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Componentes semicondutores em Eletrônica de Potência

• Diodo

• MOSFET

• IGBT

1 Prof. Cassiano Rech

Introdução


O que é um conversor estático de potência?

“Um conversor estático pode ser definido como um sistema constituído por elementos passivos (resistores, capacitores, indutores, ...) e elementos ativos (interruptores), associados de uma forma pré-

estabelecida para o controle de fluxo de energia elétrica”

Interruptores i

+ v -

CARACTERÍSTICAS IDEAIS Queda de tensão deve ser nula em condução

Corrente deve ser nula quando bloqueado

Tempos de comutação nulos (entrada em condução e bloqueio instantâneos)

ESTÁGIOS DE OPERAÇÃO Aberto, desligado ou bloqueado

Fechado, ligado ou conduzindo Durante a comutação entre os estágios

descritos acima

Introdução


• Operações básicas desejadas Operação em um quadrante i

v

i

v

i

v

i

v

Operação em dois quadrantes com

corrente bidirecional

Operação em dois quadrantes com

tensão bidirecional

Operação em quatro quadrantes

Diodo MOSFET

IGBT com diodo em anti-paralelo

Tiristor Arranjo de diodos com transistores

Introdução

4 Prof. Cassiano Rech Fonte: Mohan, Undeland, Robbins, “Power Electronics”, Second edition.

S

( SiC )5 Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira

Semicondutores de Potência

• Evolução

Fonte: BOSE, Bimal K. Power electronics and motor drives: advances and trends.

6

Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira


• Evolução

Freqüência de comutação [Hz]10 10 2 103 104 105 10610

102

103

104

105

106

107

108

TRIAC

THYRISTOR

IGBTDISCRETE

IGCTGTO

IGBT IPM

POWERMOSFET

Potê

ncia

pro

cess

ada

(VI)

Fonte: BOTTENBERG, A. L.; OLIVEIRA, S.V.G. Conversor matricial indireto para acionamento de motor de indução trifásico. Disponível em: <http://www.bc.furb.br/docs/DS/2010/348555_1_1.pdf>

O diodo de potência


Símbolo i

v

Característica i-v ideal

Característica i-v real

Não são facilmente operados em paralelo, devido aos seus coeficientes térmicos de condução serem negativos

Pode conduzir reversamente durante um tempo trr, que é especificado pelo fabricante

Operação em um quadrante

Dispositivo não controlado, que comuta em resposta ao comportamento do sistema

O diodo entra em condução quando a tensão vak torna-se positiva

Permanece em condução até o instante que a corrente se tornar negativa

A

K

on

off



Característica dinâmica de um diodo de potência

Na entrada em condução (turn-on), o diodo pode ser considerado um interruptor ideal pois ele comuta rapidamente;

No bloqueio, a corrente no diodo torna-se negativa por um período, chamado de tempo de recuperação reversa, antes de se tornar nula e o diodo bloquear;

Durante esse período, são removidos os portadores de carga armazenados na junção durante a condução direta.

Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Second edition



Tipos de diodos de potência

• Diodos convencionais (standard) Tempo de recuperação reversa não é especificado Operação normalmente em 50 Hz ou 60 Hz

• Diodos rápidos e ultra-rápidos (fast/ultra-fast) Tempo de recuperação reversa e carga armazenada na capacitância de

junção são especificados pelos fabricantes Operação em médias e altas freqüências

• Diodos 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)



Fonte: International Rectifier (http://www.irf.com)

11 Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira


onon on o on o

s

tP V I V I DT

⋅= ⋅ = ⋅ ⋅

• Perdas em condução

• Perdas de comutação

[ ])off(c)on(c.s.o.ds ttfIV21P +=

• Transistores de potência Comutação de um interruptor

ideal

Fonte: MOHAN, N; UNDELAND, T. M; ROBBINS, W. P. Power electronics: converters, applications, and design.2nd ed. New York : John Wiley, c1995. xvii, 802 p, il.

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Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira


• Características desejáveis em interruptores totalmente controlados

reduzida corrente de fuga

reduzida queda de tensão direta

alta capacidade de bloqueio

coeficiente de temperatura

positivo

circuito de comando

simplificado

não haver sobreposição de

tensão e corrente na comutação

reduzidas dv/dt e di/dt

MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor


Símbolo i

v



D (dreno)

S (source)

on

off G (gate)

on (condução reversa)

Possui um diodo intrínseco em anti-paralelo, também conduzindo correntes negativas

O diodo intrínseco possui tempos de comutação maiores do que o MOSFET

A resistência em condução RDSon possui coeficiente de temperatura positivo, facilitando a operação em paralelo

Semicondutor totalmente controlado, através de uma tensão aplicada entre gate e o source

