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Semicondutores de Potência
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Eletrônica
Eletrônica de Potência
Florianópolis, março de 2013.
Prof. Clóvis Antônio Petry.
Capítulo 2: Diodos de potência 1. Semicondutores aplicados aos conversores CA-CC (diodos).
http://www.dee.feis.unesp.br/gradua/elepot/principal.html
http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/
www.ProfessorPetry.com.br
Semicondutores de potência (diodos) - Bibliografia
Semicondutores para eletrônica de potência
Semicondutores utilizados em eletrônica de potência:
Semicondutores para eletrônica de potência
Diodo ideal e real
Exemplo: Diodo SKN20/08 • VRRM = 800 V; • V(TO) = 0,85 V; • rT = 11 mΩ; • IDmed = 20 A; • IR = 0,15 mA.
Característica estática
Diodo ideal e real
Demo
Demo: • Curva de diodos:
• Diodo zener; • Diodo de sinal; • Diodo de potência.
Comutação – Características dinâmicas
Primeira etapa de comutação Segunda etapa de comutação
Circuito para estudo da comutação
Bloqueio
Bloqueio
Comutação – Características dinâmicas
Diodos de carbeto de sílicio (silicon carbide): Diminuem acentuadamente o fenômeno da recuperação reversa.
http://www.infineon.com
http://www.cree.com
Comutação – Características dinâmicas
http://powerelec.ece.utk.edu/pubs/pels_letters_SiC_june_2003.pdf
Comutação – Características dinâmicas
http://www.cree.com/Products/pdf/Power_Article_1.pdf
Comutação – Características dinâmicas
Perdas nos diodos
Classificação das perdas: 1. Condução;
2. Comutação: • Entrada em condução;
• Bloqueio.
2( )TO Dmed T DefP V I r I= ⋅ + ⋅
Simulação
Simulação
Características importantes
Principais características: 1. Tensão de pico reversa; 2. Queda de tensão direta; 3. Corrente de pico; 4. Corrente média; 5. Corrente eficaz; 6. Tempo de recuperação reversa.
Características de diodos comerciais
Tipos de diodos de potência: 1. Standard and fast recovery; 2. Ultrafast rectifiers; 3. Ultrasoft rectifers; 4. Silicon carbide (zero recovery).
http://www.onsemi.com
http://www.cree.com
Características de diodos comerciais
Teste de diodos
Demo
Demo: • Teste de diodos com multímetro.
Semicondutores de potência (tiristores)
Semicondutores de potência (tiristores)
www.demonstrations.wolfram.com
Capítulo 4: Dispositivos tiristores 1. Semicondutores aplicados aos conversores CA-CC
(tiristores).
http://www.dee.feis.unesp.br/gradua/elepot/principal.html
http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/
www.ProfessorPetry.com.br
Semicondutores de potência (tiristores) - Bibliografia
Tiristor ideal e real
Característica estática
Curvas 1 e 2 – sem corrente de gatilho Curvas 1 e 3 – com corrente de gatilho
Funcionamento do tiristor
Estrutura interna e analogia com BJT
Funcionamento do tiristor
Curva característica V x I
Funcionamento do tiristor
Circuitos para auxiliar na proteção de tiristores e evitar disparos intempestivos
Funcionamento do tiristor
Curva característica de tiristores
Demo
Demo: • Curva de tiristores:
• Sem corrente de gatilho; • Com corrente de gatilho.
Comutação – Características dinâmicas
Disparo
Disparo
• ton – tempo de fechamento; • td – tempo de retardo; • tr – tempo de descida da tensão anodo-catodo.
on d rt t t= +
Influência da corrente de gatilho no tempo de retardo
Comutação – Características dinâmicas
Bloqueio
• tq – tempo de aplicação da tensão reversa para bloquear o tiristor; • Para tiristores rápidos é da ordem de 10 µs à 200 µs.
Comutação – Características dinâmicas
Perdas nos tiristores
Classificação das perdas: 1. Condução;
2. Comutação: • Entrada em condução;
• Bloqueio.
2( )TO Tmed T TefP V I r I= ⋅ + ⋅
Simulação
Simulação
Características importantes
Principais características: 1. Tensão de pico reversa; 2. Queda de tensão direta; 3. Corrente de pico; 4. Corrente média; 5. Corrente eficaz; 6. Tempo de recuperação reversa.
