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DEE
Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48)
Tema: Dispositivos para Eletrônica de Potência
Prof.: Eduardo Simas
Aula 8
Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica
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DEE
2/80
Sumário
Principais dispositivos para Eletrônica de Potência
Diodos
Transistores
Tiristores
Aplicações
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1. Dispositivos Semicondutores
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Principais Dispositivos Semicondutores
Diodo de Potência:
Transistor Bipolar
de Potência:
MOSFET de Potência:
IGBT: (Insulated Gate
Bipolar Transistor)
Tiristor (SCR):
TRIAC:
GTO (Gate Turn
Off Thyristor):
MCT (MOS controlled
Thyristor)
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DEE Tratamento Térmico e Termoquímico dos Aços 5/80
Principais Dispositivos Semicondutores
Os dispositivos são
escolhidos considerando a
potência máxima e a
frequência de chaveamento
necessárias para a
aplicação
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2.Diodos de Potência
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Diodos de Potência
Os diodos de potência são provavelmente o dispositivo semicondutor mais
simples utilizado em aplicações da Eletrônica de Potência.
Simbologia Curva Característica Encapsulamentos
A -> Anodo K -> Catodo
Quando: VA > VK (VAK > 0) -> polarização direta -> condução VA < VK (VAK < 0) -> polarização reversa -> bloqueio
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Diodos de Potência
Estrutura interna básica de um diodo semicondutor (junção P-N):
Região de
depleção
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Diodos de Potência
Estrutura interna:
- O lado N é dividido em dois, com
diferente intensidade da dopagem.
- A região N- tem menor intensidade de
impurezas dopantes e permite ao
componente suportar tensões mais
elevadas pois diminui o campo elétrico
na região de transição.
- As regiões externas são fortemente
dopadas gerando contatos com
características ohmicas (e não
semicondutoras).
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Diodos de Potência
Características estáticas:
Vo -> Tensão de condução
IR -> Corrente reversa
VRR -> Tensão de ruptura reversa
r -> Resistência interna para pol. direta
r=∂V
∂ I
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Diodos de Potência
Características dinâmicas:
Diodos de potência
apresentam um tempo
finito (não-nulo) para passar
do estado desligado (pol.
reversa) para o estado
ligado (polarização direta) e
vice-versa.
Sobre-tensão durante o
ligamento (VFP)!
Pico de corrente reversa no
desligamento (Irr) !
IF -> Corrente de pol. direta
VON -> Tensão de condução
VR-> Tensão de pol. reversa
Qrr -> Carga acumulada
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Diodos de Potência
Características dinâmicas – Transitório p/ condução:
Portadores são injetados na região de depleção diminuindo
a barreira de potencial.
O excesso de portadores produz aumento na corrente (t1).
O pico de tensão direta (VFP) é produzido devido a
características internas ao diodo como:
capacitância produzida na região de depleção quando
polarizada reversamente;
resistência equivalente da região N-;
indutância da pastilha de silício
VFP pode chegar a algumas dezenas de volts
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Diodos de Potência
Carac. dinâmicas – Transitório p/ bloqueio:
Durante t3 o excesso de portadores na junção é
gradualmente reduzido.
O intervalo trr = t4 + t5 é chamado tempo de recuperação
reversa.
I rr=diR
dtt4=
diRdt
t rr
S+ 1sendo: S=
t 5
t 4
Qrr≈1
2I rr t rr
Do gráfico temos:
então: Qrr=diRdt
t rr2
2 (S+ 1 )
dtdi
)+(S=t
R
rrrr
/
12Q
Substituindo chega-se a:
1
/2Q
+S
dtdi=I Rrr
rr
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Diodos de Potência
Transitório para bloqueio com diferentes fatores de atenuação:
Recuperação suave Recuperação abrupta
Observação: ta=t4 e tb=t5
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DEE
Perdas em Diodos de Potência
Perdas:
Perdas no estado ligado:
Perdas no estado desligado:
Perdas no chaveamento:
Total:
PLigado= V F IF
tON
T
PComutação
=V
F (max)× IF (max )× t
Comutação
6× f
S
Perdas= PLigado+ PDesligado+ PComutação
PDesligado= V R IR
tOFF
T
Sendo: VF = tensão direta IF = corrente direta VR = tensão reversa IR = corrente de fuga fs = frequência de chaveamento
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Diodos de Potência
Exemplo:
Considerando que o fabricante de um diodo informou os valores a seguir:
Taxa de queda da corrente = 20 A/μs
Tempo de recuperação reversa = 5 μs
Encontre a corrente de pico reversa sabendo que t4 >> t5 (recuperação abrupta).
