Aula 05 Transitores de Potência

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ELT 313 – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

Aula 05 – Transitores de Potência

Prof. Heverton Augusto Pereira

Universidade Federal de Viçosa - UFV Departamento de Engenharia Elétrica - DEL

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Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Engenharia Elétrica – UFV

Conteúdo

Tópicos

01 _- _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}

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Transistores de potência

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• Em termos gerais, os transistores de potência podem ser classificados em cinco categorias:

• MOSFETs — transistores de efeito de campo de óxido metálico semicondutor.

• COOLMOS.

• BJTs — transistores bipolares de junção.

• IGBTs — transistores bipolares de porta isolada.

• SITs — transistores de indução estática.

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• Os IGBTs de silício são utilizados em aplicações de eletrônica de potência com especificação de tensão entre 1,2 kV e 6,5 kV.

• Propriedades do silício e de materiais semicondutores WBG:

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Transistores de carbeto de silício

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• Um MOSFET de potência é um dispositivo controlado por tensão e que 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 um substrato de silício do tipo p com duas seções de silício fortemente dopadas n+, para conexões de baixa resistência.

• Um MOSFET tipo intensificação de canal n não possui canal físico.

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• MOSFET tipo depleção de canal n:

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MOSFET tipo depleção de canal p:

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• MOSFET tipo intensificação de canal n:

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• MOSFET tipo intensificação de canal p:

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• Características de transferência de MOSFETs:

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• Características de saída do MOSFET tipo intensificação:

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• Modelo de chaveamento em regime permanente dos MOSFETs:

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• Modelo de chaveamento dos MOSFETs:

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• Formas de onda e tempos de chaveamento:

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• A tecnologia SiC passou por avanços significativos que agora permitem a fabricação de MOSFETs capazes de superar seus primos IGBT Si, em especial em alta potência e altas temperaturas.

• A nova geração de MOSFETs SiC reduz a espessura da camada de arraste (drift) por cerca de um fator de 10, enquanto possibilita que o fator de dopagem aumente simultaneamente na mesma ordem de grandeza.

• O efeito global resulta em uma redução da resistência de arraste a um centésimo da resistência do MOSFET equivalente em silício.

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• O COOLMOS, que é uma nova tecnologia para MOSFETs de alta tensão, adota uma estrutura de compensação na região vertical de arraste do MOSFET para melhorar a resistência em condução.

• Seção transversal de um COOLMOS:

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• Os JFETs têm um canal normalmente fechado que conecta a fonte e o dreno.

• A porta é usada para controlar o fluxo de corrente através do canal e do dreno.

• De forma semelhante a dos MOSFETs, existem dois tipos de junção FET: canal n e canal p.

• Em JFETs de canal p, um canal tipo p é formado entre duas regiões de porta tipo n.

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• Para um JFET de canal p, o dreno é mantido em um potencial negativo, e a porta, em um potencial positivo em relação à fonte.

• Estrutura e símbolo de um JFET de canal n.

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• Estrutura e símbolo de um JFET de canal p.

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• Um transistor bipolar é formado pela adição de uma segunda região p ou n a um diodo de junção pn.

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• Uma junção pn diretamente polarizada apresenta duas capacitâncias paralelas: uma da camada de depleção e uma de difusão.

• Por outro lado, uma junção pn reversamente polarizada tem apenas a capacitância de depleção.

• Em regime permanente, essas capacitâncias não desempenham nenhum papel.

• No entanto, em condições transitórias, elas influenciam os comportamentos de entrada em condução e bloqueio do transistor.

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• Um IGBT combina as vantagens dos BJTs com as dos MOSFETs.

• Um IGBT tem uma elevada impedância de entrada, como os MOSFETs, 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 resistência equivalente dreno-fonte RDS é controlada para se comportar como a de um BJT.

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• Símbolo e circuito para um IGBT:

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• Um SIT é um dispositivo de potência e frequência altas.

