PEA-2487 Eletrnica de Potncia INOTAS DE AULAProf. Wilson Komatsu1Loureno Matakas JuniorProf . Walter KaiserVerso 0.99 - 1 semestre/2010OBJETIVOS DA DISCIPLINA:Introduo aos conceitos de Eletrnica de Potncia, com nfase aos conversores comutados pela rede de corrente alternada (CA).O aluno dever aprender os princpios da converso de CA para corrente contnua (CC) e conversoCC/CAutilizandochaves eletrnicas comutadas pelaredeCA, incluindoaanlise, projeto e aplicaes das topologias mais usadas, a influncia na rede CA e suas solues.CONTEDO: Dispositivos semicondutores aplicados eletrnica de potncia; Circuitos de retificadores no controlados e controlados; Modelamento de circuitos, caractersticas externas, formas de onda, efeitos da comutao, equaes e influncia no sistema de CA; operao nos quatro quadrantes; limites de funcionamento e protees; Dimensionamento de transformadores e indutores de filtro; Aplicaes: Sistemas de transmisso de energia em corrente contnua (HVDC), conversores para excitao esttica, compensao esttica de reativos e reguladores de tenso CA.BIBLIOGRAFIA (lista bsica): Notas de aula; N. Mohan, T. Undeland, W.P. Robbins. Power Electronics: Converters, Applications and Design. John Wiley & Sons, 1995 (2nd edition); M.H. Rashid. Power Electronics: Circuits, Devices and Applications. Prentice-Hall. 1993 (2nd edition). Obs.: existe uma traduo para o portugus, da Makron Books; B.M. Bird, K.G.King, D.A.G. Pedder: An Introduction to Power Electronics,John Wiley and Sons, 1993 (2nd edition); T.H. Barton: Rectifiers, Cycloconverters and AC Controllers. Clarendon Press, 1994.CRITRIO DE AVALIAO:Critrio de aprovao: M=0,9 P1+P2)2+0,1ASendo:P1 e P2: notas de provas de teoria;A: nota de listas de exerccios.Recuperao: Critrio de aprovao:MF= M+R)2Sendo:MF: mdia final;M: mdia obtida pelo aluno na primeira avaliao;R: nota obtida pelo aluno na prova de recuperao.1 Baseado em notas de aula dos Profs. Waldir P, Walter Kaiser, Loureno Matakas Jr. e Wilson KomatsuPEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.1PROGRAMA DO CURSO (tentativa):1. Modelos e circuitos e configuraes bsicas de conversores2. Dispositivos eletrnicos para controle de potncia3. Retificadores polifsicos no-controlados4. Retificadores polifsicos controlados5. Aplicaes de eletrnica de potnciaINTRODUO: DEFINIO DE CONVERSORES ESTTICOSConversor Estticoumaunidadeoperacional constitudadesemicondutores (vlvulas eletrnicas) e sistemas de controle auxiliar, utilizada para alterar uma ou mais caractersticas de um sistema eltrico de potncia. Pode-se alterar: nveis de tenso e corrente, freqncia e o nmero de fases. Ofluxodepotnciaatravs dos conversores estticos podeser reversvel, podendoas entradas e sadas trocar de funo.Fig. I.1: Nomenclatura dos processos de converso esttica de energia eltrica.Alguns exemplos de conversores estticos so:CA / CC / CA (ex: retificador comutado pela rede)CA / CA direto (ex: controlador de potncia CA (dimmer))CC / CC direto (ex: chopper)CC / CC com elo CA (ex: fonte de alimentao chaveada)CA / CA direto (Ex: ciclo-conversor) CA / CA com elo CC (ex: inversor PWM)Fig. I.2: Exemplos de conversores de energia eltrica CA / CC / CA.Um diagrama de blocos de uma estrutura bsica do conversor comutado pela rede pode ser ilustrado como na figura I.3:Fig. I.3: Diagrama de blocos de uma estrutura bsica de conversor comutado pela rede.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.21. MODELOS DE CIRCUITOS1.1. Generalidades- Componentes fsicos do conversor so descritos por modelos matemticos;- Quanto mais simples o modelo:- Mais fcil o clculo do circuito;- Descrio mais pobre do seu funcionamento.- Escolhadomodelo: Conciliaoentresimplicidadedeclculo(modelosimples) edescrio adequada do funcionamento (modelo complexo).- MODELOS:Ideal: - Simula situaes idealizadas;(simples) - Fornece idia qualitativa de funcionamento;- Permite dimensionamento eltrico aproximado dos componentes para operao em regime permanente.Idealizado: - Anlise de transitrios;(+ complexo) - Estudo de fenmenos secundrios que podem impor restries de projeto;- Avaliao de eficincia (incluso de perdas);- Compatibilidade (fsica).Por mais simples que seja o modelo, ele deve apresentar compatibilidade fsica interna.E1 = VE2 = VMas se E1 E2 ?Soluo: E1 R1I1 = VE2 R2I2 = VFig.1.1: Compatibilizao fsicada associaoem paralelo de duasfontes de tenso atravsde resistncias em srie.I1 = II2 = IMas se I1 I2 ?Soluo: I1 G1V1 = II2 G2V2 = IFig. 1.2: Compatibilizaofsicadaassociaoemsriededuasfontesdecorrenteatravsde resistncias em paralelo.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.3Fig. 1.3: Compatibilizao fsica de duas fontes de tenso com formas de onda distintas atravs de uma impedncia Z. Nos exemplos das figuras 1.1, 1.2 e 1.3, a simples associao dos modelos ideais, a corrente ou tenso necessria para compatibilidade seriam infinitas, o que no fisicamente possvel. Em todososcasosacima, necessriaainclusodeumelementoresistivo(resistnciainternada bateria) ou reativo (indutor de filtro ou impedncia do transformador) de maneira conveniente na associao.