Semicondutores de Potência: - IGBTs

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Semicondutores de Potência: - IGBTs

  1. 1. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 1 Não concordo com o acordo ortográfico
  2. 2. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 2 Para serem aplicados em sistemas de elevada potência e substituírem as rudimentares válvulas, os dispositivos semicondutores devem ser capazes de suportar grandes correntes e elevadas tensões inversas, em comutação. Além disso, há necessidade de uma operação em elevadas frequências de comutação dos dispositivos semicondutores, como, por exemplo, os inversores de tensão, necessários para a construção de filtros activos de potência. Dessa forma, os dispositivos semicondutores devem possuir baixas perdas de potência durante a sua comutação. Introdução:  Semicondutores de Potência Vamos ver alguns semicondutores usados em circuitos de controlo e manipulação de circuitos de Potência: Tiristores: SCRs, TRIACs, DIACs MOSFETs  IGBTs
  3. 3. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 3  Semicondutores de Potência: Tiristores Os Tiristores são dispositivos altamente populares na electrónica de potência. São dispositivos electrónicos realmente robustos, que permitem alcançar as potências mais elevadas. O primeiro Tiristor foi desenvolvido em 1956 no Bell Telephoned Laboratory. Inicialmente foi chamado de Transistor PNPN (hoje é conhecido como SCR). Definição e tipos Dispositivo de 4 camadas com estados estáveis de condução e de bloqueio. Interruptor de potência muito alta. Potências e tensão muito altas. Frequências de comutação não superior a 2 kHz. SCR : (Silicon Controlled Rectifier). Rectificador controlado de Silicio - Interruptor unidireccional. GTO: (Gate Turn-off) – interruptor unidireccional desligado pela porta (Gate). TRIAC: (Triode AC) Interruptor bidireccional. DIAC: (Diode AC). Interruptor bidireccional ( Control de tiristores) O nome Tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores multicamadas, que operam em regime de comutação, tendo em comum uma estrutura de no mínimo quatro camadas semicondutoras numa sequência P-N-P-N (três junções semicondutoras)…
  4. 4. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 4  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier É sempre de Silício. O SCR é o tiristor por excelência. Símbolo (Cátodo) K (Porta -Gate) G A (Ânodo) Característica IA Estrutura Interna circuito equivalente Voltagem inversa de ruptura VAC Corrente de fuga inversa VB0 Voltagem directa de ruptura Corrente de manutenção Corrente de engate Disparo da Gate IG iT Decaimento em condução K A G n+ p+ P N p+ A K G A GK I
  5. 5. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 5 A K G  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier: Estrutura P P N N A KG
  6. 6. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 6  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier: Um modelo ideal simples Podemos dizer que é um interruptor de sentido único, que é fechado com um impulso de corrente de Gate (disparo), e é aberto quando a corrente passa por zero. G A K MODELO IDEAL DE UM SCR A K G NOTA: O disparo por tensão directa (VBO) é considerado indesejável e, como regra geral, o SCR deve de ser seleccionado para que isso não ocorra. K G A Tipo N – (K) Tipo P – (G) Tipo N Tipo P (A) Montagem roscada
  7. 7. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 7 Tensão de disparo (VBO): É a tensão que podemos ter entre A(Ânodo) e K(Cátodo) para que o dispositivo não conduza, quando não há disparo. Caso a tensão VBO exceda o limite, o SCR conduzirá mesmo sem impulso na Gate. Tensão máxima Inversa (VBR): É a tensão que pode ser aplicada entre A e K sem causar dano no componente. (Iak): Corrente máxima de condução. É a corrente máxima que o SCR pode conduzir. Neste caso temos de dividir este parâmetro em outros três: corrente máxima directa em RMS, corrente média directa e corrente de pico; (T max): Temperatura máxima de operação. É a temperatura limite de operação normal do SCR. Caso ela seja ultrapassada, poderão ocorrer disparos indevidos ( não comandados), ou ainda ter início o processo de "avalanche", com a queima do componente. (dv/dt): Taxa máxima de crescimento da tensão directa. Quando o SCR actua na comutação de cargas indutivas, picos de tensão podem surgir nos terminais de ânodo e do cátodo. A amplitude da tensão de pico, juntamente com a velocidade que essa tensão surge, podem danificar o componente, caso esteja acima da especificação.  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier - Parâmetros
  8. 8. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 8  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier – Parâmetros (Cont.) (di/dt): Taxa máxima de crescimento de corrente. Analogamente, o SCR é sensível ás variações de corrente assim como de tensões. Este é outro conceito que vale ser explorado. Quando o SCR inicia o processo de condução, a corrente surge ao redor da Gate e, então, espalha-se radialmente até preencher toda a área do cátodo. Nos SCRs antigos, por facilidade construtivas, a Gate era colocada na periferia da estrutura cristalina. Dependendo da velocidade de crescimento da corrente ( di/dt), ocorria uma dissipação de potência muito grande próxima da Gate, antes da corrente ocupar toda a área disponível do ânodo ( secção condutora do SCR ). Esse fenómeno danificava o componente. Actualmente, os SCRs são construídos com uma estrutura denominada "interdigital", isto é, a Gate é colocada no centro do cristal e ocupa uma área maior que nos antigos . (Ih): Corrente de manutenção. Uma vez disparado, o SCR necessita de uma corrente mínima para manter o seu estado de condução, após a retirada do impulso de disparo. Essa corrente é chamada de "corrente de manutenção". (Igk): Corrente mínima de disparo. É a corrente mínima necessária, entre a Gate e a cátodo, para levar o SCR ao estado de condução.
  9. 9. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 9 (Vgk): Tensão máxima entre Gate e Cátodo. Este é um parâmetro muito importante no desenvolvimento de circuitos com SCRs, pois o excesso de tensão entre a Gate e o cátodo pode danificar o componente. Normalmente a tensão de disparo encontra-se entre 0,7 V e 2,0 V. (Ton) Tempo de disparo e (Toff) tempo de desligamento. O tempo necessário para o SCR sair do estado desligado e atingir a condução (Ton), e o tempo de desligamento (Toff) são factores limitantes entre a velocidade do circuito de comando, e a carga.  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier – Parâmetros (Cont.)  Ao aplicar-se uma corrente IG, no terminal da Porta (Gate), produz-se uma corrente IC2 = IB1. Como IB1 é a corrente de Base do transistor Q1, que produz uma corrente de colector de Q1 (IC1).  A corrente IC1 faz ligar Q2, através da Base, ao injectar a corrente, produzindo a corrente IC2, que é a mesma que IB1, este processo repete-se até saturar Q1 e Q2 causando o disparo do SCR. Funcionamento do disparo
  10. 10. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 10  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier – Funcionamento do disparo Disparo em Corrente Contínua  Normalmente o tiristor trabalha com polarização directa entre o Ânodo (A) e o Cátodo (K) (a corrente circula no sentido da seta do tiristor).  Com esta condição, só é necessário aplicar um impulso na Gate para activa-lo. Este impulso deve ter uma amplitude mínima, para que a corrente de Gate (IG) provoque a condução.  O SCR se comporta como um circuito aberto até que a Gate seja activada com um impulso positivo que causa uma pequena corrente. (ao fechar momentaneamente o interruptor S). O tiristor conduz e mantém-se a conduzir, não necessitando de nenhum sinal adicional para manter a condução.  A duração do impulso aplicado na Gate, deve ser suficientemente larga para assegurar que a corrente de ânodo se eleve até ao valor de retenção. Outro aspecto importante a tomar em conta é a amplitude do impulso, que influi na duração deste.  Não é possível desactivar o tiristor (que deixe de conduzir) através da Gate.
  11. 11. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 11  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier – desactivação de um Tiristor  O tiristor, uma vez activado, mantém-se em condução, mesmo que a corrente de Ânodo (IA), seja maior que a corrente de retenção (IH). Normalmente a Gate (G), não tem controlo sobre o tiristor logo que este esteja em condução.  Como se pode ver o SCR , tem dois estados: 1. Estado de condução, quando a resistência entre Ânodo e o Cátodo é muito baixa. 2. Estado de corte, quando a resistência é muito elevada. Opções para desactivar um tiristor: 1. Abrindo o circuito de Ânodo (corrente IA = 0). 2. Polarizando inversamente o circuito Ânodo-Cátodo (o cátodo terá um nível de tensão maior que o do Ânodo). 3. Diminuindo a corrente de Ânodo IA , de maneira que esta corrente se reduza e seja menor que a corrente de manutenção IH.  Se se diminui lentamente a voltagem (tensão), o tiristor continuará conduzindo até que a corrente baixe para um valor menor que a chamada "corrente de manutenção ou de retenção (IH)", o que causará que o tiristor deixe de conduzir, ainda que a tensão VG (voltagem da Gate em relação á terra) não seja zero.
