Aula introdução semicondutores - Mestrado

Eletrônica de Potência Aula 1Eletrônica de Potência Aula 1

Apresentação: Prof. Dr. Lúcio dos Reis BarbosaEngenheiro Eletricista – 1993Mestre em Engenharia – 1996Doutor em Engenharia Elétrica – 1999Pós-Doutorado Sênior -2011

INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO

Base da era da informação atual “primeira revolução eletrônica”:

Invenção do transistor em 1947;criação do Circuito Integrado - CI em

1958.Uma segunda revolução eletrônica:desenvolvimento de semicondutores

para controle de potência e energia. valores de tensão,

corrente e freqüência de chaveamento dos dispositivos semicondutores aumentam.

INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO

A Eletrônica Industrial (Eletrônica de Potência, normalmente chamada) trata da aplicação de dispositivos semicondutores de potência, como tiristores e transistores, na conversão e no controle de energia elétrica em níveis altos de potência.

INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO

As áreas já atingidas:- acionamentos industriais de alta

potência,;- sistemas de armazenamento de

energia,- os sistemas elétricos de distribuição e

transmissão,- sistemas de telecomunicações,- fontes não convencionais de energia,- veículos elétricos,- eletrodomésticos,- aplicações aeroespaciais, etc.

INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO

Circuito em eletrônica de potência pode ser visto:

INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO

O processo envolve conversão(ca-cc, cc-ca, cc-cc e ca-ca) e controle usando chaves semicondutoras.

Operando em altas freqüências propiciam:economia de espaço,redução de custo,baixo ruído,baixa manutenção,Maior confiabilidade,alto desempenho e rendimento

INTRODUÇÃOINTRODUÇÃOPor outro lado:aparecimento de harmônicas de tensão

e correnteProjetos mais sofisticados.Dois tipos de semicondutores:semicondutores de potência,dispositivos eletrônicos de sinal e

controle.Inter-relacionamento entre estes dois

elementos permite:alto nível de produção industrial,melhoria da qualidade do produto.

INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO

O rendimento é essencial no processamento de energia.

Processadores de energia são construídos à base:

capacitores, indutores e Chaves estáticas.Revolução na eletrônica de potência:tiristor ou retificador controlado a silício,

capaz de conduzir altas potências (1956 nos Laboratórios Bell)

APLICAÇÃO DA ELETRÔNICA DE APLICAÇÃO DA ELETRÔNICA DE POTÊNCIAPOTÊNCIA

A aplicação da eletrônica de potência tem crescido muito e atuado em diversas áreas.

APLICAÇÃO DA ELETRÔNICA DE APLICAÇÃO DA ELETRÔNICA DE POTÊNCIAPOTÊNCIA

Nos acionamentos de motores elétricos:motores de pequena potência usados

em instrumentação e periféricos de computadores

a aplicações em altas potências nas indústrias de papel, cimento e têxtil.

pode-se destacar ainda a aplicação em compressores de gasoduto, caldeiras, propulsão em navios, indústria de cimento.

Um importante aspecto conservação de energia.

APLICAÇÃO DA ELETRÔNICA DE APLICAÇÃO DA ELETRÔNICA DE POTÊNCIAPOTÊNCIA

DISPOSITIVOS SEMICONDUTORESDISPOSITIVOS SEMICONDUTORES

Classificados em três grandes grupos:Diodos - o estado de operação

(condução ou bloqueio) é controlado pelo circuito de

potência.Tiristores - entram em condução

através de um sinal de controle mas o bloqueio é feito

pela interrupção da corrente no circuito de potência.

Chaves Controladas - conduzem e bloqueiam através de sinal de controle.

DISPOSITIVOS SEMICONDUTORESDISPOSITIVOS SEMICONDUTORES os diodos de potência antecederam aos tiristores, tiristor com controle de fase e gradualmente outros

triac, GTO (Gate Turn Off), diac e alguns outros. O transistor bipolar e o transistor de efeito de campo

inicialmente usados como dispositivos de sinal, mas nos anos 70 suas potências nominais cresceram.

Anos 80 surge o MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). É um dispositivo controlado por tensão.

Dispositivo híbrido com características MOS e bipolar chamado IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - Transistor Bipolar com Gatilho Isolado).

nos anos 90 é chamada de MCT (MOS-Controlled Thyristor- Tiristor Controlado a MOS).

DISPOSITIVOS SEMICONDUTORESDISPOSITIVOS SEMICONDUTORES

Os dispositivos semicondutores de hoje usam exclusivamente silício.

Novos tipos de materiais:gálio arsênico.carbeto de silício e diamante:alta

mobilidade de seus portadores e alta condutividade tanto térmica como elétrica.

Um MOSFET de potência à diamante poderá operar com correntes na ordem 10 e6 e baixa queda por condução e temperatura na junção de até 600 0 C.

