PEA-2487 Eletrnica de Potncia INOTAS DE AULAProf. Wilson
Komatsu1Loureno Matakas JuniorProf . Walter KaiserVerso 0.99 - 1
semestre/2010OBJETIVOS DA DISCIPLINA:Introduo aos conceitos de
Eletrnica de Potncia, com nfase aos conversores comutados pela rede
de corrente alternada (CA).O aluno dever aprender os princpios da
converso de CA para corrente contnua (CC) e
conversoCC/CAutilizandochaves eletrnicas comutadas pelaredeCA,
incluindoaanlise, projeto e aplicaes das topologias mais usadas, a
influncia na rede CA e suas solues.CONTEDO: Dispositivos
semicondutores aplicados eletrnica de potncia; Circuitos de
retificadores no controlados e controlados; Modelamento de
circuitos, caractersticas externas, formas de onda, efeitos da
comutao, equaes e influncia no sistema de CA; operao nos quatro
quadrantes; limites de funcionamento e protees; Dimensionamento de
transformadores e indutores de filtro; Aplicaes: Sistemas de
transmisso de energia em corrente contnua (HVDC), conversores para
excitao esttica, compensao esttica de reativos e reguladores de
tenso CA.BIBLIOGRAFIA (lista bsica): Notas de aula; N. Mohan, T.
Undeland, W.P. Robbins. Power Electronics: Converters, Applications
and Design. John Wiley & Sons, 1995 (2nd edition); M.H. Rashid.
Power Electronics: Circuits, Devices and Applications.
Prentice-Hall. 1993 (2nd edition). Obs.: existe uma traduo para o
portugus, da Makron Books; B.M. Bird, K.G.King, D.A.G. Pedder: An
Introduction to Power Electronics,John Wiley and Sons, 1993 (2nd
edition); T.H. Barton: Rectifiers, Cycloconverters and AC
Controllers. Clarendon Press, 1994.CRITRIO DE AVALIAO:Critrio de
aprovao: M=0,9 P1+P2)2+0,1ASendo:P1 e P2: notas de provas de
teoria;A: nota de listas de exerccios.Recuperao: Critrio de
aprovao:MF= M+R)2Sendo:MF: mdia final;M: mdia obtida pelo aluno na
primeira avaliao;R: nota obtida pelo aluno na prova de recuperao.1
Baseado em notas de aula dos Profs. Waldir P, Walter Kaiser,
Loureno Matakas Jr. e Wilson KomatsuPEA-2487 Eletrnica de Potncia I
- 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.1PROGRAMA DO CURSO
(tentativa):1. Modelos e circuitos e configuraes bsicas de
conversores2. Dispositivos eletrnicos para controle de potncia3.
Retificadores polifsicos no-controlados4. Retificadores polifsicos
controlados5. Aplicaes de eletrnica de potnciaINTRODUO: DEFINIO DE
CONVERSORES ESTTICOSConversor Estticoumaunidadeoperacional
constitudadesemicondutores (vlvulas eletrnicas) e sistemas de
controle auxiliar, utilizada para alterar uma ou mais
caractersticas de um sistema eltrico de potncia. Pode-se alterar:
nveis de tenso e corrente, freqncia e o nmero de fases.
Ofluxodepotnciaatravs dos conversores estticos podeser reversvel,
podendoas entradas e sadas trocar de funo.Fig. I.1: Nomenclatura
dos processos de converso esttica de energia eltrica.Alguns
exemplos de conversores estticos so:CA / CC / CA (ex: retificador
comutado pela rede)CA / CA direto (ex: controlador de potncia CA
(dimmer))CC / CC direto (ex: chopper)CC / CC com elo CA (ex: fonte
de alimentao chaveada)CA / CA direto (Ex: ciclo-conversor) CA / CA
com elo CC (ex: inversor PWM)Fig. I.2: Exemplos de conversores de
energia eltrica CA / CC / CA.Um diagrama de blocos de uma estrutura
bsica do conversor comutado pela rede pode ser ilustrado como na
figura I.3:Fig. I.3: Diagrama de blocos de uma estrutura bsica de
conversor comutado pela rede.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1
sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.21. MODELOS DE CIRCUITOS1.1.
Generalidades- Componentes fsicos do conversor so descritos por
modelos matemticos;- Quanto mais simples o modelo:- Mais fcil o
clculo do circuito;- Descrio mais pobre do seu funcionamento.-
Escolhadomodelo: Conciliaoentresimplicidadedeclculo(modelosimples)
edescrio adequada do funcionamento (modelo complexo).-
MODELOS:Ideal: - Simula situaes idealizadas;(simples) - Fornece
idia qualitativa de funcionamento;- Permite dimensionamento eltrico
aproximado dos componentes para operao em regime
permanente.Idealizado: - Anlise de transitrios;(+ complexo) -
Estudo de fenmenos secundrios que podem impor restries de projeto;-
Avaliao de eficincia (incluso de perdas);- Compatibilidade
(fsica).Por mais simples que seja o modelo, ele deve apresentar
compatibilidade fsica interna.E1 = VE2 = VMas se E1 E2 ?Soluo: E1
R1I1 = VE2 R2I2 = VFig.1.1: Compatibilizao fsicada associaoem
paralelo de duasfontes de tenso atravsde resistncias em srie.I1 =
II2 = IMas se I1 I2 ?Soluo: I1 G1V1 = II2 G2V2 = IFig. 1.2:
Compatibilizaofsicadaassociaoemsriededuasfontesdecorrenteatravsde
resistncias em paralelo.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1
sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.3Fig. 1.3: Compatibilizao
fsica de duas fontes de tenso com formas de onda distintas atravs
de uma impedncia Z. Nos exemplos das figuras 1.1, 1.2 e 1.3, a
simples associao dos modelos ideais, a corrente ou tenso necessria
para compatibilidade seriam infinitas, o que no fisicamente
possvel. Em todososcasosacima,
necessriaainclusodeumelementoresistivo(resistnciainternada bateria)
ou reativo (indutor de filtro ou impedncia do transformador) de
maneira conveniente na associao.- SOLUO DE CIRCUITOS EM ELETRNICA
DE POTNCIA:Como os circuitos de Eletrnica de Potncia usam
componentes NO lineares (diodos etc.), o circuito a ser resolvido
no-linear. A soluo para resoluo fragmentar o circuito original em
uma sucesso temporal de circuitos parciais lineares, e resolver
cada trecho parcial linear aplicando-se como condies iniciais as
condies finais do trecho anterior.Por exemplo,
ofuncionamentodeumcircuitoretificador podeser descritocomouma
sucesso de transitrios (em que cada transitrio tem condies iniciais
iguais s condies finais do transitrio anterior). importante
ressaltar que nesta situao, o REGIME PERMANENTE2 deve ser definido
com uma repetio peridica da sucesso de transitrios, e deve-se
enfatizar a natureza peridica do regime permanente (ou seja, em
regime permanente possvel se ter um perodo constante aonde as
condies finais do perodo anterior sero iguais aos iniciais do
perodo seguinte). Vrias caractersticas eltricas interessantes
ocorrememcircuitos emregime permanente, e sero abordadas
posteriormente.1.2. Modelos de componentes ideaisA) GERADOR (ou
rede de alimentao)Circuitos retificadores de interesse industrial
geralmente so alimentados por redes trifsicas. Para generalizar,
pode-se descrever um gerador n-fsico.2 No se deve confundir aqui
REGIME PERMANENTE com regime permanente senoidal (rps), pois as
formas de onda das tenses e correntes envolvidas provavelmente no
sero senoidais.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas
de aula v. 0.99- pg.4A.1 Modelo ideal:- n geradores;- f.e.m.
puramente senoidal;- tenses de mesma amplitude e freqncia;-
defasagem de 2/n entre geradores.Nestecasodef.e.m. pura,
semimpednciainterna, atenso terminal independedacorrente.
Nocasodecurto-circuito, a corrente tende ao infinito.Fig. 1.4:
Modelo ideal de gerador n-fsico.A.2 Modelo idealizado
(simplificado):- Zrede fornecido pela concessionria. Geralmente
utiliza-se somente a parte reativa, pois a parte resistiva temvalor
comparativamente desprezvel.- Zrede obtido do gerador de Thvenin
equivalente da barra: - determina-se a tenso na barra, obtendo-se a
tenso em vazio E do gerador; - A impedncia na barra (Zrede)
calculada com todos os geradores de tenso em aberto e os de
corrente em curto.Fig. 1.5: Modelo idealizado de gerador com
impedncia interna. G G Fig. 1.6: Diagrama unifilar de um sistema de
potncia (do qual se obtm o modelo da figura 1.5).A figura 1.7
exemplifica a obteno de tenso e impedncia equivalentes vistas pela
carga.Fig. 1.7: Exemplo de obteno de tenso e impedncia equivalentes
vistas pela carga.Nestecaso, atensoterminal
darededependedacorrenteabsorvidapelacarga. Essa dependncia
complicada se a corrente de carga for no-senoidal, como no caso de
retificadores.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas
de aula v. 0.99- pg.5Carga Carga ER1R2R1//R2E*R2(R1+R2)Fig. 1.8:
Corrente no-senoidal drenada por carga com diodo.O circuito da
figura 1.8 pode ser equacionado por:v=Esinot )Rgi (1.1)i=ER
g+Rsinot ) sin ot >0(1.2)i=0 sin ot 0 (1.3)v=ERR+Rgsinot ) sinot
)>0(1.4)v=Esinot ) sin ot )0 (1.5)B) TRANSFORMADORO modelamento
do transformador um exemplo da importncia do pleno entendimento das
limitaes e potencialidades de um dado modelo, seja ele ideal ou
idealizado.Paraseilustraroproblema,
umcircuitosimplesusandotransformadorapresentadona figura 1.9. Qual
a forma de onda da corrente i1 presente no primrio do
transformador?Fig. 1.9: Esquema eltrico de um retificador monofsico
de um caminho e meia onda com carga resistiva, alimentado por fonte
senoidal atravs de um transformador.Docircuitodafigura1.9, qual
aformadacorrentedoprimrioesperadai1?Vrias possibilidades so
apresentadas na figura 1.10.(a) (b) (c) (d) (e)Fig. 1.10: Possveis
formas de onda para a corrente do primrio i1 do circuito da figura
1.9. A linha horizontal no centro das figuras representa o valor de
zero ampres.A resposta (a) muito comum, pois encontrada em muitos
livros texto de eletrnica de potncia. Se o aluno assumir que o
transformador ideal (nada foi dito a respeito no enunciado do
problema!)eaplicarasleisdeAmpreeFaraday, obteraresposta(d).
