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Introdução aos Conversores CA-CC
Semicondutores de Potência
(diodos e tiristores)
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina
Departamento Acadêmico de Eletrônica
Eletrônica de Potência
Florianópolis, agosto de 2011.
Prof. Clóvis Antônio Petry.
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Parte 1 – Introdução aos conversores CA-CC
fv
fv
t
0
outV
t
outV
0
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Bibliografia para esta parte aula
Capítulo 5: Retificadores monofásicos não-controlados
1. Introdução.
www.florianopolis.ifsc.edu.br/petry
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Conversores CA-CC:
1. Características gerais e aplicações.
Nesta parte da aula
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Revisão sobre fontes
Uma fonte de tensão ideal fornece na sua saída uma tensão que independe
da carga, ou seja, da corrente solicitada da fonte.
12 V
RL12 V
RL
Rs
Fonte de tensão ideal Fonte de tensão real
Fonte de tensão:
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Fonte de corrente:
Uma fonte de corrente ideal fornece na sua saída uma corrente que
independe da tensão nos seus terminais e da carga na saída da mesma.
Fonte de corrente ideal Fonte de corrente real
5 A
RL
5 A
RL
Rs
Revisão sobre fontes
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Lembrando que:
O que é permitido:
Revisão sobre fontes
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O que é não é permitido:
Revisão sobre fontes
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Revisão sobre fator de potência
Potência média a partir da potência aparente:
P V I cos
S V I
watts, WP S cos
Fator de potência:
P
FP cosS
0 1P
FP cosS
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Potência média:
2
2mIwatts, W
2
mV VP V I I R
R
Energia num resistor:
RW P t
1 joules, JRW V I T
1
joules, JR
V IW
f
Revisão sobre fator de potência
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Potência reativa:
volt-ampère reativo, VArQ V I sen
S V I
volt-ampère reativo, VArQ S sen
Considerando que (apenas para indutores puros):
90o
volt-ampère reativo, VArLQ S
2
L LQ I X
2
L
L
VQ
X
Revisão sobre fator de potência
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Fator de potência:
P
FP cosS
0
90 0P
FP cosS S
Revisão sobre fator de potência
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Potência reativa:
volt-ampère reativo, VArQ V I sen
S V I
volt-ampère reativo, VArQ S sen
Considerando que (apenas para capacitores puros):
90o
volt-ampère reativo, VArCQ S
2
C CQ I X
2
C
C
VQ
X
Revisão sobre fator de potência
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Fator de potência:
P
FP cosS
0
90 0P
FP cosS S
Revisão sobre fator de potência
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Revisão sobre fator de potência
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Divisão da eletrônica de potência
1E 1 1v ,f
2E 2 2v ,f
ConversorCC-CC
Retificador
Inversor
Conversorindireto de
tensão
Conversorindireto defreqüência
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Conversores CA-CC
Conversores CA-CC:
• Denominados de retificadores: convertem a tensão
alternada da rede de energia elétrica em uma tensão
contínua;
• Podem ser monofásicos, trifásicos ou n-fásicos;
• Unidirecionais ou bidirecionais;
• Controlados ou não-controlados;
• Com ou sem correção de fator de potência;
• Podem ser isolados ou não-isolados;
• Um pulso ou múltiplos pulsos.
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Conversores CA-CC – Princípio geral
fv
fv
t
0
outV
t
outV
0
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Conversores CA-CC – Número de fases
Monofásico
Trifásico
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Conversores CA-CC – Direcionalidade
Bidirecional
1S
iv
ov
2S
3S
4S
5S
6S
7S
8S
oL
oC
1T
a b
dsv
Loi
oi
rv
Re tificador
Inversor
Unidirecional
Energia
Energia
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Conversores CA-CC – Controle
Não-controlado
Controlado
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Conversores CA-CC – Fator de potência
Sem correção
Com correção
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Conversores CA-CC – Isolamento
Não-isolado
Isolado
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Conversores CA-CC – Número de pulsos
2 pulsos
12 pulsos
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Aplicações dos retificadores
Algumas aplicações:
• Processos eletroquímicos, tais como: anodização, produção
de gases, refinamento de metais, eletrodeposição, etc.;
• Soldagem elétrica;
• Acionamentos a velocidade ajustável;
• Sistemas HVDC;
• Fontes de uso geral e ininterruptas;
• Interfaceamento de sistemas de energia alternativa com a
rede de energia elétrica;
• Reatores eletrônicos e todos os outros circuitos que utilizam
processamento indireto de energia.
Retificador Inversorriv
,dp rv d v
oL
oC
riv rv dpv
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Parte 2 – Semicondutores de potência (diodos)
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Bibliografia para esta parte da aula
Capítulo 2: Diodos de potência
1. Semicondutores aplicados aos conversores CA-CC (diodos).
http://www.dee.feis.unesp.br/gradua/elepot/principal.html
http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/
www.florianopolis.ifsc.edu.br/petry
Page 28
Nesta aula
Semicondutores aplicados a conversores CA-CC (diodos):
1. Introdução;
2. Características dos componentes ideais;
3. Características dos componentes reais;
4. Perdas no diodo;
5. Diodos comerciais.
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Quadrantes de condução de semicondutores
http://www.dee.feis.unesp.br/gradua/elepot/principal.html
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Semicondutores para eletrônica de potência
Semicondutores utilizados em eletrônica de potência:
Page 31
Semicondutores para eletrônica de potência
Page 32
Semicondutores para eletrônica de potência
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Diodo ideal e real
Exemplo: Diodo SKN20/08
• VRRM = 800 V;
• V(TO) = 0,85 V;
• rT = 11 mΩ;
• IDmed = 20 A;
• IR = 0,15 mA.
