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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
EPO – Eletrônica de Potência
COMPONENTES SEMICONDUTORES EM ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
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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
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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
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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
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INTRODUÇÃO
Aplicações:
Controle de motores
Fontes de alimentação (telecomunicações, computadores)
No-breaks, UPS
Energia fotovoltaica, eólica, fontes alternativas
Condicionadores de energia
...
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cc-cc ca-ca
Retificador
Inversor
cc-cc
Indireta
ca-ca
Indireta
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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)
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DIODOS – Característica estática real
Em condução (diretamente polarizado), possui
baixa queda de tensão.
Bloqueado (inversamente polarizado), circula
somente corrente de fuga, até atingir
VRRM.
Modelo durante condução
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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)
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DIODOS – Idealizações
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)
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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: Williams, 2006
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DIODOS – Classificação quanto a velocidade
Convencionais: comumente utilizados em retificadores, frequências de
comutação típicas: 16.66Hz, 50 Hz, 60 Hz. Tempo de recuperação reversa
não especificado, trr: 400ns em 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 em 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 em 60 A, 45V
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DIODOS – Perdas
Perdas podem ser separadas em:
Perdas de condução
Perdas de comutação
◦ Bloqueio
◦ Entrada em condução
Perdas de condução
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑉𝑇0 ⋅ 𝐼𝐴𝑉𝐺 + 𝐼𝑅𝑀𝑆2 ⋅ 𝑟𝑇
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DIODOS – Perdas
𝑃𝑜𝑓𝑓 = 𝑄𝑟𝑟 ⋅ 𝐸 ⋅ 𝑓𝑠 𝑃𝑜𝑓𝑓 =1
2𝑉𝑅𝑅𝑀 ⋅ 𝑖𝑅𝑅𝑀 ⋅ 𝑡𝑟𝑖 ⋅ 𝑓𝑠
𝑃𝑐𝑜𝑚 = 𝑃𝑜𝑛 + 𝑃𝑜𝑓𝑓
Bloqueio (idealizado):
Perdas de comutação:
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DIODOS – Perdas
Perdas de comutação
𝑃𝑜𝑛 =1
2𝑉𝐹𝑃 − 𝑉𝐹 ⋅ 𝐼𝑜 ⋅ 𝑡𝑟𝑓 ⋅ 𝑓𝑠
Entrada em condução
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DIODOS – Perdas
Perdas totais
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)
𝑃𝑡𝑜𝑡 = 𝑃𝑐𝑜𝑚 + 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑
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DIODOS – Exercício
Retificador meia onda, a 60 Hz (220 RMS, R=10 Ohms)
𝑖𝐷𝑚𝑒𝑑 = 10𝐴
𝑖𝐷𝑒𝑓 = 15,5𝐴
Diodo SKN20/04
𝑉𝑇0 = 0,85𝑉
𝑟𝑇 = 11𝑚Ω
Calcule a potência dissipada no diodo, considerando-se as perdas de maior relevância (condução).
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TIRISTORES – Característica estática real
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TIRISTORES – Característica estática real
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TIRISTORES – Idealização da característica estática
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TIRISTORES – Características dinâmicas
Bloqueio
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TIRISTORES – Características dinâmicas
tq: mínimo intervalo de tempo em que a tensão deva ser mantida reversa sobre o tiristor garantindo assim o bloqueio
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TIRISTORES – Datasheet (folha de dados)
Fonte: Prof. Leandro Michels - UFSM
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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
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TIRISTORES – Perdas
Perdas podem ser separadas em:
Perdas de condução
Perdas de comutação
◦ Bloqueio
◦ Entrada em condução
Perdas de condução
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑉𝑇0 ⋅ 𝐼𝐴𝑉𝐺 + 𝐼𝑅𝑀𝑆2 ⋅ 𝑟𝑇
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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.
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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.
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Cálculo térmico
Exemplos de encapsulamentos
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Cálculo térmico
Modelo para regime permanente
Fonte: Heldwein, 2009
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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.
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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. 𝑇𝑎 = 40𝑜𝐶𝑅𝑡ℎ𝑑𝑎 = 80 Τ𝐶 𝑊
𝑅𝑡ℎ𝑗𝑐 = 20 Τ𝐶 𝑊
𝑅𝑡ℎ𝑐𝑑 = 10 Τ𝐶 𝑊
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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.
Componente 1 Componente 2
𝑃1 = 10𝑊
𝑅𝑡ℎ𝑗𝑐 = 10𝐶
𝑅𝑡ℎ𝑐𝑑 = 0,50𝐶
𝑇𝑗𝑚𝑎𝑥 = 1500𝐶
𝑃2 = 14𝑊
𝑅𝑡ℎ𝑗𝑐 = 1,50𝐶
𝑅𝑡ℎ𝑐𝑑 = 0,50𝐶
𝑇𝑗𝑚𝑎𝑥 = 1250𝐶
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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.