  12. 12. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 12  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier – Tiristor e a corrente alterna Controlo de fase com tiristor  Se usa principalmente para controlar a potência que se aplica a uma carga. (no caso uma lâmpada ou foco). A fonte de voltagem pode ser de 110V, 120V, 240VAC, etc. A potência aplicada a uma carga, controla-se variando o ângulo de condução.  O circuito RC produz uma alteração de fase entre a tensão de entrada e a tensão no condensador, que é a que fornece a corrente da Gate do tiristor.  Como R é um potenciómetro, o valor resistivo pode variar, e assim, produzir uma alteração de fase ajustável, que fará com que a potência aplicada á carga (o foco) também seja variável, variando assim a intensidade da luz do foco.  O diodo na Gate do tiristor, usa-se para bloquear a tensão da Gate durante o ciclo negativo (de 180° a 360°).
  13. 13. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 13 Rg IG G K A IA Carga VAK Vout(t) Vin(t) Vmax t t t Ig VAK Vin(t)Vout(t)  Vmax  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier – Tiristor e a corrente alterna Controlo de fase com tiristor
  14. 14. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 14  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier – Tiristor e a corrente alterna Características “Turn-On” rdon ttT  TI T0,9I T0,1I GI G0,1I td tr Ton Ti 0 Gi 0 t t
  15. 15. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 15 15  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier – Tiristor e a corrente alterna Características “Turn-Off” A corrente de ânodo começa a diminuir Comutação di dt RecombinaçãoRecuperação t VAK IA t t5t4t3t2t1 trr tgr tq tc tc tq tq = device off time. tc = Circuit off time.
  16. 16. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 16  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier – Alguns encapsulamentos
  17. 17. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 17 Um dos 12 SCRs para um “pequeno” rectificador trifásico de 500 MW e 500 KV - (Inga-Shaba, ZAIRE)  O SCR é o dispositivo electrónico mais robusto que existe.  Pode manejar tensões e correntes realmente impressionantes.  Alguns exemplos são realmente espectaculares.  Semicondutores de Potência: Tiristores SCR: Silicon Controlled Rectifier – Tiristor e a corrente alterna
  18. 18. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 18 +V-V IG  Semicondutores de Potência: Tiristores TRIAC: (Triode for Alternating Current)  É um dispositivo semicondutor de três terminais, que se usa para controlar o fluxo de corrente fornecido a uma carga, com a particularidade de conduzir em ambos os sentidos, e que pode ser bloqueado por inversão da tensão, ou através da diminuição da corrente para um valor, abaixo do valor de manutenção.  O TRIAC pode ser disparado independentemente da polarização da Gate, quero dizer, mediante uma corrente de Gate positiva ou negativa. Circuito Equivalente SímboloEstrutura Interna N1 N2N3 N4 P1 P2 T2 T1 G Característica V VB01 Corrente de Manutenção (IH) Característica de bloqueio Corrente de Manutenção (IH) Característica de bloqueio 1º Q Característica de condução Característica de condução 3º Q VB02
  19. 19. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 19  Semicondutores de Potência: Tiristores TRIAC: (Triode for Alternating Current): Estrutura N1 N2N3 N4 P1 P2  A estrutura interna TRIAC contém seis camadas, como mostrado na figura, mas funciona sempre como um tiristor de quatro camadas.  A condução no sentido T2-T1 faz-se através de P1N1P2N2 e no sentido T1-T2 através P2N1P1N4.  A camada N3 facilita o disparo da Gate com corrente negativa. A estrutura mais complexa torna o TRIAC mais delicado mas não em termos de di/dt e dv/dt e capacidade para suportar o excesso de corrente.  São produzidos para alguns amperes até 200 (A) eficazes e tensões de 400-1000 (V) de tensão de pico repetitivo e funcionam para baixa e média frequência…  A versatilidade do TRIAC e a simplicidade do seu uso, o torna ideal para uma ampla variedade de aplicações relacionadas com o controlo de correntes alternadas. Uma delas é a sua utilização como interruptor estático, que oferece muitas vantagens sobre os interruptores mecânicos convencionais, que sempre requerem o movimento de um contacto, sendo a principal delas que ocorre como resultado de a cada meio ciclo o TRIAC dispara sempre quando a corrente passa por zero, de modo que serão evitados os arcos e as sobre tensões resultantes da comutação das cargas indutivas, que armazenam uma certa energia durante o seu funcionamento.
  20. 20. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 20  Semicondutores de Potência: Tiristores TRIAC: (Triode for Alternating Current): Estrutura T2 T1 G T2 T1 G T2 T1 G
  21. 21. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 21  Semicondutores de Potência: Tiristores TRIAC: (Triode for Alternating Current): Modelo ideal simples  Podemos dizer que é um interruptor bidireccional que é fechado com um impulso de corrente na Gate (disparo), e abre quando a corrente passa pelo zero. A porta (Gate) é agora bidireccional (dois diodos em oposição). MODELO IDEAL DE UM TRIAC G T2 T1 T2 T1 G
  22. 22. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 22  Semicondutores de Potência: Tiristores TRIAC: (Triode for Alternating Current): Exemplo de controlo de Fase. IT(RMS) = 12A VDRM = VRRM = 700 V VCarga VT2T1 RL T2 T1 G Vin IG IG Vmax  Disparo IG t t VCarga Desligado
  23. 23. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 23  Semicondutores de Potência: Tiristores TRIAC: (Triode for Alternating Current): Características  Após o disparo a Gate não tem controle sobre a situação do TRIAC. Para desligar o TRIAC, a corrente de ânodo deve ser reduzida abaixo do valor da corrente de retenção Ih.  O TRIAC comuta do modo de corte para o modo de condução quando se injecta corrente na Gate (Porta).  A corrente e a tensão de disparo diminui com o aumento da temperatura e com o aumento da tensão de bloqueio.  As aplicações dos TRIACs, são, essencialmente, na corrente alternada. A sua curva característica reflecte de forma muito semelhante, a operação de um SCR, aparece no primeiro e terceiro quadrantes do sistema de eixos. Isto é devido à sua bidireccionalidade.  A principal aplicação dos TRIACs é como um regulador da potência aplicada a uma carga em corrente alterna.
  24. 24. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 24  Semicondutores de Potência O DIAC é um tiristor bidireccional (capaz de bloquear ou conduzir uma corrente nos dois sentidos), bastante utilizado na protecção de circuitos e no disparo de TRIACs. Conduz quando recebe uma tensão maior que sua tensão de trabalho VBO, sendo ela positiva ou negativa. O DIAC, é um dispositivo de disparo bidireccional, que conduz corrente apenas após a tensão de disparo ser atingida, e pára de conduzir quando a corrente eléctrica cai abaixo de um valor característico, chamada de corrente de corte. Este comportamento é o mesmo nas duas direcções de condução de corrente. A tensão de disparo é por volta dos 30 volts para a maioria destes dispositivos. DIAC: (Diode Alternating Current): Características SímboloEstrutura Interna A1 A2 N P P n+ n+ +V-V +IF VB02 VB01 VF IBO IB 10mA V -IF 0,5VB0 Curva característica
  25. 25. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 25  Semicondutores de Potência Conduz quando recebe uma tensão maior que sua tensão de trabalho VBO, ou tensão de disparo, sendo ela positiva ou negativa. Exemplo: DB3 (DO-35) VBO = 28V a 36V DIAC: (Diode Alternating Current): Características Ele também pode ser disparado pelos outros processos comuns a todos os tiristores (elevação de temperatura, incidência de luz, etc). Para permanecer em condução a corrente deve ser maior do que um valor de manutenção. Se a corrente cai abaixo desse valor o dispositivo comuta para bloqueio. O processo de corte pode ser acelerado pela passagem de uma corrente de recuperação no sentido inverso ao sentido prévio de condução. Essa corrente contudo é limitada pois existe o risco de disparo do DIAC no outro sentido.
