Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Centro Universitário da FEI, São Bernardo do Campo, 2015

Este trabalho tem por objetivo principal avaliar a influência da temperatura de junção nas perdas de potência de um módulo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), monitorando a temperatura através de medida direta, empregando sensores a fibra ótica. O monitoramento direto da temperatura é realizado por meio de sensores óticos baseados em rede de Bragg instalados no interior do módulo, posicionados sobre a pastilha semicondutora que forma o IGBT. Para que as análises experimentais possam ser realizadas sob condições de temperatura controlada, foi desenvolvido um sistema de controle de temperatura digital com base em um módulo termoelétrico de efeito Peltier, que permite regular a temperatura com um erro percentual de 0,1%, numa faixa de valores que podem variar de -16 °C a 150 °C. O acionamento do módulo IGBT é realizado através de um circuito de teste capaz de variar os parâmetros elétricos do dispositivo, como largura do pulso, tensão e corrente de carga. As formas de onda que descrevem o comportamento do IGBT são obtidas por meio de um osciloscópio digital, o que proporciona a verificação do desempenho do dispositivo durante os processos de comutação e condução de corrente elétrica. O acionamento do IGBT sob temperaturas controladas permite verificar as faixas de temperatura que apresentam influência significativa nas perdas do dispositivo. O emprego do sensor ótico proporciona identificar o aquecimento gerado na junção do dispositivo em função das perdas. A medição da temperatura de forma direta também contribui para o desenvolvimento de uma técnica simples e de boa precisão para obtenção dos parâmetros térmicos da estrutura do IGBT. Os parâmetros obtidos serviram de base para elaboração de um modelo térmico preciso, que permite simular fielmente o comportamento térmico do dispositivo, onde o erro percentual máximo é de aproximadamente 0,3%. A utilização do modelo facilita a análise de pequenas variações de temperatura, inferiores à 0,01 °C, onde a medição através do sensor torna-se complicada. A associação dos resultados da análise de influência da temperatura no desempenho do IGBT, com o monitoramento e simulação do aquecimento gerado durante a operação do dispositivo pode contribuir, de fato, para o desenvolvimento semicondutores de potência mais eficientes. / This study aims to evaluate the temperature influence on power losses of an IGBT module (Insulated Gate Bipolar Transistor), monitoring the temperature through direct measurement, using optical sensors. The direct monitoring of temperature is accomplished by means of optical sensors based on fiber Bragg grating installed inside the module, positioned on the semiconductor wafer, which forms the IGBT structure. For the experimental analysis to be performed under controlled temperature conditions, a digital temperature control system based on a Peltier effect thermoelectric module was developed, which can regulate the temperature in a range between -16 °C to 150 °C, with an percentage error of 0.1%. The drive of the IGBT module is done by a test circuit that can vary the device electrical parameters, such as pulse width, voltage and load current. A digital oscilloscope, providing verification of device performance during the switching and conduction of electrical current, obtains the waveforms that describe the IGBT behavior. The drive of the IGBT under controlled temperature allows checking the temperature ranges that have significant influence on the device power losses. The use of optical sensor provided to identify the heat generated on the device junction due to the power losses. The direct measurement of junction temperature also contributed to the development of a simple technique with great precision to obtain the thermal parameters of the IGBT structure. The parameters obtained were the basis for developing a precise thermal model that faithfully simulates the device thermal behavior, where the maximum percentage error is 0.3%, approximately. The model facilitates the analysis of small variations in temperature, lower than 0.01 °C, where measurement by the sensor becomes more complicated. The association of the temperature influence analysis on the IGBT performance with monitoring and simulation of generated heat on the structure during device operation, can contribute to the research on design of novel power semiconductor devices.