CONVERSORES DE POTÊNCIACONVERSORES DE POTÊNCIA

Podem ser classificados numa base funcional em:

Retificadores não controlados e controlados

Conversores ca-ca Conversores cc-cc Inversores alimentados por tensão Inversores alimentados por corrente

CONVERSORES DE POTÊNCIACONVERSORES DE POTÊNCIA

ACIONAMENTOS A VELOCIDADE ACIONAMENTOS A VELOCIDADE VARIÁVELVARIÁVEL

O motor de corrente contínua:rápida e eficientemente controlado pela

variação da tensão de armadura e corrente de campo através de retificadores e conversores estáticos.

apresenta desvantagens no pre‡o, alta taxa de manutenção menor relação potência de saída/volume

ACIONAMENTOS A VELOCIDADE ACIONAMENTOS A VELOCIDADE VARIÁVELVARIÁVEL

O motor de indução:não apresenta a boa controlabilidade. necessita de um conversor (inversor)

que seja capaz de fornecer ao estator tensão e freqüência variáveis.

APLICAÇÕES E INFLUÊNCIAS EM APLICAÇÕES E INFLUÊNCIAS EM SISTEMAS DE POTÊNCIASISTEMAS DE POTÊNCIA

A eletrônica de potência se manifesta nos sistemas elétricos através de conversores e controladores para:

Geração eólica e fotovoltaicaArmazenamento de energia em baterias,

superconduçãoSistemas de transmissão através dos sistemas

flexíveis de transmissão ca (FACTS) e transmissão em corrente contínua

Sistemas de distribuição através do aumento da confiabilidade e da qualidade da energia fornecida de acordo com a necessidade do consumidor

APLICAÇÕES E INFLUÊNCIAS EM APLICAÇÕES E INFLUÊNCIAS EM SISTEMAS DE POTÊNCIASISTEMAS DE POTÊNCIA

CHAVES SEMICONDUTORAS DE CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIAPOTÊNCIA

As chaves nas estruturas de eletrônica de potência são dispositivos semicondutores que apresentam completo bloqueio ou oferecem irrestrita condução à passagem de corrente elétrica.

Podem ser classificados,de acordo como são ativados, em três tipos:

diodos, tiristores chaves controladas:o transistor bipolar, O

MOSFET, o GTO (gate turn-off thyristor), o IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor) e mais recentemente o MCT ( MOS-Controlled Thyristor).

CHAVES SEMICONDUTORAS DE CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIAPOTÊNCIADe acordo com a tecnologia podem-se

classificar quatro grandes grupos principais:◦os tiristores (SCR, GTO, etc.),◦os transistores de junção bipolar (BJT),◦os transistores de efeito de campo (JFET,

MOSFET, etc.)◦os transistores híbridos ou transistores

bipolares de gatilho isolado (IGBT).

CHAVES SEMICONDUTORAS DE CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIAPOTÊNCIA

CHAVES SEMICONDUTORAS DE CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIAPOTÊNCIAA Tabela 1.1 reune um conjunto de

informações a respeito do estado-da-arte dos componentes básicos mencionados aqui.

CHAVES SEMICONDUTORAS DE CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIAPOTÊNCIA

Para se atingir os níveis de tensão e corrente de alguns elementos da Tabela 1.1 os fabricantes recorrem, em geral, a técnicas de produção de circuitos integrados.

A Fig.1.1 mostra as principais aplicações de Eletrônica de Potência,

CHAVES SEMICONDUTORAS DE CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIAPOTÊNCIA

CHAVES SEMICONDUTORAS DE CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIAPOTÊNCIA

1.1 JUNÇÕES PN1.1 JUNÇÕES PN

O ponto de partida para o estudo dos semicondutores é o cristal de silício de quatro valências numa pureza tal que dentre 10 9.0 átomos de silício.

1.1 JUNÇÕES PN1.1 JUNÇÕES PN

- portadores: elétrons e lacunas

- ligações muito estáveis para elementos com 4 elétrons na camada de valência: C, Si, Ge, etc.

- para qualquer T acima do zero absoluto, algumas ligações são rompidas, produzindo elétrons livres

1.1 JUNÇÕES PN1.1 JUNÇÕES PN

Quando o cristal está sujeito a um campo elétrico, os elétrons e buracos movem-se no cristal em direções opostas.

1.1 JUNÇÕES PN1.1 JUNÇÕES PN

- adição de materiais com 3 elétrons na camada de valência (Al e B) ou 5 elétrons (P).

1.1 JUNÇÕES PN1.1 JUNÇÕES PN

Um importante fenômeno ocorre se um cristal tipo n é conectado a um cristal tipo p.

1.1 JUNÇÕES PN1.1 JUNÇÕES PN

Se uma tensão é aplicada ao cristal:

1.2 DIODOS DE POTÊNCIA1.2 DIODOS DE POTÊNCIAA formação de camadas num diodo de

potência é mostrada na Fig.1.8.