  26. 26. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 26 R1 = 0 , máxima potência. R1 = Elevada, mínima potência. Exemplo: Controlo de TRIAC com DIAC (Típico regulador de luz de salão simplificado)  Semicondutores de Potência: Tiristores O DIAC é utilizado como dispositivo auxiliar de disparo dos SCRs e dos TRIACs.     Ponto de disparo ajustado em P1. Ponto de disparo. Carga R1 R2 R3 C T2 T1 G IG A1 A2 R     o diac dispara mais cedo ( )  o triac conduz mais cedo ( )  a carga recebe mais potência. R     o diac dispara mais tarde ( )  o triac conduz mais tarde ( )  a carga recebe menos potência. DIAC: (Diode Alternating Current): Aplicações
  27. 27. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 27  Semicondutores de Potência: Tiristores GTO: (Gate Turn-Off): Estrutura K G Estrutura de um GTO simétrico. A estrutura específica do dispositivo permite desligar através da Gate(com um impulso negativo). De resto, é semelhante ao SCR. Circuito EquivalenteSímbolo A K G Estrutura Interna Os GTOs, basicamente, são SCRs com controlo de desligamento, ou seja, possuem mais um terminal de Gate, que serve para parar a sua condução. Vista de baixo
  28. 28. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 28  Semicondutores de Potência: Tiristores GTO: (Gate Turn-Off): Estrutura N P P N A KG Tr1 Tr2 IA IGQ IK Quando um tiristor GTO está no estado “on”, as regiões centrais de base estão cheias de buracos, fornecidos a partir do ânodo e electrões fornecidos a partir do cátodo. Se polarização inversa é aplicada para fazer tornar a Gate negativa em relação ao cátodo, uma parte dos buracos da camada de p-base, são extraídos através da Gate, suprimindo a injecção de electrões pelo cátodo. Em resposta a esta supressão, mais buracos (ou lacunas) são extraídos através da Gate, suprimindo ainda mais a injecção de electrões. No decorrer deste processo, a junção cátodo emissor, é colocada num estado de polarização inteiramente inversa, desligando o tiristor GTO. A figura ilustra a operação de “turn- off”, usando um modelo de dois transistor.
  29. 29. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 29  Semicondutores de Potência: Tiristores GTO: (Gate Turn-Off): Vantagens/Desvantagens Vantagens sobre SCRs A eliminação dos componentes de comutação. Redução de ruído acústico e electromagnético devido a eliminação de estrangulamentos. Turn-off mais rápido, por isso pode ser usado para frequências de comutação mais elevadas. Melhoria da eficiência dos conversores. Vantagens sobre os BJTs Maior capacidade de bloqueamento de altas tensões. Alto ganho no estado “On”. Alta taxa de corrente arranque (surge current) em relação á corrente média. Só necessita de um impulso de curta duração para desligar (ou comutar). Desvantagens dos GTOs. Maior queda de tensão no estado “On”. Devido à estrutura de multi-cátodos é necessária maior corrente de Gate. M Maiores perdas no circuito drive da Gate. A capacidade de bloqueamento Inverso, é menor do que a sua capacidade de bloqueio directo.
  30. 30. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 30  Semicondutores de Potência: Tiristores LASCR: (Light-Activated Silicon Controlled Rectifier) A K GTiristor controlado por luz.  São Tiristores activados por luz.  Utilizados em Alta tensão.  Frequências de comutação até 2KHz.  Tensões elevadas até 6000V e 1500A NOTA: Normalmente dispõem de ligações especiais para serem disparados com fibra óptica. São interessantes em ambientes de correntes e tensões elevadas, permitindo um alto isolamento entre o circuito de potência e o circuito de controlo. A maioria dos LASCRs também têm um terminal de Gate para serem disparados por um impulso eléctrico como um SCR convencional. K A G Luz Gate Cátodo Lente G A K Sensor de luz
  31. 31. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 31  Semicondutores de Potência: Tiristores O LASCR consiste de quatro camadas de semicondutores, que formam uma PNPN ou NPNP, tem três junções e também três terminais. O terminal de Ânodo(A), está ligado ao material de tipo-P da estrutura PNPN e o terminal do cátodo(K) é ligado à camada tipo- N, enquanto que o terminal Gate(G) do LASCR está ligado ao material tipo-P, próximo do cátodo, conforme ilustrado na figura . K G A A K G N N N P P P A G K  PNP NPN C i Ip i =C.dv/dt Estrutura Interna Circuito equivalente Símbolos LASCR: (Light-Activated Silicon Controlled Rectifier) - Estrutura K G A
  32. 32. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 32  Semicondutores de Potência: Tiristores A K G N N N P P P LASCR: (Light-Activated Silicon Controlled Rectifier) - Funcionamento Quando a tensão de polarização directa é aplicada ao LASCR​​, as junções J1 e J3 ficam polarizadas directamente, enquanto que a junção J2 fica polarizada inversamente. Quando aplicamos um impulso positivo no terminal da Gate (G) ou a luz aplicada atinge um nível requerido, a junção J2 tornar-se directamente polarizada e o LASCR, dispara ​​iniciando a condução. A G K  PNP NPN C i Ip i =C.dv/dt Entra em condução quando é polarizado directamente. Para este efeito, o Cátodo(K) é mantido em polarização negativa, e o ânodo(A) com polarização positiva. Ao aplicarmos um impulso positivo no terminal da Gate o LASCR é ligado “ON”. J1 J3 J2 Ligar e desligar “ON/OF” no LASCR acontece muito rapidamente, oferecendo resistência infinita em “OFF”, e no estado “ON”, oferece uma resistência muito baixa, que é na ordem de 0.01Ω a 1Ω.
  33. 33. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 33  Semicondutores de Potência: Tiristores Tiristores – Alguns encapsulamentos 500 V 100A TO 209 AD B 7 1300 V 1800A TO 200 AF B 20 500 V 24A TO 208 Ac B 2 TO 220 Ab 500 V 7,5A MAGN A Pack PACE Pack ADD A Pack
  34. 34. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 34  Semicondutores de Potência: MOSFETs Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 1. O controlo do transistor MOSFET é feito aplicando-se uma tensão VGS > VTH para condução e VGS < VTH para bloqueio; 2. A tensão de “threshold” VTH é da ordem de uns 3V a 4V; 3. A impedância de entrada de um transistor MOSFET é muito elevada; 4. O MOSFET de Potência é constituido de muitas células conectadas em paralelo; 5. A condução é feita por portadores maioritários; 6. A máxima tensão VGS é de +20V e a mínima é de -20V; 7. Em condução, o MOSFET se comporta como uma resistência com coeficiente de temperatura positivo ( Rdson) e o valor dessa resistência depende da amplitude de VGS; 8. Quanto maior for a tensão de ruptura do MOSFET, maior o valor da resistência Rdson; 9. No processo de fabricação aparece um diodo em anti-paralelo com o transistor que apresenta um tempo de recuperação elevado; Introdução:
  35. 35. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 35  Semicondutores de Potência: MOSFETs Semicondutor Tipo-p Substrato (corpo) SS(Corpo-Body ) n+ n+ Oxide (SiO2) Fonte (S) Porta (G) Dreno (D) Metal Área do canal Gate: G Source: S Drain: D Símbolo Estrutura:
  36. 36. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 36  Semicondutores de Potência: MOSFETs Estrutura: Gate: G Source: S Drain: D Símbolo Circuito equivalente (canal –n) G D S  Interruptores de alta velocidade, controlados por de tensão que nos permitem operar acima da faixa audível de 20kHz. Ligação controlada a ”On” e a “Off”(mas há um diodo interno em paralelo). Switch fecha quando VGS ≈ 4V, e abre quando VGS= 0V Se desejado, pode ser inserido aqui em série um diodo de bloqueio para evitar uma corrente inversa
  37. 37. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 37  Semicondutores de Potência: MOSFETs Circuito Equivalente total: D S G • Cgs : grande, essencialmente constante. • Cgd : pequena, altamente não-linear. • Cds : valor intermédio, altamente não-linear.  O Tempo de comutação é determinados pela taxa com que o driver da Gate carrega/descarrega Cgs e Cgd. 0 ds 0 dsds V v 1 C vC  )( ds 0 ds 0 0dsds v C v V CvC )(
  38. 38. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 38  Semicondutores de Potência: MOSFETs Vantagens de operar acima de 20 kHz: Os seres humanos não podem ouvir… Para o mesmo efeito de alisamento desejado, as Ls e os Cs, podem ser menores, porque, com o aumento da frequência e período T diminui, Ls e Cs carregam e descarregam menos energia por ciclo de operação, logo, menores Ls e Cs, permitem circuitos menores e mais leves. Correspondentemente a menores, Ls e Cs, menores correntes rms de ondulação, de modo que a corrente pode ser menor. Assim, circuitos menores, logo, mais leves. Os Transformadores AC são menores porque, para uma dada tensão nominal, a densidade de fluxo de pico, no o núcleo é menor (o que significa que os núcleos do transformador podem ter áreas de secção transversal menores… Em vez de utilizarmos transformadores para adaptação da tensão da rede eléctrica para alimentar os circuitos electrónicos, utilizamos SMPS (fontes comutadas), muito mais eficientes e de menores dimensões.
