo do Coletor; Características Estáticas do BPT Região Ativa: Boa regulação de corrente e elevadas perdas em condução. Região de Corte: IB = 0 Em condução: IB > IC / b Região Quase-Saturação Reduzido valor de VCE em condução. Para IB IBsat e IC ICsat Garante-se que: VCE VCEsat. Operação com: bF de 5 a 10. O ganho b reduz rapidamente para elevadas correntes. b : Ganho de Corrente bF : Ganho forçado B C I I Bsat Csat I I Região de Forte-Saturação Elevados tempos envolvidos durante o bloqueio (aumento tempo “estocagem”). Como interruptor: Região de quase- saturação (em condução) e corte (bloqueio). Característica Volt-Ampère Características Estáticas do BPT Região Quase-Saturação Gerada pela camada n- coletor; Análogo carga espacial diodos, ocorre estocagem de cargas em TBPs; Na região ativa J2 está reversamente polarizada, e ocorre acumulação de elétrons na região da base; Quando se aproxima da saturação J2 fica diretamente polarizada atraindo lacunas para o coletor. Estas lacunas associam-se com elétrons vindos do emissor e que estão migrando pelo componente, criando uma carga espacial que pode se estabelecer na região N- Representando um aumento na região da base, e na redução do ganho do transistor; Quando a carga ocupa toda a região N-, chega-se efetivamente a Saturação; Para o bloqueio toda a carga deve ser removida circuito de comando que minimize o tempo de desligamento e que minimize a dissipação de potência; aumento de IB emissor aberto BVsus BVCEU BVCBO VCE IC IB = 0 Limites de Operação Segura para o BPT Primeira Avalanche Primeira Avalanche (Ruptura) BVCBO: Máxima tensão entre coletor e base com emissor aberto. BVCEO: Máxima tensão entre coletor e emissor com base aberta (bloqueado). BVsus: Máxima tensão suportável entre coletor e emissor com corrente de base positiva (em condução). Segunda Avalanche (Ruptura) Devido elevadas concentrações de corrente numa determinada região (elevadas tensões ou correntes aplicadas durante reduzido tempo). Devido característica de coeficiente negativo de temperatura, o aumento da corrente reduz a resistência do componente que aumenta a corrente e a temperatura, e, assim sucessivamente até a ruptura. •Tensão VCE permanece praticamente constante (e elevada), com o rápido crescimento da corrente de coletor (IC). ton toff Características Dinâmicas do BPT • Carga Resistiva • Extração de corrente reversa de base reduz o tempo de “estocagem”. (1) Bloqueio (2) Atraso de entrada em condução (carga capacitância base-emissor) (3) Tempo de subida da corrente. (4-5) Em condução (6) Atraso do bloqueio (Tempo de “estocagem”) (descarga da capacitância base-emissor). (7) Tempo de descida da corrente (8-9) Bloqueado .... - vCC RL iC(t) + iB(t) RB vBE(t) + -vS(t) + - vCE(t) Conclusões Gerais para o BPT • O BPT tem sido substituído nos últimos anos por interruptores mais eficientes — Para baixas tensões ( <500 V) o BPT tem sido substituído pelo MOSFET. — Para tensões acima de 500 V o BPT tem sido substituído pelo IGBT. • Comparado com o MOSFET, o BPT apresenta maiores tempos durante as comutações (operação em menores freqüências). Contudo, o BPT apresenta menores perdas em condução. • Comparado com o IGBT, o BPT apresenta maiores tempos envolvidos nas comutações (maiores perdas nas comutações) e menor capacidade de corrente. — Para aplicações em tensões mais elevadas (> 500 V), o BPT aparece em alguns casos em configuração “Darlington”: E Q2 C Q1 B D O MOSFET de Potência Símbolo ConfiguraçãoBásica Dreno (D) Gate (G) (S) Fonte (Source) • MOSFET de Potência é normalmente do tipo CANAL N. Comprimento da região de gate é muito pequeno (@ 1 