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Type: Tese
Title: Análise numérica de perdas em MOSFETs de potência
Author: Paula, Wesley Josias de
First Advisor: Braga, Henrique Antônio Carvalho
Co-Advisor: Almeida, Pedro Santos
Referee Member: Soares, Guilherme Márcio
Referee Member: Almeida, Pedro Machado de
Referee Member: Bender, Vitor Cristiano
Referee Member: Pinheiro, José Renes
Resumo: Este trabalho propõe um estudo teórico e experimental relacionado com as perdas de comutação em transistores de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor (MOSFET) de potência. O trabalho aborda uma revisão das principais técnicas publicadas, aprimoramento dos métodos analíticos em relação às perdas de comutação, bem como análises experimentais e teóricas envolvendo MOSFETs Si e SiC convencionais. Inicialmente, é apresentada uma revisão abrangente da literatura técnica sobre os principais e diferentes tipos de perdas observadas em transistores. Três métodos selecionados, focados na previsão analítica de perdas de comutação, são revisados e um estudo experimental de comparação é apresentado. Uma nova metodologia é proposta com o objetivo de estimar as perdas de comutação do MOSFET, considerando indutâncias parasitas e alguns parâmetros não lineares do dispositivo, como capacitâncias de junção dependentes da tensão entre dreno e fonte. Para validar experimentalmente as perdas teóricas estimadas de comutação, um protótipo de circuito de pulso duplo foi projetado e avaliado. As perdas de comutação do dispositivo sob teste foram medidas por meio de sondas de osciloscópio especialmente ajustadas. Para esse fim, foi desenvolvida uma abordagem de detecção de inclinação, visando mitigar atrasos assíncronos, que geralmente ocorrem nesses experimentos e podem fornecer medições erráticas. O estudo revela uma concordância entre as perdas estimadas pelo método experimental e as simulações teóricas obtidas pelo método proposto. Além disso, foi adotado um método probabilístico, baseado em simulações não sequenciais de Monte Carlo. A eficácia do modelo foi avaliada pelo comportamento de várias unidades de duas marcas comerciais diferentes de MOSFETs operando sob diferentes níveis de tensão e corrente. O método analítico melhorado resultou em erros de estimativas nas perdas inferiores a 20%. Já empregando o método de Monte Carlo, se alcançou erros menores que 12,5% para o estudo resumido que foi realizado, mostrando ser uma ferramenta eficaz para a determinação da estimativa de perdas com base em processos estocásticos. Por fim, são discutidas as principais contribuições deste trabalho e apresentadas as propostas de trabalhos futuros.
Abstract: This work proposes a theoretical and experimental study related to switching losses in field-effect transistor metal-oxide semiconductor (MOSFET) power devices. The work addresses a review of the main published techniques, improvement of analytical methods regarding commutation losses as well as experimental and theoretical analysis involving conventional Si and SiC MOSFETs. Initially, a comprehensive review of the technical literature concerning the main different kind of transistor losses, are shown. Three selected methods, which are focused on analytical prediction of switching losses, are revised and an experimental comparison study is presented. A new methodology is proposed aiming the estimation of MOSFETs switching losses, while considering parasitic inductances and some device nonlinear parameters, such as voltage-dependent junction capacitances. To experimentally validate the theoretical estimated switching losses, a double-pulse circuit prototype has been designed and evaluated. The device under test switching losses have been measured by means of especially adjusted oscilloscope probes. For this purpose, a de-skew probe approach has been developed seeking to mitigate asynchronous delays, which commonly arises in those experiments and could provide wrong measurements. The study reveals an agreement between the experimental estimated losses and the theoretical simulations obtained by using the proposed method. Moreover, a probabilistic method has been adopted, which is based on non-sequential Monte Carlo simulations. The model effectiveness has been evaluated by the behavior of several units of two different commercial MOSFETs brands at different voltage and current levels. The improved analytical method has resulted in errors of losses estimation below 20%. On the other hand, by using the Monte Carlo method, the errors remained 12.5%, attesting the effectiveness of losses estimation based on stochastic processes. Finally, the main contributions of this work are discussed and the proposals for future works are presented.
Keywords: Estimativa das perdas por comutação
Circuito de duplo pulso
MOSFET de potência
Dispositivo sob teste
Ferramentas computacionais
Simulação de Monte Carlo não-sequencial
Switching losses estimation
Double-pulse circuit
Power MOSFET
Computational tools
Non-sequencial Monte Carlo method
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-ShareAlike 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/11949
Issue Date: 28-Aug-2020
Appears in Collections:Doutorado em Engenharia Elétrica (Teses)



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