engenharia eletrica, material para eletronica de potencia

1. UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁUNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICADEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICACURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA
1
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef
Disciplina de Eletrônica de PotênciaDisciplina de Eletrônica de Potência –– ET66BET66B
Aula 20Aula 20 –– Chaves EletrônicasChaves Eletrônicas
Prof. Amauri AssefProf. Amauri Assef
amauriassef@utfpr.edu.bramauriassef@utfpr.edu.br

2. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– DIACDIAC
DIAC
O DIAC é um tiristor bidirecional (capaz de bloquear ou conduzir uma
corrente nos dois sentidos) bastante utilizado na proteção de circuitos e
no disparo de TRIACs
Conduz quando recebe uma tensão maior que sua tensão de trabalho VBO,
sendo ela positiva ou negativa
2
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef
Curva característica Exemplo: DB3 (DO-35)
VBO = 28V a 36V

3. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– MOSFET de PotênciaMOSFET de Potência
MOSFET de Potência
Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
O MOSFET é uma chave ativa com camadas semicondutoras N e P, cujo
controle de condução é feito por um terminal isolado chamado de gate
(porta)
3
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef
(porta)
É um semicondutor totalmente controlado, através de uma tensão
aplicada entre o gate e o source

4. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– MOSFET de PotênciaMOSFET de Potência
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
Símbolo (Canal N) Curva v x i (ideal) Curva v x i (real)
4
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef
D (dreno)
G(gate)
S (source)
Símbolo (Canal N) Curva v x i (ideal) Curva v x i (real)

5. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– MOSFET de PotênciaMOSFET de Potência
Possui um diodo intrínseco em anti-paralelo, também conduzindo
correntes negativas
O diodo intrínseco possui tempo de comutação maiores do que o MOSFET
A resistência de condução RDSon possui coeficiente de temperatura
positivo, facilitando a operação em paralelo
5
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef

6. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– MOSFET de PotênciaMOSFET de Potência
Diodo intrínseco em anti-paralelo
A junção p-n- resulta em um diodo em anti-paralelo (body diode) com
sentido de condução dreno-source
Assim, uma tensão negativa dreno-source polariza diretamente este
diodo, com capacidade de conduzir a corrente nominal do MOSFET
Mas, os tempos de
6
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef
Mas, os tempos de
recuperação deste diodo são
normalmente significativos
As elevadas correntes que
fluem durante a recuperação
reversa do diodo podem
causar danos ao
componente

7. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– MOSFET de PotênciaMOSFET de Potência
Circuito de prevenir a condução do diodo intrínseco
Característica do
MOSFET de potência
MOSFET de potência
e body diode
Uso de diodos externos
para prevenir a condução
do diodo intrínseco
7
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef

8. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– MOSFET de PotênciaMOSFET de Potência
Circuito equivalente do MOSFET
Cgs: elevada e praticamente constante
Cgd: pequena e altamente não linear
Cds: média e altamente não linear
Os tempo de comutação são
8
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef
Os tempo de comutação são
determinados pelo tempo necessário
para carregar e descarregar estas
capacitâncias

9. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– MOSFET de PotênciaMOSFET de Potência
Características de MOSFETs de Potência comerciais
RDSon aumenta rapidamente com o valor de Vds suportável
Os MOSFETS normalmente são utilizados para aplicações com Vds < 400V
9
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef

10. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– MOSFET de PotênciaMOSFET de Potência
Exemplo:
10
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef

11. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– MOSFET de PotênciaMOSFET de Potência
Conclusões:
A principal vantagem dos MOSFETs é que são acionados por nível de
tensão, ou seja, não há necessidade de grandes potências no circuito de
disparo, resultando em circuitos para disparo mais simples
Estes semicondutores estão disponíveis em faixas de até mais de 1000V,
porém com baixas potências, da ordem de 100W, e baixas tensões
11
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef
Os tempos de comutação são de 50n a 200 ns. Em tensões superiores a 400
e 500V, os dispositivos formados por portadores minoritários (IGBT por
exemplo) possuem uma queda direta menor. A única exceção é em
aplicações onde a velocidade de comutação é mais importante do que o
custo do semicondutor para obter queda em condução aceitável.

12. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– GTOGTO
Tiristores Gate-turn-off (GTO)
Os GTOs, basicamente, são SCRs com controle de desligamento, ou seja,
possuem mais um terminal de porta, que serve para parar sua condução.
A figura a seguir ilustra seu símbolo, bem como um circuito simplificado
típico de supressão (snubber), obrigatório neste caso, que reduz os picos
12
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef
típico de supressão (snubber), obrigatório neste caso, que reduz os picos
de tensão quando conectado a cargas indutivas.

13. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– GTOGTO
Necessitam circuito de disparo mais complexo, devido aos parâmetros de
tempo de disparo e de desligamento, e elevada corrente de desligamento
(baixo ganho)
Utilizado em circuitos de alta potência, uma vez que pode trabalhar com
tensões acima de 4,5kV, altas correntes (kA) e a uma frequência de
chaveamento de algumas centenas de Hertz a 10kHz
13
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef

14. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– IGBTIGBT
IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor
Os IGBTs (Transistores Bipolares com Gate Isolado) são semicondutores
que combinam as características dos BJT com as dos MOSFETs
14
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef
C (coletor)
G (gate)
E (emissor)
Símbolo Circuito equivalente

15. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– IGBTIGBT
Quando uma tensão Vge adequada é aplicada, o IGBT entra em condução,
conduzindo correntes positivas (i > 0)
Quando uma tensão Vge é removida, o
IGBT bloqueia, podendo suportar
tensões negativas
Tempos de comutação maiores do
que os MOSFETs
15
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef
que os MOSFETs
Aplicável onde se desejam elevadas
tensões entre o coletor e emissor
Dispositivo com características de
coeficiente de temperatura positivo,
facilitando o paralelismo (também
existem com coeficiente negativo)

16. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– IGBTIGBT
Os IGBTs, como os BJTs, têm baixas tensões de acionamento/desligamento,
trabalhando com altas tensões (1000V, por exemplo)
Tempos de chaveamento estão na ordem de 1μs, em blocos com tensão e
corrente de 1700V e 1200A (> MOSFETs)
Outra característica aproveitada do MOSFET é que o circuito de acionamento
precisa de baixas correntes de acionamento
16
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef
Atualmente as freqüências típicas de conversores com IGBT são de 1 a 30 kHz
O preço pago por reduzir a tensão direta do IGBT é o aumento dos tempos de
comutação, especialmente os tempos de desligamentos
O IGBT no desligamento apresenta uma corrente de calda “current tailing”.

17. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– IGBTIGBT
Características dinâmicas (corrente de calda)
17
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef

18. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– IGBTIGBT
Características de IGBT comerciais
18
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef

19. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– IGBTIGBT
Exemplo:
19
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef

20. Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potência –– IGBTIGBT
Conclusões:
Está se tornando o dispositivo de escolha para aplicações entre 500 e
1700V, com níveis de potência de 1 a 1000kW
Coeficiente de temperatura positivo para alta corrente – facilidade no
paralelismo e construção de módulos
20
UTFPR – Campus Curitiba
Prof. Amauri Assef
paralelismo e construção de módulos
Facilidade no drive – similar ao MOSFET
Queda de tensão direta: diodo em série com a on-resistance: 2-4V típico
Mais lento que o MOSFET, porém mais rápido que o GTO, Darlington e
SCR
Frequência de chaveamento típica entre 1 a 30 kHz
A tecnologia do IGBT está avançando rapidamente com dispositivos para
maiores frequências e tensões (> 2500V)