- SOLUO DE CIRCUITOS EM ELETRNICA DE POTNCIA:Como os circuitos de Eletrnica de Potncia usam componentes NO lineares (diodos etc.), o circuito a ser resolvido no-linear. A soluo para resoluo fragmentar o circuito original em uma sucesso temporal de circuitos parciais lineares, e resolver cada trecho parcial linear aplicando-se como condies iniciais as condies finais do trecho anterior.Por exemplo, ofuncionamentodeumcircuitoretificador podeser descritocomouma sucesso de transitrios (em que cada transitrio tem condies iniciais iguais s condies finais do transitrio anterior). importante ressaltar que nesta situao, o REGIME PERMANENTE2 deve ser definido com uma repetio peridica da sucesso de transitrios, e deve-se enfatizar a natureza peridica do regime permanente (ou seja, em regime permanente possvel se ter um perodo constante aonde as condies finais do perodo anterior sero iguais aos iniciais do perodo seguinte). Vrias caractersticas eltricas interessantes ocorrememcircuitos emregime permanente, e sero abordadas posteriormente.1.2. Modelos de componentes ideaisA) GERADOR (ou rede de alimentao)Circuitos retificadores de interesse industrial geralmente so alimentados por redes trifsicas. Para generalizar, pode-se descrever um gerador n-fsico.2 No se deve confundir aqui REGIME PERMANENTE com regime permanente senoidal (rps), pois as formas de onda das tenses e correntes envolvidas provavelmente no sero senoidais.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.4A.1 Modelo ideal:- n geradores;- f.e.m. puramente senoidal;- tenses de mesma amplitude e freqncia;- defasagem de 2/n entre geradores.Nestecasodef.e.m. pura, semimpednciainterna, atenso terminal independedacorrente. Nocasodecurto-circuito, a corrente tende ao infinito.Fig. 1.4: Modelo ideal de gerador n-fsico.A.2 Modelo idealizado (simplificado):- Zrede fornecido pela concessionria. Geralmente utiliza-se somente a parte reativa, pois a parte resistiva temvalor comparativamente desprezvel.- Zrede obtido do gerador de Thvenin equivalente da barra: - determina-se a tenso na barra, obtendo-se a tenso em vazio E do gerador; - A impedncia na barra (Zrede) calculada com todos os geradores de tenso em aberto e os de corrente em curto.Fig. 1.5: Modelo idealizado de gerador com impedncia interna. G G Fig. 1.6: Diagrama unifilar de um sistema de potncia (do qual se obtm o modelo da figura 1.5).A figura 1.7 exemplifica a obteno de tenso e impedncia equivalentes vistas pela carga.Fig. 1.7: Exemplo de obteno de tenso e impedncia equivalentes vistas pela carga.Nestecaso, atensoterminal darededependedacorrenteabsorvidapelacarga. Essa dependncia complicada se a corrente de carga for no-senoidal, como no caso de retificadores.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.5Carga Carga ER1R2R1//R2E*R2(R1+R2)Fig. 1.8: Corrente no-senoidal drenada por carga com diodo.O circuito da figura 1.8 pode ser equacionado por:v=Esinot )Rgi (1.1)i=ER g+Rsinot ) sin ot >0(1.2)i=0 sin ot 0 (1.3)v=ERR+Rgsinot ) sinot )>0(1.4)v=Esinot ) sin ot )0 (1.5)B) TRANSFORMADORO modelamento do transformador um exemplo da importncia do pleno entendimento das limitaes e potencialidades de um dado modelo, seja ele ideal ou idealizado.Paraseilustraroproblema, umcircuitosimplesusandotransformadorapresentadona figura 1.9. Qual a forma de onda da corrente i1 presente no primrio do transformador?Fig. 1.9: Esquema eltrico de um retificador monofsico de um caminho e meia onda com carga resistiva, alimentado por fonte senoidal atravs de um transformador.Docircuitodafigura1.9, qual aformadacorrentedoprimrioesperadai1?Vrias possibilidades so apresentadas na figura 1.10.(a) (b) (c) (d) (e)Fig. 1.10: Possveis formas de onda para a corrente do primrio i1 do circuito da figura 1.9. A linha horizontal no centro das figuras representa o valor de zero ampres.A resposta (a) muito comum, pois encontrada em muitos livros texto de eletrnica de potncia. Se o aluno assumir que o transformador ideal (nada foi dito a respeito no enunciado do problema!)eaplicarasleisdeAmpreeFaraday, obteraresposta(d). Seforconstrudoum PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.6VRRgIEcircuito real e medida a corrente i1, ser obtida a resposta (e).Qual a resposta correta? Depende do modelo que est sendo usado, ou melhor, a resposta depende do modelo do transformador que est sendo usado, com suas limitaes.O problema da modelagem do transformador pode ser abordado com a apresentao inicial dotransformador ideal e oacrscimo de no-idealidades para que omodelo mais completo apresente o mesmo comportamento do transformador medido no mundo real.B.1 TRANSFORMADOR IDEALO transformador ideal,mostrado na figura 1.11a, consiste de duas bobinas magneticamente acopladas com nmero de espiras Np e Ns e apresentando as seguintes caractersticas:a) acoplamento magntico perfeito entre ambos os enrolamentos;b) sem perdas no ncleo nem nos enrolamentos;c) o material magntico do ncleo linear com . vp(t) vs(t) ip(t) is(t) Np Ns (t) vp(t) vs(t) ip(t)is(t) Ns Np (a) Circuito eltrico. (b) Modelo equivalente.Fig. 1.11. Transformador ideal.A