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Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Engenharia Elétrica – UFV
ELT 313 – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
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Aula 05 – Transitores de Potência
Prof. Heverton Augusto PereiraUniversidade Federal de Viçosa - UFV
Departamento de Engenharia Elétrica - DEL Gerência de Especialistas em Sistemas Elétricos de Potência – Gesep
www.gesep.ufv.br
TEL: +55 (31) 3899-3266
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Conteúdo
Tópicos01 - Introdução
02 - Diodos de potência e circuitos RLC chaveados
03 - Retificadores com diodos
04 - Transistores de potência
05 Conversores CC-CC
06 Tiristores
07 Retificadores controlados
08 - Controladores de tensão CA
09 - Conversores CC-CA
10 - Inversores de pulso ressonante
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Transistores de potência
� Símbolos e seus significados:
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• Em termos gerais, os transistores de potência podem serclassificados em cinco categorias:
• MOSFETs — transistores de efeito de campo de óxido metálicosemicondutor.
• COOLMOS.
• BJTs — transistores bipolares de junção.
• IGBTs— transistores bipolares de porta isolada.
• SITs — transistores de indução estática.
Introdução
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• Os IGBTs de silício são utilizados em aplicações de eletrônica depotência com especificação de tensão entre 1,2 kV e 6,5 kV.
• Propriedades do silício e de materiais semicondutoresWBG:
Transistores de carbeto de silício
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Transistores de carbeto de silício
Fonte: Springer Handbook of Crystal Growth, pag. 941
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• Um MOSFET de potência é um dispositivo controlado por tensão eque requer apenas uma pequena corrente de entrada.
• Os dois tipos de MOSFET são: (1) depleção e (2) intensificação.
• Um MOSFET tipo depleção de canal n é formado sobre umsubstrato de silício do tipo p com duas seções de silício fortementedopadas n+, para conexões de baixa resistência.
• UmMOSFET tipo intensificação de canal n não possui canal físico.
MOSFETs de potência
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• MOSFET tipo depleção de canal n:
MOSFETs de potência
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� MOSFET tipo depleção de canal p:
MOSFETs de potência
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• MOSFET tipo intensificação de canal n:
MOSFETs de potência
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• MOSFET tipo intensificação de canal p:
MOSFETs de potência
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• Características de transferência de MOSFETs:
Características em regime permanente
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• Características de saída do MOSFET tipo intensificação:
Características em regime permanente
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• Modelo de chaveamento em regime permanente dos MOSFETs:
Características de chaveamento
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• Modelo de chaveamento dos MOSFETs:
Características de chaveamento
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• Formas de onda e tempos de chaveamento:
Características de chaveamento
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• A tecnologia SiC passou por avanços significativos que agorapermitem a fabricação de MOSFETs capazes de superar seus primosIGBT Si, em especial em alta potência e altas temperaturas.
• A nova geração de MOSFETs SiC reduz a espessura da camada dearraste (drift) por cerca de um fator de 10, enquanto possibilita que ofator de dopagem aumente simultaneamente na mesma ordem degrandeza.
• O efeito global resulta em uma redução da resistência de arraste a umcentésimo da resistência do MOSFET equivalente em silício.
MOSFETs de carbeto de silício
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• O COOLMOS, que é uma novatecnologia para MOSFETs de altatensão, adota uma estrutura decompensação na região vertical dearraste do MOSFET para melhorar aresistência em condução.
• Seção transversal de um COOLMOS:
COOLMOS
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• Os JFETs têm um canal normalmente fechado que conecta a fonte eo dreno.
• A porta é usada para controlar o fluxo de corrente através do canal edo dreno.
• De forma semelhante a dos MOSFETs, existem dois tipos de junçãoFET: canal n e canal p.
• Em JFETs de canal p, um canal tipo p é formado entre duas regiõesde porta tipo n.
Transistores de efeito de campo de junção (JFETs)
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• Para um JFET de canal p, o dreno é mantido em um potencialnegativo, e a porta, em um potencial positivo em relação à fonte.
• Estrutura e símbolo de um JFET de canal n.
Transistores de efeito de campo de junção
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• Estrutura e símbolo de um JFET de canal p.
Transistores de efeito de campo de junção
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• Um transistor bipolar é formado pela adição de uma segunda região pou n a um diodo de junção pn.
Transistores de junção bipolar (BJTs)
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• Uma junção pn diretamente polarizada apresenta duas capacitânciasparalelas: uma da camada de depleção e uma de difusão.
• Por outro lado, uma junção pn reversamente polarizada tem apenas acapacitância de depleção.
• Em regime permanente, essas capacitâncias não desempenhamnenhum papel.
• No entanto, em condições transitórias, elas influenciam oscomportamentos de entrada em condução e bloqueio do transistor.
Transistores de junção bipolar (BJTs)
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• Um IGBT combina as vantagens dos BJTs com as dos MOSFETs.
• Um IGBT tem uma elevada impedância de entrada, como osMOSFETs, e baixas perdas em condução, como os BJTs.
• Além disso, ele não apresenta o problema de segunda avalanche,como os BJTs.
• Por meio do projeto e da estrutura da pastilha, a resistênciaequivalente dreno-fonte RDS é controlada para se comportar como ade um BJT.
IGBTs
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• Símbolo e circuito para um IGBT:
IGBTs
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• Um SIT é um dispositivo de potência e frequência altas.
