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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

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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

● ...

Retificador

Inversor

ConversorCC-CC

Conversor diretode freqüência

(v2, f2)E2

Conversorindireto

de tensão

Conversorindireto defreqüência

Fonte:Rech

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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.

-

CF

vF+

A

i

iF

vFV(TO)

VRRM IR

1rT

FiA

V(TO)+

CrT

-vF

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

-

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)

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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: Williams2006

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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

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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

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DIODOS – Perdas

Perdas de comutação:

Poff=Qrr⋅E⋅f

Poff=12V RRM⋅iRRM⋅t ri⋅f s

Pcom=PonPoff

Bloqueio (idealizado):

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DIODOS – Perdas

Perdas de comutação – entrada em condução

Pon=12V FP−V F ⋅I o⋅t rf⋅f s

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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)

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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).

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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

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Tiristores – característica estática real

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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

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Tiristores – características dinâmicas

A

C G

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Tiristores – características dinâmicas

Bloqueio

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:Michels

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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

FiA

V(TO)+

CrT

-vF

Perdas de condução

Pcond=V T0⋅I AVGI RMS2⋅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

P

R jc Rcd Rda

TaTdTcTj

Tj

Tc

Td

Ta

Junção (semicondutor)

Case (Encapsulamento)

Dissipador (Alumínio/Cobre/Água/etc)

AmbienteFonte: Heldwein2009

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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.

P

R jc Rcd Rda

TaTdTcTj

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

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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.

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

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

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