relao entre uma tenso primria arbitrria vp(t) e o fluxo no ncleo (t) dada pela lei de Faraday:vp t )=N p ddt(1.6)O fluxo magntico (t) que acopla ambos os enrolamentos dado por: t )=1N pt0tvp ) d + t0)(1.7)Por exemplo, se a tenso do primrio vp(t) senoidal, o fluxo do ncleo senoidal com um valor mdio que depende do instante de ligao t0 como mostra a equao (1.7).Desde que o acoplamento entre enrolamentos perfeito (hiptese a), a tenso do secundrio vs(t) obtida de (1.8):vst )=N sddt=N sNpvp t ) (1.8)Note que (1.8) vale para qualquer forma de onda de tenso no primrio,incluindo tenses contnuas.Se a rea transversal do ncleo for S, a densidade de fluxo magntico resultante B(t) :Bt )=t )S(1.9)Assumindo is(t)nulo,ip(t) obtido aplicando-se a lei de Ampre intensidade de campo magntico H(t) atravs de um caminho de comprimento :ipt )=H t ) . Np(1.10)PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.7E como:H t )=B t )(1.11)e assumindo-se que o material do ncleo linear e sem perdas (hipteses b e c), a curva BxH uma reta que passa pela origem. Quando (hiptese c) a curva BxH se torna uma linha vertical em H=0. Como conseqncia, ip(t) nulo para is(t)=0 e qualquer variao finita no valor de B no afeta este valor nulo de ip(t).Quando uma corrente de carga is(t) flui no enrolamento secundrio, de acordo com a lei de Ampre a fora magnetomotriz total precisa ser nula pois H=0. Com isso, a corrente do primrio pode ser calculada por:ipt )=NsN pis t ) (1.12)Note que (1.12) vlida para qualquer forma de onda de corrente no secundrio, incluindo correntes contnuas.Note ainda que as tenses dadas somente pela lei de Faraday, e as correntes dadas somente pela lei de Ampre, so desacopladas em um transformador ideal.De (1.8) e (1.12) pode se obter:vp t ). ip t )=vs t )is t ) ppt )=ps t )(1.13)mostrando que as potncias instantneas no primrio e no secundrio so iguais, pois este modelo de transformador ideal no armazena nem dissipa energia.Desta forma,o comportamento eltrico de um transformador ideal pode ser representado pelo circuito eltrico da figura 1.11b, e pelas equaes (1.8) e (1.12). Estas equaes no dependem da freqncia ou forma de onda e portanto so vlidas para tenses e correntes contnuas respectivamente.Dentre as respostas da figura 1.10, se o transformador for ideal a resposta correta ser a (d),e neste caso o transformador estar transformando corrente contnua. Um erro muito comum se dizer que umtransformador, mesmo ideal, no permite transformao de corrente contnua. Mostrou-se claramente no equacionamento acima que no existe este impedimento para o transformador ideal. E para o transformador real? Por que a resposta certa a (e)?Um detalhe importante que foi omitido na apresentao das alternativas da figura 1.10, que elas representam a corrente no primrio em regime permanente, ou seja, aps o fim de um regime transitrio de ligao, partindo provavelmente de condies iniciais nulas para tenses e correntes. A obteno da resposta real (e), em regime permanente, deve ser feita sobre o modelo completo do transformador, massomentealgunscomponentesdestemodelosoessenciaisparaexplicareste comportamento. O comportamento para regime permanente que explica completamente a alternativa correta (e) apresentado a seguir.B.2 TRANSFORMADOR REAL (modelo completo)Fig. 1.12: Modelo completo do transformador (com ncleo saturvel) alimentando retificador de meia-onda com carga resistiva.O circuito dafigura 1.12 substituio transformador genricodafigura1.9pelo modelo equivalente completo de transformador. Note-se que o transformador presente no centro PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.8exatamente o transformador ideal modelado no itemanterior, inclusive usando a mesma nomenclaturadetenses(vpevs). Acorrentedosecundrioip(t)destetransformador ideal a prpria corrente i2(t) da carga, e a corrente do primrio ip(t) se divide entre a fonte e(t) (cuja corrente i1(t)) , a resistncia de perdas RP e a indutncia de magnetizao Lmag.A forma de onda da corrente da cargai2(t)corresponde opo (d) da figura 1.10, uma senide retificada em meia-onda com valor mdio no nulo. Como o transformador deste modelo completo ideal, a corrente do primrio ip(t) ter a mesma forma de onda do secundrio is(t) (= i2(t)) inclusive com valor mdio no nulo.IMPORTANTE:Emregime permanenteas tenses mdias sobre indutores (mesmo saturveis) so nulas (e, de modo dual, as correntes mdias sobre capacitores tambm sero nulas).Demonstra-se esta afirmao acima sabendo-se que no regime permanente sempre pode ser encontrado um perodo de tempo fixo (geralmente um mltiplo ou submltiplo do perodo da rede de CA) em que a energia de um bipolo no dissipativo (indutor ou capacitor) no incio deste perodo igual do fim do perodo, ou seja, a variao de energia do bipolo neste perodo nula. Ou seja,em regime permanente tal bipolo no est ganhando ou perdendo energia mdia (calculada neste perodo de tempo fixo) ao longo do tempo.Fig. 1.13: Detalhe do circuito da figura 1.12, aplicando-se a2a lei de Kirchhoff para tenses mdias.A fonte e(t) tem valor mdio de tenso E nulo. Logo, em regime