  39. 39. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 39 Dois Tipos – Tipo Deplexão • A região do já esta difundido entre Drain (D) e a Source (S): • Deplete, ou “pinch-off” o canal. – Tipo Enriquecimento • Não existe canal na região entre Drain e Source. • “Inverte” a região entre Drain e Source para induzir um canal. – Podem ter Canal n ou canal p.  Semicondutores de Potência: MOSFETs Tipos:
  40. 40. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 40  Tecnologia -Vertical Power MOSFET Transistor Process (n-channel) Gate n+ p+ n+ p+ n+ n- Source Source Drain p- n- Drain Ground n+ Gate p+ n- n- p+ n- p+ p+ Source Source n+ n+ Integrated Circuit Process (n-channel)  Semicondutores de Potência: MOSFETs
  41. 41. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 41  Semicondutores de Potência: MOSFETs  Tecnologia – Outras tecnologias Comprimento da Gate aproximando 1micron. Consiste de muitas pequenas células de MOSFETs de enriquecimento, ligados em paralelo, cobrindo a superfície da pastilha de Silício. Fluxo de corrente vertical. Canal n. n+ n- p+p+ n+n+n+n+ Source Drain Gate
  42. 42. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 42 VGS= 4 V VGS= 6 V VGS= 5 V VGS=2V= VTP Na ausência de canal para VGS = 0 não há corrente ID. É necessário um valor mínimo de voltagem limiar VTP positiva de VGS para que se forme o canal. Aumentando VGS aumenta o valor da corrente de saturação. VGS= 7 V 2 )( TGSSatD VVKI  Curva de transferência e curvas características de Dreno típicas de um nMOS. 53 7 ID (mA) VGS (V) 1 2 4 6 80 5 3 7 1 2 4 6 8 10 9 10 VDS ID (mA) 0 5 3 7 1 2 4 6 8 9 VT  Curvas Características  Semicondutores de Potência: MOSFETs
  43. 43. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 43 p n+ n+  Operação na região do corte (Cutoff)  Semicondutores de Potência: MOSFETs Junção pn: Polarização inversa iD=0 para vGS<Vt0 Quando vGS=0 então iD=0 até vGS>Vt0 (Vt0 – threshold voltage).
  44. 44. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 44 p n+ n+ Para vDS<vGS-Vt0 e vGS>Vt0 o NMOS opera na Região Triodo. Para pequenas variações de vDS, iD é proporcional ao excesso de voltagem vGS-Vt0 Característica Resistiva (R entre S & D, usada como resistência controlada por voltagem).  Operação na região Triodo (Triode Region)  Semicondutores de Potência: MOSFETs Aumento de vGS Canal   2 02 DSDStGSD vvVvKi  2 KP L W K        Parâmetro KP para NMOSFET é de 50 mA/V2 .
  45. 45. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 45  Operação na região de Saturação (Saturation Region – aumento de vDS)  Semicondutores de Potência: MOSFETs p n+ n+ Estrangulamento do canal - incrementos da iD são menores quando vDS e maior.  2 0tGSD VvKi Quando vGD=Vt0 então a espessura do canal é 0 e… Canal
  46. 46. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 46  Resumo  Semicondutores de Potência: MOSFETs • Os MOSFETs possuem características de reduzidos tempos durante as comutações (frequências típicas de dezenas à centenas de kHz). • A RDSon aumenta rapidamente com o aumento de VDSmax suportável. • O Circuito de comando de Gate é muito simples. • A escolha dos MOSFETs normalmente são para aplicações com VDSmax < 500 V. • Aplicações de MOSFETs com capacidade de bloqueio em torno de 1000 V são para baixas potências (não superior a 100 W). • Os BJTs têm sido substituídos por MOSFETs em aplicações de baixa tensão (<500V). Aplicações. • Dispositivo de portadores minoritários: em comparação com os MOSFETs, o BJT apresenta comutações mais lentas, mas mais baixa na resistência “ON” em tensões mais altas.
  47. 47. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 47 Introdução:  IGBTs Reunindo as características de comutação dos transistores bipolares de potência e a elevada impedância de entrada dos MOSFET’s, os IGBTs tornam-se cada vez mais populares nos circuitos de controlo de potência de uso industrial e até mesmo em electrónica de consumo e embarcada.  Na verdade, a tendência da indústria é para que os IGBTs, substituam os MOSFETs de potência, excepto em aplicações de muito baixa corrente. Para ajudar a entender as vantagens e desvantagens e para ajudar os projectistas de circuitos com a selecção do dispositivo IGBT e sua aplicação, existe uma aplicação que fornece uma visão relativamente clara da tecnologia IGBT e um “passo a passo” do Advanced Power Technology IGBT datasheet information. O equilíbrio na combinação entre velocidade de comutação, perdas de condução, e robustez, que está sendo sempre afinado para que os IGBTs estejam invadindo o domínio de alta eficiência, e alta frequência, dos MOSFETs de potência
  48. 48. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 48 Emissor Colector Gate p+ n+n+ p+ N- p+ Epitaxial drift region E G C SímboloEstrutura Interna Circuito Equivalente  O IGBT tem alta impedância de entrada e a alta velocidade características de um MOSFET com a condutividade característica de um transistor bipolar (baixa tensão de saturação). O IGBT é ligado “ON”, através da aplicação de uma tensão positiva entre a Gate e o emissor e, como no MOSFET, é desligado “OFF”, fazendo o sinal de Gate zero, ou ligeiramente negativo. C E G  IGBTs: Estrutura NPT(*) (*)Non Punch-Through
  49. 49. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 49 (*)Punch-Through IGBTs: Estruturas PT (*) e funcionamento Se a tensão de Gate-Emissor (VGE) é igual ou acima da tensão limiar (VT), electrões suficientes são atraídos para a Gate, e são capazes de formar um canal condutor através da região do corpo, permitindo que a corrente flua a partir do Emissor para o Colector. Os PT IGBTs têm uma camada “n+“ adicional, por conseguinte, a operação de um PT IGBT é muito semelhante á de um MOSFET. n+n+ n+ n- p+ p Emissor Colector Gate body region Drift region Buffer layer Substrate (Injecting layer) Estrutura MOSFET canal- n A tensão positiva aplicada a partir do Emissor para os terminais de Gate, faz com que os electrões sejam atraídos em direcção ao terminal Gate na região do corpo (body region). Este fluxo de electrões atrai iões positivos, ou lacunas, a partir do substrato do tipo “p+” pela região de desvio (drift region) até ao Emissor. Isto conduz a um par de circuitos equivalentes simplificados para um IGBT, como mostrado na Figura da pagina seguinte . VGE VCE
  50. 50. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 50 Emissor Colector Gate Gate n+ Camada buffer N- epi p+Substrato n+n+ p p p+ P- Metal SiO2  IGBTs: Estrutura PT E G C Símbolo Circuito Equivalente C E G  O IGBT tem alta impedância de entrada e a alta velocidade características de um MOSFET com a condutividade característica de um transistor bipolar (baixa tensão de saturação). O IGBT é ligado “ON”, através da aplicação de uma tensão positiva entre a Gate e o emissor e, como no MOSFET, é desligado “OFF”, fazendo o sinal de Gate zero, ou ligeiramente negativo. E G C
  51. 51. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 51 Indução do Canal para VGE  VT Emissor Colector Gate Gate n+ Camada buffer N- epi p+Substrato n+n+ p p p+ P- PNP RMOD RBE NPN Electrões Canal Induzido (*)Punch-Through IGBTs: Estruturas e funcionamento (PT)
  52. 52. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 52 Corrente de Fuga +VCC IEPNP ICPNP IBPNP ICNPN IENPN IBNPN IRBE Ambos os transistors ”OFF”  IGBTs : Funcionamento PT Circuito Equivalente para VGE<VT Circuito Equivalente para VGEVT +VCC Transistor PNP “ON”. RMOD diminui devido á injecção de portadores do emissor PNP. A junção BE do Transistor NPN fica polarizada directamente, conduz devido á corrente de base do transistor PNP. O transistor MOSFET conduz também devido á corrente do transistor PNP.