Quando uma tensão vgs adequada é aplicada, o MOSFET entra em condução e conduz correntes positivas (i > 0)

Com a remoção da tensão vgs, o MOSFET bloqueia tensões positivas (vds > 0)


MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Circuito equivalente de um MOSFET

Cgs: elevada e praticamente constante Cgd: pequena e altamente não linear Cds: média e altamente não linear Os tempos de comutação são determinados

pelo tempo necessário para carregar e descarregar essas capacitâncias

A taxa de variação da corrente de dreno é dependente da taxa de variação da tensão vgs (definida pelo circuito de comando)

A capacitância Cds leva a perdas de comutação, uma vez que a energia armazenada nessa capacitância é geralmente perdida durante a entrada em condução do MOSFET (turn-on capacitive losses)



MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor

MOSFETs possuem reduzidos tempos de comutação (freqüências típicas de dezenas à centenas de kHz)

RDSon aumenta rapidamente com o aumento da tensão vds suportável MOSFETs normalmente são para aplicações com tensão vds < 500 V Muitas vezes, um MOSFET é escolhido pelo valor de sua resistência em condução ao

invés da especificação de corrente

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor


Símbolo i

v



C (coletor)

E (emissor)

on

off G (gate)

off

Tempos de comutação maiores do que os MOSFETs

Aplicável onde se desejam elevadas tensões entre o coletor e o emissor

Dispositivo com características de coeficiente de temperatura positivo, facilitando o paralelismo (também existem com coeficiente negativo)

Quando uma tensão vge adequada é aplicada, o IGBT entra em condução, conduzindo correntes positivas (i > 0)

Quando a tensão vge é removida, o IGBT bloqueia, podendo suportar tensões negativas



Características dinâmicas do IGBT



Fonte: Powerex

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Cálculo de perdas nos componentes

Prof. Yales Rômulo de Novaes

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Dimensionamento dos interruptores

Pré-escolha dos semicondutores:

a) A pré-escolha é feita com base no valor médio de corrente e tensão de bloqueio.

b) Posteriormente, com uma população de opções reduzida, verifica-se as características estáticas (RDson ou VF ou Vce)

c) Verifica-se também as caracterísicas dinâmicas do semiconduitor (tr, tf), de recuperação reversa (trr, Irr) ou energia envolvida nas comutações (datasheet).


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23



24

Uma vez realizada a pré-escolha, determinam-se as perdas totais, perdas relativas ou eficiência e Rth do dissipador. Os resultados podem ser validados via simulação numérica (modelos mais completos).

A utilização de semicondutores em paralelo/série é factível e pode ser necessária (existem outras soluções para estes casos - topologias).

Atenção, alguns fabricantes oferecem a opção livre de chumbo (lead free!)

A escolha entre IGBT ou MOSFET deve ser feita através de cálculo.

Nos dias atuais, MOSFETS (Si) têm baixas perdas de condução até 600V ou CoolMOS até 1200V.



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Sobre o cálculo de perdas de condução:

p(t) v(t) i(t)= ⋅ Valor instantâneo, [W]

1P v(t) i(t)dtTs

= ⋅∫ Valor médio, [W]



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1P v(t) i(t)dtTs

= ⋅∫

D Ts

med med DSON0

1P IL IL R dtTs

⋅= ⋅ ⋅∫

Para um MOSFET com modelo de

condução:

2med DSONP IL R D= ⋅ ⋅

Formas de onda típicas da corrente no

interruptor de um conversor Boost em CCM

Aproximação para pequenas ondulações:

ef medIL IL≈Prof. Yales Rômulo de Novaes

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Mas sabemos que:

2ef DSONP IS R= ⋅

D Ts 2ef med0

1IS IL dtTs

⋅= ∫

2med DSONP IL D R= ⋅ ⋅

ef medIS IL D= ⋅



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Assim, para um MOSFET ou outro componente com característica de

condução puramente resistiva vale:

2ef DSONP IS R= ⋅



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O que não deve ser feito:

2med DSONP IS R= ⋅

med medIS IL D= ⋅

2 2med DSONP IL D R= ⋅ ⋅

2 2 2med DSON med DSONIL D R IL D R⋅ ⋅ ≠ ⋅ ⋅



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Atenção RDSon varia com a temperatura



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E para IGBTs ou diodos?

Seja o modelo de condução: Em alta frequência e correntes não muito altas, RF pode ser desprezado.