permanente, aplicando-se a 2alei deKirchhoffcomtensesmdiasmalhadocircuitodafigura1.13, atensomdiana resistncia do enrolamento primrio R1deve ser nula, e para tanto a correntei1(t)deve ter valor mdio nulo. Como a corrente ip(t) tem valor mdio no nulo, o valor mdio presente em ip(t) deve necessariamente passar somente pela indutncia de magnetizaoLmag. Com isso Lmagopera com uma curva BxH assimtrica em relao origem, com saturao igualmente assimtrica.Note-se que com a explicao do pargrafo anterior a importncia da resistncia srie R1 para o funcionamento do circuito da figura 1.13 essencial, ao passo que o da da indutncia de disperso L1no, poisR1em regime permanente pode ter tenso mdia no nula e L1no pode. Portanto, neste casoemparticularno se pode desprezar as resistnciassrie dos enrolamentos,levando-se em conta somente as indutncias de disperso, como usualmente feito na modelagem de transformadores.Para ilustrar a magnetizao e saturao assimtricas do ncleo, o circuito da figura 1.12 pode ser simulado numericamente em um programa, no caso o PSIM Demo v 6.0.Fig. 1.14: Circuito da figura 1.12 com valores para simulao no software PSIM Demo v 6.0.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.9Nocircuito para simulao da figura 1.14, a indutncia de magnetizao saturvel modelada com trs trechos de retas em dado quadrante, conforme mostra a figura 1.15. Nesta, a curva BxH modelada por trechos de retas sobreposta curva real obtida experimentalmente.Fig. 1.15: Curvas BxH experimental (em magenta) e modelada por trechos de retas (em verde) para simulao computacional.A simulao resultante, na figura 1.16(a), mostra a trajetria na corrente de magnetizao imag(t) (em verde na figura), bem como as correntes de entrada i1(t) e de carga i2(t). A figura 1.16(b) mostra o resultado experimental, comprovando que mesmo com o modelamento da curva BxH com trechos de retas a simulao apresenta comportamento prximo ao experimental.(a)(b)Fig. 1.16: Corrente de magnetizao imag(t) (verde), corrente de entrada i1(t) (vermelho) e corrente de cargai2(t)(azul),obtidas(a) por simulaocomputacionalusando-se oPSIMDemov 6.0e (b) experimentalmente.Este exemplo apresentado, embora tenha utilidade prtica restrita, demostra claramente que ummodelamento coerente imprescindvel para que o modelo resultante tenha aderncia realidade. No caso, o comportamento a princpio estranho da corrente do primrio do transformador pode ser completamente explicado pela presena da resistncia ohmica do primrio, que desloca a corrente demagnetizaodoprimriopara umvalor mdiononuloe provocaa saturao assimtrica do ncleo do transformador. O modelo validado comparando-se seus resultados com resultados experimentais.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.10C) SEMICONDUTORESOs semicondutores eparticularmenteos semicondutores depotnciasoessenciais aos circuitos de eletrnica de potncia. Os principais tipos sero abordados, inicialmente como componentes ideais, e posteriormente como componentes reais com suas limitaes fsicas.C1) DIODO Sem perdas Tenso direta nula Sem corrente reversa Perdas de conduo e chaveamento Tenso direta (1 a 2,5v) Corrente reversa (mA)(a) Diodo ideal. (b) Diodo real.Fig. 1.17. Diodo. Os terminais a e k so respectivamente o anodo e o catodo do diodo.C2) TIRISTOR (ou SCR Silicon Controlled Rectifier)umdispositivosemelhanteaodiodo, masondepodesecontrolaroinstanteinicial de conduo, atravs de aplicao de corrente ao terminal de gatilho (disparo). O disparo do tiristor somente ocorre se VAK > 0 (o tiristor deve estar diretamente polarizado).Quandoacorrenteprincipal (anodo-catodo)seanulaousetornanegativa, odispositivo bloqueia. Sem perdas Tenso direta nula Sem corrente reversa Perdas de conduo e chaveamento Tenso direta (1 a 2,5v) Corrente reversa (mA)(a) Tiristor ideal. (b) Tiristor real.Fig. 1.18. Tiristor. Os terminais a, g e k so respectivamente o anodo, gatilho e catodo do tiristor.C3) TRANSISTOR (DE POTNCIA)Os transistores de potncia mas comumente empregados em eletrnica de potncia so o MOSFET (canal N) e o IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), que pode ser descrito simplificadamentecomoumhbridoentreumtransistorbipolar(napartedepotncia)comum MOSFET (na parte do gatilho). Transistores bipolares puros no so mais usados em aplicaes de PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.11iViViViVa kiViVa g keletrnica de potncia devido aos seus baixos ganhos (mesmo em configuraes Darlington).BipolarNPN- Dispositivo controlado por corrente;- Quando saturado exibe tenso Vce residual;- Apresenta baixas perdas de conduo;- Vbe decresce com Ic (necessita equalizao em associao paralela de dispositivos).MOSFETCanal N- Dispositivo controlado por tenso;- Quando na regio resistiva, exibe resistncia residual;- Apresenta baixas perdas de chaveamento;- Diodo reverso intrnseco;- Ids cresce com a corrente e a temperatura (no necessita equalizao em associao paralela).IGBT- Dispositivo controlado por tenso;- Quando saturado exibe tenso Vce residual;- Apresenta baixas perdas de conduo;- Diodo reverso externo;- Vbe decresce com Ic (necessita equalizao em associao paralela)(a) Transistor bipolar tipo NPN. (b) Transistor MOSFET canal N. (c) Transistor tipo IGBT.Fig. 1.19. Comparao entre transistores de potncia.D)CARGASAlgumasdascargasmaiscomunsencontradasemconversoresestticossoanalisadasa seguir:D1) CARGA RESISTIVO INDUTIVA COM F.E.M.Fig. 1.20 Carga do tipo Resistivo indutiva com f.e.m.A equao diferencial de malha do circuito da figura 1.20 :vt )=Ri t )+L didt+E (1.14)Em regime peridico (ou permanente) os valores mdios so:V =v=1T0Tvt )dt(1.15a)I =i =1T0Ti t )dt(1.15b)VL=1T0TL didt dt =LT i T )i 0))=0(1.15c)Como j foi dito anteriormente, a equao (1.15c) mostra que a tenso mdia no indutor L em regime permanente igual a zero3. A equao 1.14 pode ser reescrita para valores mdios:V =RI +E (1.16)3 Note em (1.15c) que i T )=i 0) caracterizando o regime permanente.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.12D2) CARGA RESISTIVO INDUTIVA (RL), COM L MUITO ELEVADO (L )EmEletrnicadePotncia teminteresseparticular omodelodecargaemquesefaz L- , poisistoimplicaem iLt )Ipraticamenteconstanteeestahiptesesimplificaa anlisedocircuitoretificador. Como vLt )=L diLdt(1.17), eovalorinstantneodevLt ) finito, para L muito grande tem-se diLdt -0 . Note-se que a tenso instantnea sobre o indutor no nulavLt )=L diLdt 0), j que a indutncia deve suportar a diferena entre a tenso instantneadasadadoretificadoreatensonaresistncia(quedeveserconstante, jqueI constante).Fig. 1.21: Carga tipo RL comL- alimentada com tenso vret(t) da sada de um retificador.O circuito da figura 1.21 mostra uma carga resistiva R em srie com um indutor L de valor elevado, alimentados por uma tenso ondulada vret(t)proveniente de uma fonte trifsica retificada em onda completa. As formas de onda da tenso retificada de entrada (vret), da resistncia (vcarga) e da indutncia (vL) podem ser plotadas manualmente ou com o auxlio de um programa de simulao como o PSIM Demo v 6.0 ou v 7.0. Fig. 1.22: Formas de onda de tenses do circuito da figura 1.21 (tenso retificada de entrada (vret), da resistncia (vcarga) e da indutncia (vL)), obtidas atravs do softwarePSIMDemo v 7.0. Parmetros usados para simulao: Tenso eficaz de linha Vef=1 V, resistncia da carga R=1 , indutncia L=5 H.A corrente de cargaRtemamesma formadeonda da suacorrente,sendopraticamente contnua. Praticamente toda a ondulao da tenso de entrada vret cai sobre a indutncia L. A tenso sobreoindutorvLnonulamastemseuvalormdionuloemregimepermanenteconforme deduzido anteriormente. Por isso quando se consideram apenas valores mdios, sendoL- , indiferente incluir esta indutncia L na carga ou no.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.13D3) CARGA RC COM C OmodelodecargaRCparalelocomcomcapacitnciamuitoalta( C - ) infinita implica que a tenso nos terminais de sada do retificador (vret) independe da corrente (iret).Fig. 1.23: Carga tipo RC paralelo alimentado por retificador.Acorrenteiretdescrita por irett )=icargat )+C dvCdt(1.18). Como C - , ocorredvcdt -0 porque iret e icarga tm valores limitados. Logo, vrett )=vcargat )=Vcarga=constante.Para no haver incompatibilidade fsica, a fonte CA (vrede) deve conter alguma impedncia em srie sobre a qual caia a diferena entre o valor instantneo da tenso senoidal retificada (vrede retificada) e a tenso na carga (Vcarga, com valor constante). Na prtica, esta impedncia a reatncia de disperso e resistncias de transformadores e cabos em srie entre a rede e o retificador.1.3. Princpio de Funcionamento dos ConversoresExemplo 1: Princpio de funcionamento dos conversores comutados pela rede CA.O simples circuito da figura 1.24 demonstra o princpio de funcionamento dos conversores comutados pela linha CA (corrente alternada). No caso dois geradores de tenso arbitrrios v1 e v2 alimentam uma carga genrica. O gerador que tiver a tenso instantnea maior faz conduzir o diodo correspondente e bloqueia o diodo do outro gerador, caindo sobre o diodo bloqueado a diferena instantnea de tenso entre ambos os diodos. Este processo no depende da carga, mas sim dos geradores, razopela qual se diz que a comutao (transferncia de corrente de uma chave eletrnica (diodo, neste caso) para a chave subsequente) realizada pela rede CA.Fig. 1.24: Circuitoexplicativodo princpio de funcionamento dos conversores comutados pela rede CA.Fig. 1.25: Formas de onda docircuito da figura 1.30 (tenses de entrada (v1) e (v2)), obtidas atravs do software PSIMDemo v 7.0. Parmetro usados para simulao: Resistncia da carga R=1 .PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.14Exemplo 2: retificador monofsico de 1 caminho controladoFig. 