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Diodos de Potência
Exemplo:
Considerando que o fabricante de um diodo informou os valores a seguir:
Taxa de queda da corrente = 20 A/μs
Tempo de recuperação reversa = 5 μs
Encontre a corrente de pico reversa sabendo que t4 >> t5 (recuperação abrupta).
Resolução:
Como t4 >> t5 , então S → 0, assim: μC=)(μsA=t
dt
di=Q rrR
rr 505μμ/202/12
22
A=μCμs
A=dtdi=I Rrrrr 72,4450220/2Q
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Diodos Schottky
O diodo Schottky é formado pela junção de um filme fino de metal com um semicondutor (que normalmente é do tipo n).
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Diodos Schottky
As características de retificação i-v são semelhantes às de um diodo de potência formado por uma junção p-n.
Entretanto apresenta características particulares se comparado a um diodo de junção p-n como:
Tensão de condução mais baixa (0,3 a 0,4 V)
Maior corrente de fuga reversa
Tensão de bloqueio entre 100 e 200 V
Maior velocidade na mudança de estados
Menor pico de tensão durante o ligamento
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Diodos de Potência
Circuitos “snubber” para diodos de potência:
No processo de recuperação reversa podem
aparecer picos de tensão em diodos de potência.
Estes picos podem danificar o dispositivo.
Os circuitos amaciadores (snubbers) são utilizados
para proteção dos diodos de potência.
Capacitor -> estabiliza a tensão:
Resistor -> dissipa energia
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3. Transistores Bipolares de Potência
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TBJ de Potência
Os TBJs de potência têm sido tradicionalmente utilizados em diversas
aplicações onde é necessário o chaveamento de potência em altas e baixas
frequencias.
Recentemente, com o avanço da tecnologia de fabricação de semicondutores,
os transistores de efeito de campo metal-óxido (MOSFET) e os transistores
bipolares de porta isolada (IGBT) vêm gradualmente substituindo os TBJ em
algumas aplicações.
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TBJ de Potência
Estrutura orientada na
vertical maximiza a área da
seção transversal.
As resistências elétrica e
térmica são minimizadas.
Os níveis de dopagem e as
larguras das camadas
influenciam nas
características do dispositivo.
Estrutura interna
Simbologia
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TBJ de Potência
O coletor tem dois níveis de dopagem distintos (de modo semelhante ao diodo de
potência).
A largura das camadas do coletor determina o nível de tensão de ruptura do
dispositivo.
Pode ser dos tipos NPN ou PNP:
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DEE 25/80
TBJ de Potência
Princípio de operação (tipo NPN):
Há uma junção PN entre a base e o emissor e outra entre a
base e o coletor.
Quando a junção B-E está diretamente polarizada (VBE > 0), um fluxo de portadores
de carga (elétrons e lacunas) é estabelecido entre a base e o emissor.
Como a região da base é fina, os portadores acabam sendo atraídos para a junção
coletor emissor que está inversamente polarizada (VBC > 0) e enfraquecendo a
região de depleção.
Desse modo é estabelecido um fluxo de portadores entre o coletor e o emissor.
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DEE 26/80
TBJ de Potência
Princípio de operação:
A corrente de emissor é dada por:
A corrente de coletor é uma fração da corrente de emissor:
Como iE = iC+iB :
sendo: VT=KT/q e η é o coeficiente de emissão
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DEE 27/80
TBJ de Potência
Curvas de operação
(emissor-comum): Em aplicações de chaveamento o TBJ opera entre as regiões de corte (corrente IC nula para qualquer valor de VCE) e de saturação (alta corrente IC para baixos valores de VCE).
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DEE 28/80
TBJ de Potência
Curvas de operação :
TBJ de potência vertical
A região de quase-saturação
só existe nos diodos de
potência devido à região de
baixa dopagem no coletor.