Seforconstrudoum PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 -
Notas de aula v. 0.99- pg.6VRRgIEcircuito real e medida a corrente
i1, ser obtida a resposta (e).Qual a resposta correta? Depende do
modelo que est sendo usado, ou melhor, a resposta depende do modelo
do transformador que est sendo usado, com suas limitaes.O problema
da modelagem do transformador pode ser abordado com a apresentao
inicial dotransformador ideal e oacrscimo de no-idealidades para
que omodelo mais completo apresente o mesmo comportamento do
transformador medido no mundo real.B.1 TRANSFORMADOR IDEALO
transformador ideal,mostrado na figura 1.11a, consiste de duas
bobinas magneticamente acopladas com nmero de espiras Np e Ns e
apresentando as seguintes caractersticas:a) acoplamento magntico
perfeito entre ambos os enrolamentos;b) sem perdas no ncleo nem nos
enrolamentos;c) o material magntico do ncleo linear com . vp(t)
vs(t) ip(t) is(t) Np Ns (t) vp(t) vs(t) ip(t)is(t) Ns Np (a)
Circuito eltrico. (b) Modelo equivalente.Fig. 1.11. Transformador
ideal.A relao entre uma tenso primria arbitrria vp(t) e o fluxo no
ncleo (t) dada pela lei de Faraday:vp t )=N p ddt(1.6)O fluxo
magntico (t) que acopla ambos os enrolamentos dado por: t )=1N
pt0tvp ) d + t0)(1.7)Por exemplo, se a tenso do primrio vp(t)
senoidal, o fluxo do ncleo senoidal com um valor mdio que depende
do instante de ligao t0 como mostra a equao (1.7).Desde que o
acoplamento entre enrolamentos perfeito (hiptese a), a tenso do
secundrio vs(t) obtida de (1.8):vst )=N sddt=N sNpvp t ) (1.8)Note
que (1.8) vale para qualquer forma de onda de tenso no
primrio,incluindo tenses contnuas.Se a rea transversal do ncleo for
S, a densidade de fluxo magntico resultante B(t) :Bt )=t
)S(1.9)Assumindo is(t)nulo,ip(t) obtido aplicando-se a lei de Ampre
intensidade de campo magntico H(t) atravs de um caminho de
comprimento :ipt )=H t ) . Np(1.10)PEA-2487 Eletrnica de Potncia I
- 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.7E como:H t )=B t )(1.11)e
assumindo-se que o material do ncleo linear e sem perdas (hipteses
b e c), a curva BxH uma reta que passa pela origem. Quando (hiptese
c) a curva BxH se torna uma linha vertical em H=0. Como conseqncia,
ip(t) nulo para is(t)=0 e qualquer variao finita no valor de B no
afeta este valor nulo de ip(t).Quando uma corrente de carga is(t)
flui no enrolamento secundrio, de acordo com a lei de Ampre a fora
magnetomotriz total precisa ser nula pois H=0. Com isso, a corrente
do primrio pode ser calculada por:ipt )=NsN pis t ) (1.12)Note que
(1.12) vlida para qualquer forma de onda de corrente no secundrio,
incluindo correntes contnuas.Note ainda que as tenses dadas somente
pela lei de Faraday, e as correntes dadas somente pela lei de
Ampre, so desacopladas em um transformador ideal.De (1.8) e (1.12)
pode se obter:vp t ). ip t )=vs t )is t ) ppt )=ps t
)(1.13)mostrando que as potncias instantneas no primrio e no
secundrio so iguais, pois este modelo de transformador ideal no
armazena nem dissipa energia.Desta forma,o comportamento eltrico de
um transformador ideal pode ser representado pelo circuito eltrico
da figura 1.11b, e pelas equaes (1.8) e (1.12). Estas equaes no
dependem da freqncia ou forma de onda e portanto so vlidas para
tenses e correntes contnuas respectivamente.Dentre as respostas da
figura 1.10, se o transformador for ideal a resposta correta ser a
(d),e neste caso o transformador estar transformando corrente
contnua. Um erro muito comum se dizer que umtransformador, mesmo
ideal, no permite transformao de corrente contnua. Mostrou-se
claramente no equacionamento acima que no existe este impedimento
para o transformador ideal. E para o transformador real? Por que a
resposta certa a (e)?Um detalhe importante que foi omitido na
apresentao das alternativas da figura 1.10, que elas representam a
corrente no primrio em regime permanente, ou seja, aps o fim de um
regime transitrio de ligao, partindo provavelmente de condies
iniciais nulas para tenses e correntes. A obteno da resposta real
(e), em regime permanente, deve ser feita sobre o modelo completo
do transformador,
massomentealgunscomponentesdestemodelosoessenciaisparaexplicareste
comportamento. O comportamento para regime permanente que explica
completamente a alternativa correta (e) apresentado a seguir.B.2
TRANSFORMADOR REAL (modelo completo)Fig. 1.12: Modelo completo do
transformador (com ncleo saturvel) alimentando retificador de
meia-onda com carga resistiva.O circuito dafigura 1.12 substituio
transformador genricodafigura1.9pelo modelo equivalente completo de
transformador. Note-se que o transformador presente no centro
PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v.
0.99- pg.8exatamente o transformador ideal modelado no
itemanterior, inclusive usando a mesma nomenclaturadetenses(vpevs).
Acorrentedosecundrioip(t)destetransformador ideal a prpria corrente
i2(t) da carga, e a corrente do primrio ip(t) se divide entre a
fonte e(t) (cuja corrente i1(t)) , a resistncia de perdas RP e a
indutncia de magnetizao Lmag.A forma de onda da corrente da
cargai2(t)corresponde opo (d) da figura 1.10, uma senide retificada
em meia-onda com valor mdio no nulo. Como o transformador deste
modelo completo ideal, a corrente do primrio ip(t) ter a mesma
forma de onda do secundrio is(t) (= i2(t)) inclusive com valor mdio
no nulo.IMPORTANTE:Emregime permanenteas tenses mdias sobre
indutores (mesmo saturveis) so nulas (e, de modo dual, as correntes
mdias sobre capacitores tambm sero nulas).Demonstra-se esta afirmao
acima sabendo-se que no regime permanente sempre pode ser
encontrado um perodo de tempo fixo (geralmente um mltiplo ou
submltiplo do perodo da rede de CA) em que a energia de um bipolo
no dissipativo (indutor ou capacitor) no incio deste perodo igual
do fim do perodo, ou seja, a variao de energia do bipolo neste
perodo nula. Ou seja,em regime permanente tal bipolo no est
ganhando ou perdendo energia mdia (calculada neste perodo de tempo
fixo) ao longo do tempo.Fig. 1.13: Detalhe do circuito da figura
1.12, aplicando-se a2a lei de Kirchhoff para tenses mdias.A fonte
e(t) tem valor mdio de tenso E nulo. Logo, em regime permanente,
aplicando-se a 2alei
deKirchhoffcomtensesmdiasmalhadocircuitodafigura1.13, atensomdiana
resistncia do enrolamento primrio R1deve ser nula, e para tanto a
correntei1(t)deve ter valor mdio nulo. Como a corrente ip(t) tem
valor mdio no nulo, o valor mdio presente em ip(t) deve
necessariamente passar somente pela indutncia de magnetizaoLmag.
Com isso Lmagopera com uma curva BxH assimtrica em relao origem,
com saturao igualmente assimtrica.Note-se que com a explicao do
pargrafo anterior a importncia da resistncia srie R1 para o
funcionamento do circuito da figura 1.13 essencial, ao passo que o
da da indutncia de disperso L1no, poisR1em regime permanente pode
ter tenso mdia no nula e L1no pode. Portanto, neste
casoemparticularno se pode desprezar as resistnciassrie dos
enrolamentos,levando-se em conta somente as indutncias de disperso,
como usualmente feito na modelagem de transformadores.Para ilustrar
a magnetizao e saturao assimtricas do ncleo, o circuito da figura
1.12 pode ser simulado numericamente em um programa, no caso o PSIM
Demo v 6.0.Fig. 1.14: Circuito da figura 1.12 com valores para
simulao no software PSIM Demo v 6.0.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I
- 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.9Nocircuito para simulao
da figura 1.14, a indutncia de magnetizao saturvel modelada com trs
trechos de retas em dado quadrante, conforme mostra a figura 1.15.
Nesta, a curva BxH modelada por trechos de retas sobreposta curva
real obtida experimentalmente.Fig. 1.15: Curvas BxH experimental
(em magenta) e modelada por trechos de retas (em verde) para
simulao computacional.A simulao resultante, na figura 1.16(a),
mostra a trajetria na corrente de magnetizao imag(t) (em verde na
figura), bem como as correntes de entrada i1(t) e de carga i2(t). A
figura 1.16(b) mostra o resultado experimental, comprovando que
mesmo com o modelamento da curva BxH com trechos de retas a simulao
apresenta comportamento prximo ao experimental.(a)(b)Fig. 1.16:
Corrente de magnetizao imag(t) (verde), corrente de entrada i1(t)
(vermelho) e corrente de cargai2(t)(azul),obtidas(a) por
simulaocomputacionalusando-se oPSIMDemov 6.0e (b)
experimentalmente.Este exemplo apresentado, embora tenha utilidade
prtica restrita, demostra claramente que ummodelamento coerente
imprescindvel para que o modelo resultante tenha aderncia
realidade. No caso, o comportamento a princpio estranho da corrente
do primrio do transformador pode ser completamente explicado pela
presena da resistncia ohmica do primrio, que desloca a corrente
demagnetizaodoprimriopara umvalor mdiononuloe provocaa saturao
assimtrica do ncleo do transformador. O modelo validado
comparando-se seus resultados com resultados experimentais.PEA-2487
Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99-
pg.10C) SEMICONDUTORESOs semicondutores eparticularmenteos
semicondutores depotnciasoessenciais aos circuitos de eletrnica de
potncia. Os principais tipos sero abordados, inicialmente como
componentes ideais, e posteriormente como componentes reais com
suas limitaes fsicas.C1) DIODO Sem perdas Tenso direta nula Sem
corrente reversa Perdas de conduo e chaveamento Tenso direta (1 a
2,5v) Corrente reversa (mA)(a) Diodo ideal. (b) Diodo real.Fig.
1.17. Diodo. Os terminais a e k so respectivamente o anodo e o
catodo do diodo.C2) TIRISTOR (ou SCR Silicon Controlled
Rectifier)umdispositivosemelhanteaodiodo,
masondepodesecontrolaroinstanteinicial de conduo, atravs de aplicao
de corrente ao terminal de gatilho (disparo). O disparo do tiristor
somente ocorre se VAK > 0 (o tiristor deve estar diretamente
polarizado).Quandoacorrenteprincipal
(anodo-catodo)seanulaousetornanegativa, odispositivo bloqueia. Sem
perdas Tenso direta nula Sem corrente reversa Perdas de conduo e
chaveamento Tenso direta (1 a 2,5v) Corrente reversa (mA)(a)
Tiristor ideal. (b) Tiristor real.Fig. 1.18. Tiristor. Os terminais
a, g e k so respectivamente o anodo, gatilho e catodo do
tiristor.C3) TRANSISTOR (DE POTNCIA)Os transistores de potncia mas
comumente empregados em eletrnica de potncia so o MOSFET (canal N)
e o IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), que pode ser descrito
simplificadamentecomoumhbridoentreumtransistorbipolar(napartedepotncia)comum
MOSFET (na parte do gatilho). Transistores bipolares puros no so
mais usados em aplicaes de PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1
sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.11iViViViVa kiViVa g
keletrnica de potncia devido aos seus baixos ganhos (mesmo em
configuraes Darlington).BipolarNPN- Dispositivo controlado por
corrente;- Quando saturado exibe tenso Vce residual;- Apresenta
baixas perdas de conduo;- Vbe decresce com Ic (necessita equalizao
em associao paralela de dispositivos).MOSFETCanal N- Dispositivo
controlado por tenso;- Quando na regio resistiva, exibe resistncia
residual;- Apresenta baixas perdas de chaveamento;- Diodo reverso
intrnseco;- Ids cresce com a corrente e a temperatura (no necessita
equalizao em associao paralela).IGBT- Dispositivo controlado por
tenso;- Quando saturado exibe tenso Vce residual;- Apresenta baixas
perdas de conduo;- Diodo reverso externo;- Vbe decresce com Ic
(necessita equalizao em associao paralela)(a) Transistor bipolar
tipo NPN. (b) Transistor MOSFET canal N. (c) Transistor tipo
IGBT.Fig. 1.19. Comparao entre transistores de
potncia.D)CARGASAlgumasdascargasmaiscomunsencontradasemconversoresestticossoanalisadasa
seguir:D1) CARGA RESISTIVO INDUTIVA COM F.E.M.Fig. 1.20 Carga do
tipo Resistivo indutiva com f.e.m.A equao diferencial de malha do
circuito da figura 1.20 :vt )=Ri t )+L didt+E (1.14)Em regime
peridico (ou permanente) os valores mdios so:V =v=1T0Tvt
)dt(1.15a)I =i =1T0Ti t )dt(1.15b)VL=1T0TL didt dt =LT i T )i
0))=0(1.15c)Como j foi dito anteriormente, a equao (1.15c) mostra
que a tenso mdia no indutor L em regime permanente igual a zero3. A
equao 1.14 pode ser reescrita para valores mdios:V =RI +E (1.16)3
Note em (1.15c) que i T )=i 0) caracterizando o regime
permanente.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de
aula v. 0.99- pg.12D2) CARGA RESISTIVO INDUTIVA (RL), COM L MUITO
ELEVADO (L )EmEletrnicadePotncia teminteresseparticular
omodelodecargaemquesefaz L- , poisistoimplicaem iLt
)Ipraticamenteconstanteeestahiptesesimplificaa
anlisedocircuitoretificador. Como vLt )=L diLdt(1.17),
eovalorinstantneodevLt ) finito, para L muito grande tem-se diLdt
-0 . Note-se que a tenso instantnea sobre o indutor no nulavLt )=L
diLdt 0), j que a indutncia deve suportar a diferena entre a tenso
instantneadasadadoretificadoreatensonaresistncia(quedeveserconstante,
jqueI constante).Fig. 1.21: Carga tipo RL comL- alimentada com
tenso vret(t) da sada de um retificador.O circuito da figura 1.21
mostra uma carga resistiva R em srie com um indutor L de valor
elevado, alimentados por uma tenso ondulada vret(t)proveniente de
uma fonte trifsica retificada em onda completa. As formas de onda
da tenso retificada de entrada (vret), da resistncia (vcarga) e da
indutncia (vL) podem ser plotadas manualmente ou com o auxlio de um
programa de simulao como o PSIM Demo v 6.0 ou v 7.0. Fig. 1.22:
Formas de onda de tenses do circuito da figura 1.21 (tenso
retificada de entrada (vret), da resistncia (vcarga) e da indutncia
(vL)), obtidas atravs do softwarePSIMDemo v 7.0. Parmetros usados
para simulao: Tenso eficaz de linha Vef=1 V, resistncia da carga
R=1 , indutncia L=5 H.A corrente de cargaRtemamesma formadeonda da
suacorrente,sendopraticamente contnua. Praticamente toda a ondulao
da tenso de entrada vret cai sobre a indutncia L. A tenso
sobreoindutorvLnonulamastemseuvalormdionuloemregimepermanenteconforme
deduzido anteriormente. Por isso quando se consideram apenas
valores mdios, sendoL- , indiferente incluir esta indutncia L na
carga ou no.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de
aula v. 0.99- pg.13D3) CARGA RC COM C
OmodelodecargaRCparalelocomcomcapacitnciamuitoalta( C - ) infinita
implica que a tenso nos terminais de sada do retificador (vret)
independe da corrente (iret).Fig. 1.23: Carga tipo RC paralelo
alimentado por retificador.Acorrenteiretdescrita por irett
)=icargat )+C dvCdt(1.18). Como C - , ocorredvcdt -0 porque iret e
icarga tm valores limitados. Logo, vrett )=vcargat
)=Vcarga=constante.Para no haver incompatibilidade fsica, a fonte
CA (vrede) deve conter alguma impedncia em srie sobre a qual caia a
diferena entre o valor instantneo da tenso senoidal retificada
(vrede retificada) e a tenso na carga (Vcarga, com valor
constante). Na prtica, esta impedncia a reatncia de disperso e
resistncias de transformadores e cabos em srie entre a rede e o
retificador.1.3. Princpio de Funcionamento dos ConversoresExemplo
1: Princpio de funcionamento dos conversores comutados pela rede
CA.O simples circuito da figura 1.24 demonstra o princpio de
funcionamento dos conversores comutados pela linha CA (corrente
alternada). No caso dois geradores de tenso arbitrrios v1 e v2
alimentam uma carga genrica. O gerador que tiver a tenso instantnea
maior faz conduzir o diodo correspondente e bloqueia o diodo do
outro gerador, caindo sobre o diodo bloqueado a diferena instantnea
de tenso entre ambos os diodos. Este processo no depende da carga,
mas sim dos geradores, razopela qual se diz que a comutao
(transferncia de corrente de uma chave eletrnica (diodo, neste
caso) para a chave subsequente) realizada pela rede CA.Fig. 1.24:
Circuitoexplicativodo princpio de funcionamento dos conversores
comutados pela rede CA.Fig. 1.25: Formas de onda docircuito da
figura 1.30 (tenses de entrada (v1) e (v2)), obtidas atravs do
software PSIMDemo v 7.0. Parmetro usados para simulao: Resistncia
da carga R=1 .PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas
de aula v. 0.99- pg.14Exemplo 2: retificador monofsico de 1 caminho
controladoFig. 1.26: Retificador monofsico de um caminho totalmente
controlado.A figura 1.26 mostra um retificador monofsico de um
caminho totalmente controlado. O
transformadormonofsicotemsecundriocomderivao(tap)central
emarcasdepolaridade indicadas. H dois tiristores T1 e T2
controlando a conduo em ambos os semiciclos da rede CA. A carga do
tipo RL com f.e.m. de valor E. O diodo Dr chamado de diodo de
retorno e se destina a prover continuidade de corrente da carga em
caso de interrupo da corrente pelo transformador, bem como
grampearatenso retificada paravalorespositivos.Drnemsempreest
presente no circuito. Algumas hipteses so adotadas: Gerador +
Transformador ideal; Tiristores e diodo de retorno ideais sem
perdas; Tenso mdia sobre o indutor nula (caracterizando regime
permanente); Os tiristores conduzem somente com tenso anodo-catodo
maior ou igual a zero (vak0) e aplicao de sinal de disparo em seu
gatilho; Continuidade de corrente na carga depende da relao L/R da
carga; L limita a ondulao da corrente I; L suficientemente grande,
com isso I pequeno em relao ao valor mdio da corrente de carga
icarga.As figuras seguintes mostramo comportamento da tenso e
corrente de carga deste retificador para diferentes configuraes de
R, L, E e , bem como da presena ou no do diodo de retorno Dr.