1.26: Retificador monofsico de um caminho totalmente controlado.A figura 1.26 mostra um retificador monofsico de um caminho totalmente controlado. O transformadormonofsicotemsecundriocomderivao(tap)central emarcasdepolaridade indicadas. H dois tiristores T1 e T2 controlando a conduo em ambos os semiciclos da rede CA. A carga do tipo RL com f.e.m. de valor E. O diodo Dr chamado de diodo de retorno e se destina a prover continuidade de corrente da carga em caso de interrupo da corrente pelo transformador, bem como grampearatenso retificada paravalorespositivos.Drnemsempreest presente no circuito. Algumas hipteses so adotadas: Gerador + Transformador ideal; Tiristores e diodo de retorno ideais sem perdas; Tenso mdia sobre o indutor nula (caracterizando regime permanente); Os tiristores conduzem somente com tenso anodo-catodo maior ou igual a zero (vak0) e aplicao de sinal de disparo em seu gatilho; Continuidade de corrente na carga depende da relao L/R da carga; L limita a ondulao da corrente I; L suficientemente grande, com isso I pequeno em relao ao valor mdio da corrente de carga icarga.As figuras seguintes mostramo comportamento da tenso e corrente de carga deste retificador para diferentes configuraes de R, L, E e , bem como da presena ou no do diodo de retorno Dr. realizada uma discusso sobre o efeito da relao R/L da carga sobre a continuidade de corrente na carga na ausncia do diodo de retorno Dr e da f.e.m. de valor E.A) Retificador com L = 0, E = 0 e = 0 (presena ou no do diodo de retorno Dr indiferente): Neste caso o conversor atua como um retificador de onda completa, e a forma de onda de corrente de carga idntica da tenso devido carga puramente resistiva.Fig. 1.27: Formas de onda do circuito da figura 1.32 (tenso de carga (vcarga) e corrente de carga (icarga)), obtidas atravs do software PSIM Demo v 7.0. Parmetros usados para simulao: Tenso de rede eficaz Vrede=1 V, resistncia da carga R=0,5 , indutncia L=0 H, f.e.m. E=0 V,o=0o, sem diodo de retorno Dr.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.15B) Retificador com L = 0, E = 0 e > 0 (presena ou no do diodo de retorno Dr indiferente): Neste caso oconversoratua como um retificadorde ondacompleta controlado,e aformade onda de corrente de carga idntica da tenso devido carga puramente resistiva.Fig.1.28: Formas deondadocircuitoda figura1.32(tenso de carga (vcarga),corrente decarga (icarga), correntes nos tiristoresT1(iT1) e T2(iT2)), obtidas atravs do software PSIM Demo v 7.0. Parmetros usados para simulao: Tenso de rede eficaz Vrede=1 V, resistncia da carga R=0,5 , indutncia L=0 H, f.e.m. E=0 V,o=45o, sem diodo de retorno Dr.Neste caso a tenso mdia de carga pode ser calculada como: vcarga=onVpicosin 0d 0=|cos 0non=1n1+coso) (1.19)C1)Retificadorcom L0,E=0,0< 0eicarga>0. O conversor est operando no modo de retificador; Paran/ 2on , o fluxo de potncia est no sentido da carga para a fonte. Neste caso a tenso mdia na carga negativa vcarga0 mas a corrente mdia da carga continua positivaicarga>0. Nesta situao deve haver uma fonte de energia no lado da carga (lado CC) que possa manter o fluxo de potncia cargafonte em regime. O conversor est operando no modo de inversor; Para o=n/ 2 , atensomdiadacarganulavcarga=0, acorrentemdianacarga continua positiva icarga>0mas o fluxo mdio de potncia nulo (apesar do fluxo instantneo de energia no ser nulo, seu valor mdio em um perodo da rede CA nulo).PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.19F) ANLISE DA RELAO L/R PARA CONTINUIDADE DE CORRENTE NA CARGAPara o circuito da figura 1.26, no caso particular com somente uma carga RL (ausncia do diodo de retorno Dr e da f.e.m. E) com os tiristores T1 e T2 acionados com um ngulo de atraso (portanto uma tenso senoidal retificada v(t)), a corrente de carga pode sofrer descontinuidade de corrente (a corrente pode se anular em certo trecho) dependendo da relao L/R e do ngulo de atraso . Esta relao pode ser deduzida literalmente:Fig. 1.35: Carga RL alimentada com tenso v(t).A expresso da tenso de malha da figura 1.35 fica:vt )=L didt+Ri t )=V sin ot +o)=V cosot n2+o) (1.21)e comosoluo=soluolivre)+soluo forada ou de regime) (1.22)soluo livre: ilivret )=k1eRLt(1.23)soluo forada:iforadat )=V.o2L2+R2sin ot +o1) onde 1=tg1 oLR(1.24)obtendo-se i t )=k1eRL t+Imaxsin ot +o1) comImax=V.o2L2+R2(1.25)a condio inicial para se ter corrente nula em t=0 ( i 0)=0 ) :i t )=I max| sin ot )+o1)sino1) eRL t(1.26)acondionecessriaparasetercontinuidadedecorrentequenoinstante ot =n setenha i ot )=i n)0 :Imax| sinn+o1)sino1) eRL no0(1.25) ou, sino1)1+eRnL o)0(1.27)logo0o1 - o1 - on1 (1.28)tg on)RoL -tg ooLR- otg1 oLR =1(1.29)Pode-se substituir adequadamente os valores deLe deRem(1.29) para trs casos particulares:F1) Caso 1:para L=0, tem-seo=0 . Este resultado expressa o caso particular em que no h elemento armazenador de energia (no caso o indutor L). Com isso, para se manter continuidade da corrente i(t), como esta acompanha fielmente a tenso v(t), o ngulo de atraso de incio da tenso deve sero=0 (figura 1.36). Qualquero>0 faria com que a corrente fosse nula no intervalo 0ot o (figura 1.37).PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.20Fig. 1.36: Formas de onda do circuito da figura 1.35 (tenso retificada (v) e corrente (i)), obtidas atravs do software PSIM Demo v 7.0. Parmetros usados para simulao: Tenso de pico Vpico=1 V, resistncia da carga R=1 , indutncia L=0 H,o=0 .Fig. 1.37: Formas de onda do circuito da figura 1.35 (tenso retificada (v) e corrente (i)), obtidas atravs do software PSIM Demo v 7.0. Parmetros usados para