micron), e isolado do semicondutor por SiO2 (dióxido de silício) • O fluxo de corrente é vertical através da seção do dispositivo. • Bloqueado: Junção P-n- reversamente polarizada (sem tensão de gate). — Resistência elevada (grande área de depleção) Corrente de Dreno Dreno Canal Fonte (Source) Di Gate O MOSFET em Condução • Tensão positiva de gate induz a condutividade do canal • A corrente flui através da seção vertical do dispositivo. • A resistência total em condução é dada pelo somatório das resistências da região n-, do canal, terminais de contato de dreno e fonte (source). • Junção p-n- resulta num diodo Di em anti-paralelo com o sentido de condução dreno-source. • Tensão negativa dreno-source polariza diretamente o diodo Di Obs: O diodo intrínseco Di apesar de suportar tensões e correntes nominais, possui tempos de comutação maiores do que aqueles para o próprio MOSFET •Vgs>0: repele lacunas região P, deixando carga negativa, mas sem portadores livre; •Se Vgs=Vgsth, elétrons livres em P são atraídos e formam um canal N dentro da região P por onde flui corrente de D para S. •Elevando Vgs, mais portadores são atraídos, ampliando o canal e reduzindo Rds, e assim o aumento de Id (Região Ôhmica); •A passagem de Id pelo canal produz uma queda de tensão que leva ao seu afunilamento (+ largo perto de N+ e + fino na região n-); Características Estáticas do MOSFET Característica Volt-Ampère • Região ôhmica: Região de interesse para operação como interruptor. • Região Ativa: Regulação de corrente melhor do que o BPT. • Região Corte: VGS < VGS(th) - VGS(th), tensão (G-S) mínima para entrada em condução. • Entrada em Condução VGS >> VGS(th) tipicamente: 10 VGS 20 • Bloqueio VGS < VGS(th) • A resistência em Condução (RDSon) possui coeficiente de temperatura positivo, facilitando a operação em paralelo de MOSFETS. • Circuito de Comando, com características de fonte de tensão, mais simples do que aqueles para o BPT (comando com carac- terísticas de fonte de corrente). Características Estáticas do MOSFET VDS [V] ID [mA] 4 2 8 4 12 0 VGS = 2,5V VGS = 3V VGS = 3,5V VGS = 4V VGS = 4,5V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V Comportamento Resistivo VGS < VTH = 2V < 4,5V Comportamento como circuito aberto 10V + - VDS ID + - VGS G D S Comportamento como Fonte de Corrente Características Dinâmicas para os MOSFETs Capacitâncias Equivalentes dos MOSFETs • Cgd : Pequena e altamente não linear. • Cgs: Elevada e praticamente constante. • Cds : Média e altamente não linear Os tempos de comutação são determinados pelas taxas de carga e descarga de Cgs e Cgd (Ciss). Características Dinâmicas - Carga Resistiva Normalmente : fofff)off(d ronrd(on) tttt tttt @ @ • td(on): Tempo de carga de Ciss até VGS(th). ID @ 0 e VDS @ VDD • tr : Tempo de descarga de Coss até VDS(on). • td(off): Tempo de descarga de Ciss. • tf : Tempo de crescimento da tensão VDS (Carga Cds). Ciss = Cgd + Cgs Coss = Cgd + Cds ID (VDD)90% tf toff td(off) VDS(on) 90% tr ton td(on) (VDD) VDS ID VGS 10% VGS(th) 10% 10% 90%(D) Gate (G) (S) cDS Cgd Cgs Alguns Dados Técnicos para Diferentes MOSFETs RDSon rapidamente aumenta com o aumento de VDSmax suportável (para mesmo valor de ID). Alguns Dados Técnicos para Diferentes MOSFETs Avanços de RDS(on) em dispositivos de VDSS elevado (600V-1000V) MOSFET década 2000 MOSFET década 1980 Alguns Dados Técnicos para Diferentes MOSFETs Componente VDSmax Corrrente Média (Id) RDSon IRFZ48 60 V 50 A 0,018 W IRF510 100 V 5,6 A 0,54 W IRF540 100 V 28 A 0,077 W APT10M25BNR 100 V 75 A 0,025 W IRF740 400 V 10 A 0,55 W MTM15N40E 400 V 15 A 0,3 W APT5025BN 500 V 23 A 0,25 W