realizada uma discusso sobre o efeito da relao R/L da carga sobre a
continuidade de corrente na carga na ausncia do diodo de retorno Dr
e da f.e.m. de valor E.A) Retificador com L = 0, E = 0 e = 0
(presena ou no do diodo de retorno Dr indiferente): Neste caso o
conversor atua como um retificador de onda completa, e a forma de
onda de corrente de carga idntica da tenso devido carga puramente
resistiva.Fig. 1.27: Formas de onda do circuito da figura 1.32
(tenso de carga (vcarga) e corrente de carga (icarga)), obtidas
atravs do software PSIM Demo v 7.0. Parmetros usados para simulao:
Tenso de rede eficaz Vrede=1 V, resistncia da carga R=0,5 ,
indutncia L=0 H, f.e.m. E=0 V,o=0o, sem diodo de retorno
Dr.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v.
0.99- pg.15B) Retificador com L = 0, E = 0 e > 0 (presena ou no
do diodo de retorno Dr indiferente): Neste caso oconversoratua como
um retificadorde ondacompleta controlado,e aformade onda de
corrente de carga idntica da tenso devido carga puramente
resistiva.Fig.1.28: Formas deondadocircuitoda figura1.32(tenso de
carga (vcarga),corrente decarga (icarga), correntes nos
tiristoresT1(iT1) e T2(iT2)), obtidas atravs do software PSIM Demo
v 7.0. Parmetros usados para simulao: Tenso de rede eficaz Vrede=1
V, resistncia da carga R=0,5 , indutncia L=0 H, f.e.m. E=0 V,o=45o,
sem diodo de retorno Dr.Neste caso a tenso mdia de carga pode ser
calculada como: vcarga=onVpicosin 0d 0=|cos 0non=1n1+coso)
(1.19)C1)Retificadorcom L0,E=0,0< 0eicarga>0. O conversor est
operando no modo de retificador; Paran/ 2on , o fluxo de potncia
est no sentido da carga para a fonte. Neste caso a tenso mdia na
carga negativa vcarga0 mas a corrente mdia da carga continua
positivaicarga>0. Nesta situao deve haver uma fonte de energia
no lado da carga (lado CC) que possa manter o fluxo de potncia
cargafonte em regime. O conversor est operando no modo de inversor;
Para o=n/ 2 , atensomdiadacarganulavcarga=0, acorrentemdianacarga
continua positiva icarga>0mas o fluxo mdio de potncia nulo
(apesar do fluxo instantneo de energia no ser nulo, seu valor mdio
em um perodo da rede CA nulo).PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1
sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.19F) ANLISE DA RELAO L/R PARA
CONTINUIDADE DE CORRENTE NA CARGAPara o circuito da figura 1.26, no
caso particular com somente uma carga RL (ausncia do diodo de
retorno Dr e da f.e.m. E) com os tiristores T1 e T2 acionados com
um ngulo de atraso (portanto uma tenso senoidal retificada v(t)), a
corrente de carga pode sofrer descontinuidade de corrente (a
corrente pode se anular em certo trecho) dependendo da relao L/R e
do ngulo de atraso . Esta relao pode ser deduzida literalmente:Fig.
1.35: Carga RL alimentada com tenso v(t).A expresso da tenso de
malha da figura 1.35 fica:vt )=L didt+Ri t )=V sin ot +o)=V cosot
n2+o) (1.21)e comosoluo=soluolivre)+soluo forada ou de regime)
(1.22)soluo livre: ilivret )=k1eRLt(1.23)soluo forada:iforadat
)=V.o2L2+R2sin ot +o1) onde 1=tg1 oLR(1.24)obtendo-se i t )=k1eRL
t+Imaxsin ot +o1) comImax=V.o2L2+R2(1.25)a condio inicial para se
ter corrente nula em t=0 ( i 0)=0 ) :i t )=I max| sin ot
)+o1)sino1) eRL
t(1.26)acondionecessriaparasetercontinuidadedecorrentequenoinstante
ot =n setenha i ot )=i n)0 :Imax| sinn+o1)sino1) eRL no0(1.25) ou,
sino1)1+eRnL o)0(1.27)logo0o1 - o1 - on1 (1.28)tg on)RoL -tg ooLR-
otg1 oLR =1(1.29)Pode-se substituir adequadamente os valores deLe
deRem(1.29) para trs casos particulares:F1) Caso 1:para L=0,
tem-seo=0 . Este resultado expressa o caso particular em que no h
elemento armazenador de energia (no caso o indutor L). Com isso,
para se manter continuidade da corrente i(t), como esta acompanha
fielmente a tenso v(t), o ngulo de atraso de incio da tenso deve
sero=0 (figura 1.36). Qualquero>0 faria com que a corrente fosse
nula no intervalo 0ot o (figura 1.37).PEA-2487 Eletrnica de Potncia
I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.20Fig. 1.36: Formas de
onda do circuito da figura 1.35 (tenso retificada (v) e corrente
(i)), obtidas atravs do software PSIM Demo v 7.0. Parmetros usados
para simulao: Tenso de pico Vpico=1 V, resistncia da carga R=1 ,
indutncia L=0 H,o=0 .Fig. 1.37: Formas de onda do circuito da
figura 1.35 (tenso retificada (v) e corrente (i)), obtidas atravs
do software PSIM Demo v 7.0. Parmetros usados para simulao: Tenso
de pico Vpico=1 V, resistncia da carga R=1 , indutncia L=0
H,o=90o.F2) Caso 2: para R=0,o=n/ 2 . Este resultado expressa o
caso particular em que h somente L comocarga. Logo,
emregimepermanente, acorrentedeveestar atrasadadatensoden2radianos
para se estar no limite da continuidade de corrente (ou seja, a
corrente de carga atinge o valor nulo somente nos instantes n2+nn ,
com n inteiro).Fig. 1.38: Formas de onda do circuito da figura 1.35
(tenso retificada (v) e corrente (i)), obtidas atravs do software
PSIM Demo v 7.0. Parmetros usados para simulao: Tenso de pico
Vpico=1 V, resistncia da carga R=0 , indutncia L=1 H,o=90o. Neste
caso se est no limite da continuidade de corrente (a corrente chega
a zero a cada 180).PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 -
Notas de aula v. 0.99- pg.21F3) Caso 3: paraL- ,o=n/ 2 , para
valores de R finitos. Este caso particular importante uma vez que
em diversos circuitos de eletrnica de potncia, retificadores em
particular, a carga muitas vezes suposta do tipo RL srie comL-
.Fig. 1.39: Formas de onda do circuito da figura 1.35 (tenso
retificada de entrada (v) e corrente de entrada(i)),
obtidasatravsdosoftwarePSIMDemov7.0. Parmetrosusadosparasimulao:
Tenso de pico Vpico=1 V, resistncia da carga R=1 , indutncia L=1
H,o=90o. Neste caso se est no limite da continuidade de corrente (a
corrente chega a zero a cada 180).Fig. 1.40: Formas de onda do
circuito da figura 1.35 (tenso retificada de entrada (v) e corrente
de entrada(i)), obtidasatravsdosoftwarePSIMDemov7.0.
Parmetrosusadosparasimulao: Tenso de pico Vpico=1 V, resistncia da
carga R=1 , indutncia L=1 H,o=100o. Neste caso no h mais
continuidade de corrente (a corrente se anula em certos
trechos).Pode-se concluir que para toda a faixa de variao usual de
L e de R, tem-se que a faixa de variao de ser0on , e que o ngulo
limite para se garantir continuidade de corrente na carga
n2.Exemplo 3: Controlador de potncia CA (conversor CA/CA)Fig. 1.41:
Controlador de potncia CA.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1
sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.22O controlador de potncia CA
usado para se alimentar cargas CA a partir de fontes CA. As chaves
eletrnicas geralmente usadas so dois tiristores em ligao
antiparalela para cargas de maior potncia (da ordem de kW) ou um
TRIAC4 para cargas menores (at centenas de W). O controle de
potnciaconseguidoatravsdavariaodovaloreficazdatensoaplicadacarga,
realizado usualmente por dois mtodos, o controle por ngulo de fase
e o controle por ciclos inteiros.A) Controle por ngulo de fase:
neste controle o ngulo de disparo dos tiristores variado entre 0on
para cada semiciclo. Desta forma a rea efetiva de tenso aplicada
carga decresce com o aumento de assim como seu valor mdio.Fig.
