DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA: 1. diodo A K K A 2. tiristor - (SCR) “silicon controlled rectifier”. G B G C E 4. transistor bipolar - (TJB). K A 3. tiristor de corte comandado (GTO) - “gate turn off thyristor”. B D D E C 5. transistor de efeito de campo de potência (MOSFET). G C G 6. IGBT - “insulated gate bipolar transistor”. E A 7. MCT - “MOS controlled thyristor”. G K IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges G S S ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DIODO A TIRISTOR A K 5000 V, 10000A K lentos: 5000V, 5000A, tq=100µs rápidos: 2000V, 200A, tq=20µs G GTO K A 4500V, 1000A 9000V, 9000A (módulos) G C E TRANSISTOR BIPOLAR B D MOSFET DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA G S 2000V, 2 a 10A 1000V, 100A B C E D 100V, 30A 1000V, 6A S C IGBT IST-DEEC 2003 G E G 3500V, 300A Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Diodo A DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA K Conduz se a tensão vAK se tornar positiva. Esquema equivalente do diodo em condução Bloqueia se a corrente IF se tornar negativa Característica Característica real real Característica Característica ideal ideal IF IST-DEEC 2003 Vj Potência dissipada: PF=VFIF=VjIFav + RjIFef2 IF VAK Rj Resistência térmica do dissipador: VAK Profª Beatriz Vieira Borges Tjmax - Ta = Rth j-a PF ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Limites de operação: VRRM IFRMS IFAV IFRM IFSM I2t - - tensão inversa máxima de pico repetitivo máximo valor eficaz da corrente directa máximo valor médio da corrente directa máximo valor de pico rep. da corrente directa máximo valor de pico não rep. da t corrente directa 2 2 I t = i ∫ D dt característica de choque térmico 0 valor médio da corrente directa valor eficaz da corrente directa IST-DEEC 2003 I F ( av ) 1t = ∫ iD dt T0 I F ( RMS ) Profª Beatriz Vieira Borges 1t 2 = ∫ iD dt T0 ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Característica dinâmica dinâmica Característica trr – tempo de recuperação inversa; intervalo de tempo entre a inversão da corrente e a intersecção da tangente no início da subida com o eixo t i máx t rr t Q rr I RM ta IST-DEEC 2003 Qrr – carga de recuperação inversa (C); Carga eléctrica removida da junção durante a transição ON-OFF ta – tempo de armazenamento; Intervalo desde que se inverte até começar a subir exponencialmente Profª Beatriz Vieira Borges DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Passagemààcondução condução Passagem IF vAK Carga de capacidade t Potência dissipada t Passagemao aocorte corte Passagem IF Circuito de protecção para evitar oscilações: Problemas quando a frequência aumenta IST-DEEC 2003 t vAK Profª Beatriz Vieira Borges t com RC ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Classificação de de díodos díodos Classificação Schottky Schottky • Von = 0.3 • Vmáx < 150V IST-DEEC 2003 Recuperação Recuperaçãorápida rápida (fast (fastrecovery) recovery) • trr baixo (<µs) • Vmáx < kV • Imáx < kA Profª Beatriz Vieira Borges Rectificadores Rectificadores • trr elevado • Vmáx > kV • Imáx > kA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Schottky Schottky Máx. tensão de bloqueio Máx. Corrente directa valor médio Tensão de condução Corrente de fuga no corte IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Recuperação Recuperaçãorápida rápida Máx. tensão de bloqueio no corte Corrente fuga no corte Tempo de recuperação IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Rectificadores Rectificadores IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Díodosem emsérie série(repartir (repartirtensões tensõesinversas) inversas) Díodos Díodosem emparalelo paralelo(repartir (repartircorrentes correntesdirectas) directas) Díodos Equalização por dispositivo Selecção de díodos com características muito semelhantes IST-DEEC 2003 Equalização por acomplamento magnético Só para correntes de kA; processo caro e complexo; mais peso, mais volume. Profª Beatriz Vieira Borges Equalização por resistências Só para correntes mais baixas DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Tiristor SCR K A Semi-controlado Semi-controlado G Controlo apenas na passagem a ON Conduz se vAK for positivo e se existir um impulso de corrente na “gate”, de curta duração. Bloqueia se a corrente IF se anular. + VAK - A IAK Característica Característica ideal