quinta-feira, 20 de março de 2014

Comparação entre Diodos Retificadores Trifásicos de Potência



Os semicondutores são largamente utilizados em diversas aplicações comerciais e indústrias. O processo industrial exige elevada potência, por isso os dispositivos semicondutores devem ser cuidadosamente escolhidos para cada aplicação e condição de funcionamento. Este trabalho consiste em uma análise comparativa entre dois diodos retificadores trifásicos de potência, destacando as características de condução e chaveamento em função dos aspectos físicos dos dispositivos. Os componentes utilizados nas análises presentes neste trabalho são os módulos SK80D 12F e SK95D12 fabricados pela SEMIKRON®.



1) Dispositivos Semicondutores Analisados: SK80D12F e SK95D 

 

Os módulos SK80D12F e SK95D são retificadores trifásicos de potência. O retificador SK80D12F é do tipo comutação rápida e recombinação suave, possui um design compacto necessitando de somente um parafuso de fixação, a transferência de calor e o isolamento do dispositivo é feita através de cobre ligado a uma cerâmica de óxido de alumínio. Suas principais aplicações abrangem a chaveamentos de potência em geral, UPS e SMPS [1].

O módulo SK95D12 tem a capacidade de bloquear até 1200V de tensão reversa e conduzir elevadas correntes além de possui design compacto, a transferência de calor e o isolamento do dispositivo é feita através de cobre ligado a uma cerâmica de óxido de alumínio. O SK95D12 possui também a tecnologia Glass Passived que ajuda a estabilizar a região de depleção controlando a corrente reversa e minimizando seu impacto na junção semicondutora [2]. Suas aplicações típicas são em entrada de retificadores em fontes de potência e retificação em geral [3].

Os dois dispositivos podem bloquear até 1200V de tensão reversa e suportam elevadas correntes de condução. Por essas características de operação e pelas atuais tecnologias comercialmente disponíveis pode-se inferir que os módulos são construídos com diodos PIN.  Os módulos SK95D12 e SKD12F da SEMIKRON são apresentados abaixo. 

Ponte retificado Trifásico dos Módulos SK951D2 e SK80D12


2) Característica do Diodo PIN. 

 

2.1) Topologia punch-through PT

A estrutura do diodo PIN na topologia punch-through para aplicações em alta potência é mostrada na Figura 1. O dispositivo é constituído basicamente por três camadas. A primeira camada é do tipo-N fortemente dopado, representada por (N+), a segunda é do tipo N fracamente dopada, denominada por (N-). A terceira é uma camada tipo P fortemente dopada (P+). A camada tipo pode ser considerada como uma camada intrínseca do tipo I, pois sua dopagem tipo (N-) é relativamente mais baixa que as outras duas camadas [4] [2]. No diodo na topologia punch-through o campo elétrico na camada de depleção pode atingir a camada (N+) [4].


Figura 1 – Estrutura física das camadas do diodo PIN


2.1.1) Tensão de Polarização Reversa.

A região de depleção do diodo PIN é formada por duas camadas sendo uma entre os materiais (P+) e (N-) e a segunda entre a camada (N-) e (N+), essa dupla camada de depleção altera a configuração do campo elétrico no interior do dispositivo, permitindo-o suportar uma maior tensão reversa. A existência da camada (N-) permite suportar uma diferença de potencial mais elevado quando o dispositivo é reversamente polarizado. A distribuição do campo elétrico no diodo PIN (Figura 2) apresenta uma forma trapezoidal e não mais triangular como nos diodos de junção PN de alta dopagem, apresentado na Figura 3.

Figura 2 – Distribuição do Campo elétrico no diodo PIN.

Figura 3– Distribuição do Campo elétrico no diodo PN.

No diodo PIN, a área do campo elétrico na região (N-) varia muito lentamente em quanto que nas regiões fortemente dopadas suas variações são mais acentuadas. Assim, o substrato (N-) impede o aumento elevado da região de depleção, quando fortes campos elétricos de polarização reversa são aplicados, pois o formato trapezoidal da distribuição do campo elétrico minimiza o comprimento da barreira evitando que ela atinja as extremidades do material e propicie à condução de um arco elétrico levando o dispositivo a queima.