1.42: Forma de onda da tenso da carga (vcarga) do circuito da
figura 1.41, obtida atravs do software PSIM Demo v 7.0, com
controle de potncia por ngulo de fase. Parmetros usados para
simulao: Tenso de rede eficaz Vrede=1 V, resistncia da carga R=1
,o=60o.O valor eficaz da tenso na carga pode ser calculado
como:Vcarga =.1non .2V redeeficaz)2sin20d 0=V redeeficaz.2no)+sin2
o2n(1.30)B) Controle por ciclos inteiros (tremde pulsos):neste
controle os tiristores sempre so disparados como=0otanto para o
semiciclo positivo como para o negativo. Mas a cada N ciclos
inteiros da tenso da rede so aplicadosKciclos inteiros carga, comKN
. Desta forma o valor eficaz efetivo da tenso aplicada carga varia
coma relao de N e K, sendo que esta relao dada
por:Vcarga=Vredeeficaz.KN(1.31)Fig. 1.43: Forma de onda da tenso da
carga (vcarga) do circuito da figura 1.41, obtida atravs do
software PSIM Demo v 7.0, com controle de potncia por ciclos
inteiros. Parmetros usados para simulao: Tenso de rede eficaz
Vrede=1 V, resistncia da carga R=1 , N=6, K=3.4 TRIAC um tipo de
semicondutor de potncia que pode ser modelado como dois tiristores
em antiparalelo como na figura 1.41. Suas caractersticas sero
explicadas mais adiante.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1
sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.231.4 VALORES MDIOS E
EFICAZES, FATOR DE POTNCIAA recordao dos conceitos de valores mdios
e eficazes, bem como do conceito de fator de potncia (este ltimo
sujeitando a enganos mais sutis) essencial para a correta anlise
dos circuitos de eletrnica de potncia.1.4.1 Valores mdios e
eficazesSeja x(t) peridica com perodo T:Valor mdio: x=X
=Xmdio=1T0Txt )dt (1.32)Valor eficaz:Xeficaz=XRMS=.1T0T| xt
)2dt(1.33)CASO PRTICO:Fig. 1.44: soma das correntes em um
n.Instantneo: i=i1+i2+i3+...+in=k =1nik(1.34)Valor mdio: I =i
=k=1nik (1.35)Caso particular: sei1=i2=i3=...=in-Ik=In(1.36)Valor
eficaz: Ief2=1ToTk=1nik)2dt(1.37), onde k=1nik)2=k=1nik2+2i
jikijik(1.38)Caso particular: ik, ij funes ortogonais: o2nikikd 0=0
para ijik(1.39)Exemplo: sin x e cos x so funes ortogonais: o2nsin
pxsin qx d 0=02ncos px cosqx d 0=0 para pq (1.40)02ncos pxsin qx d
0=0 para p , q (1.41)portanto, se ik forem
ortogonais,Ief2=k=1nIkef2(1.42)Caso particular:
seI1ef=I2ef=I3ef=...=Inef-Ikef=Ief.n(1.43)este ltimo resultado
conservativo, ou seja a favor da segurana, pois com os duplos
produtos no nulos Ikef seria menor.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I
- 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.24Exemplos de clculo de
valores mdios e eficazes:a) valor constanteFig. 1.45
v=Veficaz=E(1.44)b) onda retangular com ciclo de trabalho
(duty-cycle) de 50%Fig. 1.46 v=1T0t /2E dt =1T | ET 0T /
2=E2(1.45)Veficaz=.1T 0T /2E2dt =.E22 = E.2(1.46)c) meia senide com
ciclo de trabalho (duty-cycle) de 50%Fig. 1.47 v=1T0t / 2Esin ot dt
=12n0nEsin 0d 0==|E2ncos0n0=En(1.47)ondeT=2noe 0=otVeficaz=.12n0n
E2sin20d 0)==.E22n|02sin 2040n=E2(1.48)d) onda retangular com ciclo
de trabalho (duty-cycle) det/ TFig. 1.48 v=1T0tE dt=tTE
(1.49)Veficaz=.1T0tE2d 0=.tTE(1.50)PEA-2487 Eletrnica de Potncia I
- 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.25vEE/2T/2 T 0
3T/2tvEtvE0t T = 2T =2 vET 0e) meia senide com ciclo de trabalho
(duty-cycle) det/ Tvt )=Esin2nttFig. 1.49 v=1T0tEsin2ntt dt =
tnT0TE sin0d 0=2 E tnT (1.51)Veficaz=. tnT0nE2sin20d 0=. tnT n2
E2=.tTE.2(1.52)f) onda triangularFig. 1.50 v=1T 0T/ 2t ET / 2 dt
+1T 0T / 2t ET / 2+2 E)dt==1T|t22ET / 20T / 2+| 2Et T / 2T|eT / 2
t22T / 2T)=E2 (1.53)Veficaz=.1T0T / 2t ET / 2)2dt+t / 2TEtT /
2+2E)2dt= E.3 (1.54)1.4.2 Fator de potnciaDefinio:FP=potncia
ativapotncia aparente(1.55)Caso monofsico:FP=PS=1T0Tvt )i t )
dtIefVef=1T0Tpt ) dtIefV ef(1.56)Note nonumerador daexpressodeF.P.
(1.56) o uso da definio de potncia ativa P (1.59).Fig. 1.51: Fonte
de tenso peridica alimentando uma carga monofsica no linear.Na
figura 1.51 a tenso v(t) puramente senoidal mas a corrente i(t)
composta por uma corrente fundamental na freqncia dev(t)mais
harmnicas mltiplas inteiras, at an-sima harmnica:vt )=V1picosinot )
(1.57)i t )=I1picosin ot +!1)+I2picosin 2ot +!2)+...+Inpicosinnot
+!n) (1.58)5E aplicando-se a definio de potncia ativa (1.59)
usando-se v(t) de (1.57) e i(t) de (1.58):P=1T0Tvt )i t ) dt
=12n02nv0)i 0) d 0 (1.59)5 A sigla do fator de potncia (FP) tambm
encontrada como no ingls, PF (power factor).PEA-2487 Eletrnica de
Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.26tvE0t T vET 0
tP=12n02nvt )i t ) d 0=12n02nV1picosinot )I1picosinot +!1) d
0=......=V1picoI1pico2n02nsin ot )|sin !1cosot +sinot cos!1d
0=......=V1picoI1pico2ncos !1|02sin204
02n=V1pico.2I1pico.2cos!1(1.60)Deve ser lembrado que a integral no
perodo Tdo produto da tenso v(t)com as correntes harmnicas mltiplas
inteiras dei(t) nulo pois a tenso e as correntes harmnicas so funes
ortogonais entre si. Reescrevendo-se
(1.60):P=V1pico.2I1pico.2cos!1=V1eficazI1eficazcos!1(1.60a)E a
potncia aparente na carga :S=V
eficazIeficaz=.I1eficaz2+I2eficaz2+...+Ineficaz2V1eficaz(1.61)Aplicando-se
a definio de fator de
potncia:F.P.=V1eficazI1eficazcos!1.I1eficaz2+I2eficaz2+...+Ineficaz2V1eficaz=I1eficazIeficaz
totalcos!1(1.62)De (1.64) verifica-se que:
Paracorrentesnosenoidais(mastensespuramentesenoidais)aexpressodofatorde
potncia deduzido em (1.62) pode ser divido em:Fator
dedistoro=I1eficazIeficaz total(1.63)Fator
dedeslocamento=cos!1(1.64) Para correntes (e tenses) puramente
senoidais, a expresso do fator de potncia reduz-se
aF.P.=cos!1(1.65), que o fator de deslocamento definido em
(1.64).Exemplodefatordepotncia em circuitos no-lineares:Seja o
retificador demeiaondae a correspondente forma de onda de corrente
na carga Rda figura 1.52. De (1.50) obtm-se a tenso eficaz em R.(a)
(b)Fig. 1.52: Retificador de meia onda (a) e corrente na carga R
(b). E=1V (valor de pico) e R=1.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1
sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.27A corrente de carga i(t)
pode ser expressa como uma srie infinita:i t )=I pico|1n+12sinot
2ncos 2ot13+cos 4ot35+...cos 2not 2n1) 2n+1))n=1, 2,... (1.66)sendo
Ipicoo valor de pico da corrente de carga. Note-se de (1.66) que
todas as harmnicas tm defasagem nula em relao corrente fundamental,
que tambm est em fase com a tenso.A corrente eficaz de carga Ief
foi deduzida na equao (1.48):Ief=E21R=I pico2(1.67)A potncia ativa
da carga pode ser calculada de duas maneiras:P=Ief2R= E24
R(1.68)P=V1efI1efcos!1(1.69)mas como V1ef= E.2(1.70),I1ef=I pico2.
2 (1.71) ecos!1=1 , (1.68) e (1.69) ficam idnticas.A potncia
aparente na carga :S=V efIef= E.2I pico2 =E2.22R(1.72)Com isso, o
fator de potncia fica:F.P.=PS=E24 RE2.22 R=.22 =0,707...1(1.73)O
resultado uma carga com fator de potncia menor que a unidade, mas
com defasagem entre tenso e fundamental da corrente nula. Neste
caso, a soluo convencional para melhorar o fator de potncia, que a
adio de capacitor em paralelo com a carga, no aumenta o fator de
potncia visto pela fonte CA, pois no h defasagem a ser corrigida, e
o fator de potncia reduzido deve-se presena das harmnicas de
corrente, que no caso no contribuem na potncia ativa da
carga(nesteexemplosacorrentefundamental contribui
paraapotnciaativanacarga). Uma possvel soluonestecasoparamelhorar
ofator depotnciaseriaainstalaodefiltros de harmnicas, desviando as
correntes harmnicas que iriam ao gerador.Fig. 1.53: Insero de
filtros de harmnicas (2a e 4a) para melhorar o fator de
potncia.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de
aula v. 0.99- pg.282. SEMICONDUTORES DE POTNCIA2.1. DiodoO diodo
basicamente constitudo por uma juno PN. Existem diversos tipos de
diodos adequadosparavriasaplicaes: retificao,
tensodereferncia(zener), capacitnciavarivel (varicap ou varactor),
dosador de radiao, GUN (transmissor), PIN (receptor).Em aplicaes de
potncia, o diodo utilizado basicamente para retificao, sendo por
esta razo chamado de DIODO RETIFICADOR.Os diodos retificadores so
classificados em: Retificao genrica; Rpidos (ou para chaveamento)
Schottky.A seguir a estrutura interna dos diodos de Sinal e de
Potncia:2.1.1. Diodo de sinalTabela 2.1: Diodo de sinal diretamente
polarizadoPolarizao Diretamente Polarizado (Vac >
0)Caractersticas Juno inundada com portadores: o silcio se torna
condutorFigura Ilustrativa(Fig. 2.1) E>0,7 V A K ID VAK Tabela
2.2: Diodo de sinal reversamente polarizadoPolarizao Diodo de sinal
inversamente polarizado (Vac < 0)Caractersticas Portadores
aspirados pela fonte; Estabelecida distribuio espacial de cargas
(de mesma polaridade da fonte) em cada lado da juno resultante da
formao de ons dos tomos; Forma-se um capacitor; Suportabilidade de
tenso inversa dada pela largura (espessura da camada
espacial).Figura Ilustrativa(Fig. 2.2) -------------- +++++++++++ E
- + PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v.
0.99- pg.292.1.2. Diodo de PotnciaTabela 2.3: Diodo de potncia
diretamente polarizadoPolarizao Diodo de Potncia diretamente
polarizado (Vac > 0)Caractersticas Alta corrente juno com rea
grande; Regio n* inundada por grande nmero de portadores torna-se
condutora, levando introduo de queda hmica.Figura Ilustrativa (Fig.