BVSUS: tensão de ruptura com IC > 0
BVCEO: tensão de ruptura com IB = 0
BVCBO: tensão de ruptura com IB < 0
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DEE 29/80
TBJ de Potência
ConexãoDarlington:
Devido à suas características construtivas os TBJ de potência em geral apresentam baixo ganho de corrente (5 a 10 vezes).
Quanto um maior ganho é necessário pode-se utilizar um par Darlington:
= 1x 2 + 1 + 2
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DEE 30/80
TBJ de Potência
Região de Operação Segura (Safety Operation Area – SOA)
Indica os valores de tensão e corrente que podem ser aplicados ao dispositivo:
Polarização direta
Polarização reversa
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DEE 31/80
TBJ de Potência
Características
dinâmicas: Carga
Resistiva
Sendo:
ton = td + tn : tempo de ativação
toff = ts + tf : tempo de desativação
td : tempo de atraso devido ao efeito capacitivo da junção B-E
tn : tempo de subida de Ic
tS : tempo necessário p/ neutralizar os portadores da junção C-B
tf : tempo de descida de Ic
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DEE 32/80
TBJ de Potência
Características dinâmicas: Carga Indutiva
Com cargas indutivas a corrente apresenta um
atraso em relação à tensão aplicada na base.
É produzida uma corrente de base negativa
durante o desligamento do dispositivo.
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DEE 33/80
TBJ de Potência
Perdas:
As perdas podem acontecer no
chaveamento, durante a
condução e no estado desligado
Quando a frequencia de chaveamento é baixa as perdas na condução são mais
significativas:
As perdas no chaveamento aumentam com
a frequencia de comutação: VCC : tensão de polarização do coletor
IC(max) : máxima corrente IC
: duração do transitório de chaveamento (=ton ou =toff)
fS : freq. de chaveamento
SCCE(SAT) ftIVP LigadoLigado
S
C(MAX)CCfτ
IVP
6comutação
SC(Fuga)CC ftIVP DesligadoDesligado
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DEE 34/80
TBJ de Potência
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TBJ de Potência
Circuitos de acionamento da base:
Exemplo
1
Um pulso positivo em 1 leva T1 à condução, carregando o capacitor com a tensão do diodo zener e produzindo uma corrente positiva na base do TP .
Um pulso negativo em 1 leva T2 à condução (e T1 ao corte ), criando um caminho para a descarga do capacitor, que gera um pulso de corrente negativa na base do TP, acelerando seu desligamento
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DEE 36/80
TBJ de Potência
Exemplo: Considerando que no circuito a seguir VCC=200V, RC=20Ω e
VCE(sat)=0,9V, encontre as perdas no TBJ para:
a)fs=120Hz, ton=1μs e toff=1,5μs
b)fs=5kHz, ton=1μs e toff=1,5μs
Considere a corrente de fuga no estado bloqueado
aproximadamente igual a zero e um ciclo de trabalho d=0,8.
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DEE 37/80
TBJ de Potência
Exemplo: Considerando que no circuito a seguir VCC=200 V, RC=20 Ω e
VCE(sat)=0,9V, encontre as perdas no TBJ para:
Resolução:
a)fs=120Hz, ton=1μs e toff=1,5μs
1/fs = Ts = TLigado + TDesligado + Tcomut sendo Ts o período entre os
chaveamentos assim: Ts= 8,3333 ms → d = TLigado /(Ts - Tcomut)
TLigado = (8,3333 – 0,0025) x 0,8 = 6,6646 ms
Perdas = PLigado + Pcomut :
SCCE(SAT) ftIVP LigadoLigado S
C(MAX)CCfτ
IVP
6comutação
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DEE 38/80
TBJ de Potência
Exemplo:
>> Perdas no estado ligado:
>> Perdas na comutação:
SCCE(SAT) ftIVP LigadoLigado
S
C(MAX)CCfτ
IVP
6comutação
A==R
VV=I
C
CE(SAT)CC
C 9,95520
0,9200
então:
WP 7,17120106,66469,9550,9 3
Ligado
A==R
V=I
C
CC)C( 10
20
200MAX
então:
sendo:
W=P 0,1120102,56
10200 6
comutação
como:
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DEE 39/80
TBJ de Potência
Exemplo: Total de perdas:
>> Repetindo o problema para o item b) fs=5kHz, ton=1μs e toff=1,5μs chega-se a:
Ts= 20 μs → TLigado =(20– 2,5) x 0,8 = 14 µs
Perdas= PLigado+ PComutação= 7,17+ 0,10= 7,27W
WP 0,627500010149,9550,9 6
Ligado
W=P 4,1675000102,56
10200 6
comutação
W=+=P+P= 4,7944,1670,627Perdas ComutaçãoLigado
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DEE 40/80
TBJ de Potência
Aplicações:
Acionamento de um
motor de corrente
contínua:
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DEE
41/80
4. Transistores de Efeito de Campo de Potência
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DEE 42/80
MOSFET de Potência
Com os avanços na tecnologia de fabricação de semicondutores, MOSFETs com
considerável capacidade de condução de corrente no estado ligado e bloqueio de
tensão no estado desligado começaram a ser produzidos em larga escala a partir
da década de 1980.