simulao: Tenso de pico Vpico=1 V, resistncia da carga R=1 , indutncia L=0 H,o=90o.F2) Caso 2: para R=0,o=n/ 2 . Este resultado expressa o caso particular em que h somente L comocarga. Logo, emregimepermanente, acorrentedeveestar atrasadadatensoden2radianos para se estar no limite da continuidade de corrente (ou seja, a corrente de carga atinge o valor nulo somente nos instantes n2+nn , com n inteiro).Fig. 1.38: Formas de onda do circuito da figura 1.35 (tenso retificada (v) e corrente (i)), obtidas atravs do software PSIM Demo v 7.0. Parmetros usados para simulao: Tenso de pico Vpico=1 V, resistncia da carga R=0 , indutncia L=1 H,o=90o. Neste caso se est no limite da continuidade de corrente (a corrente chega a zero a cada 180).PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.21F3) Caso 3: paraL- ,o=n/ 2 , para valores de R finitos. Este caso particular importante uma vez que em diversos circuitos de eletrnica de potncia, retificadores em particular, a carga muitas vezes suposta do tipo RL srie comL- .Fig. 1.39: Formas de onda do circuito da figura 1.35 (tenso retificada de entrada (v) e corrente de entrada(i)), obtidasatravsdosoftwarePSIMDemov7.0. Parmetrosusadosparasimulao: Tenso de pico Vpico=1 V, resistncia da carga R=1 , indutncia L=1 H,o=90o. Neste caso se est no limite da continuidade de corrente (a corrente chega a zero a cada 180).Fig. 1.40: Formas de onda do circuito da figura 1.35 (tenso retificada de entrada (v) e corrente de entrada(i)), obtidasatravsdosoftwarePSIMDemov7.0. Parmetrosusadosparasimulao: Tenso de pico Vpico=1 V, resistncia da carga R=1 , indutncia L=1 H,o=100o. Neste caso no h mais continuidade de corrente (a corrente se anula em certos trechos).Pode-se concluir que para toda a faixa de variao usual de L e de R, tem-se que a faixa de variao de ser0on , e que o ngulo limite para se garantir continuidade de corrente na carga n2.Exemplo 3: Controlador de potncia CA (conversor CA/CA)Fig. 1.41: Controlador de potncia CA.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.22O controlador de potncia CA usado para se alimentar cargas CA a partir de fontes CA. As chaves eletrnicas geralmente usadas so dois tiristores em ligao antiparalela para cargas de maior potncia (da ordem de kW) ou um TRIAC4 para cargas menores (at centenas de W). O controle de potnciaconseguidoatravsdavariaodovaloreficazdatensoaplicadacarga, realizado usualmente por dois mtodos, o controle por ngulo de fase e o controle por ciclos inteiros.A) Controle por ngulo de fase: neste controle o ngulo de disparo dos tiristores variado entre 0on para cada semiciclo. Desta forma a rea efetiva de tenso aplicada carga decresce com o aumento de assim como seu valor mdio.Fig. 1.42: Forma de onda da tenso da carga (vcarga) do circuito da figura 1.41, obtida atravs do software PSIM Demo v 7.0, com controle de potncia por ngulo de fase. Parmetros usados para simulao: Tenso de rede eficaz Vrede=1 V, resistncia da carga R=1 ,o=60o.O valor eficaz da tenso na carga pode ser calculado como:Vcarga =.1non .2V redeeficaz)2sin20d 0=V redeeficaz.2no)+sin2 o2n(1.30)B) Controle por ciclos inteiros (tremde pulsos):neste controle os tiristores sempre so disparados como=0otanto para o semiciclo positivo como para o negativo. Mas a cada N ciclos inteiros da tenso da rede so aplicadosKciclos inteiros carga, comKN . Desta forma o valor eficaz efetivo da tenso aplicada carga varia coma relao de N e K, sendo que esta relao dada por:Vcarga=Vredeeficaz.KN(1.31)Fig. 1.43: Forma de onda da tenso da carga (vcarga) do circuito da figura 1.41, obtida atravs do software PSIM Demo v 7.0, com controle de potncia por ciclos inteiros. Parmetros usados para simulao: Tenso de rede eficaz Vrede=1 V, resistncia da carga R=1 , N=6, K=3.4 TRIAC um tipo de semicondutor de potncia que pode ser modelado como dois tiristores em antiparalelo como na figura 1.41. Suas caractersticas sero explicadas mais adiante.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.231.4 VALORES MDIOS E EFICAZES, FATOR DE POTNCIAA recordao dos conceitos de valores mdios e eficazes, bem como do conceito de fator de potncia (este ltimo sujeitando a enganos mais sutis) essencial para a correta anlise dos circuitos de eletrnica de potncia.1.4.1 Valores mdios e eficazesSeja x(t) peridica com perodo T:Valor mdio: x=X =Xmdio=1T0Txt )dt (1.32)Valor eficaz:Xeficaz=XRMS=.1T0T| xt )2dt(1.33)CASO PRTICO:Fig. 1.44: soma das correntes em um n.Instantneo: i=i1+i2+i3+...+in=k =1nik(1.34)Valor mdio: I =i =k=1nik (1.35)Caso particular: sei1=i2=i3=...=in-Ik=In(1.36)Valor eficaz: Ief2=1ToTk=1nik)2dt(1.37), onde k=1nik)2=k=1nik2+2i jikijik(1.38)Caso particular: ik, ij funes ortogonais: o2nikikd 0=0 para ijik(1.39)Exemplo: sin x e cos x so funes ortogonais: o2nsin pxsin qx d 0=02ncos px cosqx d 0=0 para pq (1.40)02ncos pxsin qx d 0=0 para p , q (1.41)portanto, se ik forem ortogonais,Ief2=k=1nIkef2(1.42)Caso particular: seI1ef=I2ef=I3ef=...=Inef-Ikef=Ief.n(1.43)este ltimo resultado conservativo, ou seja a favor da segurana, pois com os duplos produtos no nulos Ikef seria menor.