ideal Característicareal real Característica ii G1>i >>iiG2 > iG3 G1 disparo G2 G3 VRRM IST-DEEC 2003 iG Transição OFF-ON IF VAK G I IF bloqueio K • vGK = VGKT > 0, iG = iGT > 0 durante um intervalo de tempo mínimo Transição ON-OFF VAK VDRM V DRM Profª Beatriz Vieira Borges • inversão de tensão • IAK < IH (corrente de manutenção) ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Limites de operação: VRRM - tensão inversa máxima de pico repetitivo VDRM - tensão directa máxima de pico repetitivo com o tiristor no corte ITRMS - máximo valor eficaz da corrente directa ITAV - máximo valor médio da corrente directa ITRM - máximo valor de pico rep. da corrente directa ITSM - máximo valor de pico não rep. da corrente directa I2t IST-DEEC 2003 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA - característica de choque térmico (di/dt)max - máxima taxa de crescimento da corrente directa (dvAK/dt)max - máxima taxa de crescimento da tensão ânodo cátodo IH - corrente de manutenção (“holding current”) (1% ITAV) IL - corrente de lançamento (“latching current”) (> IH) td - tempo de passagem à condução 0,1µs - 10µs tq - tempo de passagem ao corte 1µs - 110µs Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Característicasde de“GATE” “GATE” Características IG ------ máximo máximovalor valorda datensão tensão“gate”“gate”-cátodo cátodo GM-----VVGM ------ máximo máximovalor valorda dapotência potênciana na“gate” “gate” GM-----PPGM ----- máximo máximovalor valorda dapotência potênciamédia médiana na“gate” “gate” PPGav----- IGM PGM=vGKIGK Gav ------- máximo máximovalor valorda dacorrente correntede de“gate “gate IGM------IGM vGM vGK(MIN) vGK td - tempo de disparo (diminui com o aumento de energia fornecida à “gate”) o impulso de “gate” Correntes de fuga: I Tav If ≅ 4 10 Reqoff VRRM ≅ If Correntes de lançamento e manutenção: IL 2%ITav IH VAK IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges No disparo IT>IL Na condução IT>IH ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Característica dinâmica + VAK - A IAK iA G iG tqt ––tempo de recuperação ou q tempo de recuperação ou tempo tempode depassagem passagemao aocorte corte trr t vAK t tq Outras limitações dos tiristores IST-DEEC 2003 K É necessário assegurar uma tensão negativa durante um tempo superior a tq para que o tiristor corte; caso contrário conduz logo que polarizado directamente, mesmo sem impulso de gate. Taxa máxima de variação da corrente diA / dt Taxa máxima de variação da tensão dvAK / dt Profª Beatriz Vieira Borges DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA entrada em condução td + tr tempo de passagem à condução ATENÇÃO a: Potência dissipada di/dt máximo tr (depende do circuito exterior) iT td vAK passagem ao corte tr tqtempo de passagem ao corte iT (depende da temperatura) ATENÇÃO a: Potência dissipada dvAK/dt máximo 1µs<tq<110µs protecções tq t RC “snuber" vAK t não deve ser aplicada tensão directa ao tiristor enquanto não decorrer tq, caso contrário o tiristor retoma a condução. IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Protecções contra di/dt e dvAK/dt excessivos Para proteger o tiristor contra di/dt utiliza-se uma bobine em série di/dt concentração de corrente numa área muito pequena dissipação de potência elevada que pode levar à destruição do tiristor (di/dt)máx - 200A/µs (di/dt)máx -2000A/µs rápidos lentos L v v iT 2π R t di = ∞ dt iT circuito de rectificação sem protecção contra di/dt v iT 2π α t t R iT t iG IST-DEEC 2003 v t iG circuito de rectificação com protecção contra di/dt Profª Beatriz Vieira Borges α t DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Dimensionamento da bobine de protecção: v = Ri + L v=L di dt di dt i (ωt = 0) = 0 em t = 0 v L> di dt max di v di = < dt L dt max Exemplo: 2220 L> = 156 . µH 200 di = 200 A / µs dt max v(max) --- α = 90º (existência da bobine) v = 2220 L=2µH (não afecta as características do circuito) (ωL=.6mΩ para f=50Hz e R=10Ω) R=10Ω IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA • as cargas eléctricas armazenadas dvAK/dt /dt dv AK surgequando quandose seestabelece estabelece •• surge circuito oocircuito nacomutação comutaçãode decargas cargasindutivas indutivas •• na napassagem passagemao aocorte corteou ouàà •• na conduçãode deoutro outrotiristor tiristor condução na região espacial de um tiristor bloqueado equivalem a uma