Aula introdução semicondutores - Mestrado

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    13-Aug-2015

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Apresentao: Prof. Dr. Lcio dos Reis Barbosa Engenheiro Eletricista 1993 Mestre em Engenharia 1996 Doutor em Engenharia Eltrica 1999 Ps-Doutorado Snior -2011

Eletrnica de Potncia Aula 1

INTRODUOBase da era da informao atual primeira revoluo eletrnica: Inveno do transistor em 1947; criao do Circuito Integrado - CI em 1958. Uma segunda revoluo eletrnica: desenvolvimento de semicondutores para controle de potncia e energia. valores de tenso, corrente e freqncia de chaveamento dos dispositivos semicondutores aumentam.

INTRODUO

A Eletrnica Industrial (Eletrnica de Potncia, normalmente chamada) trata da aplicao de dispositivos semicondutores de potncia, como tiristores e transistores, na converso e no controle de energia eltrica em nveis altos de potncia.

INTRODUO

As reas j atingidas: - acionamentos industriais de alta potncia,; - sistemas de armazenamento de energia, - os sistemas eltricos de distribuio e transmisso, - sistemas de telecomunicaes, - fontes no convencionais de energia, - veculos eltricos, - eletrodomsticos, - aplicaes aeroespaciais, etc.

INTRODUO

Circuito em eletrnica de potncia pode ser visto:

INTRODUO

O processo envolve converso(ca-cc, cc-ca, cccc e ca-ca) e controle usando chaves semicondutoras. Operando em altas freqncias propiciam: economia de espao, reduo de custo, baixo rudo, baixa manuteno, Maior confiabilidade, alto desempenho e rendimento

INTRODUOPor outro lado: aparecimento de harmnicas de tenso e corrente Projetos mais sofisticados. Dois tipos de semicondutores: semicondutores de potncia, dispositivos eletrnicos de sinal e controle. Inter-relacionamento entre estes dois elementos permite: alto nvel de produo industrial, melhoria da qualidade do produto.

INTRODUOO rendimento essencial no processamento de energia. Processadores de energia so construdos base: capacitores, indutores e Chaves estticas. Revoluo na eletrnica de potncia: tiristor ou retificador controlado a silcio, capaz de conduzir altas potncias (1956 nos Laboratrios Bell)

APLICAO DA ELETRNICA DE POTNCIA

A aplicao da eletrnica de potncia tem crescido muito e atuado em diversas reas.

APLICAO DA ELETRNICA DE POTNCIANos acionamentos de motores eltricos: motores de pequena potncia usados em instrumentao e perifricos de computadores a aplicaes em altas potncias nas indstrias de papel, cimento e txtil. pode-se destacar ainda a aplicao em compressores de gasoduto, caldeiras, propulso em navios, indstria de cimento. Um importante aspecto conservao de energia.

APLICAO DA ELETRNICA DE POTNCIA

DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES

Classificados em trs grandes grupos: Diodos - o estado de operao (conduo ou bloqueio) controlado pelo circuito de potncia. Tiristores - entram em conduo atravs de um sinal de controle mas o bloqueio feito pela interrupo da corrente no circuito de potncia. Chaves Controladas - conduzem e bloqueiam atravs de sinal de controle.

DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES

os diodos de potncia 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 potncias nominais cresceram. Anos 80 surge o MOSFET (Metal-OxideSemiconductor Field-Effect Transistor). um dispositivo controlado por tenso. Dispositivo hbrido com caractersticas MOS e bipolar chamado IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor Bipolar com Gatilho Isolado). nos anos 90 chamada de MCT (MOS-Controlled Thyristor- Tiristor Controlado a MOS).

DISPOSITIVOS SEMICONDUTORESOs dispositivos semicondutores de hoje usam exclusivamente silcio. Novos tipos de materiais: glio arsnico. carbeto de silcio e diamante:alta mobilidade de seus portadores e alta condutividade tanto trmica como eltrica. Um MOSFET de potncia diamante poder operar com correntes na ordem 10 e6 e baixa queda por conduo e temperatura na juno de at 600 0 C.

CONVERSORES DE POTNCIA

Podem ser classificados numa base funcional em: Retificadores no controlados e controlados Conversores ca-ca Conversores cc-cc Inversores alimentados por tenso Inversores alimentados por corrente

CONVERSORES DE POTNCIA

ACIONAMENTOS A VELOCIDADE VARIVEL

O motor de corrente contnua: rpida e eficientemente controlado pela variao da tenso de armadura e corrente de campo atravs de retificadores e conversores estticos. apresenta desvantagens no preo, alta taxa de manuteno menor relao potncia de sada/volume

ACIONAMENTOS A VELOCIDADE VARIVEL

O motor de induo: no apresenta a boa controlabilidade. necessita de um conversor (inversor) que seja capaz de fornecer ao estator tenso e freqncia variveis.