  53. 53. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 53 Voltagem Colector -Emissor VCE CorrentedeColector(A)  IGBTs : Funcionamento Características de saída Segue a característica dum SCR Voltagem Gate EmissorCorrentedeColector(A) VGE Características de Transferência
  54. 54. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 54  IGBT – Formas de onda de Corrente e Voltagem “Turn-on” e “Turn-off”  IGBTs : Funcionamento Características de saída
  55. 55. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 55  Estruturas: Punch-Through/Non Punch-Through  IGBTs: Evolução de Estruturas P- P- n- n+n+ p+ P- P-n+ n+ n- n+ p+ Field Stop P- P-n+n+ n- n+ p+
  56. 56. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 56 Gen 4 IGBT P+ n- n+ P+ n+n+ E C G 300micros PT IGBT Gen 5 IGBT P+ n- n+n+ E G p- 87micros NPT IGBT C Gen 6 IGBT P+ n+n+ E G DS Trench IGBT n- n+ p- 70micros C Depletion Stop Field Stop Trench n+n+ E G Trench NPT n- C P- P+  Estruturas: Punch-Through/Non Punch-Through  IGBTs: Evolução de Estruturas
  57. 57. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 57  Estruturas: Punch-Through/Non Punch-Through  IGBTs: Evolução de Estruturas
  58. 58. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 58  Estruturas: Soft Punch-Through/Field Stop  IGBTs: Evolução de Estruturas
  59. 59. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 59 Estrutura Características Alguns dispositivos mostram-se “difíceis” de desligar (OFF), a alta tensão DC. Coeficiente de temperatura positivo em “ON”. Extremamente robusto. Coeficiente de temperatura positivo em “ON”. Extremamente robusto. Baixas perdas.  Estruturas: Punch-Through/Non Punch-Through  IGBTs: Evolução de Estruturas
  60. 60. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 60  IGBTs : Características – Construção…. Punch-Through (PT) p +, substrato e epi. – Alta injecção de portadores minoritários. – Requer controlo de vida dos portadores minoritários “drift region“ mais fina, menor VCE(on). O Campo eléctrico perfura (punch through) a “drift region”, até á camada “buffer”. Non-Punch-Through (NPT) Injector p, implantado. – Processo rigidamente controlado. – Injecção controlada de portadores minoritários. Sem epi (menor custo). Normalmente nenhum controlo de vida. O Campo eléctrico não perfura a “drift region”. P Implantado Um dispositivo PT é mais adequado para comutação suave a maiores velocidades, devido à redução da corrente de cauda, porém um dispositivo NPT também irá funcionar. Aconselhável em aplicações” Drive” de motores, e de frequência de comutação relativamente baixo.
  61. 61. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 61  IGBTs : Características – Construção…. Field Stop P Implantado Injector p, implantado. – Processo rigidamente controlado. – Injecção controlada de portadores minoritários. Sem epi (menor custo). Região de deriva fina, reduz VCE (on). Pode usar o controlo de tempo de vida. O campo eléctrico termina no Field Stop, a camada “buffer”. A Tecnologia IGBT mais popular de hoje é a IGBT Field Stop (IGBT FS), que combina as vantagens das estruturas IGBT PT (Puncht Through) e da NPT (Non-Punch- Through), ultrapassando as desvantagens de cada estrutura anterior. Proporciona menor VCE (sat) durante o estado “ON”e menores perdas de comutação durante o instante de “Turn-off”. No entanto, uma vez que ele não inclui um diodo corpo intrínseco (body diode), comum em todos os outros tipos de IGBT, é geralmente embalado, junto com um diodo de recuperação rápida (FRD) adicional , para a maioria das aplicações de comutação.
  62. 62. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 62 IGBT APT30GT60BR 600V, 30A Collector voltage Gate voltage Collector current  IGBTs : Características – Condução Vs Perdas de comutação… IGBTs têm baixas perda de condução devido à corrente bipolar. IGBTs têm maior perdas de comutação, devido à corrente de cauda no “turn-off”. – Eoff aumenta as perdas comutação para “turn-off”. – Causada por portadores minoritários . • No “turn-off” devem ser removidos por recombinação interna e varrimento… • Controlo do tempo de vida de portadores minoritários é usado às vezes, para acelerar a recombinação interna. MOSFET APT5014B2LL 500V, 35A Condições do ensaio: 400V, 30A, 125 °C, RG = 10Ω, VGG = 15V comutação em carga, sem snubber. Perdas de Condução = 250W Eoff = 442 μJ Perdas de Condução = 65W Eoff = 910 μJ Corrente de cauda
  63. 63. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 63  IGBTs : Características – Velocidade de comutação… PT –A velocidade de “Turn-off” é determinada em grande parte, pelo controlo do tempo de vida dos portadores minoritário (define taxa de recombinação). –O Campo eléctrico expande-se ao longo da “drift region” , eliminando a baixa amplitude de corrente cauda, longa. Mais sensível à temperatura devido ao campo de maior número de portadores minoritários. –Eoff aumenta significativamente com a temperatura, devido ao grande número de portadores minoritários. –VCE (on) diminui um pouco á corrente de operação, também por causa do grande número de portadores minoritários. O campo expande-se á medida que os portadores se recombinam (alguns portadores perto do limite do campo–E, são varridos para fora) até a tensão total ser suportada e o campo–E, termina na região de “buffer”. Corrente de cauda, curta.
  64. 64. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 64  IGBTs : Características – Velocidade de comutação… NPT O campo–E expande-se á medida que os portadores se recombinam e varridos, até que a tensão total seja suportada e o campo–E termine na “drift region”. Alguns portadores permanecem fora do campo–E, até serem varridos ou recombinados. Longa, corrente de cauda de baixa amplitude. – Longa vida de portadores minoritários. – O campo eléctrico termina dentro da “drift region”. – Os Portadores minoritários que não estiverem sob presença de campo eléctrico, difundem- se no campo eléctrico. – O “varrer” desses portadores, faz com que a corrente cauda, de baixa amplitude, seja longa.
  65. 65. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 65  IGBTs : Características – Velocidade de comutação… Field Stop O campo –E expande-se á medida que os portadores se recombinam e varridos, até que a tensão total seja suportada e o campo –E termine na “Field Stop region”. Corrente de cauda, curta. – Tem uma injecção de portadores superior aos NPT e, portanto, às vezes usam controlo de vida dos portadores minoritários (em menos quantidade do que nos PTs). –O Campo eléctrico se estende em toda a “ drift region”, eliminando a longa, corrente de cauda de baixa amplitude. A tecnologia Field Stop, proporciona uma distribuição apertada de parâmetros e aumenta a capacidade de suportar maior energia de avalanche. Estes dispositivos são projectados para uma vida longa e são ideais para aplicações onde a alta performance e baixas perdas de comutação e condução, são cruciais.
