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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, outubro de 2012.

Prof. Clóvis Antônio Petry.

Parte 1 – Introdução aos conversores CA-CC

fv

+

−

fv

t

+0−

outV+

−

t

outV+0−

+−

Bibliografia para esta parte aula

Capítulo 5: Retificadores monofásicos não-controlados 1.  Introdução.

www.ProfessorPetry.com.br

Conversores CA-CC: 1.  Revisão de alguns conceitos importantes; 2.  Características gerais e aplicações; 3.  Semicondutores aplicados a conversores CA-CC.

Nesta parte da aula

Uma fonte de tensão ideal fornece na sua saída uma tensão que independe da carga, ou seja, da corrente solicitada da fonte.

12 VRL

12 VRL

RsFonte de tensão ideal

Fonte de tensão real

Fonte de tensão:

Parte 1 – Introdução a CA-CC

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 ARL

5 ARL

Rs

Revisão sobre fontes

Lembrando que:

O que é permitido:


✔

O que é não é permitido:


Revisão sobre fator de potência

Potência média a partir da potência aparente:

( )P V I cos θ= ⋅ ⋅

S V I= ⋅

( ) ( )watts, WP S cos θ= ⋅

Fator de potência:

( ) PFP cosS

θ= =

( )0 1PFP cosS

= = =

Potência média:

( )2

2mI watts, W2

mV VP V I I RR

⋅= ⋅ = = ⋅ =

Energia num resistor:

RW P t= ⋅

( )1 joules, JRW V I T= ⋅ ⋅

( )1

joules, JRV IWf⋅=

Resistores


Potência reativa:

( ) ( )volt-ampère reativo, VArQ V I sen θ= ⋅ ⋅

S V I= ⋅

( ) ( )volt-ampère reativo, VArQ S sen θ= ⋅

Considerando que (apenas para indutores puros):

90oθ =

( )volt-ampère reativo, VArLQ S=

2L LQ I X= ⋅

2

LL

VQX

=

Indutores


Fator de potência:

( ) PFP cosS

θ= =

( ) 090 0PFP cosS S

= = = =

Indutores


Potência reativa:

( ) ( )volt-ampère reativo, VArQ V I sen θ= ⋅ ⋅

S V I= ⋅

( ) ( )volt-ampère reativo, VArQ S sen θ= ⋅

Considerando que (apenas para capacitores puros):

90oθ = −

( )volt-ampère reativo, VArCQ S= −

2C CQ I X= ⋅

2

CC

VQX

=

Capacitores


Fator de potência:

( ) PFP cosS

θ= =

( ) 090 0PFP cosS S

= − = = =

Capacitores




www.demonstrations.wolfram.com

Divisão da eletrônica de potência

1E ( )1 1v ,f

2E ( )2 2v ,f

ConversorCC-CC

Retificador

Inversor

Conversorindireto de

tensão

Conversorindireto defreqüência

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.

Conversores CA-CC – Princípio geral

fv

+

−

fv

t

+0−

outV+

−

t

outV+0−

+−

Conversores CA-CC – Número de fases

Monofásico

Trifásico

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

Conversores CA-CC – Controle

Não-controlado

Controlado

Conversores CA-CC – Fator de potência

Sem correção

Com correção

Conversores CA-CC – Isolamento

Não-isolado

Isolado

Conversores CA-CC – Número de pulsos

2 pulsos

12 pulsos

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

Parte 2 – Semicondutores de potência (diodos)

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/


Quadrantes de condução de semicondutores


Semicondutores para eletrônica de potência

Semicondutores utilizados em eletrônica de potência:

Semicondutores para eletrônica de potência

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

Diodo ideal e real

Demo

Demo: •  Curva de diodos:

•  Diodo zener; •  Diodo de sinal; •  Diodo de potência.

Comutação – Características dinâmicas

Primeira etapa de comutação Segunda etapa de comutação

Circuito para estudo da comutação

Bloqueio

Bloqueio


Diodos de carbeto de sílicio (silicon carbide): Diminuem acentuadamente o fenômeno da recuperação reversa.

http://www.infineon.com

http://www.cree.com


http://powerelec.ece.utk.edu/pubs/pels_letters_SiC_june_2003.pdf


http://www.cree.com/Products/pdf/Power_Article_1.pdf


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

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.

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







http://www.cree.com


Teste de diodos

Demo

Demo: •  Teste de diodos com multímetro.

Parte 3 – Semicondutores de potência (tiristores)

Parte 3 – Semicondutores de potência (tiristores)

www.demonstrations.wolfram.com

Bibliografia para esta parte da aula

Capítulo 4: Dispositivos tiristores 1.  Semicondutores aplicados aos conversores CA-CC

(tiristores).


http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/

www.florianopolis.ifsc.edu.br/petry

Tiristor ideal e real

Característica estática

Curvas 1 e 2 – sem corrente de gatilho Curvas 1 e 3 – com corrente de gatilho

Funcionamento do tiristor

Estrutura interna e analogia com BJT


Curva característica V x I


Circuitos para auxiliar na proteção de tiristores e evitar disparos intempestivos


Curva característica de tiristores

Demo

Demo: •  Curva de tiristores:

•  Sem corrente de gatilho; •  Com corrente de gatilho.


Disparo

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


Bloqueio

•  tq – tempo de aplicação da tensão reversa para bloquear o tiristor; •  Para tiristores rápidos é da ordem de 10 µs à 200 µs.


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

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.

Características de tiristores comerciais

Tipos de tiristores de potência: 1.  SCR; 2.  Triac; 3.  Sidac; 4.  Para proteção, etc.




http://www.semikron.com


http://www.semikron.com


Acionamento de tiristores



Teste de tiristores

Demo

Demo: •  Teste de tiristores com multímetro.

Próxima aula

Conversores CA-CC: •  Dimensionamento e especificação de semicondutores.


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