APLICAES E INFLUNCIAS EM SISTEMAS DE POTNCIAA eletrnica de potncia se manifesta nos sistemas eltricos atravs de conversores e controladores para: Gerao elica e fotovoltaica Armazenamento de energia em baterias, superconduo Sistemas de transmisso atravs dos sistemas flexveis de transmisso ca (FACTS) e transmisso em corrente contnua Sistemas de distribuio atravs do aumento da confiabilidade e da qualidade da energia fornecida de acordo com a necessidade do consumidor

APLICAES E INFLUNCIAS EM SISTEMAS DE POTNCIA

CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTNCIAAs chaves nas estruturas de eletrnica de potncia so dispositivos semicondutores que apresentam completo bloqueio ou oferecem irrestrita conduo passagem de corrente eltrica. Podem ser classificados,de acordo como so ativados, em trs 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 POTNCIA

De acordo com a tecnologia podem-se classificar quatro grandes grupos principais: os tiristores (SCR, GTO, etc.), os transistores de juno bipolar (BJT), os transistores de efeito de campo (JFET, MOSFET, etc.) os transistores hbridos ou transistores bipolares de gatilho isolado (IGBT).

CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTNCIA

CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTNCIA

A Tabela 1.1 reune um conjunto de informaes a respeito do estado-da-arte dos componentes bsicos mencionados aqui.

CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTNCIAPara se atingir os nveis de tenso e corrente de alguns elementos da Tabela 1.1 os fabricantes recorrem, em geral, a tcnicas de produo de circuitos integrados. A Fig.1.1 mostra as principais aplicaes de Eletrnica de Potncia,

CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTNCIA

CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTNCIA

1.1 JUNES PN

O ponto de partida para o estudo dos semicondutores o cristal de silcio de quatro valncias numa pureza tal que dentre 10 9.0 tomos de silcio.

1.1 JUNES PN- portadores: eltrons e lacunas - ligaes muito estveis para elementos com 4 eltrons na camada de valncia: C, Si, Ge, etc. - para qualquer T acima do zero absoluto, algumas ligaes so rompidas, produzindo eltrons livres

1.1 JUNES PN

Quando o cristal est sujeito a um campo eltrico, os eltrons e buracos movem-se no cristal em direes opostas.

1.1 JUNES PN

- adio de materiais com 3 eltrons na camada de valncia (Al e B) ou 5 eltrons (P).

1.1 JUNES PN Um importante fenmeno ocorre se um cristal tipo n conectado a um cristal tipo p.

1.1 JUNES PN

Se uma tenso aplicada ao cristal:

1.2 DIODOS DE POTNCIA

A formao de camadas num diodo de potncia mostrada na Fig.1.8.

1.2 DIODOS DE POTNCIA

A camada n possui a funo de absorver a camada de depleo da juno p + n - quando o cristal inversamente polarizado. No estado de conduo h uma aprecivel reduo na resistncia hmica da regio de arrasto.

1.2.1Caracterstica VxI

bastante conhecido que a caracterstica v-i de um diodo:

1.2.2 Caracterstica de Chaveamento

Um diodo de potncia requer um tempo finito para mudar do estado de bloqueio ao de conduo e viceversa.

1.2.2 Caracterstica de Chaveamento

1.3 TRANSITORES DE POTNCIA

Um transistor de potncia tem uma estrutura de quatro camadas:

1.3.1 Caracterstica V-I.

A caracterstica v-i de um transistor de potncia npn tpico mostrada na Fig.1.12.

1.3.2 Caracterstica de Chaveamento

As caractersticas do transistor e do circuito o qual ele est operando interagem para determinar a velocidade de chaveamento do transistor.

1.3.2.1 Conduo

O circuito externo determina a corrente de coletor do transistor.

1.3.2.2 Bloqueio

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

1.4 TIRISTOR

De todos os semicondutores de potncia, o Retificador Controlado a Silcio SCR, apresenta o menor custo por kVA e capaz de controlar grande alto valor de potncia.

1.4 TIRISTOR

A camada n - , como no transistor de potncia, absorve a camada de depleo da juno que determina a mxima tenso aplicvel ao tiristor.

1.4.1 CARACTERSTICA I-V

A unicidade do tiristor est em sua caracterstica i-v (corrente de anodo em funo da tenso anodo-catodo):

1.4.2 CARACTERSTICA DE CHAVEAMENTO

O tiristor inicia sua conduo depois que um pulso de certa durao aplicado ao gatilho.

1.5 TRASISTOR MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) Os MOSFETs so dispositivos de trs terminais, acionados por tenso ( ao contrrio do transistor bipolar e do tiristor que so acionados por corrente) e possuem uma habilidade de operar em altas freqncias.

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

O MOSFET, quando em conduo, essencialmente um dispositivo resistivo. Apresenta uma resistncia de conduo