Características de tiristores comerciais
Tipos de tiristores de potência: 1. SCR; 2. Triac; 3. Sidac; 4. Para proteção, etc.
http://www.onsemi.com
Características de tiristores comerciais
Características de tiristores comerciais
http://www.semikron.com
Características de tiristores comerciais
Acionamento de tiristores
Acionamento de tiristores
Acionamento de tiristores
Teste de tiristores
Demo
Demo: • Teste de tiristores com multímetro.
Capítulo 3: Transistores de potência 1. Semicondutores aplicados a conversores CA-CA.
http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/
www.ProfessorPetry.com.br
Semicondutores de potência (IGBTs) - Bibliografia
Semicondutores para eletrônica de potência
Revisão - BJT
BJT – Transistor bipolar de junção
http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/mnueltro.html
Revisão - BJT
BJT x FET
FET – Transistor de efeito de campo
FET
JFET: Operação básica.
http://jas.eng.buffalo.edu/
FET
JFET canal n e canal p
S2
R7
R8
Q2
R9
R10
Q1
3524
Positivo da Fonte Auxiliar
+ Vaux
11
12
Aplicação do JFET
FET
MOSFET
MOSFET tipo Depleção
MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
MOSFET: Operação básica.
MOSFET tipo Depleção
http://jas.eng.buffalo.edu/
MOSFET
MOSFET: Operação básica.
MOSFET tipo Depleção
MOSFET
MOSFET tipo Depleção
MOSFET
MOSFET tipo Intensificação
Canal n
MOSFET
MOSFET de potência
ID
iDDSV+
-G
S
GSV
D
+
-
90%V
50%
10%
50%
GS
T1
90%
10%90%
10%
(V )DD
VDS
ID
t r
t on
tD(on) t D(off) t f
(V )DD
LR
V
DD
S50
G
VD
V
Comutação do MOSFET com carga resistiva
MOSFET de potência
50S
G
DD
R
V
DI RL
D
Comutação do MOSFET com carga indutiva
MOSFET de potência
Classificação das perdas: 1. Condução;
2. Comutação: • Entrada em condução e bloqueio;
• Onde:
2( ) ( )
oncond ds on d on
tP r iT
= ⋅ ⋅
( ) ( ) ( )2com r f d on ds offfP t t i v= + ⋅ ⋅
f on
r off
t tt t
≅
≅
MOSFET de potência
Dados de catalogo:
MOSFET de potência
Quando usar MOSFET: 1. Freqüências altas (acima de 50 kHz); 2. Tensões muito baixas (< 500 V); 3. Potências baixas (< 1 kW).
MOSFET de potência
Teste de MOSFETs
Demo
Demo: • Teste de MOSFETs com multímetro.
IGBT
Características de BJT e MOSFET
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
Classificação das perdas: 1. Condução;
2. Comutação: • Entrada em condução e bloqueio;
( )cond C CEsat B BEsat onP i V i V t f= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅
( )12com r fP t t I E f= + ⋅ ⋅ ⋅
Detalhamento do cálculo de perdas
0
IGBT
Quando usar IGBT: 1. Freqüências baixas (menor que 50 kHz); 2. Tensões altas (> 500 V); 3. Potências altas (> 1 kW).
IGBT
Quando usar IGBT: 1. Freqüências baixas (menor que 50 kHz); 2. Tensões altas (> 500 V); 3. Potências altas (> 1 kW).
www.irf.com
IGBT
Encapsulamentos:
www.semikron.com.br
IGBT
Encapsulamentos:
www.irf.com
IGBT
Dados de catalogo:
IGBT
Teste de IGBTs
Demo
Demo: • Teste de IGBTs com multímetro.
BJT x MOSFET x IGBT
MOSFET IGBT BJT Tipo de comando Tensão Tensão Corrente
Potência do comando Mínima Mínima Grande
Complexidade do comando Simples Simples Média
Densidade de corrente
Elevada em baixas tensões e Baixa em altas
tensões
Muito elevada Média
Perdas de comutação Muito baixa Baixa para Média Média para Alta
Próxima aula
Semicondutores para eletrônica de potência: • Dimensionamento e especificação de semicondutores.
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