• Seção transversal e símbolo dos SITs:

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• Características típicas de SITs:

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1. Não possuem segunda avalanche como os TBJs 2. Velocidade de chaveamento alta 3. Baixas perdas de comutação

Revisão

SITs

IGBTs

TBJ

COOLMOS

MOSFETs

1. Problemas devido a descarga eletrostática 2. Difícil de proteger

durante faltas ou curto-crcuito

3. Altas perdas de

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ELT 313 – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 1. Menores perdas de condução que os MOSFETs 2. Diminuição de colunas opostas a dopagem 3. Grande precisão de fabricação

4. Possuem diodo reverso intrinsíco:assim

qualquer oscilação parasitas que poderiam

causar valores negativos dreno-fonte

Revisão

SITs

IGBTs

TBJ

MOSFETs

COOLMOS

1. Problemas devido a descarga eletrostática 2. Difícil de proteger

durante faltas ou curto-crcuito

3. Altas perdas de

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1. Simples construção 2. Apresentam coeficiente de temperatura positivo facilitando o paralelismo

Revisão

SITs

IGBTs

TBJ

MOSFETs

JFETs

1. São substituídos pelos

MOSFETs para baixa tensão

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ELT 313 – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 1. Caminhos paralelos resultando em baixa resistência de condução

Revisão

SITs

IGBTs

JFETs

MOSFETs

TBJ

1. XX

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1. Combinam as vantagens do TBJ (baixa perda de condução) com o MOSFET (elevada impedância de entrada)

Revisão

SITs

IGBTs

JFETs

MOSFETs

IGBT

1. Velocidade de chaveamento é inferior ao MOSFET

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1. Para alta potência e alta

velocidade de

chaveamento

2. Não está sujeito a limitação de área 3. Os canais verticais diminuem a resistência do canal

Revisão

SITs

IGBTs

JFETs

MOSFETs

SIT

1. Alta queda de tensão

em condução

2. Tensão negativa para

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• Durante a entrada em condução, a corrente de coletor sobe, e a di/dt é

• Durante o desligamento, a tensão coletor-emissor deve subir em relação à queda da corrente de coletor, e a dv/dt é

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• O circuito RLC é, em geral, criticamente amortecido a fim de evitar oscilações.

• Para um amortecimento crítico unitário, d = 1,

• Um tempo de descarga de um terço do período de chaveamento Ts é geralmente adequado.

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• Os transistores podem operar em série para aumentar a capacidade de tensão.

• Os transistores são conectados em paralelo se um dispositivo não puder lidar com a demanda da corrente de carga.

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• Primeiramente vamos entender as características de um MOSFET real.

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Circuito de acionamento de MOSFET

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• O tempo para ligar um MOSFET depende do tempo de carga da capacitância de entrada

• Circuito de acionamento rápido da porta consiste em adicionar um circuito TO, para carregar mais rapidamente a capacitância de entrada:

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• Circuito de acionamento com arranjo totem-pole e adequação da borda do pulso.

• Transistores operam na região linear

• Sinal de comando gerado por um amplificador

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Circuito de acionamento de MOSFET

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Circuito de acionamento de MOSFET

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Circuito de acionamento de JFET

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Circuito de acionamento de JFET

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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

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• Acionador em dois estágios para JFET SiC normalmente desligado:

Circuito de acionamento de JFET

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• Acionador em dois estágios para JFETs SiC normalmente desligados:

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Circuito de acionamento de TBJ

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• Forma de onda da corrente de acionamento de base:

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• Pico da corrente na base durante o fechamento:

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• Pico da corrente na base durante o fechamento e o desligamento:

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• Circuito proporcional de comando de base:

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• Circuito de grampeamento do coletor:

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• A importância de aplicar o sinal de comando de um transistor entre seus terminais porta e fonte pode ser demonstrada com a figura a seguir, em que a resistência de carga está conectada entre o terminal fonte e o terra.

• A tensão porta-fonte efetiva é

• Existem basicamente duas formas de isolar ou desprender o sinal de comando em relação ao terra:

• 1. Transformadores de pulso

• 2. Optoacopladores

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• 1. Transformadores de pulso

• 2. Optoacopladores

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