capacidade C • se dvAK/dt é excessivo a corrente i = CdvAK/dt pode ser suficiente para lançar o dispositivo na condução, intempestivamente Para proteger o tiristor contra dvAK/dt utiliza-se uma malha capacitiva RC em paralelo com o tiristor RS Rectificador com protecções contra dvAK/dt e di/dt v IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges CS iT L R ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Esquema equivalente com o tiristor no corte sem protecção contra dvAK/dt. RAK v L di v = R AK i + L dt vAK RAK>>>R R=10Ω di v = dt L VAK = RAKi dv AK di = R AK dt dt RAK=50KΩ dv AK Vmax = R AK dt L Se dvAK/dt = 300V/µs e di/dt = 200A/µs IST-DEEC 2003 L= 50 x 220 x 2 x10 −3 = 52mH 300 Profª Beatriz Vieira Borges valor muito elevado ωL=16Ω f=50Hz R=10Ω ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Dimensionamento da malha capacitiva: Esquema equivalente com o tiristor no corte com protecção contra dvAK/dt. L RS CS RAK v vAK R=10Ω dv AK V = R AK max L dt L= A resistência total medida aos terminais do tiristor fica diminuida quando se põe, em paralelo, a resistência Rs. Assim para RS<<<RAK tem-se: dv AK V = RS max L dt 50 x 220 x 2 x10−6 = 52 µH 300 RS vmax L> dv AK dt max valor aceitável podebaixar baixarmas masficará ficarálimitado limitadopelo pelovalor valorda dacorrente correnteque quepercorre percorreoocircuito circuitocom comootransistor transistor RRSSpode =0,1µFvalor valortípico típicoCCS>>> >>>Coff=1nF Coff=1nF bloqueado.CCS=0,1µF bloqueado. S S =32KΩ f=50Hz f=50Hz correnteque queprecorre precorreootiristor tiristorno nocorte corteaproximadamente aproximadamente10mA 10mA AAcorrente ZZCC=32KΩ =1/ωC ZZC=1/ωC C IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Supressão de transitórios curva curva característica característica deum umvaristor varistor de I 1KA -VS VS VDRM Protecção contra sobre-intensidades FUS Fusíveis rápidos ou ultra rápidos i) Vmax FUS > Vmax ii) I2t FUS > I2t tiristor IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Circuitos de disparo de tiristores “drives” 1 - Isolamento galvânico com transformador de impulso: 1:1 VCC RC Sinal de disparo 1nF BUFFER RB Oscilador autónomo Inibição 2 - Isolamento galvânico com ligação óptica: Alimentação e Lógica Foto tiristores Foto acopulador IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Classificação de Tiristores Tiristores Lentos (Controlo de fase) Tiristores rápidos (Inversores) Foto-Tiristores (HVDC) • Imáx: 4 kA • Vmáx: 5-7 kV • Von: 1,5V (@1kV); 3V (@5-7kV) • tq baixos, 1-100 µs Freqs: 1 -2 kHz • Vmáx: 2,5 kV, Imáx: 1,5 kA • Von mais baixos disparados por impulso luminoso (fibra óptica) LTT – Ligth triggered T LASCR – Ligth Activated T IST-DEEC 2003 • potência no disparo: mW • Vmáx: 8 kV, Imáx: 3,5 kA • Von: 2-3 V @3,5 kA Profª Beatriz Vieira Borges Aplicações Aplicações rede rede 1φ, 1φ, 3φ, 3φ, 50-60 50-60 Hz Hz Inversorescom Inversorescom circuitos circuitos de de comutação comutação forçada forçada HVDC HVDC ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Outros Tiristores (Electrónica Geral) TRIAC, TRIAC, DIAC, DIAC, QUADRAC QUADRAC GATT GATT Gate-assisted turn-off Tiristor (1200V, 300A) (T de corte assistido pela gate) carga A 4,7k 230V 50Hz G 470k 47 68n 10µ K GTO GTO Gate-turn-off Tiristor IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges QUADRAC ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA GTO DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A IA I Gate-Turn-Off Tiristor G + VGC - K VRWM VAK Principais campos de aplicação: aplicação • comboios de alta velocidade • transporte HVDC* Von Vmáx Imáx 2-3 V 9 kV 3 kA tq 10-25 µs < 10 kHz * transporte de energia eléctrica em cc a muito alta tensão IST-DEEC 2003 fc Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA OFF- ON semelhante ao tiristor convencional (1<VGT<2 V; IGT) mas a corrente de gate tem que se manter durante toda a condução ON-OFF • iG < 0A Aplicação de uma tensão negativa VGC • diG/dt ~ 30-100 A/µs • cerca de 30% de IA -20V < VGC < -7V A I G + VGC IST-DEEC 2003 - exemplo Duração de alguns µs superiores a tq iG = 200A @ 1000 A, 10 µs Potência de Controlo !!! Circuitos de drive Complexos e caros!!! K Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA máximo de 1-2 kV/µs Outro Outro problema problema dos dos GTOs GTOs Muito sensível a dvAK/dt elevados especialmente de OFF-ON Circuitos