Os MOSFETs passaram a ser amplamente utilizados em substituição aos TBJs
principalmente em aplicações onde é requerida alta frequência de chaveamento.
Diferente do BJT, o MOSFET pertence a uma classe de dispositivos UNIPOLARES,
pois utilizam apenas os portadores majoritários para condução.
São intrinsecamente mais rápidos que os TBJs pois não apresentam excesso de
portadores minoritários a serem removidos durante os transitórios de ligamento e
desligamento, as únicas cargas a serem removidas são das capacitâncias internas.
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DEE 43/80
MOSFET de Potência
Características:
O MOSFET de potência utiliza uma estrutura de canal
vertical para aumentar a capacidade de potência.
Estrutura interna de um MOSFET canal-n
Simbologia
Canal-n
Canal-p
O gate está isolado do corpo pelo SiO2.
n+ : 1019 cm-3 (alta dopagem) n- : 1014 cm-3 (baixa dopagem) p : 1016 cm-3 (média dopagem)
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DEE 44/80
MOSFET de Potência
Curvas de
Operação:
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DEE 45/80
MOSFET de Potência
Funcionamento:
Bloqueio
Duas junções p-n, não há passagem de corrente qualquer que seja a polarização.
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DEE 46/80
MOSFET de Potência
Funcionamento:
Efeito de
campo.
Um capacitor
de alta
qualidade é
formado.
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DEE 47/80
MOSFET de Potência
Funcionamento:
Condução
A corrente de dreno é controlada a partir da tensão aplicada na porta !
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DEE 48/80
MOSFET de Potência
Transitórios de chaveamento:
Circuito utilizado para analisar os
transitórios de chaveamento:
Acionamento de uma carga
indutiva.
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DEE 49/80
MOSFET de Potência
Transitórios de chaveamento:
Desligado – Ligado:
Não há pico de corrente nem
atraso de resposta como no TBJ.
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DEE 50/80
Perdas no MOSFET de Potência
Perdas:
Perdas no estado ligado:
Perdas no estado desligado:
Perdas no chaveamento:
Total:
Comparando com o TBJ, o MOSFET apresenta menor perda durante o chaveamento,
porém maior perda no estado ligado.
PLigado= I D2 R DS (ON )
tON
T
PComutação
=V
DS (max )× I
D× t
Comutação
6× f
S
Perdas= PLigado+ PDesligado+ PComutação
PDesligado= V DS ( MAX ) I DSS
tOFF
T
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DEE 51/80
MOSFET de Potência
Exemplo: Considerando que um MOSFET tem os seguintes parâmetros: RDS(ON)=0,3 Ω, ciclo
de trabalho 50%, ID=6 A, VDS=100V, t(off-on)=100 ns e t(on-off)=200 ns e que a frequência de
chaveamento é 40 kHZ, calcule as perdas no estado ligado e no chaveamento.
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DEE 52/80
MOSFET de Potência
Exemplo: Considerando que um MOSFET tem os seguintes parâmetros: RDS(ON)=0,3 Ω, ciclo
de trabalho 50%, ID=6 A, VDS=100V, t(off-on)=100 ns e t(on-off)=200 ns e que a frequência de
chaveamento é 40 kHZ, calcule as perdas no estado ligado e no chaveamento.
