aula 1_dispositivos semicondutores

Dispositivos Semicondutores de Potncia

Os dispositivos semicondutores podem ser encontrados, praticamente, em todossegmentos do sistema eltrico, para alm da sua aplicao em bens eletro-eletrnicos utilizados tanto nas indstrias quanto nas residncias e escritrios.

Algumas Aplicaes dos dispositivos semicondutores:

Retificadores; Estaes Conversoras CA/CC Transmisso HVDC; Conversores CC/CC Fontes Chaveadas; Lmpadas com Balastro Eletrnico; Inversores de Potncia.

Introduo

Universidade do Estado do Rio de JaneiroFaculdade de Engenharia - Departamento de Engenharia Eletrnica e de TelecomunicaesProf. Lus Fernando Monteiro 1

Nota:Material elaborado a partir da apresentao feita pelo Prof. dson H. Watanabe, utilizada na disciplina Aplicaes de Eletrnica de Potncia. Esta disciplina est inserida no programa de ps-graduao em Engenharia Eltrica da COPPE/UFRJ.


Dentre os dispositivos semicondutores existentes, destacam-se osseguintes:

Diodos; Transistor Bipolar de Juno (BJT); Transistor de Efeitos de Campo (MOSFET); Tiristores; GTOs (Gate Turn-Off Thyristor); IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor); IGCTs (Integrated Gate-Commutated Thyristor).

Exemplos de Dispositivos




Lista com Alguns FabricantesSemikronhttp://www.semikron.com

Powerexhttp://www.pwrx.com

International Rectifierhttp://www.irf.com

Infineonhttp://www.infineon.com

ABB Semicondutoreshttp://www.abb.com/product/pt/9AAC910029.aspx?country=BR

Mitsubishi - Semicondutoreshttp://www.mitsubishichips.com

Diodos

Dispositivos Semicondutores de PotnciaOs diodos correspondem a dispositivos no controlveis, comestrututa PN, que dentro dos seus limites de tenso e correntepermite a passagem de corrente num nico sentido.

0 vF (i)Regio de bloqueio reverso

Curva caracterstica i-v

0

Smbolo:

a kiD

+ -

vak

iDi

vak

iD

vak

Caracterstica Ideal

O diodo entra em conduo quando a tenso aplicada sobre o anodo catodo(vak) for maior do que a tenso de polarizao ( 0.7v), representada por vF (i).



Diodos Tempo de Recuperao Reversa (trr)

Quando ocorre a transio do estado ON para o estado OFF, a corrente no diodo(iD) fica temporariamente negativa, durante o intervalo de tempo denominadopor trr . Esta corrente de recuperao reversa resulta da recombinao entreeltrons e lacunas at que o diodo restaure a barreira de potencial.

t0

IRM

trr

turn - off

iD


-Diodo Schottky- So diodos projetados de modo a reduzir a queda de tenso quando esto em conduo(em torno dos 0,3 V), de modo a reduzir as perdas no mesmo. Contudo estes diodos sopara aplicaes de tenses baixas, da ordem de 50 V a 100 V.

-Diodos Fast-Recovery- So diodos que apresentam um tempo de recuperao reversa muito pequeno, da ordemde 30 a 50 ns. So utilizados em conjunto com dispositivos controlveis de elevadafreqncia, onde um tempo de recuperao reversa necessrio.

-Diodos de Alta Potncia-So diodos capazes de suportar tenses reversas de bloqueio da ordem de 4 a 5 kV econduzindo correntes variando entre 4 a 5 kA.


Alguns tipos de diodos



TiristoresOs tiristores so dispositivos semicondutores parcialmente controlveis (controlesomente da mudana de estado OFF para o estado ON). O tiristor deixa deconduzir a partir do instante em que no se encontra mais diretamentepolarizado.

Smbolo:

a kiA

+ -

vak

G

vAK

iA

0

Regio de bloqueio reverso

On

Off

Transio OFF - ON


Tenso Reversa de bloqueio

Tenso em avano de bloqueio



Disparo e Corte no TiristorPara o tiristor entrar em conduo, se faz uso de um circuito auxiliar entre a gate eo catodo de modo a circuilar uma corrente de excitao. Uma vez que o tiristoresteja em conduo, o circuito poder removido que o mesmo permanece emconduo.

vAK

iA trr

tq

t

tt~ iG

R vS

0 T/2 T

iA

vAKvAK

iAvS

Durante o intervalo tq o tiristor precisa ser mantido inversamente polarizado. Docontrrio, se uma tenso positiva for aplicada ao seus terminais , o tiristor entraem conduo !!!