1P v(t) i(t)dtTs

= ⋅∫

D Ts

med CE0

1P IL V dtTs

⋅= ⋅∫

Para pequenas ondulações (ripple) VCE é quase constante:

med CEP IL V D= ⋅ ⋅Prof. Yales Rômulo de Novaes


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Mas “achamos” que:

med CEP IS V= ⋅

D Ts

med med0

1IS IL dtTs

⋅= ∫

med medIS IL D= ⋅

med CEP IL D V= ⋅ ⋅ e que está correto



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O que não deve ser feito: 2

ef CEP IS V= ⋅

D Ts 2ef med0

1IS IL dtTs

⋅= ∫

2med CE med CEIL D V IL D V⋅ ⋅ ≠ ⋅ ⋅

ef medIS IL D= ⋅

2med CEP IL D V= ⋅ ⋅



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• No caso de componentes com modelo do tipo diodo ou IGBT e em situações

em que ocorre grande variação de corrente enquanto o interruptor estiver em

condução, pode-se considerar a utilização da curva VCE(IC, Tj).

• Com o auxílio de programa numérico e

do gráfico, é possível aproximar a curva

para uma expressão do tipo (ou maior

ordem):

0CE CE FV (Ic) V Ic R= + ⋅• Dessa forma obtém-se maior precisão no

cálculo de perdas, pois VCE é variável

com a corrente.



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• Atenção para o “Absolute Maximum Ratings ”


Comentários finais

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A tensão de bloqueio do interruptor depende da topologia do conversor

(não é sempre Vi ou Vo !)

• Respeitar SOA (Safe Operating Area)

• Perdas de comutação (próxima aula)

dependem da topologia e modo de

operação do conversor


Comentários finais

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Alguns fabricantes de semicondutores:

International Rectifier

SGS Thomson (ST micro)

Motorola (On Semiconductor)

Infineon

Semikron

Ixys

Powerex

Microsemi

Intersil

Dynex

ABB Prof. Yales Rômulo de Novaes

Comentários finais

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a) Para o IGBT da figura abaixo, obtenha os parâmetros de uma

expressão que represente adequadamente a curva da tensão VCE em

função da corrente Ic (125 oC).


Comentários finais

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Cálculo térmico

Prof. Leandro Michels

Perdas nos semicondutores: Condução → associada à potência processada pelo conversor Comutação → associada à freqüência de comutação do conversor → significativa para conversores de alta freqüência (kHz)

Propósito do cálculo térmico: Calcular um sistema de dissipação que evite que a temperatura de junção ultrapasse o máximo valor permitido na pior condição de temperatura ambiente na pior condição de operação

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Regime permanente: Potência média → evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela falta de tamanho do dissipador

Regime transitório: Potência de pico → evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela dificuldade de transferir rapidamente o calor da junção para o dissipador

Verificar as duas condições:

Cálculo térmico

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Cálculo térmico – regime permanente


Circuito elétrico equivalente:

Legenda: P → potência T → temperatura R → resistência térmica Índices: j → junção semicondutora c → encapsulamento (case) d ou s → dispositivo (device) ou dissipador (sink) a → ambiente

Rja

Dispositivos sem dissipador disponibilizam o valor de Rja

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Projeto:

1) Dados Tj, Ta e P, calcular Rja

P → calculado a partir da corrente que circula pelo dispositivo, empregando os dados de catálogo

Tj → obtido a partir do valor máximo obtido no catálogo do semicondutor

Ta → obtido considerando-se a máxima temperatura ambiente de operação do conversor

j aja

T TR

P−

=

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2) Dados Rja, Rjc e Rcd, calcular Rda

Rja → obtido da etapa anterior

Rjc → obtido no catálogo do semicondutor

Rcd → obtido no catálogo do semicondutor

da ja jc cdR R R R= − −

3) Dado Rda, obter um dissipador cuja resistência térmica seja menor (em dissipadores de comprimento ajustável, calcular o comprimento mínimo)

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Cálculo térmico – regime permanente Dissipadores de alumínio (ex. HS Dissipadores) Escolha do perfil e valores da resistência (comprimento de 4 polegadas)

Compensação por uso de ventilação forçada

Ex.: 0.73oC/W

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Dissipadores de alumínio:

Compensação da diferença de comprimento

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Dissipadores de alumínio:

Compensação da altitude (ar rarefeito)

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Cálculo térmico – considerações finais


Regras práticas: Impedir que a temperatura da junção ultrapasse o valor de 80% o valor máximo permissível (aumenta o MTBF do dispositivo) Ta → deve ser considerado o valor de 40º para instalação em ambiente ventilado ou um valor maior para conversor instalado em ambiente enclausurado Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, usar isolante (mica, teflon, mylar). Considerar sua resistência térmica Recomenda-se usar pasta térmica para evitar bolhas de ar entre o dispositivo e o dissipador

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Cálculo térmico – Múltiplos componentes

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