Resposta:
Ts = 1/fs = 25 µ s d = TLigado /(Ts - Tcomut)
Como o ciclo de trabalho d=0,5 -> tLigado = 0,5 x (25 – 0,1 – 0,2) = 12,35 µ s
P
ON=
62× 0,3× 12 ,35× 10
− 6
25× 10− 6= 5,33W P
OFF=
100× 2× 10− 3
× 12 ,35× 10− 6
25× 10− 6= 0,099W
PCOMUTAÇÃO=100× 6× 300× 10
− 9
6× 40× 103= 1,2W PTOTAL= 5,33+ 0 .099+ 1,2= 6,629W
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DEE
53/80
5. Transistores Bipolares de Gate Isolado (IGBT)
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DEE 54/80
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Mescla características de baixa queda de tensão no estado ligado (do TBJ) com o
excelentes características de chaveamento (do MOSFET).
Os IGBTs vem substituindo os MOSFET em aplicações de alta tensão onde as
perdas de condução precisam ser mantidas em valores baixos.
Embora a velocidade de chaveamento dos IGBT seja maior que a dos TBJ, são
inferiores à alcançada pelos MOSFET.
O IGBT é acionado por tensão (assim como o MOSFET) e apresenta baixa
resistência no estado ligado (como o TBJ).
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DEE 55/80
IGBT
Simbologia
Estrutura interna
Modelo equivalente
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DEE 56/80
IGBT
Características estáticas:
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DEE 57/80
IGBT
Perdas:
Perdas no estado ligado:
Perdas no chaveamento:
Perdas no estado desligado:
Total:
PLigado= VCE ( sat )× IC(avg )× TLigado× f S
S
C(MAX))CE(fτ
IVP
6
max
Comutação
Perdas= PLigado+ PComutação+ PDesligado
SDesligadoC(Fuga)CC fTIVP Comutação
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DEE
58/80
6. Tiristores
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DEE
59/80
Tiristores
Tiristor é o nome dado a uma família de
semicondutores que apresenta uma
estrutura com 4 camadas (pnpn);
Operam em regime chaveado
(controlado pelo terminal de gate);
São capazes de suportar altos valores
de tensão e corrente (entre os terminais
de anodo e catodo).
+
VAK
-
IA
IG
Simbologia Estrutura
interna
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DEE
60/80
Tiristores
O tiristor mais difundido é o SCR (Retificador Controlado de Silício – Silicon
Controlled Rectifier);
Outros tiristores:
TRIAC (tiristor triodo bidirecional);
DIAC
GTO (tiristor comutado pela porta);
LASCR (SCR ativado pela luz).
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DEE
61/80
Funcionamento Básico
Corrente majoritária: A-K;
Bloqueio para tensão reversa (VAK<0 J1 e J3 reversamente polarizadas e J2
diretamente polarizada);
A condução para tensão direta (VAK>0 J1 e J3 diretamente polarizadas e J2
reversamente polarizada) está condicionada à existência de uma corrente
positiva no gate (IG>0 diminuição da barreira de J2 , permitindo a passagem
da corrente, que se mantém mesmo na ausência de IG).
Dispositivos Semicondutores – Eduardo Simas
Sentido de
condução
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DEE
62/80
Modelo Equivalente com 2 Transistores
VAK<0 não há condução pois as junções dos dois
transistores estão reversamente polarizadas.
VAK>0 é necessário que VG>0 para iniciar a
condução.
Uma vez que a corrente IA começa a circular, VG não
é mais necessária para manter a condução
Modelo equivalente
com dois transistores
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DEE
63/80
Modos de Disparo de um Tiristor
Corrente positiva no gate: modo mais usual de disparo. A barreira J2 é
atenuada pela corrente de gate, o que leva à condução se VAK>0.
Tensão: em polarização positiva, a alta taxa de variação (dV/dt) pode levar o
tiristor à condução. Em alguns casos, a tensão direta pode iniciar (na
ausência da corrente de gate) um processo de avalanche que leva à
condução.
Temperatura: altas temperaturas levam ao aumento da corrente de fuga
numa junção pn reversamente polarizada (J2).
Energia Radiante: energia radiante incidindo e penetrando no cristal pode
elevar o número de portadores livre (elétrons e lacunas) levando à
condução. Este é o princípio utilizado no LASCR.
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DEE
64/80
Curva Característica Tensão-Corrente
Vbr – Tensão de ruptura reversa;
Vbo – Tensão de ruptura direta;
IL – Corrente mínima de disparo;
Von – Tensão de condução.
