EPO – Eletrônica de Potência COMPONENTES … · 5 Prof. Yales Rômulo de Novaes ... (interruptores) em EP ... condução (fs < 1 kHz) 16 Prof. Yales Rômulo de Novaes DIODOS –

Prof. Yales Rômulo de Novaes

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINACENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

EPO – Eletrônica de Potência

COMPONENTES SEMICONDUTORES EM ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

2



● Introdução

● Classificação dos semicondutores

● Diodos

● Características estáticas reais

● Idealizações● Características dinâmicas reais

● Idealizações● Classificação dos diodos

● Cálculo de perdas

● Exemplo

INTRODUÇÃO

● Tiristores● Características estáticas reais

● Idealizações● Características dinâmicas reais

● Idealizações● Classificação dos diodos● Cálculo de perdas

● Cálculo térmico

3



● Eletrônica de Potência:

● “Ciência dedicada ao estudo de conversores estáticos.”

● “É uma ciência aplicada que aborda a conversão e o controle de fluxo de

energia elétrica entre dois ou mais sistemas distintos, através de

conversores estáticos de potência”

INTRODUÇÃO

4



Conversor Estático:

● Composto por elementos passivos (R, L, C) e interruptores

(semicondutores), combinados de tal maneira a realizar o tratamento ou

transformação de energia elétrica.

● Adicionado à carga e/ou fonte forma(m) um sistema.

● Basicamente, utiliza semicondutores operando na região de corte ou

saturação, evitando perdas excessivas.

● Dispositivos que “controlam” o fluxo de potência: semicondutores

INTRODUÇÃO

5



INTRODUÇÃO

Aplicações:

● Controle de motores

● Fontes de alimentação (telecomunicações, computadores)

● No-breaks, UPS

● Energia fotovoltaica, eólica, fontes alternativas

● Condicionadores de energia

● ...

Retificador

Inversor

ConversorCC-CC

Conversor diretode freqüência

(v2, f2)E2

Conversorindireto

de tensão

Conversorindireto defreqüência

Fonte:Rech

6



Classificação dos semicondutores (interruptores) em EP

● Não controláveis: diodos (entrada em condução e bloqueio espontâneo dependentes do circuito)

● Semi-controláveis: tiristores (entrada em condução controlada, bloqueio espontâneo que depende do circuito)

● Controláveis: GTO, BJT, MOSFET, IGBT, IGCT (entrada em condução e bloqueio controlados)

7



DIODOS – Característica estática real

Em condução (diretamente polarizado),

possui baixa queda de tensão.

Bloqueado (inversamente polarizado), circula

somente corrente de fuga, até atingir VRRM.

-

CF

vF+

A

i

iF

vFV(TO)

VRRM IR

1rT

FiA

V(TO)+

CrT

-vF

Modelo durante condução

8



DIODOS – Idealizações

Em condução (diretamente

polarizado), possui baixa queda de

tensão.

Bloqueado (inversamente

polarizado), circula somente corrente

de fuga, até atingir VRRM.

Interruptor fechado, baixa

resistência.

Interruptor aberto, alta resistência

(MΩ)

9



DIODOS – Idealizações

-

CF

vF+

A

i

iF

vF

VF>0, resistência nula (s/ perdas condução)

VF<0, resistência infinita (corrente nula)

Lembrar:

Entra em condução quando polarizado pela

tensão

Bloqueia-se espontaneamente quando a corrente

passa por zero

Pode haver corrente negativa durante o bloqueio

devido a recuperação reversa (dinâmica)

10


DIODOS – Características dinâmicas

Entrada em condução:

recuperação direta, elevada derivada de

corrente pode provocar sobretensão.

Normalmente este fenômeno pode ser

desconsiderado. Tempo de recuperação

direta.

Bloqueio: a corrente se torna negativa

por um tempo antes de o diodo se

bloquear (Silício). Durante esse tempo, os

portadores de carga são armazenados na

junção são removidos. Tempo de

recuperação reversa – tr, trr.

Fonte: Williams2006

11


DIODOS – Classificação quanto a velocidade

Convencionais:

comumente utilizados em retificadores, frequências de comutação típicas: 16 2/3 Hz, 50 Hz,

60 Hz. Tempo de recuperação reversa não especificado, trr: 400ns @ 60 A, 1600V.

Rápidos e ultra-rápidos:

tempo de recuperação direta muitas vezes não especificado, tempo de recuperação reversa

e carga armazenada normalmente encontrado nos datasheets, trr: 8,5-70ns @ 60 A, 400-

600V

Diodos tipo Schottky:

tempo de recuperação reversa e carga armazenada quase nula, queda de tensão direta

baixa, tensão de bloqueio baixa (~100V), trr: 20 ns @ 60 A, 45V

12


DIODOS – Perdas

Perdas podem ser separadas em:

● Perdas de condução

● Perdas de comutação

● bloqueio

● entrada em condução

FiA

V(TO)+

CrT

-vF

Pcond=V T0⋅I AVGI RMS2⋅rT

Perdas de condução

13


DIODOS – Perdas

Perdas de comutação:

Poff=Qrr⋅E⋅f

Poff=12V RRM⋅iRRM⋅t ri⋅f s

Pcom=PonPoff

Bloqueio (idealizado):

14


DIODOS – Perdas

Perdas de comutação – entrada em condução

Pon=12V FP−V F ⋅I o⋅t rf⋅f s

15


DIODOS – Perdas

Perdas totais

P tot=PcomPcond

Considerações de acordo com a frequência de operação

● Retificadores 50 , 60Hz

● tipicamente considera-se somente as perdas por condução

● Conversores em geral, (fs > 400 Hz) :

● No cálculo de perdas em condução pode-se muitas vezes desprezar rT

● cálculo de perdas de comutação pode-se geralmente desprezar entrada em

condução (fs < 1 kHz)

16


DIODOS – exercício

Retificador meia onda, a 60 Hz (220 RMS, R=10 Ohms)iDmed=10 A

iDef=15,5 A

Diodo SKN20/04

V T0=0,85VrT=11m

Calcule a potência dissipada no diodo, considerando-se as perdas de maior relevância (condução).