2.3) E>0,7 V n p n* A K ID n* fracamente dopada VAK Tabela 2.4:
Diodo de potncia reversamente polarizadoPolarizao Diodo de Potncia
Inversamente polarizado (Vac < 0)Caractersticas Regio n* alta
resistncia, aumentando a suportabilidade de tenso (capacitor com
distncia entre placas maior)Figura Ilustrativa(Fig. 2.4) E - +
+++++++++++ -------------- n p Curvas Caractersticas Dos Diodos de
Sinal e Potncia VAK IF IF VAK A K 0,7V 1 V Caracterstica linear
Caracterstica exponencial Regio de avalanche Diodo de sinal Diodo
de potncia VRRM IR Fig. 2.5: Curvas caractersticas de um diodo de
sinal e um de potncia.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010
- Notas de aula v. 0.99- pg.30Operao na regio de avalanche: O
aumento da tenso externa negativa e o conseqente aumento do campo
eltrico resultante desencadeia um mecanismo em cascata de formao de
portadores (avalanche breakdown), tornando a regio condutora
(corrente reversa sobe muito); Esse mecanismo destrutivo, pois
provoca conduo localizada emcertas reas da superfcie da juno,
causando aquecimento localizado emalguns pontos da pastilha,
causando a sua destruio.Diodos de Avalanche Controlada: A ruptura
ocorre no corpo e no na superfcie (juno mais homognea). Permite
conduo de correntes maiores (dentro de certos limites) sem
destruio.Limitao da taxa de crescimento da tenso:Se a tenso inversa
cresce abruptamente (campo eltrico elevado) gera colises entre
portadores na regio de juno gerando corrente reversa elevada, que
reduz a resistncia da juno. Anlogo a um capacitor:i=C dvdt(2.1)O
fabricante especifica conjunto capacitor + resistor para ser ligado
em paralelo para amortecer o (suavizar) dv/dt. Este conjunto RC
chamado de amortecedor ou snubber.Nas especificaes dos diodos de
potncia (assim como outros semicondutores de potncia) devem ser
levadas em conta as grandezas eltricas, trmicas e mecnicas, como
visto nos itens a seguir.2.2. GRANDEZAS ELTRICAS2.2.1. Regime
ContnuoRegio inversa (bloqueado): Tenso inversa peridica mxima
VRRM; Corrente inversa com mxima temperatura de juno (TJuno)
IR.Regio direta (conduzindo): Corrente eficaz mxima (50/60 hertz)
IFRMS; Corrente mdia (frequncia, forma de onda) IF; Tenso de conduo
VF.2.2.2. Regime Pulsado (no repetitivo) Corrente impulsiva mxima
IFSM: o valor de pico de uma oscilao, correspondente a um semiciclo
de senide (de 50 Hz) que, em regime, provocaria uma elevao da
TJunoacima do seu valor mximo, sendo tolerado apenas como operao de
emergncia (uma nica vez ou com intervalos de 5 a 10 segundos):
TJuno supera limite contnuo, mas no o valor mximo especificado para
surto; Deve-se operar sempre abaixo dos limites especificados para
surto; Operao prximo do limite s pode ocorrer em nmero limitado de
repeties;PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de
aula v. 0.99- pg.31 O ciclo de trabalho aps o surto deve ser tal
que TJunovolte ao valor tem regime contnuo; Corrente de surto
permissvel funo da temperatura da juno antes do surto.Obs.: Existem
casos em que se opera s na condio de surto. Exemplo:Bloqueio em CC
(chave esttica operando em conjunto com disjuntor) Integral limite
a correnteI2dt :Valor daenergia(funodatemperaturainicial
edalarguradopulso) queprovocao aquecimento da juno at sua mxima
temperatura limite.Valores tabelados:Resistncia trmica fixa, sem
dissipao: para t < 10 ms utiliza-seI2t
dado=IP210ms2=IFSM210ms2(2.2); para t de 2 a 5 ms utiliza-se
valores menoresResistncia trmica fixa, com dissipao: para
t>10ms, utiliza-se valores maiores.2.2.3. Regime
Transitrio2.2.3.1. ConduoA conduo do diodo pode ser representada
por uma reta equivalente, com: Resistncia diferencial rt Limiar de
conduo V(To) IF VAK V(To) rT Fig. 2.6: Reta equivalente de conduo
do diodo.Equacionando-se a reta equivalente, tem-se:vTt )=V T
o)+iTt ) rT(2.3)P=1TvTt )iTt ) dt =V T o)1TiTt ) dt +rT1Ti2T t )
dt(2.4)P=V To)IT+rT I2T R MS(2.5)A equao (2.5) fornece uma
estimativa de perdas de conduo. Note-se que a queda de tenso da
juno do diodo (ou limiar de conduo)V(To)relaciona-se com a corrente
mdia pelo diodo IT e a resistncia ohmica da juno (ou resistncia
diferencial) relaciona-se com (o quadrado PEA-2487 Eletrnica de
Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.32da)
acorrenteeficazpelodiodoIRMS. Estaequaotambmumamaneiradeseenxergar
a diferenaprticanousodevaloresmdios
eeficazesdecorrentenodimensionamentodeum circuito.2.2.3.2.
Desligamento (turn off) Tempo de recuperao inverso trr;Quando o
diodo se encontra em conduo e corrente direta reduzida a zero
(devido ao comportamentonatural
docircuitoouaplicando-setensoinversasobreele) odiodocontinua
conduzindo devido a portadores minoritrios armazenados na juno.
Esses portadores necessitam de um certo tempo para se recombinarem,
chamado de TEMPO DE RECUPERAO INVERSO. IF VAK IRR trr ta tb O,25IRR
dIF/dt Qrr Fig. 2.7: Corrente pelo diodo de potncia no processo de
desligamento (turn-off).ta - retirada das cargas na borda da
juno.tb - retirada das cargas no interior da juno.Valores
Tabelados:IRR =f(di/dt , iF )Qrr =f(di/dt , iF )Qrr12 IRRMta+tb)
trr=2QrrIRRM(2.6)Diodos de potncia normais: trr25usDiodos de
potncia rpidos:Exemplo: No circuito da figura 1.52, modelando-se a
caracterstica de conduo direta do diodo D como no grfico da figura
2.6, calcular a potncia dissipada no diodo, com:I=300 [A] (valor
mdio de corrente pelo diodo)VT0=1,14[V] (queda de tenso da
juno)rd=0,63 [m] (resistncia ohmica do diodo a
140oC)Relacionando-se o valor de pico da corrente pelo diodo com
seu valor mdio:I =12n0nIpicosin0d 0=12n2 I pico=I picon(2.7) (que a
equao (1.49) para a corrente)Obtendo-se o valor eficaz da corrente
pelo diodo atravs do valor de pico obtido de
(2.7):Ieficaz=.12n0nIpico2sin20d 0=.12n I pico2n2=I pico2(2.8) (que
a equao (1.50) para a corrente)Realcionando-se o valor mdio de
corrente com o eficaz:Ieficaz=I n2(2.9)Com isso, obtm-se o valor
eficaz da corrente pelo diodo e se substitui na equao (2.5):P=VT o
I +rd I2T R MS=1,14300+0,63e-3300n2)2 481,90 [W]Este exemplo mostra
os nveis de potncia dissipada que os diodos de potncia usados em
eletrnicadepotnciapodematingir (etaisvalorespodemseraindamaiores).
necessrioo correto equacionamento trmico dos semicondutores de
potncia bem como prover meios fsicos de retirar adequadamente o
calor gerado para no se danificar estes componentes.PEA-2487
Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99-
pg.332.3. GRANDEZAS TRMICASConforme mostrado no exemplo anterior, o
semicondutor conduzindo corrente gera calor que tem que ser
retirado atravs da montagem do mesmo em dissipadores, que removem o
calor gerado.
Oequilbriotrmicoalcanadoquandoocalorgeradonajunosemicondutoraena
resistncia ohmica do componente se iguala ao calor removido pelo
dissipador. Potncia trmica Tj A B Calor removido Calor gerado Regio
permitida Fig. 2.8: Curvas de potncia trmica (em watts) gerada e
dissipada em funo da temperatura de juno
TJ.Nafigura2.8atemperaturacresceatopontodeequilbrioA, aondedoqual
ocalor removidoigual aogerado(pontodeequilbrioestvel).
NotequeopontodeequilbrioB instvel, pois se o calor gerado cai
retorna-se ao ponto A, mas se o calor gerado sobe, a temperatura
cresce indefinidamente at a destruio do componente.2.3.1. Regime
PermanentePode-se modelar um anlogo eltrico em regime permanente
para o fenmeno trmico, de modo a se poder usar ferramentas de
anlise de circuitos eltricos no dimensionamento trmico. Rel Fonte
de tenso(E) U2 U1 Iel U=RelIel Rterm T1 Pterm T=RtermPel T2 Fonte
de calor(P) Modelo eltricoModelo trmico Fig. 2.9: Modelamento de um
anlogo eltrico para o modelo trmico em regime permanente.Desta
forma pode-se modelar um semicondutor de potncia em regime
permanente: RcdRjc Tjuno Rda Tcarcaa Tdissipador Tambiente P Fig.
2.10: Anlogo trmico para um semicondutor de potncia, em regime
permanente.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de
aula v. 0.99- pg.34Aonde: P potncia trmica (em watts) gerada na
pastilha semicondutora; Rjc Resistncia trmica juno-carcaa (em oC/W
ou K/W), dada pelo fabricante; Rcd Resistncia trmica
carcaa-dissipador (em oC/W ou K/W), dada pelo fabricante;
RdaResistncia trmica dissipador-ambiente (emoC/WouK/W), determinada
pelas caractersticas de acoplamento trmico entre o dissipador e seu
ambiente; Tjuno temperatura da juno, por hiptese o ponto mais
quente do sistema trmico;
Tcarcaatemperaturadacarcaa(encapsulamento)dosemicondutor,
supostauniforme por hiptese; Tdissipador temperatura do dissipador,
suposta uniforme por hiptese; Ta temperatura ambiente, por hiptese
o ponto mais frio do sistema trmico.Outras hipteses
assumemqueapotnciatotal geradanosemicondutor eretirada totalmente
nodissipador por conveco, desconsiderando-se troca de calor por
irradiaoou conduo do dissipador ao ambiente.A troca de calor pode
se dar por uma superfcie do semicondutor se a carcaa for do tipo
rosca, por exemplo (neste caso geralmente no anodo), ou por ambos
os lados (anodo e catodo) em encapsulamentos do tipo disco
(hockey-puck). Oexemplo a seguir mostra a diferena no desempenho
notocante temperatura final da carcaa para dissipao unilateral e
bilateral, tornando claro porque encapsulamentos tipo disco so
preferidos para aplicaes de potncias mais elevadas.Exemplo:a)
Considerandoodiodocomresfriamentodeumdoslados, calcular
aresistnciatrmicado
dissipadoraoambiente(Rda)paraqueatemperaturamximadajunosejaTjMAX=130oCe
calcular as temperaturas no dissipador e carcaa.Dados:P=480|W
Rjc=0,11|oC /W Rcd=0,012|oC/ W Ta=40|oC A temperatura mxima da juno
dada por (2.10):TjMAX=Ta+PRjc+Rcd+Rda) (2.10)De onde se deduz a
resistncia trmica dissipador-ambiente
Rda:Rda=TjMAXTaPRjcRcd=130404800,110,012Rda=0,065|oC /W A
temperatura calculada no dissipador :Tdissip=Rda
P+Tamb=0,065480+4071,2|oCE na carcaa:Tcarcaa=Tdissip+Rcd
P=71,2+0,01248077|oCb) Calcular a temperatura na juno e
dissipadores admitindo resfriamento em ambas as faces do
semicondutor, utilizando dois dissipadores (um em cada face) com a
resistncia trmica calculada no item anterior.O circuito equivalente
da figura 2.10 deve ser substitudo pelo da figura 2.11:PEA-2487
Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.35
0.0120,11 Anodo 0.065 Catodo Td1 Tambiente 480 Td2 0.0120,13 0.065
Tj 480 RC Tj RA 0.1870.207 ramo anod. ramo catod. Fig. 2.11:
Circuito equivalente com troca de calor do lado do anodoe do
catodo. Note-se que a resistncia trmica Rjc diferente entre o lado
andico e catdico, devido s diferentes estruturas para cada lado.A
temperatura da juno deve ser recalculada:Tj=Tamb+Rja P=40+R ARCR
A+RC48087|oC RA=0,187 , RC=0,207)Potncia dissipada no lado andico:P
A=PRCRA+RC=4800,2070,187+0,207=252| WTemperatura do lado
andico:Tdissip anodico=Tamb+RdaPA=40+0,06525256|oC Potncia
dissipada no lado catdico: PC=PRAR A+RC=4800,1870,187+0,207=228|
WTemperatura do lado catdico:Tdissip
catodico=Tamb+RdaPC=40+0,06522855|oC2.3.2. Operao pulsadaO modelo
trmico da figura 2.10 no leva em conta o armazenamento de energia
trmica nas massasmetlicasenvolvidas, poisemregimepermanentetal
armazenamentoconstanteeno varia. Em operao pulsada no entanto, essa
energia acumulada deve ser levada em conta, e para isso um modelo
emulando tal armazenamento deve ser realizado. Estendendo o anlogo
eltrico, so definidas capacitncias trmicas, que dependem
basicamente da massa das estruturas envolvidas (bem comodos
caloresespecficos dos materiais dessas estruturas).Desta forma, a
capacitncia trmica da juno (Cj) necessariamente muito menor que a
do dissipador (Cd) e a da carcaa (Cc) tem valor intermedirio. Com
isso as constantes de tempo das diversas estruturas (juno, carcaa,
dissipador) tambm apresentam grandes diferenas.A dificuldade dese
tratar diretamentecomo capacitncias esses potenciais de acumulao de
calor leva ao uso do conceito de maneira indireta, adotando-se o
conceito de Impedncia Trmica Transitria (Zth). P Tj RjcRcd Rdar Cj
Cc Cd Cj< Cc1s TJ=TA+PRthJC+RthCD+RthCA) (2.12)t 1s
TJTA+PZthJC+ZthCA) (2.13)Exemplo:Para se mostrar a aplicao do
conceito de impedncia trmica transitria, a curva de aplicao de
potncia da figura 2.15, aonde dois pulsos de potncias P1 e P2so
aplicados conscutivamente, gerada em uma juno semicondutora, que
inicialmente estava com temperatura ambiente Ta. Por hiptese o
sistema trmico suposto linear, de modo a se poder aplicar o teorema
da superposio. P(W) t(s)t1t2t3 P(W) t(s)t1t2t3 P1 P2 P1 P2 -P1 -P2
Fig. 2.15: Gerao de uma curva de potncia com patamares P1 e P2 em
uma juno semicondutora, e sua decomposio em degraus de potncias
positivas e negativas nos instantes t1, t2 e
t3.Adecomposiodacurvadepotnciaoriginal feitaatravs dedegraus
depotncias positivas enegativas queseiniciamnos mesmos instantes
dos dacurvaoriginal mas quese estendem indefinidamente. Por
exemplo, o patamar de potncia P1 inicia-se no instante t1e cessa no
instante t2, quando se inicia o patamar de potncia P2. Para se
representar o efeito do pulso P1 umdegraudeintensidadeP1inicia-seem
t1, estendendo-seindefinidamente, masem t2outro degras, este
negativo mas com mesma intensidadeP1inicia-se e tambm se estende
indefinidamente,anulando o efeito do patamarP1positivo.O mesmo
feito para o patamar de potncia P2. Desta forma a memria da energia
trmica acumulada na aplicao e retirada dos patamares de potncia,
bem como seus instantes de aplicao, preservada. Assim, em qualquer
instante a partir de t1 pode-se calcular a temperatura da juno,
equacionando-se para cada intervalo de tempo como feito na tabela
2.5.Tabela 2.5: temperatura da juno nos intervalos de tempo para a
curva de potncia da figura 2.15.Intervalo de tempo Temperatura da
junoTjunono instante ttt1Tjuno=Ta(2.14) (temperatura ambiente)t1
tt2Tjunot )=Ta+P1Z t t1)(2.15)t2 tt3Tjunot )=T a+P1Z t t1)P1Z t
t2)+P2Z t t2)(2.16)t > t3Tjunot )=T a+P1Z t t1)+P2P1)Z t t2)P2Z
t t3)(2.17)t t3Tjuno=Ta(2.14) (temperatura ambiente)PEA-2487
Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99-
pg.38AsinformaesdeZ(t)soretiradasdegrficoscomoosdafigura2.13e2.14oude
expresses analticas como oda figura 2.14, que interpolama curva da
impedncia trmica transitria, e so mais convenientes para uso em
computadores e calculadoras. 2.3.2.1. Aproximaes analticas para
aplicao da impedncia trmica transitria em regime permanente pulsado
Mtodo dos dois pulsosEm eletrnica de potncia as chaves
semicondutoras so submetidas a regimes de corrente pulsada como o
da figura 1.52(b). Comos intervalos de tempo envolvidos (da ordemde
milissegundos) necessrio o uso da impedncia trmica transitria para
se inferir as elevaes de temperatura em regime nos semicondutores.