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DEE
65/80
Parâmetros Básicos de Tiristores
• Máxima corrente de anodo (Iamax);
• Máxima temperatura de operação (Tjmax);
• Resistência térmica (Rth);
• Máxima taxa de crescimento da tensão direta Vak (dv/dt);
• Máxima taxa de crescimento da corrente de anodo (di/dt);
• Corrente de manutenção de condução (IH);
• Corrente de disparo (IL);
• Tempo de disparo (ton);
• Tempo de desligamento (toff);
• Corrente de recombinação reversa (Irqm).
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DEE
66/80
Associação de Tiristores
Embora os tiristores possam atingir altos valores de tensão e corrente
(~ 5kV / 4kA), em alguns casos é preciso utilizar mais de um dispositivo
para elevar a capacidade de trabalho.
Associação em paralelo: aumenta a capacidade de condução de corrente
do conjunto.
Associação em série: aumenta o valor da tensão máxima que pode ser
aplicada ao conjunto.
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DEE
67/80
Circuitos de Acionamento (Disparo)
O terminal de gate tem limites de dissipação de potência muito menores
que os de anodo e catodo.
Para o acionamento podem ser utilizados circuitos de desacoplamento:
Ou circuitos micro-processados (por exemplo para acionamentos por PWM)
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DEE
68/80
Retificador Controlado de Silício (SCR)
É um dos tipos mais comuns de tiristor (em alguns casos os termos SCR
e tiristor são usados como sinônimos).
Encapsulamentos
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DEE
69/80
Tiristor Comutado pelo gate (GTO)
Estrutura de 4 camadas típica dos tiristores.
Funcionamento semelhante ao do SCR, porém pode ser levado ao estado de
bloqueio (desligado) pela aplicação de uma corrente negativa na porta (gate).
Condução Desligamento
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DEE
70/80
Tiristor Comutado pelo gate (GTO)
Embora criado desda a década de 1960, não era muito utilizado devido ao
baixo desempenho.
Com a evolução nos processos de fabricação de dispositivos
semicondutores :
Maiores valores nominais de tensão e corrente
Aumento na utilização do GTO .
Desvantagens do GTO:
Podem não apresentar adequado bloqueio de tensão reversa.
Para não haver chaveamento indesejado é conveniente manter as
correntes de gate (positiva condução ou negativa bloqueio).
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DEE
71/80
Tiristor Triodo Bidirecional (TRIAC)
É capaz de conduzir nos dois
sentidos;
O disparo é condicionado à
aplicação de tensão no gate;
O pulso de chaveamento deve
ter a mesma polaridade da
polarização do dispositivo.
É limitado a frequências de
operação mais baixas. Simbologia Estrutura
interna
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DEE
72/80
Tiristor Triodo Bidirecional (TRIAC)
Característica V-I: Condução nos dois
sentidos.
Modelo equivalente: dois SCRs conectados
em anti-paralelo.
Curva Característica
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DEE
73/80
Tiristor Diodo Bidirecional (DIAC)
O único modo de levar o DIAC ao estado ligado é
exceder a tensão de disparo.
Pode ser ligado com tensões positivas ou negativas.
Os DIACs são utilizados em circuitos de disparo de SCRs
ou TRIACs.
Curva Característica
Simbologia
Ânodo 1 Ânodo 2
Estrutura
interna
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Aplicações (SCR)
Retificadores Controlados:
Utilizados na conversão AC-DC com controle de potência:
Retificador monofásico de
meia onda controlado Sendo o ângulo de disparo
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Aplicações (Transistores / GTO)
Conversão DC-DC:
Conversor Abaixador
(Step-down ou Buck)
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Aplicações (Transistores / GTO)
Inversores (conversão DC-AC):
Inversor de fonte de tensão (VSI) monofásico em meia ponte
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Aplicações (SCR + Transistores / GTO)
Controle de Motores AC:
Sistema de controle de velocidade de motor de indução
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Aplicações (DIAC e TRIAC)
Controle de Iluminação:
Circuito simples para controle da iluminação (dimmer)
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Exercícios de Fixação (parte 1 de 2):
1. Compare os diversos semicondutores de potência considerando a potência máxima e a frequência de chaveamento.
2. Comente a respeito da estrutura interna de um diodo de potência e dos seus efeitos nas características dinâmicas do dispositivo.