  66. 66. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 66  IGBTs : Características – Condução versus Perdas de Comutação… PT & Field Stop NPT Pelo design, Eoff (perdas de comutação) pode ser diminuída pelo aumento de VCE (on) (perdas de condução). Reciprocamente, VCE (on) pode ser reduzido através do aumento Eoff. Eoff versus VCE(on) forma uma curva de tecnologia: – Ambos, Eoff e VCE (on), devem ser considerados em conjunto ao comparar IGBTs. – Quanto melhor a tecnologia, mais próximo a curva da origem…
  67. 67. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 67  IGBTs : Características – VCE(on) e Eoff versus Temperatura… VCE (on) e Eoff são ambos dependentes da temperatura – O Declive do VCE (on) em função da temperatura é o coeficiente de temperatura. – Vida de portadores minoritários aumenta com a temperatura. PT – Eoff aumenta significativamente com a temperatura, devido ao grande número de portadores minoritários. – VCE (on) diminui um pouco á corrente de operação, também por causa do grande número de portadores minoritários. NPT e Field Stop – Eoff aumenta moderadamente com a temperatura, pois são injectados um número moderado de portadores minoritários. – VCE (on) aumenta porque há menos portadores minoritários para superar a resistência de silício, que aumenta com a temperatura. Um tipo de IGBTs pode ter melhor performance do que outro tipo à temperatura ambiente, mas pior a temperaturas mais altas…
  68. 68. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 68  IGBTs : Características – VCE(on) e Eoff versus Temperatura… PT PT NPT NPT Field Stop Field Stop
  69. 69. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 69  IGBTs : Características – Paralelos… IGBTs PT são mais difíceis: Uma triagem é necessária para uma boa partilha de corrente: – Triagem recomendada tipo teste na corrente nominal com variação de VCE (on) em saltos de 0.1V. – A variação parte-a-parte da VCE (on) é maior por causa de: • Substrato p + e epi. • Controlo da vida dos portadores minoritários. Coeficiente de temperatura negativo de VCE (on) (questão secundária) – Os IGBTs PT podem ser ligados em paralelo, se devidamente triados, eles partilham calor. – Pode-se evitar o paralelismo usando IGBTs PT, de grandes dimensões… Com IGBTs NPT e Field Stop, é mais fácil: Boa partilha de corrente, devido à estreita distribuição parte-a-parte de VCE (on). – Distribuição apertada de parâmetros, simplifica ou elimina exigência de triagem. Coeficiente de temperatura positivo do VCE (on). – Inerente estabilidade térmica. Paralelo semelhante aos MOSFETs.
  70. 70. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 70  IGBTs : Características – Capacidade de Avalanche… Todos os tipos de IGBTs podem suportar avalanche – Embora nem todos os IGBTs tenham essa especificidade. – Depende do design específico do IGBT. São mais limitados do que os MOSFETs devido a: – Menor tamanho do “chip”para o mesmo nível de potência. – Maior ganho no ponto de avalanche, devido à estrutura PNP. Avalanche inversa a cerca de 25V para os PT, muitos NPT e Field Stop. – Alguns dispositivos possuem alta capacidade avalanche inversa, outro não, geralmente não é especificado. – Os NPT podem teoricamente bloquear tensão semelhante em ambas as polaridades, mas a voltagem inversa de ruptura é geralmente muito menor (excepto para dispositivos especiais).
  71. 71. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 71  IGBTs : Características – Frequências e corrente… IGBTs são melhores em: Baixa a média frequência, até cerca de 150 kHz para IGBTs de 600V, 100kHz para IGBTs de 900V, 50kHz para IGBTs de 1200V, em comutação bruta (hard). Alta corrente, mais de 25% de corrente nominal. Alta tensão - mais de 200V de tensão aplicada menores IGBTs substituem MOSFETs. Ao substituir MOSFETs, a corrente do IGBT deve ser tal que Ic nominal 2 ≥ ID nominal do MOSFET. Exemplo: IGBT PT 600V vs. MOSFETs 500V o mesmo diodo de “clamp” ultra rápido, em cada caso. )fmin(fF max1max 2max. fd(off)rond max1 tttt 0,05 f   )( offon2 conddiss max2 EE PP f    JC CJ diss R TT P   
  72. 72. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 72 72A, 600V iGBT PT 47A, 600V CoolMOS 35A, 500V MOSFET  IGBTs : Características – Funcionamento a baixa corrente Os IGBTs batem os MOSFETs apenas em alta potência e comutação bruta (acima de ~ 2kW) porque: Baixa corrente perto de passagens por zero, favorece MOSFETs. Superiores perdas no “turn-off” dos IGBTs. Possível incompatibilidade com amortecedores (snubbers) de “turn-off”, se usado com IGBTs. Em baixa corrente, um IGBT tem um "cotovelo” no VCE (on). VCE (on) nunca é inferior a uma queda de tensão de um diodo, devido à segunda junção p-n num IGBT. MOSFETs têm menor perda em condução a baixa corrente. no VCE (on). “cotovelo” MOSFETs são mais eficientes em baixa corrente IGBTs são mais eficientes em altas correntes
  73. 73. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 73 A Comutação suave pode ser zero de tensão, zero de corrente, ou uma combinação das duas.  O turn-on do IGBT é como a de um MOSFET. – Zero-tensão e zero-corrente, ambos funcionam bem no “turn-on”. – Redução de Tensão e / ou corrente também funcionam bem. turn-off do IGBT é como a de um transistor bipolar – Zero-corrente trabalha com IGBTs porque não existem portadores minoritários armazenados.  IGBTs : Características - Snubbers e Soft Switching – O impacto desta corrente de cauda será menor, se for usado o “controlo de vida “ do portadores minoritários (como nos IGBT PT de comutação rápida). – Com zero-volts ou voltagem reduzida, uma corrente residual (tail current ) pode aparecer á medida que aumenta a tensão VCE.
  74. 74. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 74 Carga indutiva  IGBTs : Características - diodo Anti-Paralelo… Algumas aplicações requerem um diodo anti-paralelo para: Transportar corrente de carga (free wheeling diode). Proteger o pack optimizado de comutação dos IGBTs. Carga de recuperação mais baixa do o diodo de corpo de um MOSFET/FREDFET. NOTA: Os IGBT em packs projectados para SMPS tem um diodo com corrente nominal que é geralmente inferior á corrente nominal do IGBT, porque: -Um “duty factor” inferior para o diodo é comum em aplicações de SMPS. -Menor perdas na comutação do próprio diodo; menos calor é gerado no diodo do que no IGBT.
  75. 75. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 75 Controlo sobre velocidade de comutação 0 – 20V Optional Negative Gate Drive 0 – 20V Low Power Velocidade de comutação (subida e queda) controlada pela resistência de Gate RG, como num MOSFET. Somente Gate Drive positiva, OK, mas ...  Gate Drive negativa é recomendada para imunidade a ruído e em aplicações de pontes e de alta potência.  Gate Drive negativa não tem efeito na corrente de cauda. Faixa de tensão de Drive é de 15 a 18 Volts, normalmente (muitas vezes mínimos 15V, 20V máximo):  Os IGBTs têm ganho maior do que MOSFETs de alta tensão, portanto, beneficiam mais de maior tensão da Gate (menor perda para “ON”, perdas de condução ligeiramente inferior).  Alguns MOSFETs têm uma faixa de tensão limiar inferior aos IGBTs. Os IGBTs muitas vezes têm menor capacitância devido ao menor tamanho, necessitam de menos corrente de Gate do que os MOSFETs. NOTA: O método de dessaturação para a detecção de excesso de corrente, é mais eficaz com os IGBTs NPT e Field Stop, devido a: -Menor ganho. -Coeficiente temperatura VCE (on) Positivo, torna difícil conseguir trabalhar com dessaturação  IGBTs : Características - Circuito Gate Drive
  76. 76. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 76  O driver é um circuito de interface entre o circuito de controlo e o circuito de potência, cujas funções são: amplificar os níveis de corrente e tensão para accionar os transistores de potência, que se encontram em diferentes potenciais e realizar a protecção dos transistores quando detectado um curto-circuito. Ilustração de circuitos driver.  IGBTs : Características - Circuito Gate Drive
  77. 77. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 77  IGBTs : Características - Circuito Gate Drive  AN2123 - Aplicação de alta potência: Drive negativa da Gate e caminho de descarga secundária da Gate. Qual é o requisito mais importante para uma Drive de IGBT? Corrente de pico da Gate
  78. 78. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 78 Tecnologia IGBT PT NPT Field Stop Perdas de Comutação Perdas de Condução Paralelismo Capacidade de Curto circuito  IGBTs : Características – Resumo da Capacidade da Tecnologia IGBT… Baixas -Corrente de cauda, curta. -Aumento significativo da Eoff com a temperatura. Baixas -Ligeira diminuição com a temperatura Difícil - Deve triar-se o VCE (on). - Deve partilhar calor. Limitada - Alto ganho . Média -Corrente de cauda, longa. -Aumento moderado da Eoff com a temperatura. Médias -Aumentam com a temperatura. Fácil - Triagem opcional. - Partilha de calor recomendada. Sim Baixas -Corrente de cauda, curta. -Aumento moderado da Eoff com a temperatura. Baixas -Aumentam com a temperatura. Fácil - Triagem opcional. - Partilha de calor recomendada. Sim
  79. 79. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 79  IGBTs : Na hora da escolha de IGBTs… – Os Field Stop irão substituir NPTs ao longo do tempo. – O Field Stop pode ser usado onde é usado o NPT. – O Field Stop é considerado NPT. Porque não tem epi, embora o campo eléctrico tenha acção através do região de deriva (drift region). É realmente um IGBT PT sem epi. – O Field Stop é às vezes chamado simplesmente de NPT, pelo que você nem sempre sabe que é realmente Field Stop. – Quando em paralelo, são normalmente utilizados NPTs e Field Stop. Com a velocidade de comutação a aproximar-se das dos MOSFETs, Field Stop será atraente para a maioria das aplicações em paralelo. – Capacidade de Curto Circuito (accionamento de motores): Os IGBTs PT de alta velocidade não têm protecção curto-circuito, embora alguns IGBTs PT baixa velocidade tenham. Os IGBTs NPT e Field Stop, têm capacidade de suportar curto-circuito. – Para uma dada velocidade de comutação, os IGBTs PT, têm a vantagem de menor perda em condução à temperatura de funcionamento. – NPT e Field Stop podem ser mais baixo custo.