Característica estática
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Diodo ideal e real
Demo
Demo:
• Curva de diodos:
• Diodo zener;
• Diodo de sinal;
• Diodo de potência.
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Comutação – Características dinâmicas
Primeira etapa de comutação Segunda etapa de comutação
Circuito para estudo da comutação
Bloqueio
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Bloqueio
Comutação – Características dinâmicas
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Diodos de carbeto de sílicio (silicon carbide): Diminuem acentuadamente o fenômeno da recuperação reversa.
http://www.infineon.com
http://www.cree.com
Comutação – Características dinâmicas
Page 38
http://powerelec.ece.utk.edu/pubs/pels_letters_SiC_june_2003.pdf
Comutação – Características dinâmicas
Page 39
http://www.cree.com/Products/pdf/Power_Article_1.pdf
Comutação – Características dinâmicas
Page 40
Perdas nos diodos
Classificação das perdas:
1. Condução;
2. Comutação:
• Entrada em condução;
• Bloqueio.
2
( )TO Dmed T DefP V I r I
Simulação
Simulação
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Características importantes
Principais características:
1. Tensão de pico reversa;
2. Queda de tensão direta;
3. Corrente de pico;
4. Corrente média;
5. Corrente eficaz;
6. Tempo de recuperação reversa.
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Características de diodos comerciais
Tipos de diodos de potência:
1. Standard and fast recovery;
2. Ultrafast rectifiers;
3. Ultrasoft rectifers;
4. Silicon carbide (zero recovery).
http://www.onsemi.com
Page 43
http://www.onsemi.com
Características de diodos comerciais
Page 44
http://www.onsemi.com
Características de diodos comerciais
Page 45
http://www.onsemi.com
Características de diodos comerciais
Page 46
http://www.cree.com
Características de diodos comerciais
Page 47
http://www.semikron.com
Características de diodos comerciais
Page 48
http://www.semikron.com
Características de diodos comerciais
Page 49
Teste de diodos
Demo
Demo:
• Teste de diodos com multímetro.
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Parte 3 – Semicondutores de potência (tiristores)
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Bibliografia para esta parte da aula
Capítulo 4: Dispositivos tiristores
1. Semicondutores aplicados aos conversores CA-CC
(tiristores).
http://www.dee.feis.unesp.br/gradua/elepot/principal.html
http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/
www.florianopolis.ifsc.edu.br/petry
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Nesta parte da aula
Semicondutores aplicados a conversores CA-CC (tiristores):
1. Introdução;
2. Características dos componentes ideais;
3. Características dos componentes reais;
4. Perdas no tiristor;
5. Tiristores comerciais.
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Tiristor ideal e real
Característica estática
Curvas 1 e 2 – sem corrente de gatilho
Curvas 1 e 3 – com corrente de gatilho
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Funcionamento do tiristor
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Estrutura interna e analogia com BJT
Funcionamento do tiristor
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Curva característica V x I
Funcionamento do tiristor
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Circuitos para auxiliar na proteção de tiristores e
evitar disparos intempestivos
Funcionamento do tiristor
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Curva característica de tiristores
Demo
Demo:
• Curva de tiristores:
• Sem corrente de gatilho;
• Com corrente de gatilho.
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Comutação – Características dinâmicas
Disparo
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Disparo
• ton – tempo de fechamento;
• td – tempo de retardo;
• tr – tempo de descida da tensão anodo-catodo.
on d rt t t
Influência da corrente de gatilho no tempo de retardo
Comutação – Características dinâmicas
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Bloqueio
• tq – tempo de aplicação da tensão reversa para bloquear o tiristor;
• Para tiristores rápidos é da ordem de 10 μs à 200 μs.
Comutação – Características dinâmicas
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Perdas nos tiristores
Classificação das perdas:
1. Condução;
2. Comutação:
• Entrada em condução;
• Bloqueio.
2
( )TO Tmed T TefP V I r I
Simulação
Simulação
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Características importantes
Principais características:
1. Tensão de pico reversa;
2. Queda de tensão direta;
3. Corrente de pico;
4. Corrente média;
5. Corrente eficaz;
6. Tempo de recuperação reversa.
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Características de tiristores comerciais
Tipos de tiristores de potência:
1. SCR;
2. Triac;
3. Sidac;
4. Para proteção, etc.
http://www.onsemi.com
Page 65
Características de tiristores comerciais
Page 66
Características de tiristores comerciais
Page 67
http://www.semikron.com
Características de tiristores comerciais
Page 68
http://www.semikron.com
Características de tiristores comerciais
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Características de tiristores comerciais
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Acionamento de tiristores
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Acionamento de tiristores
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Acionamento de tiristores
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Acionamento de tiristores
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Acionamento de tiristores
Page 75
Acionamento de tiristores
Page 76
Acionamento de tiristores
Page 77
Acionamento de tiristores
Page 78
Teste de tiristores
Demo
Demo:
• Teste de tiristores com multímetro.
Page 79
Próxima aula
Conversores CA-CC:
• Dimensionamento e especificação de semicondutores.
www.florianopolis.ifsc.edu.br/petry