Aula2_dispositivos semicondutores

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Dispositivos Semicondutores de Potência
Atualmente, os semicondutores são compostos essencialmente por silício. Podem
ser classificados da seguinte forma:
i) Não controláveis – Mudam de estado de acordo com as características do
circuito, ou seja, não é possível controlar as mudanças de estado.
ii) Parcialmente controláveis - Possibilidade em controlar apenas uma
mudança de estado, se o semicondutor estiver diretamente polarizado.
iii) Totalmente Controláveis – Possibilidade em controlar as mudanças de
estado, independente do semicondutor estar ou não diretamente
polarizado.
 Classificação dos Semicondutores
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 Diodos
Dispositivos Semicondutores de Potência
Os diodos correspondem a dispositivos não controláveis, com
estrututa PN, que dentro dos seus limites de tensão e corrente
permite a passagem de corrente num único sentido.
0 vF (i)
Região de 
bloqueio 
reverso
Curva característica i-v
0
Símbolo:
a k
iD
+ -
vak
iD
i
vak
iD
vak
Característica Ideal
O diodo entra em condução quando a tensão aplicada sobre o anodo – catodo
(vak) for maior do que a tensão de polarização ( 0.7v), representada por vF (i).
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 Diodos – Tempo de Recuperação Reversa (trr)
Quando ocorre a transição do estado ON para o estado OFF, a corrente no diodo (iD) fica
“temporariamente” negativa, durante o intervalo de tempo denominado por trr . Esta
corrente de recuperação reversa resulta da recombinação entre elétrons e lacunas até que
o diodo restaure a barreira de potencial.
t0
IRM
trr
turn - off
iD
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-Diodo Schottky
- São diodos projetados de modo a reduzir a queda de tensão quando estão em condução
(em torno dos 0,3 V), de modo a reduzir as perdas no mesmo. Contudo estes diodos são
para aplicações de tensões baixas, da ordem de 50 V a 100 V.
-Diodos Fast-Recovery
- São diodos que apresentam um tempo de recuperação reversa muito pequeno, da ordem
de 30 a 50 ns. São utilizados em conjunto com dispositivos controláveis de elevada
freqüência, onde um tempo de recuperação reversa é necessário.
-Diodos de Alta Potência
-São diodos capazes de suportar tensões reversas de bloqueio da ordem de 4 a 5 kV e
conduzindo correntes variando entre 4 a 5 kA.
Dispositivos Semicondutores de Potência
 Alguns tipos de diodos
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 Tiristores
Os tiristores são dispositivos semicondutores parcialmente controláveis (controle
somente da mudança de estado OFF para o estado ON). O tiristor deixa de
conduzir a partir do instante em que não se encontra mais diretamente
polarizado.
Símbolo:
a k
iA
+ -
vak
G
vAK
iA
0
Região de 
bloqueio 
reverso
On
Off
Transição OFF - ON
Curva característica i-v
Tensão 
Reversa de 
bloqueio
Tensão em 
avanço de 
bloqueio
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 Disparo e Corte no Tiristor
Para o tiristor entrar em condução, se faz uso de um circuito auxiliar entre a gate e
o catodo de modo a circuilar uma corrente de excitação. Uma vez que o tiristor
esteja em condução, o circuito poder removido que o mesmo permanece em
condução.
vAK
iA trr
tq
t
t
t~ iG
R vS
0 T/2 T
iA
vAKvAK
iAvS
Durante o intervalo tq o tiristor precisa ser mantido inversamente polarizado, para
reestabelecer a barreira de polarização. Do contrário, se uma tensão positiva for aplicada
ao seus terminais , o tiristor entra em condução !!!
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 Circuito SNUBBER - Tiristor
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O objetivo deste circuito é evitar problemas devidos a valores elevados tanto de dv/dt
quanto de di/dt, durante os transitórios de mudança de estado. Para limitar o
crescimento da corrente pode-se utilizar um reator saturável em série com o tiristor. Para
limitar o crescimento da tensão, podem ser utilizados circuitos auxiliares conforme
mostrados abaixo.
R
C
R1
C
R2
R1
C
L
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 Acionamento - Tiristor
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Abaixo é mostrado um circuito exemplo para comandar o tiristor. Uma vez que esteja
diretamente polarizado, o tiristor entra em condução mediante a um trem de pulsos de
tensão controlados. Uma vez que o tiristor esteja conduzindo, o circuito auxiliar pode ser
desligado.