1.2 DIODOS DE POTÊNCIA1.2 DIODOS DE POTÊNCIA

A camada n – possui a função de absorver a camada de depleção da junção p + n - quando o cristal é inversamente polarizado.

No estado de condução há uma apreciável redução na resistência ôhmica da região de arrasto.

1.2.1Característica VxI1.2.1Característica VxI

É bastante conhecido que a característica v-i de um diodo:

1.2.2 Característica de Chaveamento1.2.2 Característica de Chaveamento

Um diodo de potência requer um tempo finito para mudar do estado de bloqueio ao de condução e vice-versa.

1.2.2 Característica de Chaveamento1.2.2 Característica de Chaveamento

1.3 TRANSITORES DE POTÊNCIA1.3 TRANSITORES DE POTÊNCIA

Um transistor de potência tem uma estrutura de quatro camadas:

1.3.1 Característica V-I.1.3.1 Característica V-I.A característica v-i de um transistor de

potência npn típico é mostrada na Fig.1.12.

1.3.2 Característica de Chaveamento1.3.2 Característica de ChaveamentoAs características do transistor e do circuito o

qual ele está operando interagem para determinar a velocidade de chaveamento do transistor.

1.3.2.1 Condução1.3.2.1 Condução

O circuito externo determina a corrente de coletor do transistor.

1.3.2.2 Bloqueio1.3.2.2 Bloqueio

Bloquear um transistor envolve o remover de toda carga armazenada nas junções.

1.4 TIRISTOR1.4 TIRISTOR

De todos os semicondutores de potência, o Retificador Controlado a Silício – SCR, apresenta o menor custo por kVA e é capaz de controlar grande alto valor de potência.

1.4 TIRISTOR1.4 TIRISTOR

A camada n - , como no transistor de potência, absorve a camada de depleção da junção que determina a máxima tensão aplicável ao tiristor.

1.4.1 CARACTERÍSTICA I-V1.4.1 CARACTERÍSTICA I-V

A unicidade do tiristor está em sua característica i-v (corrente de anodo em função da tensão anodo-catodo):

1.4.2 CARACTERÍSTICA DE 1.4.2 CARACTERÍSTICA DE CHAVEAMENTOCHAVEAMENTOO tiristor inicia sua condução depois que um

pulso de certa duração é aplicado ao gatilho.

1.5 TRASISTOR MOSFET (Metal Oxide 1.5 TRASISTOR MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)Semiconductor Field-Effect Transistor)

Os MOSFETs são dispositivos de três terminais, acionados por tensão ( ao contrário do transistor bipolar e do tiristor que são acionados por corrente) e possuem uma habilidade de operar em altas freqüências.

1.5 TRASISTOR MOSFET (Metal Oxide 1.5 TRASISTOR MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)Semiconductor Field-Effect Transistor)

O MOSFET, quando em condução, é essencialmente um dispositivo resistivo. Apresenta uma resistência de condução relativamente alta é usualmente utilizado como um dispositivo de chaveamento.

1.5.1 Característica de Chaveamento1.5.1 Característica de Chaveamento

O MOSFET apresenta umas capacitâncias parasitas, e sua característica de chavemaneto dependerá das constantes de tempo relativas a estes elementos capacitivos.

1.5.1 Característica de Chaveamento1.5.1 Característica de Chaveamento

a) Entrada em condução

1.6 TRANSISTOR BIPOLAR DE GATILHO 1.6 TRANSISTOR BIPOLAR DE GATILHO ISOLADO (IGBT)ISOLADO (IGBT)

O IGBT (Isulated gate bipolar transistor) é um dispositivo que combina as características de atuação rápida e de alta capacidade de potência do transistor bipolar com a característica de controle de tensão pela gatilho do Mosfet.

A estrutura do IGBT é similar à do MOSFET, mas com a inclusão de uma camada P+ que forma o coletor do IGBT.

1.6.2 Características de 1.6.2 Características de ChaveamentoChaveamentoAs formas de onda da porção de condução são

similares aos dos poderosos mosfets. O intervalo tfv2 é causado pela capacitância gate-dreno Cgd.

1.6.2 Características de 1.6.2 Características de ChaveamentoChaveamento A primeira subida na tensão dreno-source é idêntica a

observada em todos os dispositivos utilizados em circuitos conversores (step-down).O início do intervalo de tempo, o tempo de atraso (time delay) td(off) e o tempo do aumento da tensão trv são controlados pela

porção mosfet do IGBT.

1.7 OUTROS DISPOSITIVOS1.7 OUTROS DISPOSITIVOSO Tiristor Controlado por MOS - MCT é um

dispositivo que combina a capacidade de processar potência do tiristor e a eficiência e flexibilidade de controle do chaveamento através de um gatilho controlado a MOSFET.

1.8 FUTURO DAS CHAVES1.8 FUTURO DAS CHAVES- arsenieto de gálio (GaAs)

- carbeto de silício (SiC)

- diamante