2012.2 - Circuitos de Comando para MOSFETs e IGBTs de Potência

Universidade Federal do Ceará
PET Engenharia Elétrica
Fortaleza – CE, Brasil, Abril, 2013
Universidade Federal do Ceará
Departamento de Engenharia Elétrica
PET – Engenharia Elétrica UFC
Circuitos de Comando para MOSFETs e IGBTs de
Potência
Autores: René Pastor Torrico Bascopé, Dr.; Ícaro Silvestre Freitas Gomes;
Nestor Rocha Monte Fontenele; Túlio Naamã Guimarães Oliveira
Sumário
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Motivação do Trabalho
Tipos de Drivers
Sinais de Entrada e Saída dos Drivers
Circuito Driver Escolhido para Montagem
Circuito de Potência para Montagem
Circuito de Controle para Montagem
Resultados da Simulação
Conclusões
1. Motivação do Trabalho
-
-
O transistor de efeito de campo – FET (Field Effect Transistor) é conhecido como transistor unipolar porque a condução
de corrente acontece por apenas um tipo de portador, dependendo do tipo do FET, de canal n ou p. O nome “efeito de
campo” decorre do fato que o mecanismo de controle do componente é baseado no campo elétrico estabelecido pela
tensão aplicada no terminal de controle. Transistores de Efeito de Campo tipo MOS (Metal Oxide Semicondutor) ou
MOSFETs são dispositivos derivados dos transistores de efeito de campo comuns, mas com algumas mudanças na sua
estrutura.
Devido aos modos diferentes de como os MOSFETs podem operar, eles se subdividem em dois tipos: tipo depleção e
tipo intensificação.
Figura 1 – Estrutura e Símbolo do MOSFET
tipo depleção de canal n.
Figura 2 – Curva característica para um MOSFET tipo depleção de canal n.
1. Motivação do Trabalho
-
O IGBT é a sigla para Insulated Gate Bipolar Transistor e trata-se, basicamente, da associação da
característica de comando dos MOSFETs com as características de condução dos transistores bipolares de
junção, ele reúne a facilidade de acionamento dos MOSFETs e sua elevada impedância de entrada com as
pequenas perdas em condução dos Transistores Bipolares de Potência, desse modo, unindo as melhores
características desses dois tipos de transistores, o IGBT é um componente altamente recomendado para
comutação de carga de alta corrente em regime de alta velocidade.
Figura 3 - Símbolo adotado para o
IGBT de potência.
Figura 4 – Curvas características de um IGBT.
1. Motivação do Trabalho
-
O driver é um circuito de interfase entre o circuito de controle e o circuito de potência, cujas funções são:
amplificar os níveis de corrente e tensão para acionar os transistores que se encontram em diferentes
potenciais e realizar a proteção dos transistores quando detectado um curto-circuito.
Figura 5 – Célula de Comutação NPC.
Figura 6 – Ilustração de circuitos driver.
2. Tipos de Drivers
Drivers não isolados
- Para usar este tipo de driver, o circuito de controle deve ficar no mesmo potencial do
emissor (IGBT) ou fonte (MOSFET). Exemplo de aplicação: conversor Boost.
Figura 7 – Pinos do driver.
Figura 8 – Circuito interno do driver
2. Tipos de Drivers
1 - Drivers não isolados
- O driver do tipo bootstrap, que também é não isolado, permite enviar energia a um capacitor
eletrolítico com outro potencial por meio de um diodo. Funciona adequadamente na
configuração meia ponte (half-bridge).
Figura 9 – Tipos de encapsulamentos.
Figura 10 – Conexão típica .
2. Tipos de Drivers
Drivers isolados
- É usado quando o terra do circuito de controle é diferente do terminal do emissor (IGBT) ou
da fonte (MOSFET). O isolamento pode ser feito usando OPTOACOPLADOR ou elemento
MAGNÉTICO.
a) com Optoacoplador (Optodrivers)
Figura 11 – Tipos de encapsulamentos.