Rg Vg
A K
G
i
vS
Circuito de Disparo
Ch carga
Dispositivos Semicondutores de Potência
 Leitura Complementar
Material para Estudo Complementar:
- Notas de aula do Prof. José Antenor Pomílio (UNICAMP)
Referências:
[1] - Tanabe, S.; Irokawa, S.; “Recent Technical advancement of Thyristor valve for HVDC
Transmission System,” International Conference on Energy Management and Power
Delivery – EMPD’95, vol.1, pp. 394 – 398.
[2] - Yamamoto, M.; Satoh, K.; Nakagawa, T.; Kawakami, A.; “GCT (gate commutated turn-
off) Thyristor and gate drive circuit,” 29th Annual IEEE Power Electronics Specialists
Conference (PESC - 1998), vol. 2, pp. 1711 – 1715.
[3] - Abbott, K. M.; Wheeler, J. D.; “Simulation and Control of Thyristor Drives,” IEEE
Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation, Issue:2, Maio 1978, pp.
130 – 137.
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 Semicondutores Totalmente Controláveis
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Vd
Id
vt
it
t
f(t)
Vd
Id
tri
vt(t)
it(t)
tfv trv tfi
Comportamento de uma chave ideal durante as mudanças de estado. Análise da energia 
dissipada durante as mudanças e em condução.
 GTO – Gate Turn-Off Thyristor
Dispositivos Semicondutores de Potência
Assim como o tiristor, o GTO é acionado a partir de uma corrente na gate. Uma vez em
condução, o circuito que alimenta a corrente na gate iG pode ser removido. A mudança de
estado de condução para o estado de bloqueio ocorre a partir da tensão gate-catodo
negativa, resultando numa corrente iG negativa. Esta corrente negativa deve ter um valor
elevado (na ordem de 1/3 da corrente iA ).
a k
iA
+ -
vak
G
vAK
iA
0
0
Off-state
Off
On
Turn-on
Turn-off
Símbolo
Curva característica i-v
vAK
iA
Característica Ideal
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 Transitório ON-OFF
iA vAK
RGate 
drive 
circuit
GTO C
K
G
A
Circuito 
Snubbert
0
O GTO não suporta elevada variação de tensão (dv/dt) durante o transitório em
que muda do estado ON para o estado OFF. Com isso, há a necessidade em utilizar
circuitos SNUBBER para atenuar a variação de tensão.
Mudança de Estado ON - OFF
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Fonte de Referência:
B.K.Bose – Modern Power
Electronics and AC drives
2002, Prentice Hall – Inc.
 Transitórios OFF-ON e ON-OFF
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ts -> Tempo necessário para
que a corrente iA comece a
decair;
tf -> Tempo em que iA decai
com maior di/dt;
td -> Tempo mínimo necessário
que a corrente iG deve ser
mantida para que o GTO não
entre em condução.
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 Demais Características
- Durante o transitório do estado OFF para o estado ON, o GTO apresenta um
intervalo de tempo (ton) entre 1 a 2 micro segundos.
- Durante o transitório do estado ON para o estado OFF, o GTO apresenta um
intervalo de tempo (toff) entre 5 a 10 micro segundos.
- Ainda é utilizado em potências elevadas podendo suportar tensões de bloqueio
da ordem de 6kV e conduzir correntes de até 6 kA. Desse modo, este dispositivo
ainda é utilizado em inversores de ordem elevada (na ordem dos MW).
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 Leitura Complementar
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[1] - Sumi, H.; Kobayashi, S.; Morimoto, M.; Sugimoto, S.; Ise, T.; “Detailed Circuit Simulation
During Switching Transient of GTO Circuit,” 6th Workshop on Computers in Power
Electronics, 1998, pp. 11 – 16.
[2] - Honbu, M.; Matsuda, Y.; Miyazaki, K.; Jifuku, Y.; “Parallel Operation Techniques of GTO
Inverter Sets for Large AC Motor Drives,” IEEE Transactions on Industry Applications, Issue:2,
pp. 198 – 205, Março de 1983.
[3] - Ronsisvalle, C.; Enea, V.; Abbate, C.; Busatto, G.; Sanseverino, A.; “Perspective
Performances of MOS-Gated GTO in High-Power Applications,” IEEE Transactions on Electron
Devices, Issue:9, vol.57, pp. 2339 – 2343, Setembro de 2010.