  80. 80. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 80 No estado de condução, tem uma queda de tensão muito baixa devido à modulação de condutividade, e uma densidade de corrente superior . Assim, é possível um tamanho mais pequeno do chip, e o custo pode ser reduzido. Tem uma capacidade de condução de corrente superior, em comparação com o transistor bipolar. Ele também tem uma excelente capacidade de bloqueio para tensão directa ou inversa. Módulo com base isolada, facilitando a construção mecânica. Robustez contra curto-circuito e sobre corrente. Circuito de disparo simplificado. Coeficiente de temperatura positivo da tensão de saturação, facilitando o paralelismo. Base isolada com a liga AISiC permitindo longa vida útil com ciclagem térmica. O IGBT em tensões menores (600,1200 e 1700V) tornou-se actualmente o padrão para inversores de baixa tensão (220,440 e 690Vca). Esta tendência está também sendo observada para os inversores de média tensão.  IGBTs: Vantagens do IGBT de alta tensão
  81. 81. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 81  IGBTs: Desvantagens do IGBT de alta tensão A Velocidade de comutação é inferior ao de um MOSFET e superior ao de um BJT. A corrente de cauda (tailing ) do Colector devida aos portadores minoritários, faz com que a velocidade de “Turn-Off” seja lenta. Existe a possibilidade de Latchup devido à estrutura interna PNPN tiristor. Latchup : A Estrutura PNPN que actua como um transistor PNP e NPN, empilhadas ao lado da outra, pode, por efeitos parasitas, provocar curto-circuito que pode ocorrer num circuito integrado projectado inadequadamente…. Controlo de Motores: - Frequência <20kHz, protecção de curto circuito/ in-rush limit. UPS: - Uninterruptible power supply, Carga constante, tipicamente a baixa frequência.  Soldagem: -Corrente média alta, de baixa frequência (<50kHz), circuitos ZVS. Iluminação de baixo consumo: baixa frequência(<100kHz). Aplicações típicas dos IGBTs incluem:
  82. 82. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 82  IGBTs: Aplicações típicas dos IGBTs…
  83. 83. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 83  IGBTs : Conclusões A Tecnologia IGBT tem mais de 20 anos e continua evoluindo, e está atingindo performances de topo a 6.5kV, e continua melhorando as tecnologias para menores dimensões e velocidades de comutação mais elevadas. Os IGBTs fazem agora parte de soluções integradas: Módulos de alimentação e controlo são agora cada vez mais utilizados. Os IGBTs fazem agora parte de dispositivos de consumo: Usados em electrodomésticos, veículos EV / HEV, e em soluções de energia renovável residencial. Os IGBTs são fabricados por empresas chinesas a baixo custo, para servir o mercado global. Há tendências que estão actualmente sob grande investigação: evolução Drive de IGBTs, Módulos de potência (EV / HEV) ... Esperamos que a tecnologia do Silício (assim como do IGBT) ainda possam durar por um longo tempo, e sempre numa tendência de crescimento… A nova era está criada por: A competição (GaNa e SiC), os fabricantes e as aplicações: O mesmo IGBT em uma nova imagem ... Os transistores IGBTs permitiram avanços até então inviáveis particularmente em variadores de frequência, em aplicações de máquinas eléctricas e conversores de potência, que estão connosco todos os dias e em todos os lugares, sem que estejamos particularmente conscientes disso: carro, comboio , metro, autocarro, avião, barco, elevador, electrodomésticos, televisão, domótica, Sistemas de Alimentação ininterrupta "Uninterruptible Power Supply" ou “no-break” (UPS Inglês, etc.)
  84. 84. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 84 Encapsulamentos discretos:  IGBTs: Encapsulamentos TO-247AC Encapsulamentos de alta potência
  85. 85. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 85 A Tecnologia IGBT está agora mais madura, usando tecnologias de trincheiras, e wafers mais finas. Source : Infineon Yole Développment A densidade da corrente foi multiplicada por 3,5 em 20 anos. Tamanho relativo dos espessura e densidade de corrente actuais  IGBTs: Evolução: Densidade de corrente
  86. 86. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 86 2012 – Fabricantes de IGBTs e quotas de mercado Source: Yole Développement, May 2013 Toshiba 2% ABB 2% Vincotech 2% Danfoss 2% Fairchild semiconductor 3% ON semi 3% Hitachi 4% Outros 8% Semikron 12% Mitsubishi electric 27% Infineon 23% Fuji Electric 12%  IGBTs: Evolução: Fabricantes
  87. 87. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 87 2013 Divisão do mercado IGBTs por Tensão: ($3.6B em 2013) 600V -> 900V 33% 400V 4% 1200V/1300V 45% 1700V 13% +3.3kV 5% IGBT é o principal dispositivo para comutação para a faixa de 1.2KV a 3.3kV. Está competindo com outras tecnologias abaixo e acima dessa faixa…. Source: Yole Développement, May 2013  IGBTs: Evolução: IGBTs por tensão
  88. 88. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 88 MOSFET IGBT BJT Tipo de comando Tensão Tensão Corrente Potência do comando Mínima Mínima Grande Complexidade do comando Simples Simples Média Densidade de corrente Elevada em BT e baixa em AT Muito elevada Média Perdas de comutação Muito baixa Baixa para média Média para alta BJT x MOSFET x IGBT  IGBTs: VS BJTs e MOSFETs
  89. 89. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 89 IGCT: (Integrated Gate Control Thyristor):  IGCTs : O membro mais novo da família de semicondutores de potência, introduzido em 1997, pela ABB. Actualmente, a estreita integração dos GTOs e da Gate com o circuito de Drive, com vários MOSFETs em paralelo fornecendo as correntes de Gate… Apelido: IGCT. Queda de Condução, perdas no circuito drive da Gate, e velocidade de comutação são melhores do que nos GTOs. Competindo com os IGBTs e outros novos dispositivos para substituir os GTO. Combinam as qualidades dos tiristores (como baixa resistência de condução e robustez) com os IGBTs (capacidade de “Turn Off” pela Gate, e níveis de corrente de saturação). Por exemplo, as perdas de potência de comutação de um IGCT são três a quatro vezes (dependendo da tensão de funcionamento) menores do que as de um IGBT, enquanto que a queda de tensão em condução é a mesma.
