Aula2_dispositivos semicondutores
33 pág.

Aula2_dispositivos semicondutores

Disciplina:eletrÔnica de potÊncia305 materiais23.919 seguidores
Pré-visualização3 páginas
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

1

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Centro Técnico Científico - Departamento de Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência (ENG 1452)
Prof. Luís Fernando Monteiro

 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).

2

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Centro Técnico Científico - Departamento de Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência (ENG 1452)
Prof. Luís Fernando Monteiro

Dispositivos Semicondutores de Potência

 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

3

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Centro Técnico Científico - Departamento de Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência (ENG 1452)
Prof. Luís Fernando Monteiro

-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

4

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Centro Técnico Científico - Departamento de Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência (ENG 1452)
Prof. Luís Fernando Monteiro

Dispositivos Semicondutores de Potência

 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

5

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Centro Técnico Científico - Departamento de Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência (ENG 1452)
Prof. Luís Fernando Monteiro

Dispositivos Semicondutores de Potência

 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 !!!

6

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Centro Técnico Científico - Departamento de Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência (ENG 1452)
Prof. Luís Fernando Monteiro

Dispositivos Semicondutores de Potência

 Circuito SNUBBER - Tiristor

7

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Centro Técnico Científico - Departamento de Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência (ENG 1452)
Prof. Luís Fernando Monteiro

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

Dispositivos Semicondutores de Potência

 Acionamento - Tiristor

8

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Centro Técnico Científico - Departamento de Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência (ENG 1452)
Prof. Luís Fernando Monteiro

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.

9

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Centro Técnico Científico - Departamento de Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência (ENG 1452)
Prof. Luís Fernando Monteiro

Dispositivos Semicondutores de Potência

 Semicondutores Totalmente Controláveis

10

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Centro Técnico Científico - Departamento de Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência (ENG 1452)
Prof. Luís Fernando Monteiro

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

11

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Centro Técnico Científico - Departamento de Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência (ENG 1452)
Prof. Luís Fernando Monteiro

Dispositivos Semicondutores de Potência

 Transitório ON-OFF

iA vAK

RGate
drive
circuit

GTO C

K
G

A

Circuito
Snubber