Dispositivos Semicondutores de Potência
 Transistores Bipolar de Junção (TBJ)
Os transistores bipolar de junção são dispositivos totalmente controláveis, com capacidade
de operar com resposta em freqüência média entre 20 a 50 kHz, desde que sejam
submetidos a aplicações que envolvam centenas de Watts. Em aplicações para dezenas de
kW, a freqüência média de chaveamento decai para 2 a 5 kHz.
B
C
E
Símbolo
Transistor NPN
iC
iB
iE
B
C
E
Símbolo
Transistor PNP
iE
iB
iC
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O controle de Vbe determina a corrente de base, Ib, que, por sua vez, se relaciona com Ic pelo 
ganho de corrente do dispositivo.
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 Regiões de Operação do TBJ
Região de Corte
-TBJ não conduz corrente. Junção base-emissor e base-coletor reversamente polarizadas.
Região Ativa
-TBJ conduz corrente mediante a corrente imposta na base. Junção base-coletor
reversamente polarizada e a junção base-emissor diretamente polarizada.
Região de Saturação
-Junção base-coletor e base-emissor diretamente polarizadas. Tensão vCE reduz para
aproximadamente 0,2 V (transistor NPN), limitando a corrente conduzida pelo TBJ.
Região Ativa Reversa
- Junção base-coletor está reversamente polarizada e a junção base-emissor diretamente
polarizada. Corrente do emissor muito baixa com a corrente do coletor praticamente igual
corrente da base.
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Característica Emissor-Comum:
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 Curvas Características Emissor-Comum (TBJ)
iB1
iB2
iB3
iB4
iB5
0
i
iC
vCE
Região de saturação (vCE ≈ 0,2v)
0
iC
vCE
Característica Ideal:
Off
On
Região ativa
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Com o transistor conduzindo (Ib>0) e operando na 
região ativa, o limite de tensão Vce é Vces. Se atingido, 
ocorre um fenômeno chamado de primeira ruptura.
Dispositivos Semicondutores de Potência
 Curvas Características Base-Comum (TBJ)
iE1
iE2
iE3
iE4
iE5
0
i
iC
vCB
Região de saturação (vCE ≈ -0,4v)
Região ativa
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0
iC
vCB
Característica Ideal:
Off
On
Característica Base - Comum:
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 Configuração Darlington (TBJ)
A configuração darlington é utilizada para aumentar o ganho de corrente como
também prover aumento da capacidade do transistor em suportar ternsões de
bloqueio maiores e conduzir correntes de maior magnitude.
iC
B
C
E
vCE
vBE
iCib
B
C
E
vCE
vBE
Ganho de 
Corrente: 
20 ~ 100
Exemplo: 
1400V / 600A
ib
20
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 Transistores de Efeito de Campo MOSFET
Assim como o Transistor Bipolar de Junção, o Transistor de Efeito de Campo
também é um dispositivo totalmente controlável, a partir do controle da tensão
aplicada entre a gate e a source (vGS). Em eletrônica de potência é mais comum a
utilização do FET com tecnologia MOS (Metal Oxide Semicondutor).
Símbolo
MOSFET Canal N
NMOS
Símbolo
MOSFET Canal P
PMOS
G
S
D
iD
iSvGS
G
S
D
iS
iD
vGS
iG
iG
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 Características Básicas NMOS
5V
vGS=7V
0
6V
4V
OniD
vDSOff
0
iD
Off
On
vDS
Característica Ideal:
iG
1A
1A 0.5 A iD = 25 A
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Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Faculdade de Engenharia - Departamento de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações
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Dispositivos Semicondutores de Potência
 Demais Características MOSFET
 Capacidade de operar com freqüências de chaveamento de até algumas
centenas de kHz (ton=100ns e toff=200ns);
 Capacidade de operar com freqüências de 50 kHz submetido a potências de
até 10 kW;
 Correntes de gate muito baixas (exemplo, para uma corrente id de 25 A é
necessário uma corrente de gate com valor máximo de 1A);
 Perdas elevadas durante a condução.
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 IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
- O IGBT é um dispositivo semicondutor relativamente moderno, utilizado em quase todos
os segmentos envolvendo a eletrônica de potência.
- Similar ao MOSFET, o IGBT apresenta uma impedância interna elevada, o que requer
somente uma “pequena” quantidade de energia para ser acionado.