Este trabalho tem por objetivo principal avaliar a influência da temperatura de junção nas perdas de potência de um módulo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), monitorando a temperatura através de medida direta, empregando sensores a fibra ótica. O monitoramento direto da temperatura é realizado por meio de sensores óticos baseados em rede de Bragg instalados no interior do módulo, posicionados sobre a pastilha semicondutora que forma o IGBT. Para que as análises experimentais possam ser realizadas sob condições de temperatura controlada, foi desenvolvido um sistema de controle de temperatura digital com base em um módulo termoelétrico de efeito Peltier, que permite regular a temperatura com um erro percentual de 0,1%, numa faixa de valores que podem variar de -16 °C a 150 °C. O acionamento do módulo IGBT é realizado através de um circuito de teste capaz de variar os parâmetros elétricos do dispositivo, como largura do pulso, tensão e corrente de carga. As formas de onda que descrevem o comportamento do IGBT são obtidas por meio de um osciloscópio digital, o que proporciona a verificação do desempenho do dispositivo durante os processos de comutação e condução de corrente elétrica. O acionamento do IGBT sob temperaturas controladas permite verificar as faixas de temperatura que apresentam influência significativa nas perdas do dispositivo. O emprego do sensor ótico proporciona identificar o aquecimento gerado na junção do dispositivo em função das perdas. A medição da temperatura de forma direta também contribui para o desenvolvimento de uma técnica simples e de boa precisão para obtenção dos parâmetros térmicos da estrutura do IGBT. Os parâmetros obtidos serviram de base para elaboração de um modelo térmico preciso, que permite simular fielmente o comportamento térmico do dispositivo, onde o erro percentual máximo é de aproximadamente 0,3%. A utilização do modelo facilita a análise de pequenas variações de temperatura, inferiores à 0,01 °C, onde a medição através do sensor torna-se complicada. A associação dos resultados da análise de influência da temperatura no desempenho do IGBT, com o monitoramento e simulação do aquecimento gerado durante a operação do dispositivo pode contribuir, de fato, para o desenvolvimento semicondutores de potência mais eficientes. / This study aims to evaluate the temperature influence on power losses of an IGBT module (Insulated Gate Bipolar Transistor), monitoring the temperature through direct measurement, using optical sensors. The direct monitoring of temperature is accomplished by means of optical sensors based on fiber Bragg grating installed inside the module, positioned on the semiconductor wafer, which forms the IGBT structure. For the experimental analysis to be performed under controlled temperature conditions, a digital temperature control system based on a Peltier effect thermoelectric module was developed, which can regulate the temperature in a range between -16 °C to 150 °C, with an percentage error of 0.1%. The drive of the IGBT module is done by a test circuit that can vary the device electrical parameters, such as pulse width, voltage and load current. A digital oscilloscope, providing verification of device performance during the switching and conduction of electrical current, obtains the waveforms that describe the IGBT behavior. The drive of the IGBT under controlled temperature allows checking the temperature ranges that have significant influence on the device power losses. The use of optical sensor provided to identify the heat generated on the device junction due to the power losses. The direct measurement of junction temperature also contributed to the development of a simple technique with great precision to obtain the thermal parameters of the IGBT structure. The parameters obtained were the basis for developing a precise thermal model that faithfully simulates the device thermal behavior, where the maximum percentage error is 0.3%, approximately. The model facilitates the analysis of small variations in temperature, lower than 0.01 °C, where measurement by the sensor becomes more complicated. The association of the temperature influence analysis on the IGBT performance with monitoring and simulation of generated heat on the structure during device operation, can contribute to the research on design of novel power semiconductor devices.

Resumo: Este trabalho apresenta um novo conversor PWM monofásico CA-CC, com um único estágio de retificação e correção do fator de potência, utilizando a célula de comutação de três estados. É demonstrado o conversor proposto empregando duas destas células, em substituição as configurações convencionais de duplo estágio, um estágio retificador e outro pré-regulador. A célula de comutação de três estados é composta basicamente por dois interruptores ativos, dois passivos e dois indutores acoplados magneticamente. A topologia desta célula permite que apenas metade da potência de entrada seja processada pelos interruptores ativos, reduzindo assim a corrente de pico sobre estes à metade do valor da corrente de pico da entrada, tornando importante para aplicações em potências mais elevadas. O volume dos elementos reativos (indutores e capacitores) é reduzido, pois, por características topológicas, a freqüência da ondulação da corrente e da tensão é o dobro da freqüência de operação dos interruptores, sendo assim, possível operar o conversor com menores freqüências, diminuindo consequentemente as perdas na comutação. As perdas totais são distribuídas entre todos semicondutores, facilitando a dissipação de calor. O paralelismo dos interruptores é muito atraente para a configuração do circuito estudado, possibilitando o uso de interruptores mais baratos. Outra vantagem é possuir uma menor faixa de operação na região de descontinuidade, ou seja, a faixa de operação no modo de condução contínua é ampliada. É realizado um estudo do conversor boost CC-CC operando com razão cíclica (0 < D < 0,5) e (0,5 < D < 1). Em seguida este conversor é empregado, operando em toda faixa de variação da razão cíclica (0 LÜD LÜ1), no conversor CA-CC de estágio único. O circuito do conversor em questão funciona em malha fechada utilizando o circuito integrado UC3854 para... / Abstract: This work presents a new AC-to-DC PWM single-phase converter, with only one stage including rectification and power factor correction, using the three-state switching cell. It is demonstrated the proposed converter using two of these cells, instead of the conventional configurations that use a rectifier stage and a high-frequency pre-regulator. The three-state switching cell comprises two active switches, two diodes and two coupled inductors. In this topology only part of the input energy is processed by the active switches, reducing the peak current in these switches in a half of the peak value of the input current, making this topology suitable to the operation in larger power levels. The volume of the power reactive elements (inductors and capacitors) is also decreased since the ripple frequency on the output is twice the switching frequency. For a smaller operating frequency, the switching losses are decreased. Due to the topology of the converter, the total losses are distributed among all semiconductors, facilitating the heat dissipation. The parallelism of switches is very attractive for the studied configuration, facilitating the use of cheaper switches. Another advantage of this converter is the smaller region to operate in discontinuous conduction mode or, in other words, the operation range in continuous conduction mode is enlarged. It is developed a study of the DC-to-DC boost converter operating with duty (0 < D < 0,5) and (0,5 < D < 1). Then, this converter was used in full variation range of the duty-cycle (0 < D < 1) in the AC-to-DC single-stage converter. The circuit of this issue converter works with a feedback control line using the integrated circuit UC3854 to do the control in continuous conduction mode for input current with instantaneous average mode. Besides the mathematical analysis and development through... / Orientador: Falcondes José Mendes de Seixas / Coorientador: Grover Victor Torrico Bascopé / Banca: Fabio Toshiaki Wakabayashi / Banca: João Onofre Pereira Pinto / Mestre