APT1001RBNR 1000 V 11 A 1,0 W MOSFETs possuem características de reduzidos tempos durante as comutações (freqüências típicas de dezenas à centenas de kHz). RDSon rapidamente aumenta com o aumento de VDSmax suportável. Circuito de comando de gate muito simples. A escolha dos MOSFETs normalmente são para aplicações com VDSmax < 500 V. Aplicações de MOSFETs com capacidade de bloqueio em torno de 1000 V são para baixas potências (não superior à 100 W). O Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Símbolo Coletor (C) (G) (E) Emissor Gate Circuito Equivalente Construção Básica Coletor Emissor Gate i2 i1 Localização do circuito equivalente • Construção similar ao MOSFET, exceto devido à região p adicional. • Condução de portadores minoritários, como nos BPTs. • Tempos de comutação maiores do que os MOSFETs e menores do que os BPTs. • Aplicável onde se deseja elevadas tensões VCE. Portadores minoritários Emissor Coletor Gate C (G) E i2i1 iL vA(t) iA(t) VCE t pA(t) = vA iA vgiL t t3t2t1t0 Woff Características Estáticas e Dinâmicas do IGBT Características Estáticas Características Dinâmicas Comando com características de fonte de tensão (similar ao MOSFET) Região de trabalho: VGE tipicamente entre 12V - 20V, resultando em VCEon reduzida (redução perdas em condução). Dispositivo com características de coeficiente positivo de temperatura, facilitando o paralelismo. * Observa-se que existem IGBTs com coeficiente negativo. td(on): Retardo na entrada em condução tr: Tempo de subida de IC td(off): Retardo no bloqueio tf: Tempo de descida de IC Obs: A corrente de cauda pode envolver 20% de toff, limitando o aumento da freqüência de operação. presença da corrente de cauda “tail current” (Woff) Detalhe das Perdas Durante o bloqueio 90% 90%90% 10% 10% t t t VGE VCE CI ont toff tf td(off)td(on) t tfc 10% tic corrente de cauda r Alguns Dados Técnicos para Diferentes IGBTs Componente VCEmax Corrrente Média VCE(on) tf HGTG32N60E2 600 V 32 A 2,4 V 0,62 s HGTG30N120D2 1200 V 30 A 3,2 A 0,58 s Módulos CM400HA-12E 600 V 400 A 2,7 V 0,3 s CM300HA-24E 1200 V 300 A 2,7 V 0,3 s As aplicações para o IGBT normalmente encontram-se para elevados níveis de tensão VCE (500 a 1700 V) e elevadas potências (1-1000 kW). IGBTs com coeficiente positivo de temperatura facilitam o paralelismo. IGBTs com coeficiente negativo de temperatura apresentam reduzidas perdas em condução. Circuitagem de controle muito simples (similar aos MOSFETs). Mais lentos do que os MOSFETs, contudo, mais rápidos do que os BPTs, GTOs e SCRs. Freqüências típicas de utilização: Comutação dissipativa: 3-30 kHz (1998)/2010 Comutação não dissipativa: até 200 kHz - Comparações Gerais Entre os Principais Interruptores em Eletrônica de Potência Dispositivos Diodo Potência BPT MOSFET IGBT SCR GTO Característica de Ataque ----- Em corrente Em tensão Em tensão Em corrente Em corrente Potência envolvida no comando----- Média para Elevada Muito Baixa Muito Baixa Média para Elevada Elevada Complexidade do Circuito de Comando ----- Elevada Muito Baixa Muito Baixa Baixa Elevada Densidade de Corrente Média para Elevada Média Elevada para Baixa Elevada Elevada Média para Elevada Máxima Tensão Suportável Média Média Média para Baixa Média para Elevada Elevada Elevada Freqüência de Operação Média para Elevada Baixa para Média Elevada Média para Baixa Baixa Baixa Perdas nas comutações (circuitos convencionais) Baixa para Média Média para Elevada Muito Baixa Média para Elevada Elevada Elevada Dificuldade de Paralelismo Muito Baixa Média para Elevada Baixa Baixa (coef. positivo) Média Média
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