17


Tiristores – característica estática real

PolarizaPolarizaçção reversa ão reversa →→ bloqueiobloqueioPolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ bloqueiobloqueio

1

2

3 PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ curtocurto--circuito (disparo)circuito (disparo)4 PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ curtocurto--circuitocircuito

A C

G

18


Tiristores – característica estática real

19


Tiristores – idealização da característica estática

PolarizaPolarizaçção reversa ão reversa →→ circuito abertocircuito abertoPolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ circuito aberto (sem disparo)circuito aberto (sem disparo)

1

2

3 PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ circuito fechado (disparo)circuito fechado (disparo)

ik

vkbloqueia bloqueia

cond

uzcom.esp.

esp.

1 2

3

20


Tiristores – características dinâmicas

A

C G

21


Tiristores – características dinâmicas

Bloqueio

tq: mínimo intervalo de tempo em que a tensão deva ser mantida reversa sobre o tiristor garantindo assim o bloqueio

22


Tiristores – datasheet (folha de dados)

Fonte:Michels

23


Tiristores – datasheet (folha de dados)

Latching current (IL) ou corrente de retenção: para que o tiristor permaneça

no estado de condução depois que o sinal de gatilho é removido, é necessário

que a corrente principal (anodo) esteja acima do valor de IL determinado pelo

fabricante.

Holding current (IH) ou corrente de manutenção: para que o tiristor possa

bloquear, a corrente principal deve estar abaixo do valor da corrente de

Latching (IL). O nível de corrente em que o tiristor bloqueia é chamado Holding

current. Este nível de corrente é afetado pela temperatura e impedância de

gate.

Valores negativos de tensão de gate aumentam significativamente os valores

de IL e IH

24


Tiristores – perdas

Perdas podem ser separadas em:

● Perdas de condução

● Perdas de comutação

● bloqueio

● entrada em condução

FiA

V(TO)+

CrT

-vF

Perdas de condução

Pcond=V T0⋅I AVGI RMS2⋅rT

25


Tiristores – perdas

Assim como para os diodos, em conversores

comutados pela linha (50-60 Hz), as perdas de

comutação podem ser desprezadas.

Nos casos em que as perdas de comutação devam

ser consideradas, as equações são as mesmas

obtidas para os diodos de silício.

26


Cálculo térmico

A corrente que circula no componente provoca perdas que geram calor. O calor

gerado deve ser transferido para o ambiente. A temperatura de junção não pode

se elevar acima dos limites máximo permitidos pois provocaria a inutilização do

componente.

Por isso a determinação correta das perdas e o dimensionamento do dissipador de

calor são de importância prática fundamental.

27


Cálculo térmico

Exemplos de encapsulamentos

1

28


Cálculo térmico

Modelo para regime permanente

P

R jc Rcd Rda

TaTdTcTj

Tj

Tc

Td

Ta

Junção (semicondutor)

Case (Encapsulamento)

Dissipador (Alumínio/Cobre/Água/etc)

AmbienteFonte: Heldwein2009

29


Cálculo térmico

Procedimento:

1. Calcular as perdas (P) através das características do componente e do circuito

no qual está inserido.

2. Tj – máximo valor é fornecido pelo fabricante do componente.

3. Ta – valor adotado pelo projetista.

4. Calcular Rja.

5. Determinar a resistência térmica do dissipador.

30


Cálculo térmico

Exercício:

A partir das perdas de condução calculadas no exercício anterior e utilizando-se

dos parâmetros abaixo informados, calcular a temperatura na junção

considerando-se a utilização de um dissipador comercial com resistência térmica

de 8 0C/W.

P

R jc Rcd Rda

TaTdTcTj

Ta=40oCRthda=80CRthjc=20CRthcd=10C

31


Cálculo térmico

Exercício:

Considere um sistema de resfriamento com dois componentes distintos

montados sobre o mesmo dissipador de calor. Calcule a máxima resistência

térmica do dissipador a fim de manter a temperatura na junção em ambos

componentes dentro de valores aceitáveis. Considere a temperatura ambiente Ta

= 40 oC.

P1=10WRthjc=10CRthcd=0,50CTjmax=1500C

Componente 1 Componente 2P 2=14WRthjc=1,50CRthcd=0,50CTjmax=1250C

32


Referências

Algumas das figuras/texto têm como fonte as seguintes referências:

Barbi, I.do autor, E. (Ed.), 2001. Projetos de Fontes Chaveadas.Barbi, I., 2006. Eletrônica de Potência, 6 ed.. Edição do Autor.Heldwein, M. L. (2009). Apresentação em powerpoint (parte de minicurso COBEP2009).Michels, L. Apresentação em powerpoint da disciplina EPO I (UDESC).Rech, C. Apresentação em powerpoint da disciplina EPO II (UDESC).Williams, B. W.Williams, B. W. (Ed.), 2006. Principles and Elements of Power Electronics. Barry W. Williams, ISBN 978-0-9553384-0-3.

EPO – Eletrônica de Potência COMPONENTES … · 5 Prof. Yales Rômulo de Novaes ... (interruptores) em EP ... condução (fs < 1 kHz) 16 Prof. Yales Rômulo de Novaes DIODOS –

Documents