de protecção Problemático para circuitos indutivos A I solução solução IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges G + VGC - K DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Transistor de junção bipolar IC IB3 IB2 TJB IB1 VCEsat • baixos hFE 5 < hFE < 10 • considerável tempo de atraso na passagem ao corte • décimas µs < tempos de comutação < alguns µs • 1400 V, centenas de A • coeficiente “negativo” de T (embalamento térmico) IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Soluções para hFE maior monolithic Darlington Darlington triplo C C B B E E desvantagens IST-DEEC 2003 • maior VCEsat • menos rápidos a comutar Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Transistor de efeito de campo de potência DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA ID VGS3 VGS2 MOSFET VGS1 VDS dissipaçãona nacondução conduçãodependente dependentede deRRON ••dissipação ON competitivoscom comTJB TJBpara para<<300/400V 300/400Vee>100kHz >100kHz ••competitivos dezenasns ns<<tempos temposde decomutação comutação<<décimas décimasµs µs ••dezenas 1000V, V,<<100 100AA ••1000 controlomenos menoscomplexo complexo ••controlo coeficiente“positivo” “positivo”de deTT(auto (autoprotecção) protecção) ••coeficiente IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA limites de operação: VDS VDG ID VGS PD - Máxima tensão Dreno Fonte Máxima tensão Dreno Gate Máxima corrente de Dreno Máxima tensão “gate”Fonte Potência Máxima dissipada Pcond=rDS(on)IDef2 rDS(on) - Resistência em condução (limita a escolha do FET) Tempos de condução da ordem dos 50 a 300ns Circuitos de protecção: Sendo os tempos de comutação muito baixos há necessidade de proteger o MOSFET contra sobretensões na comutação. Durante a comutação o dispositivo requer correntes elevadas na “gate” (carga descarga de capacidade) VDS sem protecção ID t IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA protecção com “snubber” protecção com zenner VDS VDS ID ID t t diodo de substracto (diodo parasita) pode ser utilizado como diodo de roda livre (diodo lento) circuitos de disparo: Acopulador óptico Alimentação e Lógica D D Transfomador de impulsos G G S S V V Foto acopulador IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Transistor de gate isolada IGBT DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA C IC G VGS2 VGS1 E VCE “Insulated Gate Bipolar Transistor” gateisolada isoladacomo comono noMOSFET MOSFET ••gate baixosmesmo mesmoem emdispositivos dispositivosde deHV HV(2-3V (2-3VIGBT IGBTde de1000V) 1000V) ••VVononbaixos temposde decomutação comutação>>µs µs ••tempos kV,1200 1200AA ••33kV, IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Comparação dos Dispositivos semicondutores DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA (Mitsubishi) semicondutor TBJ / MD MOSFET GTO IGBT Tiristor IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges Capacidade em potência média baixa alta média alta Velocidade comutação média alta baixa média baixa ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Critérios de escolha de semicondutores de potência •potênciado dodispositivo dispositivo(correntes (correnteseetensões tensõesmáximas máximasno nocircuito) circuito) •potência •frequênciade decomutação comutação(tempos (temposde decomutação) comutação) •frequência •perdasde decondução condução(tensões (tensõesde decondução conduçãoou ouresistência resistênciade de •perdas condução) condução) •complexidadeeepotência potênciados doscircuitos circuitosde de“drive” “drive” •complexidade •custodo dosemicondutor semicondutor •custo IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA Semicondutores em comutação IDEAL • Perdas nulas na condução (v=0 quando fechado) • corrente nula ao corte (i=0 quando aberto) • tempos de comutação nulos (abertura e corte instantâneos) • potência de controlo nula I0 + vT ideal iT Vd IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges REAL ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA tc(on) = tri + tfv Perdas na condução PPonon == V Vonon II00 ttonon // TTCC DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA tc(off) = trv + tfi Perdas na comutação PPcc == ½ + t c(off))) ½V Vdd II00 ffcc (t(tc(on) c(on) + tc(off) Perdas totais PT = Pon + Pc IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges
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