Usando-se o mesmo raciocnio empregado na tabela 2.5 (uso do teorema
da superposio) pode-se deduzir uma expresso para a temperatura de
juno no caso de um regime de pulsos retangulares de
potncia.Exemplo: obter a expresso para a temperatura da junoTjunono
instante final de aplicao de um trem de n pulsos retangulares de
mesma amplitude P, largura e perodo T.Resposta:Tjuno=Ta+P|k=0n1Z
kT+t)k =0n1Z kT )(2.18)A aplicao prtica da expresso (2.18)
limitada, pois a princpio no se sabe o instante em que o sistema
trmico atingiu o regime permanente pulsado. A figura 2.16 mostra a
elevao de
temperaturaaolongodotempoparaumaaplicaodepotnciapulsadaapartirdatemperatura
ambiente.Fig. 2.16: Elevao de temperatura de juno com a aplicao de
um trem de pulsos retangularesA figura 2.16 mostra que aps certo
tempo deve-se atingir um regime permanente pulsado com uma sucesso
de exponenciais de subida e de descida de temperatura na juno, e no
projeto trmico deve-se limitar o valor de pico de temperatura deste
regime pulsado a nveis seguros. Parasecontornar
oproblemadenosesaber quandoseatingiuoregimepermanente pulsado,
pode-se usar o mtodo dos dois pulsos. Este mtodo aproxima o trem de
pulsos de potncia de pico P, largura de pulso e perodo T por um
degrau pr-existente com a potncia mdia do trem de pulsos (PM),
seguido por dois pulsos. A temperatura calculada ao fim do segundo
pulso.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula
v. 0.99- pg.39 P(W) t(s) P PMED max t(s) T P(W) t(s) P PMED= P t(s)
T 0T+max med ( C) PMED= P = /T Z( )=Rth Fig, 2.17: Mtodo dos dois
pulsos.Para o trem de pulsos retangulares,PM=P tT=P6 (2.19) com6=t/
Tsendo o ciclo de trabalho (duty-cycle), e a impedncia trmica aps
longo tempo se iguala resistncia trmica Z )=Rth(2.20).
Equacionando:Tjuno=Ta+PMZ )+ P6 P)ZT +t)PZ T +tt)+PZT +t+T )
Tjuno=Ta+P| 6 Rth+16)Z T+t)+Z t)Z T )(2.21)A expresso (2.21)
aproximada e a favor da segurana, ou seja, os valores de
temperatura com ela calculados so maiores que com o mtodo exato da
equao (2.18). Pode-se estender o conceito, com mtodos de trs ou
quatro pulsos.Exemplo: Expandir o mtodo dos dois pulsos para n
pulsos.Resposta:Tjuno=Ta+P|6Rth6Z n1)T +t)+k =0n1Z kT +t)k =0n1Z kT
)(2.22) interessante compara esta expresso com a
(2.18).Exemplo:Achar a temperatura da juno pelo mtodo de dois
pulsos para o trem de pulsos da figura 2.18, com caracterstica de
impedncia trmica transitria dada pela tabela 2.6.Tabela 2.6:
Impedncia trmica transitria do exemplo.Z(t) [oC/W]0,02 0,05 0,08
0,1 0,15 0,2 0,22 0,3 0,33 0,4 0,5 0,6t [s]10-310-210-11 2 6 10 50
60 100 500 1000PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas
de aula v. 0.99- pg.40 t(s) PP T =10 s Fig. 2.18: Trem de pulsos
senoidais de largura e perodo T.Dados:Ta=40|oCRth ja=0,7|oC
/WPP=350|WW=10| sT=50| sNa prtica aproxima-se os pulsos senoidais
por ondas quadradas (retangulares) de mesma amplitude de pulso e
largura tal que a onda resultante tenha a mesma energia do pulso
original. De (1.51) e (1.53) obtm se a equivalncia entre o pulso
senoidal e o retangular:Valor mdio do pulso senoidal, usando
(1.53): Ppulso=2nPpoT(2.23)Valor mdio do pulso retangular, usando
(1.51): Ppulsoeq=PptT(2.24)2nPpoT=PptT t=2on =210n =6,37
Ppulso=2onTPp=0,127Pp44,5|WAplicando o mtodo dos dois pulsos
(2.21): Tjuno=Ta+P|6 Rth+16)Z T+t)+Z t)Z T )Tjuno=40+350|
0,1270,7+10,127)0,33)+0,20,3137C0Apesar daaplicaodaequao(2.21)
necessitar aconsultadeumgrfico, tabelaoufuno analtica de impedncia
trmica transitria, o uso de resistncia trmica em regime (Z )=Rth)
em lugar da impedncia trmica transitria pode levar a erros graves:-
UtilizandoPmdio e Z )=Rth:Tj media=Ta+PM
Rth=40+44,50,7=71,15|oCEste resultado subdimensionado, pois
erradamente se espera uma elevao de temperatura menor que a que
ocorrer na prtica.- Utilizando Ppicoe Z )=Rth:Tj pico=Ta+Pp
Rth=40+3500,7=285|oC Este resultado superdimensionado, pois
erradamente se espera uma elevao de temperatura maior que a que
ocorrer na prtica.Exerccio:Deduzir os mtodos dos trs e quatro
pulsos e recalcular o exemplo anterior para se verificar a
diferena. Resposta: Tjuno=Ta+P|6Rth+16)Z 2T+t)Z 2T)+Z T +t)+Z t)Z T
)(2.25) trs pulsosTjuno=Ta+P|6Rth+16)Z 3T+t)Z 3T)+Z 2T+t)+Z T+t)+Z
t)Z 2T)Z T ) (2.26) quatro pulsos.Usandoomtododostrspulsos:
Tjuno=134,0|oC ; usandoomtododosquatropulsos: Tjuno=133,5|oC . A
aparente maior preciso do mtodo dos quatro pulsos no justificvel
perante a complexidade de sua frmula e pelo fato destes mtodos
seremaproximativos, linearizando um problema (trmico) de natureza
no linear. Note-se ainda que, como dito, o mtodo dos dois pulsos
conservativomedidaemquefornecevalores detemperaturaligeiramente
superiores aos que apareceriam com mtodos mais precisos.PEA-2487
Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99-
pg.412.3.2.2. Pulsos de potncia com forma qualquerFig 2.19:
Aproximao de um pulso de potncia por degraus equivalentes.Pulsos de
formas quaisquer podemser aproximados conservativamente por degraus
equivalentes que respeitem as condies: Mesma amplitude mxima; Mesma
potncia mdia.2.3.3. Mtodos de dissipao de calorA remoo de calor dos
semicondutores de potncia baseia-se nos fenmenos de conduo,
conveco, radiao e mudana de fase (lqido para gasoso) para remover o
calor: Conduo:materiais bons condutores de calor, como alumnio e
cobre, devem ser usados nos contatos trmicos entre o encapsulamento
do semicondutor e o sistema de retirada de calor; Conveco: a
superfcie do dissipador deve ter rea suficiente para prover
retirada de calor por conveco, bem como deve haver circulao
eficiente do ar aquecido, de modo natural ou forado; Radiao:
aretirada decalor por irradiaoproporcional temperatura absoluta do
dissipador (emKelvin) elevadaquartapotncia(lei deStefan-Boltzmann),
reade irradiaoeemissividadedomaterial
(menorqueunidadepoisodissipadornoum corponegroperfeito). Comoas
temperaturas detrabalhodeumdissipador tipicamente devemficar
abaixode100C, easuaemissividadepioracomoacmulodepoeirae fuligem, a
retirada de calor por irradiao limitada na prtica; Mudana de fase:
a entalpia de evaporao de um lqido de trabalho usada para se
retirar calor com eficincias bem superiores s conseguidas por
conduo ou conveco.Logo, a retirada de calor, baseada nos fenmenos
acima, pode ser realizada por: Resfriamento a ar (com fluxo natural
ou forado); Resfriamento a lqido (com fluxo de lqido forado);
Resfriamento por mudana de fase.2.3.3.1. Resfriamento a arO
resfriamento a ar o mtodo mais comum devido ao menor custo. Sua
aplicao deve levar emcontaoambienteaser instalado,
prevendo-seeventual entradadepoeira(inclusive condutiva) muitas
vezes presente em ambientes industriais, o que pode implicar no uso
de filtros, com os consequentes problemas de manuteno (limpeza,
troca etc.). O uso de ventilao forada melhora consideravelmente o
desempenho, mas implica em desvantagens como aumento do custo, rudo
acstico, necessidade de manuteno etc.Os fabricantes geralmente
apresentam curvas caractersticas, das quais podem constar: Rth DAP
(resistnciatrmicaDissipador-Ambienteversuspotnciatrmica)paradada
PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v.
0.99- pg.42diferena de temperaturaATDAentre dissipador e ambiente e
dado comprimento do perfil do dissipador (usualmente 3 ou 4 de
comprimento). Com o aumento de temperatura do dissipador diminui a
resistncia trmica Dissipador-Ambiente devido ao aumento da conveco
e irradiao; Rth DAQar(resistnciatrmicaDissipador-Ambienteversus
fluxodear, em[m/s] ou [m3/s]) paradadadiferenadetemperatura
ATDAentredissipadoreambienteedado comprimento do perfil do
dissipador (usualmente 3 ou 4 de comprimento); Zth DA=f t , P)
(impedncia trmica transitria Dissipador-Ambiente emfuno do tempo de
aplicao e potncia trmica) para dada diferena de temperatura
ATDAentre dissipador e ambiente e dado comprimento do perfil do
dissipador (usualmente 3 ou 4 de comprimento); Zth DA=f t , Qar)
(impedncia trmica transitria Dissipador-Ambiente emfuno do
tempodeaplicaoefluxodear) paradadadiferenadetemperatura ATDAentre
dissipador e ambiente e dado comprimento do perfil do dissipador
(usualmente 3 ou 4 de comprimento); Curva de correo para variao da
altitude de operao; Curva de correopara diferentes valores de
ATDA(diferena de temperatura entre dissipador e ambiente); Curva de
correo para diferentes valores de temperatura ambiente TA; Curva de
correo para diferentes comprimentos do perfil do dissipador;
Indicao do acabamento do dissipador(geralmente anodizao preta) e
sua emissividade; Curva de correo para envelhecimento (depsito de
poeira etc.) Para ventilao natural, indicao de posio de montagem
(vertical,
horizontal)Comoomododeapresentaodascurvaseoutrosdadosvariagrandementecomcada
fabricante, desejvel se aplicar o mtodo proposto por determinado
fabricante para seu produto e comparar os resultados com um
dissipador dimensionalmente semelhante de outro fabricante, neste
caso com sua outra metodologia de projeto. As figuras 2.20 e 2.21
mostram apresentaes tpicas para dissipadores por diferentes
fabricantes para diferentes produtos. PEA-2487 Eletrnica de Potncia
I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.43Fig. 2.20: Apresentao
de dados de dissipador para transistor encapsulamento TO-220 do
fabricante Wakefield.Fig. 2.21: Apresentao de dados de dissipador
para mdulos de potncia do fabricante Wakefield.PEA-2487 Eletrnica
de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.44Fig. 2.22:
Apresentao de dados de dissipador do fabricante HS.PEA-2487
Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99-
pg.452.3.3.1.1. Ventilao natural e forada - ventiladoresA
resistncia trmica do dissipador com circulao natural de ar no
constante com sua temperatura. Com o aumento da potncia dissipada
existe aquecimento do dissipador, melhorando-se as caractersticas
de conveco e irradiao. Como temperatura ambiente considera-se a do
ar que entra no dissipador. No caso de dois dissipadores montados
em srie (sobrepostos verticalmente) o ar de entrada do superior
corresponde ao de sada do inferior, com ventilao natural.Os grficos
das figuras 2.19, 2.20 e 2.21 mostram uma grande melhora no
desempenho do dissipador com ventilao forada. A melhor troca de
calor com ar forado com a maior vazo devido atuao do ventilador
contra a queda de presso que ocorre devido resistncia aerodinmica
do dissipador. Supondo o ar como fluido incompressvel, admitindo-se
um nico fluxo de ar sem fugas ou entradassecundrias,
sehouverndissipadores emparalelo, paraseter amesmadiferenade
pressoAP entre entrada e sada dos dissipadores a vazo necessria
deve ser n vezes maior que a de um nico dissipador. Se os n
dissipadores estiverem em srie, para uma mesma vazo a queda de
presso a ser vencida sernAP . Logo, o arranjo mecnico dos
dissipadores dita o requisito principal, seja de presso, seja de
vazo. Os parmetros para a escolha de um ventilador so: Vazo;
Presso; Rudo acstico.(a)(b)Fig. 2.22: Ventilador axial. O impulsor
tem forma de hlice e o movimento do ar no sentido axial.(a)(b)Fig.