3. Considerando um circuito com um diodo de potência em série com um resistor de 100 Ω sendo alimentado por uma fonte de tensão em onda quadrada (± 300V) de frequência igual a 1kHz e ciclo de trabalho 50%, sabendo que o tempo de recuperação reversa é de 2 µs, a taxa de subida de corrente é 40 A/micro s, a taxa de queda de corrente é 30 A/µs, calcule as perdas no dispositivo considerando que VF=1,1V e IR = 0,2 mA.
4. Compare o diodo Schottky com o diodo de potência de junção p-n.
5. Comente a respeito da estrutura interna de um transistor bipolar de potência e dos seus efeitos nas características dinâmicas do dispositivo.
6. Para o circuito da Figura 1, sabendo que VCC = 150 V, VCE (sat) = 0,9 V, VBE(sat) = 1,1 V, RC = 100 Ω e RB = 1 kΩ, sabendo que a tensão VB é uma onda quadrada simétrica, encontre o valor máximo necessário para produzir a configuração de polarização em saturação (conforme especificado).
7. Para o transistor da questão 06, encontre a perda no dispositivo se a frequência do sinal VB for 2 kHz e o ciclo de trabalho 60%. Considere que os tempos de ligamento e desligamento do dispositivo são respectivamente 0,5 µs e 0,9 µs e que a corrente de fuga é aproximadamente 0,1 mA.
8. Comente a respeito da estrutura interna de um MOSFET de potência e dos seus efeitos nas características dinâmicas do dispositivo.
9. Considerando que um MOSFET tem os seguintes parâmetros: RDS(ON)=0,4 Ω, ciclo de trabalho 80%, ID=7 A, VDS=170V, t(off-on)=130 ns e t(on-off)=150 ns e que a frequência de chaveamento é 30 kHZ, calcule as perdas no estado ligado e no chaveamento.
10. Repita a questão 09 para uma frequência de chaveamento igual a 300 Hz e compare os resultados obtidos.
11. Comente a respeito da estrutura interna de um IGBT e dos seus efeitos nas características dinâmicas do dispositivo.
12. No circuito da Figura 2, Vs = 220 V, RL = 10 Ω, fs = 1 kHz e d= 0,6. Considerando as características do IGBT: tON = 2,5 µs, tOFF = 1 µs e VCE (sat) = 2 V, determine:
a. A corrente média na carga. b. As perdas no dispositivo.
Figura 1
Figura 2
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Leitura indicada:
Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and Applications, Segunda Edição, Elsevier, 2007.
Mohan, Undeland and Robins, Power Electronics, Converters, Applications and Design, Wiley
Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência , Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em 2002.
A. Ahmed. Eletrônica de Potência. Prentice Hall, 2006.
Exercícios de Fixação (parte 2 de 2):
13. Compare os transistores TBJ de potência, MOSFET de potência e IGBT em termos das perdas , dos tempos e transitórios de chaveamento.
14. Compare os diversos dispositivos tiristores estudados considerando a estrutura interna, o funcionamento, as curvas características, etc.
15. Um SCR tem os seguintes valores nominais: tensão ânodo-cátodo no estado ligado ≈ 1,5 V, tensão porta-cátodo no estado ligado 0,6 V. Considerando o circuito da Figura 3 e que a tensão VIN = 4 V, determine a perda de potência total no estado ligado.
16. A perda de potência durante o chaveamento num SCR pode ser estimada a partir de Pchav = (Vbloq x IDireta x tchav x fs)/6 . Considerando ainda o circuito da Figura 3, se uma fonte em onda quadrada (Vs) de ± 100 V e frequência 250 Hz é conectada ao resistor RL, estime as perdas de chaveamento sabendo que tON = 5 µs, tOFF = 25 µs e que o SCR é disparado uma vez a cada dois ciclos da tensão.
17. Esboce a forma de onda da tensão na carga do circuito da questão 16 sabendo que o SCR é disparado com um atraso de 0,5 ms em relação à subida da tensão de alimentação.
Figura 3
+ Vs -
Algumas figuras utilizadas nesta apresentação foram retiradas das referências citadas acima.