  90. 90. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 90 IGCT: (Integrated Gate Control Thyristor): Cátodo(k) Ânodo Gate(G)  IGCTs : (K)Cátodo Gate(G) Ânodo(A)  IGBTs têm frequências de comutação mais altas que os IGCTs.  IGCTs são dispositivos de forma circular – têm alta emissão electromagnética e problemas de arrefecimento.  IGBTs são construídos como dispositivos modulares – durabilidade é 10 x IGCT.  IGCTs têm 2X menos perdas de queda de tensão no estado “ON”. Fluxo de Electrões Os IGCTs podem ser ligados e desligados por um sinal na Gate, têm menor perda de condução, em comparação com GTOs e suportam maiores taxas de aumento de tensão (dv / dt), de tal forma que nenhum amortecedor (snubbers) é necessário para a maioria das aplicações… SímboloEstrutura Interna
  91. 91. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 91  Semicondutores de Potência: Outros novos dispositivos electrónicos de potência Outros novos dispositivos electrónicos de potência  Static induction transistor —SIT.  Static induction thyristor —SITH.  MOS controlled thyristor —MCT.  Power integrated circuit and power module. Static induction transistor—SIT  Outro nome: junction field effect transistor de potência, com Características de JFET -Dispositivo de portadores maioritários. -Comutação rápida, comparável ao MOSFETs de potência. -Maior capacidade de potência do que os MOSFETs de potência. -Perdas de condução, superior às dos MOSFETs de potência. -Dispositivo normalmente, “ON”, não é conveniente (podo ser feito normalmente “OFF”, mas com ainda maiores perdas em “ON”.
  92. 92. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 92  Semicondutores de Potência: Outros novos dispositivos electrónicos de potência Static induction thyristor—SITH  Outros nomes: – Field controlled thyristor — FCT. – Field controlled diode.  Características: -Dispositivo de portadores minoritários, uma estrutura JFET com uma camada de injecção adicional. -Capacidade manipulação de potência semelhante aos GTOs. Velocidades de comutação mais rápidas do que os GTOs. -Dispositivo normalmente, “ON”, não é conveniente (podo ser feito normalmente “OFF”, mas com ainda maiores perdas em “ON”.
  93. 93. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 93  Semicondutores de Potência: Outros novos dispositivos electrónicos de potência MOS controlled thyristor — MCT É essencialmente um GTO com entradas de Gate tipo “MOS-driven” integradas, que controlam tanto “turn-on” como o “turn-off” que potencialmente irá simplificar significativamente o projecto de circuitos usando GTOs. A dificuldade é como criar um MCT, que pode ser ligado e desligado igualmente bem. Acreditado como um dispositivo muito promissor, mas ainda não é comercializado em larga escala. O futuro permanece incerto. IPM: - Power integrated circuit and power module. Os fabricantes continuam a desenvolver uma variedade nova de séries IPMs, em linha com a evolução do chip IGBT. Contendo um circuito de Drive interno, dedicado para extrair mais desempenho do chip IGBT, o IPM (Módulo de Alimentação Inteligente) é um módulo de alta função com um IC dedicado para funções de auto-protecção (por excesso de corrente, subtensão de alimentação e controle sobreaquecimento).
  94. 94. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 94  Semicondutores de Potência: IPM: Intelligent Power Modules  Usando tecnologias VLSI para design compacto, baixo custo, acção rápida e comutadores de potência mais eficientes (IGBTs), para centenas de amperes e milhares de volts, num pequeno e compacto bloco.  Subsistemas mais complexos e de maior integração, são algumas das actuais mega tendências na electrónica de potência. Os IPMs são muito populares para aplicações de accionamento de motores. Eles são uma combinação de semicondutores de potência, como IGBTs, MOSFETs e diodos com componentes periféricos como circuitos de drive. Se um subsistema inteiro tem um bom desempenho para uma aplicação, um IPM pode trazer uma série de benefícios exclusivos.  Electrónica de potência para aplicações incorporadas nas unidades motoras, precisa de ser compacta, e ter boas características térmicas. Diferentes conceitos de IPM estão competindo com diferentes conjuntos de recursos para serem a melhor solução.
  95. 95. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 95  Semicondutores de Potência: IPM: Intelligent Power Modules  Usando tecnologias VLSI para design compacto, baixo custo, acção rápida e comutadores de potência mais eficientes (IGBTs), para centenas de amperes e milhares de volts, num pequeno e compacto bloco. Multi-chip IGBT Assembly
  96. 96. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 96 IGCT 10KV com placa de disparo  Semicondutores de Potência: IPM: Intelligent Power Modules IGBT 6,5KV com placa de disparo  Função Smart Shutdown  Comparador de Protecção  Amplificador Operacional (Avançado sensor de corrente)  Bloqueio de Intertravamento e de subtensão
  97. 97. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 97 Um teste que pode ser feito com multímetro analógico, e mesmo com alguns tipos de multímetros digitais que tenham tensão de prova suficiente para saturá-lo, quando colocados nas escalas de resistências ou teste de diodos. Para esta finalidade podemos inicialmente fazer um teste de curto-circuito, conforme mostra a figura. Estes componentes possuem características híbridas, com uma porta (Gate) isolada como um MOSFET, e junções entre o Colector e Emissor, como um transistor bipolar. Se ele passar neste teste, medimos a resistência entre o Colector e o Emissor. Num sentido ela deve ser alta e no outro baixa, pois devemos considerar o diodo de protecção que estes componentes têm, conforme mostra a figura seguinte: E G C E G C Teste da Resistência  IGBTs: Como Testar IGBTs Alta Alta Medimos inicialmente a resistência entre os terminais da Gate e o Colector e depois entre o gate e o emissor. Nas duas medidas devemos ter leituras de altas resistências. Por alta resistência entendemos valores acima de 10M. Se em qualquer das medidas tivermos uma leitura de baixa resistência ou mesmo média (entre 10k e 1M), o IGBT está inutilizado por curto ou ainda por fuga excessiva. AltaBaixa
  98. 98. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 98 Teste com Multímetro Analógico  IGBTs: Como Testar IGBTs IGBT Dependendo da tensão da bateria do multímetro, pode ser realizado um teste de comutação relativamente simples. Para isso, utilizamos a montagem da figura, com o multímetro numa escala intermediária de resistências. Tocando com uma chave de fendas ou fazendo uma ponte entre a Gate (G) e o Colector (C) do transistor, ele deve comutar. Isso fará com que a resistência caia, passando de um valor muito alto para um valor mais baixo que depende das características do IGBT em teste e do próprio multímetro. No entanto, é preciso levar em conta que a bateria interna de alguns multímetro não têm tensão suficiente para levar o componente á condução. Para não ter dúvidas se este teste se aplica com o multímetro de que se dispõe, será interessante tentar com um IGBT que sabemos estar em bom estado.
  99. 99. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 99 Hoje, a distribuição entre os diferentes dispositivos é bastante clara, com cada um a ser usado em cada aplicativo. As recentes melhorias nos dispositivos de Si (junção super, IGBTs de alta velocidade) e materiais futuros (SiC, GaN) irão misturar as performances e abrir novas opções de dispositivos. Aplicações: Drive AC – Energias Renováveis – Redes T&D Somente média voltagem (>1kV DC link) Faixa mínima MWs. Aplicações: Drive AC – Redes T&D / Média a alta voltagem Aplicações: Todo o tipo de inversores Faixa de kWs a MWs. Aplicações: Pequenos inverters – SMPS - Faixa Watts-KWs.  Semicondutores de Potência: Aplicações Source: Yole Développement, May 2013
  100. 100. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 100  Semicondutores de Potência: Perceptivas de Mercado Perceptivas de Evolução dos Mercados
  101. 101. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 101 Turbinas Eólicas Inversores Motor Drive Tracção Carril UPS VE/VEH Medical…. INVERTER Power Connectors Bobines, Sensores de Corrente IGBT Stack Sistemas de Refrigeração Condensadores Resistências Módulos Potência Source: Yole Développement Pastilha de Semicondutor IGBT Drive Laminados, Bus Bars, PCBs… Link Técnico Tendência de integração  Semicondutores de Potência: Tendências dos Sistemas Tendências dos Sistemas de Potência
  102. 102. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 102 Dúvidas?
  103. 103. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 103
  104. 104. Semicondutores de Potência: IGBTs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 104 Bibliografias http://www.gta.ufrj.br/grad/01_1/scr/ http://www.unicrom.com/Tut_scr Tiristores - UNIVERSIDAD DE OVIEDO de Manuel Rico Secades http://www.i-micronews.com/upload/presentation/Yole_-_Fortronic_2013_Public.pdf ECE 442 Power Electronics http://www.microsemi.com/document-portal/doc_download/14709-igbt-technical-overview

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