2.23: Ventilador radial. O impulsor tem forma de roda d'gua, a
entrada de ar axial e a sada radial.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I
- 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.46(a)(b)Fig. 2.24:
Ventilador semi-axial ou misto. O impulsor tem formato de hlice e a
entrada de ar axial e a sada radial.Ascurvascaractersticas
dosventiladorespodemser resumidas nafigura2.25, comos parmetros
adimensionaism(relacionado presso) eu (relacionado ao
volume).(a)(b)Fig. 2.25: Curvas caractersticas dos ventiladores.
Definem-se estes coeficientes m= AP2u2(2.27)eu= vn4D2u(2.28),onde:
AP : variao de presso; : densidade do fluido; u : rotao; D :
dimetro do impulsor; v : vazo.A anlise da figura 2.25(b) mostra que
devido s suas caractersticas os ventiladores tm PEA-2487 Eletrnica
de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.47diferentes
faixas de atuao tima: Ventilador axial: baixa vazo e incrementos
significativos de presso; fornece grandes vazes para baixas
resistncia de presso; a inflexo na curva ocorre quando o fluxo de
ar deslocado para fora. Ventilador semi-axial: vazo e incrementos
de presso mdios. Ventilador radial: alta vazo e baixos incrementos
de presso; maior transferncia de energia ao fluido; sada de ar em
alta velocidade pela circunferncia do impulsor; consegue vencer
presses maiores.Notocantescaractersticas acsticas,
sobrepondo-seascurvasdevariaodepresso acstica em dB(A), medidas a
um metro de distncia da tomada de ar, s curvas da figura 2.25,
obtm-se a figura 2.26.Fig.2.26: Nveis de presso sonora, em dB(A),
medidas a um metro de distncia da tomada de ar,com diferentes vazes
e presses, para os ventiladores do tipo radial e axial.Da figura
2.26 depreende-se que: Ventiladoraxial:
aumentosignificativoderudoquandovazoexcessivamenterestrita.
Torna-se ruidoso quando o fluxo de ar no segue o contorno do
impulsor; Ventilador radial: sempre ruidoso.2.3.3.2. Resfriamento a
lqidoQuando os nveis de potncia a ser retirada dos semicondutores
so elevados, ou quando a densidade volumtrica de potncia do
conversor alta (conversor muito compacto ou de potncia especfica
muito elevada), ou se no ambiente do conversor no podem ingressar
impurezas pelo ar (caso de conversores operando em altas tenses), o
resfriamento a lqido impe-se sobre o a ar. O lqido adotado
geralmente gua destilada e deionizada para se tornar no condutiva
PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v.
0.99- pg.48eletricamente,
oucompostosdeguaeglicois(etilenooupropilenoglicol), ouleomineral de
transformadores.Os fabricantes geralmente apresentam curvas
caractersticas, das quais podem constar: Rth
TAQgua(resistnciatrmicaTrocadordecalor-Ambienteversusfluxodeguaem
[l/s] ou [l/min]); ApressoQgua(perda de carga em funo do fluxo
d'gua); Zth TA=f t ,Qgua) (impedncia trmica transitria Trocador de
calor-Ambiente em funo do tempo de aplicao e fluxo de gua);Para se
minimizar a resistncia trmica entre a carcaa dosemicondutor e
olqido refrigerante, deve-se usar metal com elevada condutibilidade
trmica e baixo calor especfico, bem como lquido refrigerante com
calor especfico e condutibilidade trmica elevados (alm de ser bom
isolante eltrico). Atabela 2.7 mostra alguns valores de constantes
trmicas de materiais comumente usados.Tabela 2.7: Constantes
trmicas de alguns materiais.Material Calor
Especfico[Joule/KgoC]Condutibilidade Trmica[W/moC]Resistividade
Trmica[moC/W]guaEtileno glicolleo
mineral4.2002.3001.9000,630,250,161,64,06,3CobreAlumnioAo3909204403802001000,0030,0050,01A
figura 2.27 apresenta um trocador de calor com gua, e a figura 2.28
sua implementao em um conversor.(a)(b)Fig.
2.27:Apresentaodedadosdetrocadordecalorparamdulosdepotnciadofabricante
Semikron.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de
aula v. 0.99- pg.49Fig. 2.28: Implementao de conversor com trocador
de calor a gua para mdulos de potncia, do fabricante Semikron.A
figura 2.29 mostra trocadores de calor a gua da ABB.Fig. 2.29:
Trocadores de calor a gua da ABB.2.3.3.3. Resfriamento por mudana
de
faseAentalpiadeevaporaodeumfluidodetrabalhousadaparaseextraircalordeum
semicondutor.O fluido na fase gasosa deve ser esfriado em outro
ponto do sistema para que se condense e retorne ao ponto de aplicao
de calor. H dois modos de implementao: Colocao dos semicondutores
imersos no fluido. O conversor de potncia contido PEA-2487
Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99-
pg.50em um tanque, mergulhado no fluido. O aquecimento do
funcionamento normal faz o fluido fervereogssobeaoaltodotanque,
aondeumtrocadordecalorresfriaogs, quese condensa e volta ao fundo.
Note que se a presso interna do tanque for inferior atmosfrica,
eusando-seguacomofluidodetrabalho, elamudadefaseatemperaturas
inferiores a 100C; Uso de Heat pipes (figura 2.30).Fig. 2.30:
Mecanismo de funcionamento de um heat
pipe.Noheat-pipeofluidodetrabalhoficaembebidoemummaterial
poroso(wick). O aquecimento no extremo quente faz o lqido evaporar
e seguir pelo centro do heat pipe at o extremo frio, aonde se
condensa no material poroso e retorna ao extremo quente por
capilaridade. Comoseusaaentalpiadeevaporaodofluido,
pode-seconseguir condutibilidades trmicas centenas ou milhares de
vezes superiores s de uma barra de cobre de igual rea. Em operao a
temperaturaambiente, ofluidodetrabalhopodeser gua, metanol, amnia
etc. Ocustodos heatpipes limita seus usos a locais aonde a retirada
de calor pontual ou de difcil acesso.Fig. 2.31: Uso de heat pipe
para retirada de calor de um microprocessador de notebook (notebook
Dell D610). O resfriamento do fluido realizado pelo ventilador da
foto.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula
v. 0.99- pg.512.3.4. Consideraes sobre montagem mecnica dos
semicondutores de potnciaOs semicondutoresdepotncia, devido aos
altos nveis de tenso e corrente manipulados,
tmconstruomecnicacompatvel comasnecessidadeseltricas(reaematerial
decontato eltrico, distncias e material de isolamento), trmicas
(reas de contato trmico) e mecnicas.2.3.4.1) Encapsulamentos tpicos
de semicondutores de potnciaFig. 2.32: Diodo com
encapsulamentodotiporosca. Diodo Semikron SKN 135F
(VRRM=1200V,IAV=135A, IRMS=260A).Fig. 2.33: Diodo com
encapsulamento do tipo disco (hockey-puck). Diodo Semikron SKN 6000
(VRRM=600 V,IAV=6000A, foradeaperto nominal F=24...30kN).Fig. 2.34:
Diodo com encapsulamento do tipo mdulo. Diodo Semikron SKKD 162/18
(VRRM=1800V, IFAV=195A). Note que o mdulo contm dois diodos. A
estrutura metlica dos semicondutores de potncia de cobre (para
garantir condutividade eltrica e trmica) niquelado (para garantir
proteo qumica e mecnica do cobre) com as partes isoladas de
porcelana, resina plstica e outros materiais isolantes.Fig. 2.35:
Vista interna de tiristor (SCR) com encapsulamento do tipo
rosca.Fig. 2.36: Vista interna de tiristor (SCR) com encapsulamento
do tipo disco (hockey-puck).Fig. 2.37: Vista interna de
semicondutor com encapsulamento do tipo mdulo.Nos encapsulamentos
tipo rosca e mdulo a pastilha semicondutora mantida sob presso por
meiosinternos,para garantircontatoeltrico e trmico. Nestescasos
deve-segarantirque a fixao destes encapsulamentos feita com o
conjugado correto para no se danificar as estruturas de cobre. No
encapsulamento tipo disco a pastilha semicondutora fica
particamente solta dentro do encapsulamento, e deve ser
pressionada, com uma fora de aperto uniformemente distribuida que
pode chegar a 50kN, para se estabelecer contato trmico e eltrico.
Emqualquer caso, eventualmente usa-se algum composto trmico para se
melhorar o contato mecnico e a transmisso de calor (usam-se leo de
silicone e outros compostos para tanto).PEA-2487 Eletrnica de
Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.52Fig. 2.38.
Distribuio de presso adequada e incorreta em um encapsulamento tipo
disco. Extrado do Application Note 5SYA2036-03 da ABB.Para se
garantir presso adequadamente distribuida em um encapsulamento
disco, estruturas mecnicas, conhecidascomogrampos,
devemserassociadasadissipadores, quetambmagem como contatos
eltricos.Fig. 2.39. Sistemadefixaodeencapsulamentotipodisco.
Note-seos trocadoresdecalor a lqido. Extrado do Application Note
5SYA2036-03 da ABB.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 -
Notas de aula v. 0.99- pg.53Fig. 2.40. Detalhamento do sistema de
fixao de encapsulamento tipo disco. Extrado do Application Note
5SYA2036-03 da ABB.Na figura 2.40 os nmeros indicam: 1. Mola tipo
barra. A excurso x, que proporcional fora Fm exercida, deve ser
larga em comparao com a expanso trmica (vertical) do conjunto; 2.
ContatomecnicoesfricogarantequeaforaFmtransferidasimetricamenteaos
encapsulamentos mesmo com os no-paralelismos inerentes nas
superfcies; 3. Pea de ao resistente (mnima deformao) garante
distribuio homognea de presso; 4. Trocadores de calor com
superfcies lisas e paralelas; 5. Semicondutor com encapsulamento
tipo disco; 6. Suporte de ao resistente para mnima deformao; 7.
Barramentos eltricos; 8.
Barramentoseltricosflexveisparaseevitarqueforasmecnicasexternasafetema
dsitribuio de presso do conjunto.Outrascaractersticas mecnicas
podemser encontradasnodatasheetseapplication notes dos
fabricantes.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de
aula v. 0.99- pg.542.4. TiristorO nome tiristor se aplica a
componentes semicondutores com trs ou mais junes PN. O tiristor
pode ter:- 2, 3 ou 4 terminais para conexo;- Conduzir corrente em
um ou mais quadrantes da caracterstica anodo-catodo.O membro mais
difundido da famlia dos tiristores ou o SCR (Silicon Controlled
Rectifier, ou Semiconductor Controlled Rectifier), o qual, devido
ao seu uso intenso, acabou tomando para si o nome da famlia em
muitas aplicaes.2.4.1.