A introdução do material tipo N fracamente dopado também reduz a amplitude máxima do campo elétrico no interior do dispositivo e minimiza a destruição do material semicondutor por efeito de avalanche. Assim a tensão de bloqueio do dispositivo pode ser aumenta significativamente [5] [4].


2.1.2) Condução Direta.

As perdas por condução direta nos diodos de tecnologia PIN são maiores devido à presença de duas camadas de depleção e a existência da camada (N-), que possui características resistivas maiores por ser fracamente dopada [5].

No processo de condução direta, a junção formada por (P+) e (N-) injeta uma grande quantidade de lacunas no material (N-) neutralizando os portadores existentes no equilíbrio térmico e contribuindo para a atração de elétrons da camada (N+). Portanto, a região (N-) recebe uma grande quantidade de portadores das camadas vizinhas (Figura 4) e sua resistividade diminui como consequência. Esse processo leva o dispositivo à condução por um processo de difusão, de fato a condução se efetiva por portadores minoritários que são injetados na região (N-) pela camada (P+) e de portadores majoritários que saem da camada (N+) para (N-) [4].

Figura 4 – Distribuição da densidade de carga do diodo PIN quando diretamente polarizado.

2.1.3) Velocidade de Chaveamento e Modulação de Condutividade.

A injeção de portadores na região (N-) reduz a resistividade do material e diminui as perdas por condução, porem esse efeito possui uma consequência negativa que interfere diretamente na velocidade de chaveamento do dispositivo. A velocidade de chaveamento do diodo PIN está relacionada com o tempo necessário para que os portadores de carga se recombinem na camada (N-), esse tempo que os elétrons e lacunas sobrevivem no material até se recombinarem no equilíbrio térmico é chamado de LifeTime.

A região (N-) no estado de condução está com um grande número de portadores e quando uma tensão reversa é aplicada nos terminais do diodo a corrente de condução não é interrompida instantaneamente devido ao tempo que os portadores levam para se recombinarem e possa propiciar a extinção da corrente de condução. O tempo que o dispositivo permanece em condução após a aplicação da tensão reversa é chamado de tempo de recuperação reversa trr e é proporcional a quantidade de cargas de recuperação reversa Qrr armazenada na junção [6]. A Figura 5 ilustra o processo de chaveamento (Estado Ligado para Desligado) de um diodo com o fenômeno de recuperação reversa.

Figura 5 – Fenômeno de recuperação reversa.

Para que o diodo possa comutar entre o estado ligado e desligado rapidamente o tempo de recuperação deve se reduzir. A redução do LifeTime dos portadores da região (N-) pode ser feita através de um processo de modulação de condutividade que diminui significativamente o tempo de recuperação do dispositivo, essa redução é obtido através de processos que criam centros de recombinação adicionais no material que ajudam a acelerar a taxa de recombinação dos portadores.

O processo de modulação reduz o tempo de recuperação reversa, porém traz como consequência a elevação da queda de tensão quando o diodo está diretamente polarizado, pois a adição de centros de combinação eleva a resistividade da região de depleção. Surge assim uma relação de compromisso entre redução do LifeTime e aumento da tensão de condução direta [2] [4].


2.2) Topologia Non-Punch-Through NPT e Recuperação Suave

A estrutura do diodo PIN baseada na topologia punch-through demostrou-se atraente para a redução da tensão no estado de condução direta devido ao pequeno tamanho da região de depleção. Entretanto, verificou-se que os dispositivos que possui essa tecnologia possui uma dificuldade para remover completamente as cargas armazenadas na região durante altos di/dt [5]. De fato, elevados di/dt no processo de recuperação reversa pode gerar transitórios de tensão em indutâncias parasitas do dispositivo. Uma alternativa para minimizar esses efeitos indesejáveis de tensão foi a criação da topologia non-punch-through NPT que oferece um processo de recuperação suave (soft recovery). 

A Figura 6 ilustra uma simulação feita por [5] que apresenta um resultado comparativo entre os diodos PIN com topologia PT e NPT durante o processo de recuperação reversa. O diodo com a estrutura NPT proporciona uma corrente reversa mais suave que consequentemente reduz os picos de tensão no dispositivo.

Figura 6 – Simulação e comparação dos diodos com topologia PT e NPT.