- Similar ao TBJ, o IGBT apresenta uma pequena tensão VCEquando está em condução, com
capacidade de suportar tensões de valor elevado (Von de 2 a 3 volts com capacidade de
bloqueio de até 1000V, por exemplo).
iC
iG
G
C
E
Símbolo
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 Exemplo de Curva Característica (iC x vCE)
Carcaterísticas do IGBT:
POWEREX 
IPM CM150 TU – 12 H 
-600 V / 150 A
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 Características de Chaveamento
- Durante o transitório do estado
OFF para o estado ON, o IGBT
apresenta um intervalo de
tempo (ton) na ordem de 1 us.
- Durante o transitório do estado
ON para o estado OFF, o IGBT
apresenta um intervalo de
tempo (toff) na ordem de 2 us.
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(a) (b)
1,2 kV / 2 kA (200 V/div, 500 A/div, 200 ns/div (a) 25ºC (b) 125º
Tensão Tensão
Corrente Corrente
300 ns
 Características de Chaveamento - exemplo
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 Leitura Complementar
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Referências:
[1] - Takahashi, Y.; Yoshikawa, K.; Soutome, M.; Fujii, T.; Kirihata, H.; Seki, Y.; “2.5kV – 1kA
power pack IGBT (high power flat-packaged NPT type RC - IGBT),” IEEE Transactions on
Electron Devices, Issue:1, vol.46, pp. 245- 250, Janeiro de 1999.
[2] - Mihalic, F.; Jezernik, K.; Krischan, K.; Rentmeister, M; “IGBT SPICE Model,” IEEE
Transactions on Industrial Electronics, Issue:1, vol.42, pp. 98 – 105, Fevereiro de 1995.
[3] - Zorngiebel, V.; Hecquard, M.; Spahn, E.; Welleman, A.; Scharnholz, S.; “Modular 50-kV
IGBT Switch for Pulsed-Power Applications,” IEEE Transactions on Plasma Science, Issue:1,
vol. 39, pp. 364 – 367, Janeiro 2011.
Dispositivos Semicondutores de Potência
 IGCT – Integrated Gate-Commutated Thyristor
a k
iA
+ -
vak
G
Símbolo
O IGCT é um tipo de GTO onde o circuito de gatilho é
integrado à chave permitindo assim uma maior velocidade
de chaveamento, com um menor intervalo de tempo
durante o transitório em que o IGCT é desligado.
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PrincipalPrincipal CaraterísticaCaraterística::
Integração do circuito de comando junto ao dispositivo de potência!!!
ConseqüênciaConseqüência::
 Tempo de desligamento na ordem de 1 us);
 Eliminação dos problemas de dv/dt observados no GTO.
AspectoAspecto NegativoNegativo::
 É desligado a partir de uma corrente reversa na gate com a mesma amplitude da
corrente no anodo.
4,5 kV IGCT Com Circuito de Gate
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 IGCT – Exemplo
Controllable turn-off current (snubber capacitor)
Características 
3kA (0F) 
4kA (3F)
Storage time 2,5 s at 3 kA
Turn-on di/dt 1000 A/s
On voltage 3,8 V at 3 kA
Gate trigger current 4 A at 25ºC
Thermal Resistence (Junction / sink) 0,11ºC/W
Gate off-current = Anode current
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Referências: 
[1] – Steimer, P.K. et al.; “IGCT-a new emerging technology for high power, low cost 
inverters,” IEEE Industry Applications Magazine, vol. 5, Issue: 4, pp.12 – 18, Julho / Agosto 
de 1999.
[2] – Yongsug, S.; Steimer, P.K.; “Application of IGCT in High – Power Rectifiers,” IEEE 
Transactions on Industry Applications, Issue:5, vol.45, pp. 1628 – 1636, Setembro / Outubro 
de 2009.
[3] - Hermann, R.; Bernet, S.; Yongsug Suh; Steimer, P.K.; “Parallel Connection of Integrated 
Gate Commutated Thyristors (IGCTs) and Diodes, ” IEEE Transactions on Power Electronics, 
Issue: 9, vol.24, Setembro de 2009.
 Leitura Complementar
POTÊNCIA X FREQUÊNCIA
SCR
GTO e IGCT
IGBT
MOSFET
Potência (W)
Frequência (Hz)
10M
1M
100k 
10k 
1k 
100 60 1k 10k 100 k 1M
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