SCROSCRumcomponentedepotnciacujocomportamentoeltricosemelhanteaodo
diodo de potncia, exceto que na polarizao direta (tenso
anodo-catodo positiva) ele s entra em conduo com a aplicao de um
pulso de corrente no terminal de gatilho. Uma vez em conduo,s se
pode desliga-lo zerando-se sua corrente externamente ou se
aplicando tenso reversa (tenso anodo-catodo negativa).Fig. 2.41:
Representao do SCR e seus terminais (K- catodo; A- anodo; G-
gatilho) bem como sentidos diretos de tenso e corrente.A
caracterstica V-I do SCR dada na figura 2.42.Fig. 2.42:
Caracterstica V-I do SCR. Sentidos de tenso e corrente correspondem
s da figura 2.41.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 -
Notas de aula v. 0.99- pg.55Da figura 2.41 observam-se duas regies
de tenso:- Regio reversa (VT0): Dois estados estveis (bloqueio
diretoe conduo direta) ligados por uma regio instvel com
caracterstica de resistncia negativa na curva VT x IT.Regio
bloqueio direto - baixas correntes (mA) com tenses elevadas;- tenso
de avalanche com gatilho aberto VDBR;- tenso mxima direta VDRM
(VDRM < VDBR), em uma dada temperatura de operao, para que se
opere o SCR dentro de uma margem de segurana;- para correntes de
gatilho crescentes IG>0 a tenso de avalanche cai quanto maior
for IG.Regio de resistncia negativa - regio transitria entre o
bloqueio direto e a conduo direta. A caracterstica VT x ITnesta
regio tem coeficiente negativo, da o nome resistncia negativa.Regio
de conduo direta - altas correntes com baixas tenses. A curva
VTxITassemelha-se ao de umdiodo de potncia;- a corrente direta
mximaIT, em valor mdio oueficaz a dada temperatura, para operao
segura do SCR fornecida pelo fabricante;- corrente de travamento
IL(mnima corrente IT fluindo pelo dispositivo para iniciar sua
conduo);- corrente de manuteno IH (mnima corrente IT fluindo pelo
dispositivo para mant-lo em conduo) e tenso de manuteno VH(mnima
queda de tenso direta em conduo).2.4.1.1. Princpio de
funcionamentoO SCR formado por quatro camadas PNPN, conforme figura
2.43.Fig. 2.43: Diagrama de formao do SCR em camadas PNPN. A
espessura das camadas no est em escala.PEA-2487 Eletrnica de
Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99-
pg.56NobloqueioreversoasjunesP1N1eP2N2seencontramreversamentepolarizadas.
A juno P1N1 corresponde a um transistor PNP com base em aberto e
suporta a maior parte da tenso, poisa junoP2N2,porser fortemente
dopada,suportasomente atcerca de 40V.Nobloqueio direto somente a
juno N1P2 est reversamente
polarizada.ParaseanalisarofenmenodedisparodoSCResuaentradanomodotransitriode
resistncia negativa, o modelo equivalente de dois transistores da
figura 2.44 pode ser empregado.
NestemodelooSCRconvenientementeparticionado(figura2.44a)nostransistoresQ1eQ2,
respectivamente PNP e NPN (figura 2.44b).(a) (b)Fig. 2.24: Modelo
de dois transistores do SCR.Relembrando-se que:ICIE=o
(2.28)Obtm-se:IC1=oPNPIA+ICo1(2.29)IC2=oNPNIK+ICo1(2.30)aonde ICo1
e ICo2 so as correntes reversas de coletor de Q1 e Q2, constituidas
de eltrons gerados por recombinao na juno base-coletor.
Determinando-se as correntes de anodo e catodo do
SCR:IA=IE=IC2+IC1(2.31)IK=I A+IG(2.32)Determina-se a corrente
IA:IA=ICo1+ICo1+IGoNPN1oPNP+oNPN)(2.33)aonde PNP e NPN variam com a
corrente. A condio de disparo :oPNP+oNPN=1 (2.34)Obedecido (2.34),
o conjunto Q1e Q2entra em realimentao positiva at a saturao de Q1 e
Q2, o que ocorre com um valor mnimo de corrente de travamento
IT>IL(2.35) (corrente peloSCRmaior queseulatchingcurrent,
conformedefinidonafigura2.42). Naprticah requerimentos a serem
cumpridos quanto ao valor e forma de onda de IGpara que o disparo
seja bem sucedido, a serem abordados posteriormente.PEA-2487
Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99-
pg.57Note-se que com bloqueio direto, sem corrente de gatilho (IG =
0) e aumentando-se a tenso aplicada e/ou a temperatura do SCR,
crescem as correntes residuais ICo1e ICo2, e como PNPe NPN
variamemfunodacorrente,
pode-seatingiracondiodaequao(2.34)eoSCRdisparar espontaneamente
semcorrente pelo gatilho. Este tipo de disparopode ser destrutivo
para o componente, dependendo da impedncia em srie com o
SCR.Encerrado com sucesso o processo de disparo, o SCR entra em
modo de conduo direta. Nesta altura as junes esto inundadas de
portadores, caracterizando a saturao dos transistores equivalentes.
Este processo no pode ser interrompido pela cessao da corrente de
gatilho IG, mas apenas se o circuito externo ao SCR aplicar tenso
reversa nele (VT < 0) ou se a corrente pelo SCR assumir
valoresabaixodacorrentedemanutenoIH(holdingcurrent)IA+IGIH(2.36).
Estassituaes(VT0, provocando sua reconduo mesmo sem corrente de
gatilho. Portanto define-se um tempo maior, tq, que o tempo mnimo
contado da passagem por zero da corrente andica decrescente at o
instante em que a tenso direta vAK(t) > 0 pode ser reaplicada
novamente. A diferena de tempo entre trr e tq o tempo em que os
portadores da juno esto se recombinando, e no se pode reaplicar
tenso vAK(t) > 0 at cerca de 60% dos portadores terem se
recombinado.Fig.
2.49:VariaodacorrenteiT(=iA)edatensovAKduranteotransitriodoprocessode
desligamento do SCR. Grfico sem escala.PEA-2487 Eletrnica de
Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.60O tempo de
recuperao de capacidade de bloqueio direto tq varia entre 5s a
500s. SCRs com tqtX, seno tX seria o tempo limitante.A freqncia
mxima em que o disparador consegue operar :fmax
disparador=1ttotal+3t'2.50) fmaxdisparador=1500us+3ms=285,71 HzEste
resultado mostra que o circuito do exemplo est apto a disparar SCRs
de conversores operando freqncia da rede (50/60Hz).PEA-2487
Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99-
pg.70d) Paraseespecificarumtransformadordepulsocomercial,
precisofornecerovalor vPdt . Obt-lo.O valor de vPdt uma medida do
fluxo mximo admissvel no transformador de pulso que no o sature. No
caso,vPdt deve ser maior que a rea A1da figura 2.64, e sua unidade
usualmente dada em Vs. Logo:vPdt>A12.51)
A1=2,8V500us=1400uVsDeve-sebuscar umtransformador comvP dt maior
que1400Vs. Nocatlogode
transformadoresdepulsodofabricanteSemikronverifica-sequeomodeloSKPT25b20/s,
com vPdt de 2000Vs, adequado para a aplicao.Observao 1: em um
projeto mais detalhado, de posse do transformador de pulso
escolhido, seus parmetros (resistnciasdeenrolamento,
indutnciademagnetizao, indutncias dedisperso) devemserusados.
Comissopossvel, porexemplo, secalcularotempodesubidatS,poisse dispe
das indutncias de disperso.Observao 2: o valor de vPdt obtido no
exemplo muito alto, no limite da disponibilidade comercial
usual(valores mais usuais devPdt seencontram
nafaixade200-500Vs).Uma soluo para se contornar este problema se
aplicar um trem de pulsos com perodo de trepetio=20-100s e
duty-cycle de 50% (metade do perodo trepetio com aplicao de
corrente e a outra metade para se descarregar o ncleo) e valor de
corrente de gatilho da ordem de 1,5IGT (sendo IGT a mnima corrente
aplicvel ao gatilho que garante o disparo do SCR mnima temperatura
de operao). Desta forma consegue-se uma aplicao de pulso
suficientemente longa para que o SCR atinja sua corrente de
latching IL. (lembrando que o tempo necessrio para que a corrente
pelo SCR atinja IL dependedacarga, enodocomponente).
Nestecasoestsesupondoqueduranteaparcelado tempo trepetio em que se
est descarregando o ncleo (e portanto sem corrente de gatilho) a
corrente ITpelo SCR constante ou de derivada positiva, de modo que
aps certo tempo se atinge valores superiores aILe se estabelece
conduo plena noSCR. Ainda, ocircuito de disparodeve inicialmente
aplicar um pulso com valor de pico elevado (da ordem de 5IGT) e
derivada de corrente suficientemente alta (da ordem de 1-2A/s) e s
em seguida se introduzir o trem de pulsos.PEA-2487 Eletrnica de
Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.712.4.1.3.2.
Caractersticas do gatilho Disparo do SCR Exemplos de circuito de
disparo com com fibra ptica para isolao galvnica.Em aplicaes com
conversores operando com tenses eficazes CA superiores a 1kV no se
pode usar transformadores de pulso convencionais, pois estes
geralmente tm tenso mxima de isolao da ordem de 3kV, e transitrios
na rede CA podem facilmente ultrapassar este valor. Sem se lanar mo
de transformadores especiais, a soluo se usar: Circuito de disparo
no potencial do SCR, ligado ao circuito de controle via fibra
ptica; SCRs disparados por luz.Fig. 2.66: Circuito tpico de
acionamento e proteo de SCR para conversores de alta tenso.No
circuito da figura 2.66 o SCR convencional para aplicao em alta
tenso e corrente. Seu disparo realizado pela eletrnica de disparo
que est no potencial do SCR, sendo que os sinais
dedisparoedeconfirmaodeconduosoisoladosviafibraspticas.
QuandooSCRest desligado, um divisor resistivo de tenso alimenta a
eletrnica de disparo. Um sinal de disparo via fibra ptica gera um
pulso de corrente que dispara o SCR e gera um pulso de luz de
confirmao de conduoqueenviadoaocontroleviafibraptica.
Umreatorsaturvel limitaaderivadade corrente pelo SCR e um circuito
com varistor (componente a ser abordado posteriormente) gera um
pulso de disparo protetivo em caso de sobretenso sobre o conjunto
do SCR.2.4.1.4. LTT (Light Triggered Thyristor)Fig. 2.67: SCR
disparado por luz (LTT - light triggered thyristor). Ilustrao do
Application Note AN2006-3 V2.2 (March 2006) da
Eupec/Infineon.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas
de aula v. 0.99- pg.72A figura 2.67 mostra um SCR diretamente
disparado por feixe de luz (LTT - light triggered thyristor) da
Eupec, com a conexo de fibra ptica e a carcaa do SCR
propositalmente aberta para mostrar a pastilha semicondutora. O
disparo de tais SCR realizado com diodos laser, com pulsos de luz
to curtos como 10s, potncia da ordem de 40mW e comprimentos de onda
na faixa de 850-1000nm(a Eupec sugere o uso dos diodos laser SPL
PL90 da Osram, mas o circuito formador de pulso que alimenta os
diodos sofisticado e fora do escopo desta disciplina). Tais SCRs
possuem circuitos internos de amplificao de corrente de gate (gate
amplifying structures) para amplificar a energia relativamente
limitada do pulso de luz, bem como proteo integrada com dv/dt
elevados, que dispara protetivamente o LTT em caso de dv/dt
aplicado que ultrapasse o valor nominal do componente.2.4.1.5. SCRs
de potncia com SCR piloto (GAT Gate Assisted Thyristor)Para SCRs de
dimenses reduzidas, os requerimentos de corrente de pico inicial e
derivada mnima de para a corrente de disparo no so crticos, pois o
processo de disparo e o espraiamento inicial dos portadores
facilitado pela pequena rea a ser abrangida. Para SCRs de potncia
de altas correntes, comgrandes dimenses superficiais da pastilha
semicondutora, ao problema de distribuio de portadores se soma a
alta corrente que ir passar pelo componente, e que inicialmente se
concentra na regio do entorno do gatilho, resultando em densidades
de corrente iniciaisdesiguaisnapastilha,
inclusivecompossiblidadededanospastilha. Soma-seaindaa
necessidadedacorrentededisparoser consideravelmentemaior queadeSCRs
dedimenses menores, impondodemandamaioraocircuitodedisparo.
Paraminimizaresteproblema, vrios fabricantes usam a configurao com
SCR piloto.Fig. 2.68: SCR com SCR piloto. Ilustraes do Application
Note 5SYA2034-02 June 07 da ABB.Fig. 2.69: SCR com SCR piloto.
Vista da estrutura do SCR piloto distribuida sobre a superfcie do
semicondutor. Ilustrao do Application Note 5SYA2034-02 June 07 da
ABB.Com isso a corrente de disparo a ser gerada somente a necessria
para se disparar o SCR piloto, que se incumbe de fornecer a
corrente de maior valor ao gatilho do SCR principal. Ainda PEA-2487
Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99-
pg.73paraseauxiliaroprocessodeligao,
aestruturadoSCRauxiliarpodeserdistribuidasobrea superfcie do SCR
principal (figura 2.69), diminuindo o tempo total de ligao ttot
(equao 2.38).2.4.1.6. ASCR (Asymmetric SCR)O ASCR um SCR sem
capacidade de bloqueio reverso (a tenso reversa mxima da
ordemdedezenasdevolts). Comiss