• Seção transversal e símbolo dos SITs:
SITs
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• Características típicas de SITs:
SITs
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1. Não possuem segundaavalanche como osTBJs
2. Velocidade dechaveamento alta
3. Baixas perdas decomutação
Revisão
SITsIGBTs
TBJCOOLMOS
MOSFETs1. Problemas devido a
descarga eletrostática2. Difícil de proteger
durante faltas ou curto-crcuito
3. Altas perdas decondução
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1. Menores perdas decondução que osMOSFETs
2. Diminuição de colunasopostas a dopagem
3. Grande precisão defabricação
4. Possuem diodo reversointrinsíco:assimqualquer oscilaçãoparasitas que poderiamcausar valoresnegativos dreno-fontesão grampeados pelodiodo
Revisão
SITsIGBTs
TBJMOSFETs
COOLMOS1. Problemas devido a
descarga eletrostática2. Difícil de proteger
durante faltas ou curto-crcuito
3. Altas perdas decondução
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1. Simples construção2. Apresentam coeficiente
de temperaturapositivo facilitando oparalelismo
Revisão
SITsIGBTs
TBJMOSFETs
JFETs1. São substituídos pelos
MOSFETs para baixatensão
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1. Caminhos paralelosresultando em baixaresistência decondução
Revisão
SITsIGBTs
JFETsMOSFETs
TBJ1. XX
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1. Combinam asvantagens do TBJ(baixa perda decondução) com oMOSFET (elevadaimpedância deentrada)
Revisão
SITsIGBTs
JFETsMOSFETs
IGBT1. Velocidade de
chaveamento é inferiorao MOSFET
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1. Para alta potência e altavelocidade dechaveamento
2. Não está sujeito alimitação de área
3. Os canais verticaisdiminuem a resistênciado canal
Revisão
SITsIGBTs
JFETsMOSFETs
SIT1. Alta queda de tensão
em condução2. Tensão negativa para
desligar
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• Durante a entrada em condução, a corrente de coletor sobe, e a di/dté
• Durante o desligamento, a tensão coletor-emissor deve subir emrelação à queda da corrente de coletor, e a dv/dt é
Limitações de di/dt e dv/dt
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• O circuito RLC é, em geral, criticamente amortecido a fim de evitaroscilações.
• Para um amortecimento crítico unitário, d = 1,
• Um tempo de descarga de um terço do período de chaveamento Ts égeralmente adequado.
• Ou
Limitações de di/dt e dv/dt
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• Os transistores podem operar em série para aumentar a capacidade detensão.
• Os transistores são conectados em paralelo se um dispositivo nãopuder lidar com a demanda da corrente de carga.
Operação em série e em paralelo
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• Primeiramente vamos entender as características de umMOSFET real.
Circuito de acionamento de MOSFET
Fonte: http://www.mouser.com/ds/2/348/r6015fnx-313215.pdf
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• Primeiramente vamos entender as características de umMOSFET real.
Circuito de acionamento de MOSFET
Fonte: http://www.mouser.com/ds/2/348/r6015fnx-313215.pdf
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• Primeiramente vamos entender as características de umMOSFET real.
Circuito de acionamento de MOSFET
Fonte: http://www.mouser.com/ds/2/348/r6015fnx-313215.pdf
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• O tempo para ligar um MOSFET depende do tempo de carga dacapacitância de entrada
• Circuito de acionamento rápido da porta consiste em adicionar umcircuito TO, para carregar mais rapidamente a capacitância deentrada:
Circuito de acionamento de MOSFET
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• Circuito de acionamento com arranjo totem-pole e adequação daborda do pulso.
• Transistores operam na região linear• Sinal de comando gerado por um amplificador
Circuito de acionamento de MOSFET
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Circuito de acionamento de MOSFET
Fonte: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC34152-D.PDF
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Circuito de acionamento de MOSFET
Fonte: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC34152-D.PDF
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Circuito de acionamento de JFET
Fonte: http://www.nteinc.com/specs/400to499/pdf/nte489.pdf
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Circuito de acionamento de JFET
Fonte: http://www.nteinc.com/specs/400to499/pdf/nte489.pdf
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• JFET são chaves normalmente ligadas.• Para desligar essa chave é necessário um sinal de tensão porta-dreno
negativa menor que a tensão de pinçamento
Circuito de acionamento de JFET
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• Acionador em dois estágios para JFET SiC normalmente desligado:
Circuito de acionamento de JFET
Acionamento dinâmico: altas correntes
Acionamento estático
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• Acionador em dois estágios para JFETs SiC normalmente desligados:
Circuito de acionamento de JFET
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Circuito de acionamento de TBJ
Fonte: http://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id=2N6488
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• Forma de onda da corrente de acionamento de base:
Circuito de acionamento de TBJ
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• Pico da corrente na base durante o fechamento:
Circuito de acionamento de TBJ
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• Pico da corrente na base durante o fechamento e o desligamento:
Circuito de acionamento de TBJ
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• Circuito proporcional de comando de base:
Circuito de acionamento de TBJ
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• Circuito de grampeamento do coletor:
Circuito de acionamento de TBJ
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• A importância de aplicar o sinal de comando de um transistor entreseus terminais porta e fonte pode ser demonstrada com a figura aseguir, em que a resistência de carga está conectada entre o terminalfonte e o terra.
• A tensão porta-fonte efetiva é
• Existem basicamente duas formas de isolar ou desprender o sinal decomando em relação ao terra:
• 1. Transformadores de pulso• 2. Optoacopladores
Isolação dos circuitos de acionamento
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• 1. Transformadores de pulso• 2. Optoacopladores
Isolação dos circuitos de acionamento
Fonte: http://www.supplier.ind.br/site/arquivosprodutos/trm480d20a28.pdf