Demais informaes - tiristor

- O Tiristor utilizado em aplicaes de potncia elevada como, por exemplo, nasestaes conversores do sistema de transmisso em corrente contnua.

Outros Exemplos:

-Light Triggered Thyristor (LTT) Tenso de 8,5 kV e corrente de 3,5 kA;

-Silicon Controlled Rectifier (SCR) Tenso de 4 kV e corrente de 3kA. Transmissode Corrente Contnua (Itaip)com mais de 300 SCRs em Srie.



Transistores Bipolar de Juno (TBJ)Os transistores bipolar de juno so dispositivos totalmente controlveis, comcapacidade de operar com resposta em freqncia mdia entre 20 a 50 kHz, desdeque sejam submetidos a aplicaes que envolvam centenas de Watts. Emaplicaes para dezenas de kW, a freqncia mdia de chaveamento decai para 2a 5 kHz.

B

C

E

SmboloTransistor NPN

iCiB

iEB

C

E

SmboloTransistor PNP

iEiB

iC



Regies de Operao do TBJ

Regio de Corte-TBJ no conduz corrente. Juno base-emissor e base-coletor reversamente polarizadas.Regio Ativa-TBJ conduz corrente mediante a corrente imposta na base. Juno base-coletorreversamente polarizada e a juno base-emissor diretamente polarizada.Regio de Saturao-Juno base-coletor e base-emissor diretamente polarizadas. Tenso vCE reduz paraaproximadamente 0,2 V (transistor NPN), limitando a corrente conduzida pelo TBJ.Regio Ativa Reversa- Juno base-coletor est reversamente polarizada e a juno base-emissor diretamentepolarizada. Corrente do emissor muito baixa com a corrente do coletor praticamente igualcorrente da base.

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Universidade do Estado do Rio de JaneiroFaculdade de Engenharia - Departamento de Engenharia Eletrnica e de TelecomunicaesProf. Lus Fernando Monteiro

Caracterstica Emissor-Comum:


Curvas Caractersticas Emissor-Comum (TBJ)

iB1iB2iB3iB4

iB5

0

i

iC

vCERegio de saturao (vCE 0,2v)

0

iC

vCE

Caracterstica Ideal:

Off

On

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Regio ativa


Curvas Caractersticas Base-Comum (TBJ)

iE1iE2iE3iE4

iE5

0

i

iC

vCBRegio de saturao (vCE -0,4v)

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Regio ativa


Configurao Darlington (TBJ)A configurao darlington utilizada para aumentar o ganho de corrente comotambm prover aumento da capacidade do transistor em suportar ternses debloqueio maiores e conduzir correntes de maior magnitude.

iC

B

C

E

vCEvBE

iCibB

C

E

vCEvBE

Ganho de Corrente: 20 ~ 100

Exemplo: 1400V / 600A

ib

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Transistores de Efeito de Campo MOSFETAssim como o Transistor Bipolar de Juno, o Transistor de Efeito de Campotambm um dispositivo totalmente controlvel, a partir do controle da tensoaplicada entre a gate e a source (vGS). Em eletrnica de potncia mais comum autilizao do FET com tecnologia MOS (Metal Oxide Semicondutor).

SmboloMOSFET Canal N

NMOS

SmboloMOSFET Canal P

PMOSG

S

DiD

iSvGS

G

S

D

iS

iD

vGSiG

iG

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Caractersticas Bsicas NMOS

5V

vGS=7V

0

6V

4V

OniD

vDSOff

0

iD

Off

On

vDS

Caracterstica Ideal:

iG

1A

1A 0.5 A iD = 25 A

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Demais Caractersticas MOSFET

Capacidade de operar com freqncias de chaveamento de at algumascentenas de kHz (ton=100ns e toff=200ns);

Capacidade de operar com freqncias de 50 kHz submetido a potncias deat 10 kW;

Correntes de gate muito baixas (exemplo, para uma corrente id de 25 A necessrio uma corrente de gate com valor mximo de 1A);

Perdas elevadas durante a conduo.

