Componentes semicondutores em Eletrônica de Potência
• Diodo
• MOSFET
• IGBT
1 Prof. Cassiano Rech
Introdução
2 Prof. Cassiano Rech
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
3 Prof. Cassiano Rech
• 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
Semicondutores de Potência
• 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
7 Prof. Cassiano Rech
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
O diodo de potência
8 Prof. Cassiano Rech
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
O diodo de potência
9 Prof. Cassiano Rech
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)
O diodo de potência
10 Prof. Cassiano Rech
Fonte: International Rectifier (http://www.irf.com)
11 Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira
Semicondutores de Potência
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.
12
Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira
Semicondutores de Potência
• 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
13 Prof. Cassiano Rech
Símbolo i
v
Característica i-v ideal
Característica i-v real
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)
14 Prof. Cassiano Rech
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)
15 Prof. Cassiano Rech
Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Second edition
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
16 Prof. Cassiano Rech
Símbolo i
v
Característica i-v ideal
Característica i-v real
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
17 Prof. Cassiano Rech
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
Características dinâmicas do IGBT
18 Prof. Cassiano Rech
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
Fonte: Powerex
19 Prof. Cassiano Rech
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
Fonte: Powerex
Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Second edition
20
Cálculo de perdas nos componentes
Prof. Yales Rômulo de Novaes
21
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).
Prof. Yales Rômulo de Novaes
22
Dimensionamento dos interruptores
Prof. Yales Rômulo de Novaes
23
Dimensionamento dos interruptores
Prof. Yales Rômulo de Novaes
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.
Prof. Yales Rômulo de Novaes
Dimensionamento dos interruptores
25
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]
Dimensionamento dos interruptores
Prof. Yales Rômulo de Novaes
26
Sobre o cálculo de perdas de condução:
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
27
Mas sabemos que:
2ef DSONP IS R= ⋅
D Ts 2ef med0
1IS IL dtTs
⋅= ∫
2med DSONP IL D R= ⋅ ⋅
ef medIS IL D= ⋅
Sobre o cálculo de perdas de condução:
Prof. Yales Rômulo de Novaes
28
Assim, para um MOSFET ou outro componente com característica de
condução puramente resistiva vale:
2ef DSONP IS R= ⋅
Prof. Yales Rômulo de Novaes
Sobre o cálculo de perdas de condução:
29
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⋅ ⋅ ≠ ⋅ ⋅
Sobre o cálculo de perdas de condução:
Prof. Yales Rômulo de Novaes
30
Atenção RDSon varia com a temperatura
Prof. Yales Rômulo de Novaes
Sobre o cálculo de perdas de condução:
31
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
Sobre o cálculo de perdas de condução:
32
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
Prof. Yales Rômulo de Novaes
Sobre o cálculo de perdas de condução:
33
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= ⋅ ⋅
Prof. Yales Rômulo de Novaes
Sobre o cálculo de perdas de condução:
34
• 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.
Prof. Yales Rômulo de Novaes
Sobre o cálculo de perdas de condução:
35
• Atenção para o “Absolute Maximum Ratings ”
Prof. Yales Rômulo de Novaes
Comentários finais
36
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
Prof. Yales Rômulo de Novaes
Comentários finais
37
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
38
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).
Prof. Yales Rômulo de Novaes
Comentários finais
39
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
40
Prof. Leandro Michels
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
41
Cálculo térmico – regime permanente
Prof. Leandro Michels
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
42
Cálculo térmico – regime permanente
Prof. Leandro Michels
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−
=
43
Cálculo térmico – regime permanente
Prof. Leandro Michels
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)
44
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
45
Cálculo térmico – regime permanente
Prof. Leandro Michels
Dissipadores de alumínio:
Compensação da diferença de comprimento
46
Cálculo térmico – regime permanente
Prof. Leandro Michels
Dissipadores de alumínio:
Compensação da altitude (ar rarefeito)
47
Cálculo térmico – considerações finais
Prof. Leandro Michels
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
48
Cálculo térmico – Múltiplos componentes