Figura 12 – Aplicação do driver.
2. Tipos de Drivers
Drivers isolados
- b) com Elemento Magnético
Figura 13 – Encapsulamento e Circuito interno .
Figura 14 – Aplicação do driver.
3. Sinais de Entrada e Saída do Driver
- A largura do sinal de saída deve ser igual à largura do sinal de entrada;
- Os tempos de atraso (delay times) na transição de nível baixo a nível alto (tPLH) e de nível alto
a nível baixo (tPHL) devem ser reduzidos.
Tabela 1 – Especificações de chaveamento
Figura 15 – Sinais de entrada e saída.
4. Circuito Driver Escolhido para Montagem
- Para realizar a montagem em laboratório, foi escolhido o driver Bootstrap IR21844 da
International Rectifier. Os detalhes das características do driver são mostrados a seguir:
Tabela 2 – Características comparativas do IR21844.
4. Circuito Driver Escolhido para Montagem
Figura 16 – Circuito exemplo de aplicação do IR21844.
4. Circuito Driver Escolhido para Montagem
Tabela 3 – Definição dos pinos do IR21844.
4. Circuito Driver Escolhido para Montagem
Figura 17 – Sinais de entrada e saída do IR21844.
IN : sinal de entrada
: sinal de proteção
HO: Sinal de saída p/ chave superior
LO : Sinal de saída p/ chave inferior
5. Circuito de Potência para Montagem
CIRCUITO DE POTÊNCIA
Figura 18 – Circuito de potência para testes.
6. Circuito de Controle para Montagem
CIRCUITO DE CONTROLE
Figura 19 – Circuito de controle adotado.
7. Resultados de Simulação
Especificações de Projeto
Tensão de entrada
Vin(rms) = 110 V
Frequência da rede
F = 60 Hz
Figura 20 – Forma de onda da tensão de entrada.
Frequência de comutação
Fs = 20 KHz
Tensão de saída
Vout(rms) = 110 V
Relação de transformação
a = 1,15
Figura 21 – Forma de onda da corrente de entrada.
7. Resultados de Simulação
Figura 22 – Forma de onda da tensão de entrada retificada.
7. Resultados de Simulação
Figura 23 – Forma de onda da tensão na chave, dois ciclos de f = 60 Hz.
Figura 24 – Forma de onda da tensão na chave, ciclos de f = 20 kHz.
7. Resultados de Simulação
Figura 25 – Forma de onda da corrente na chave, dois ciclos de f = 60 Hz.
Figura 26 – Forma de onda da corrente na chave, ciclos de f = 20 kHz.
7. Resultados de Simulação
Figura 27 – Forma de onda da tensão no primário do transformador, dois ciclos de f = 60 Hz.
Figura 28 – Forma de onda da tensão no primário do transformador, ciclos de f = 20 kHz.
7. Resultados de Simulação
Figura 29 – Forma de onda da tensão na carga.
Figura 30 – Forma de onda da corrente na carga.
8. Conclusões
•
O objetivo da pesquisa foi conhecer os tipos de circuitos de comando (drivers) para
transistores MOSFETs e IGBTs, que são amplamente utilizados no desenvolvimento de
fontes de alimentação (estabilizadores de tensão alternada, nobreaks, inversores para
acionamento de motores, sistemas para interligar energia a rede elétrica, etc.)
•
Os drivers foram classificados em dois tipos: não isolados e isolados. Nos drivers
isolados, para se fazer o isolamento, são usados optoacopladores e elementos
magnéticos.
•
Para realizar os testes foi adotado o driver bootstrap IR21844 da International rectifier.
O citado driver apresenta um sinal de entrada e dois sinais de saída, um para o
transistor superior e outro para o transistor inferior. O driver sob análise já apresenta
tempo morto e o valor pode ser adicionado.
•
Para fazer os testes do driver, será montado um circuito de potência que realiza a
função de modulação e demodulação para reproduzir a tensão alternada de entrada
retificada de 120Hz.
Obrigado pela Atenção!
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