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GTO Gate Turn-Off Thyristor


Assim como o tiristor, o GTO acionado a partir de uma corrente na gate. Uma vezem conduo, o circuito que alimenta a corrente na gate iG pode ser removido. Amudana de estado de conduo para o estado de bloqueio ocorre a partir datenso gate-catodo negativa, resultando numa corrente iG negativa. Esta correntenegativa deve ter um valor elevado (na ordem de 1/3 da corrente iA ).

a k

iA+ -

vak

G

vAK

iA

00

Off-state

Off

On

Turn-on

Turn-offSmbolo


vAK

iA

Caracterstica Ideal

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Transitrio ON-OFF

iA vAK

RGate drive circuit

GTO C

KG

A

Circuito Snubber

t0

O GTO no suporta elevada variao de tenso (dv/dt) durante o transitrio emque muda do estado ON para o estado OFF. Com isso, h a necessidade em utilizarcircuitos SNUBBER para atenuar a variao de tenso.

Mudana de Estado ON - OFF

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Fonte de Referncia:

B.K.Bose Modern PowerElectronics and AC drives2002, Prentice Hall Inc.

Transitrios OFF-ON e ON-OFF


ts -> Tempo necessrio paraque a corrente iA comece adecair;tf -> Tempo em que iA decaicom maior di/dt;td -> Tempo mnimo necessrioque a corrente iG deve sermantida para que o GTO noentre em conduo.

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Demais Caractersticas

- Durante o transitrio do estado OFF para o estado ON, o GTO apresenta umintervalo de tempo (ton) entre 1 a 2 micro segundos.- Durante o transitrio do estado ON para o estado OFF, o GTO apresenta umintervalo de tempo (toff) entre 5 a 10 micro segundos.

- Ainda utilizado em potncias elevadas podendo suportar tenses de bloqueioda ordem de 6kV e conduzir correntes de at 6 kA. Desse modo, este dispositivoainda utilizado em inversores de ordem elevada (na ordem dos MW).

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IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor- O IGBT um dispositivo semicondutor relativamente moderno, utilizado emquase todos os segmentos envolvendo a eletrnica de potncia.- Similar ao MOSFET, o IGBT apresenta uma impedncia interna elevada, o que

requer somente uma pequena quantidade de energia para ser acionado.- Similar ao TBJ, o IGBT apresenta uma pequena tenso VCE quando est em

conduo, com capacidade de suportar tenses de valor elevado (Von de 2 a 3 voltscom capacidade de bloqueio de at 1000V, por exemplo).

iCiG

G

C

E

Smbolo

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Exemplo de Curva Caracterstica (iC x vCE)

Carcatersticas do IGBT:POWEREX IPM CM150 TU 12 H

-600 V / 150 A

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Caractersticas de Chaveamento

- Durante o transitrio do estadoOFF para o estado ON, o IGBTapresenta um intervalo detempo (ton) na ordem de 1 us.

- Durante o transitrio do estadoON para o estado OFF, o IGBTapresenta um intervalo detempo (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) 25C (b) 125

Chaveamento:

Tenso Tenso

Corrente Corrente

300 ns

Caractersticas de Chaveamento - exemplo

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IGCT Integrated Gate-Commutated Thyristor

Referncia:P.K.Steimer, 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.

a k

iA+ -

vak

G

Smbolo

O IGCT um tipo de GTO onde o circuito de gatilho integrado chave permitindo assim uma maior velocidadede chaveamento, com um menor intervalo de tempodurante o transitrio em que o IGCT desligado.

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PrincipalPrincipal CaratersticaCaraterstica::Integrao do circuito de comando junto ao dispositivo de potncia!!!

ConseqnciaConseqncia:: Tempo de desligamento na ordem de 1 us); Eliminao dos problemas de dv/dt observados no GTO.

AspectoAspecto NegativoNegativo:: desligado a partir de uma corrente reversa na gate com a mesma amplitude dacorrente no anodo.

4,5 kV IGCT Com Circuito de Gate



IGCT Exemplo

Controllable turn-off current (snubber capacitor)

Caractersticas 3kA (0F) 4kA (3F)

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 25C

Thermal Resistence (Junction / sink) 0,11C/W

Gate off-current = Anode current


POTNCIA X FREQUNCIA

SCR

GTO e IGCT

IGBT

MOSFET

Potncia (W)

Frequncia (Hz)

10M1M

100k 10k

1k

100 60 1k 10k 100 k 1M



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