Na topologia NPT tem-se o acréscimo de uma quarta camada na estrutura do diodo PIN. A Figura 7 apresenta a estrutura física do diodo com tecnologia NPT, assim como no diodo com estrutura PT as camada (P+), (N-) e (N+) estão presente, porém existe uma quarta camada entre a região (N-) e (N+).

A presença da camada Nbuffer proporciona a anulação do campo elétrico e impede sua propagação na camada (N+), para essa finalidade a concentração de portadores de carga na Nbuffer deve ser menor que as demais camadas. Com a adição de uma camada Nbuffer a distribuição do campo elétrico no interior do dispositivo também apresenta um formato trapezoidal, entretanto uma peça maior de silício é necessária e uma maior queda de tensão é esperada na condução direta.

Figura 7 - Topologia do diodo PIN non-punch-through.


3) Análise Comparativa entre Dispositivos.

 

Analisando os dois retificadores, percebem-se diferenças para a tensão de condução direta, resistência e corrente de condução direta. A Tabela 1 apresenta os principais parâmetros dos dois dispositivos.



A queda de tensão no estado de condução direta pode ser bem observada nos gráficos das Figura 6 e Figura 7. Para uma dada corrente de condução observa-se que o diodo SK95D12 possui uma menor queda de tensão em condução direta. O diodo SK80D12F é projetado para trabalhar em altas frequências de chaveamento utilizando técnica de controle de LifeTime axial que reduz o tempo de recuperação reversa e possibilita o funcionamento do dispositivo em altos . Vale notar também que o dispositivo SK80D12F possui também uma resistência de condução direta (rt) mais alto (Tabela 1) devido a adição de centros de recombinação para controle de LifeTime

A queda de tensão maior no módulo SK80D12F também pode ser ainda justificada pela sua característica de recuperação suave através da topologia NPT discutida anteriormente. Os diodos de recuperação rápida exigem uma pastilha de silício maior o que evidencia um aumento resistivo e queda de tensão na condução direta.

Figura 8 – Queda de tensão no estado de condução direta x corrente para o SK80D12F
Figura 9 – Queda de tensão no estado de condução direta x corrente para o SK95D12.

O módulo retificador SK80D12F pode trabalhar em frequências de chaveamento elevadas com altos di/dt  e com menos perdas, entretanto a quantidade de carga de recuperação passa ser expressiva e devem ser observada para a correta aplicação do dispositivo, assim o gráfico apresentado pelo fabricante (Figura 8), relaciona quantidade de carga de recuperação reversa pela taxa de variação da corrente, fornece informações para que o componente possa ser corretamente utilizado em operações de condução e chaveamento que minimize as perdas no módulo.

Figura 10 – Cargas de recuperação reversa em função da taxa de variação da corrente.

Um gráfico semelhante não é apresentado para o módulo SK95D12, pois ele é recomendado pelo fabricante para retificação em frequência da rede elétrica onde o di/dt de corrente são suaves e os portadores de carga possui tempo suficiente para se recombinarem quando o diodo é reversamente polarizado, assim a quantidade de carga armazenada na junção é mínima e o tempo de recuperação reversa pode ser desprezado.


4) Conclusão. 

 

Com esse trabalho pôde-se concluir que as características dos dispositivos semicondutores de potência devem ser cuidadosamente observadas e entendida para serem corretamente utilizados nas aplicações de potência. A estrutura do diodo PIN permite o funcionamento em tensões mais elevadas. Técnicas de fabricação com adição de centros de recombinação para diminuição do LifeTime permite que o dispositivo trabalhe em maiores níveis de com poucas perdas. Existe uma relação de compromisso entre redução do LifeTime e aumento da tensão de condução direta. 


5) Referências.

 

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[1].
SEMIKRON. Datasheet SK 80 D 12 F. [S.l.].
[2].
SEMIKRON. Application Manual Power Semiconductors. SEMIKRON Internationa. Germany. 2011.
[3].
SEMIKRON. Datasheet SK 95 D 12. [S.l.].
[4].
MOHAN, N. . U.; ROBBINS, W. P. Power Electronics: Converters, Applications and Design. [S.l.]: John Wiley & Sons, 1995.
[5].
BALIGA, B. J. Fundamentals of Power Semiconductor Device. [S.l.]: Springer, 2008.
[6].
SEMIKRON. Discrete-Explanation-Thyristores/Diodo. SEMIKRON International. [S.l.].
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