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.24Exemplos de clculo de valores mdios e eficazes:a) valor constanteFig. 1.45 v=Veficaz=E(1.44)b) onda retangular com ciclo de trabalho (duty-cycle) de 50%Fig. 1.46 v=1T0t /2E dt =1T | ET 0T / 2=E2(1.45)Veficaz=.1T 0T /2E2dt =.E22 = E.2(1.46)c) meia senide com ciclo de trabalho (duty-cycle) de 50%Fig. 1.47 v=1T0t / 2Esin ot dt =12n0nEsin 0d 0==|E2ncos0n0=En(1.47)ondeT=2noe 0=otVeficaz=.12n0n E2sin20d 0)==.E22n|02sin 2040n=E2(1.48)d) onda retangular com ciclo de trabalho (duty-cycle) det/ TFig. 1.48 v=1T0tE dt=tTE (1.49)Veficaz=.1T0tE2d 0=.tTE(1.50)PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.25vEE/2T/2 T 0 3T/2tvEtvE0t T = 2T =2 vET 0e) meia senide com ciclo de trabalho (duty-cycle) det/ Tvt )=Esin2nttFig. 1.49 v=1T0tEsin2ntt dt = tnT0TE sin0d 0=2 E tnT (1.51)Veficaz=. tnT0nE2sin20d 0=. tnT n2 E2=.tTE.2(1.52)f) onda triangularFig. 1.50 v=1T 0T/ 2t ET / 2 dt +1T 0T / 2t ET / 2+2 E)dt==1T|t22ET / 20T / 2+| 2Et T / 2T|eT / 2 t22T / 2T)=E2 (1.53)Veficaz=.1T0T / 2t ET / 2)2dt+t / 2TEtT / 2+2E)2dt= E.3 (1.54)1.4.2 Fator de potnciaDefinio:FP=potncia ativapotncia aparente(1.55)Caso monofsico:FP=PS=1T0Tvt )i t ) dtIefVef=1T0Tpt ) dtIefV ef(1.56)Note nonumerador daexpressodeF.P. (1.56) o uso da definio de potncia ativa P (1.59).Fig. 1.51: Fonte de tenso peridica alimentando uma carga monofsica no linear.Na figura 1.51 a tenso v(t) puramente senoidal mas a corrente i(t) composta por uma corrente fundamental na freqncia dev(t)mais harmnicas mltiplas inteiras, at an-sima harmnica:vt )=V1picosinot ) (1.57)i t )=I1picosin ot +!1)+I2picosin 2ot +!2)+...+Inpicosinnot +!n) (1.58)5E aplicando-se a definio de potncia ativa (1.59) usando-se v(t) de (1.57) e i(t) de (1.58):P=1T0Tvt )i t ) dt =12n02nv0)i 0) d 0 (1.59)5 A sigla do fator de potncia (FP) tambm encontrada como no ingls, PF (power factor).PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.26tvE0t T vET 0 tP=12n02nvt )i t ) d 0=12n02nV1picosinot )I1picosinot +!1) d 0=......=V1picoI1pico2n02nsin ot )|sin !1cosot +sinot cos!1d 0=......=V1picoI1pico2ncos !1|02sin204 02n=V1pico.2I1pico.2cos!1(1.60)Deve ser lembrado que a integral no perodo Tdo produto da tenso v(t)com as correntes harmnicas mltiplas inteiras dei(t) nulo pois a tenso e as correntes harmnicas so funes ortogonais entre si. Reescrevendo-se (1.60):P=V1pico.2I1pico.2cos!1=V1eficazI1eficazcos!1(1.60a)E a potncia aparente na carga :S=V eficazIeficaz=.I1eficaz2+I2eficaz2+...+Ineficaz2V1eficaz(1.61)Aplicando-se a definio de fator de potncia:F.P.=V1eficazI1eficazcos!1.I1eficaz2+I2eficaz2+...+Ineficaz2V1eficaz=I1eficazIeficaz totalcos!1(1.62)De (1.64) verifica-se que: Paracorrentesnosenoidais(mastensespuramentesenoidais)aexpressodofatorde potncia deduzido em (1.62) pode ser divido em:Fator dedistoro=I1eficazIeficaz total(1.63)Fator dedeslocamento=cos!1(1.64) Para correntes (e tenses) puramente senoidais, a expresso do fator de potncia reduz-se aF.P.=cos!1(1.65), que o fator de deslocamento definido em (1.64).Exemplodefatordepotncia em circuitos no-lineares:Seja o retificador demeiaondae a correspondente forma de onda de corrente na carga Rda figura 1.52. De (1.50) obtm-se a tenso eficaz em R.(a) (b)Fig. 1.52: Retificador de meia onda (a) e corrente na carga R (b). E=1V (valor de pico) e R=1.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.27A corrente de carga i(t) pode ser expressa como uma srie infinita:i t )=I pico|1n+12sinot 2ncos 2ot13+cos 4ot35+...cos 2not 2n1) 2n+1))n=1, 2,... (1.66)sendo Ipicoo valor de pico da corrente de carga. Note-se de (1.66) que todas as harmnicas tm defasagem nula em relao corrente fundamental, que tambm est em fase com a tenso.A corrente eficaz de carga Ief foi deduzida na equao (1.48):Ief=E21R=I pico2(1.67)A potncia ativa da carga pode ser calculada de duas maneiras:P=Ief2R= E24 R(1.68)P=V1efI1efcos!1(1.69)mas como V1ef= E.2(1.70),I1ef=I pico2. 2 (1.71) ecos!1=1 , (1.68) e (1.69) ficam idnticas.A potncia aparente na carga :S=V efIef= E.2I pico2 =E2.22R(1.72)Com isso, o fator de potncia fica:F.P.=PS=E24 RE2.22 R=.22 =0,707...1(1.73)O resultado uma carga com fator de potncia menor que a unidade, mas com defasagem entre tenso e fundamental da corrente nula. Neste caso, a soluo convencional para melhorar o fator de potncia, que a adio de capacitor em paralelo com a carga, no aumenta o fator de potncia visto pela fonte CA, pois no h defasagem a ser corrigida, e o fator de potncia reduzido deve-se presena das harmnicas de corrente, que no caso no contribuem na potncia ativa da carga(nesteexemplosacorrentefundamental contribui paraapotnciaativanacarga). Uma possvel soluonestecasoparamelhorar ofator depotnciaseriaainstalaodefiltros de harmnicas, desviando as correntes harmnicas que iriam ao gerador.Fig. 1.53: Insero de filtros de harmnicas (2a e 4a) para melhorar o fator de potncia.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.282. SEMICONDUTORES DE POTNCIA2.1. DiodoO diodo basicamente constitudo por uma juno PN. Existem diversos tipos de diodos adequadosparavriasaplicaes: retificao, tensodereferncia(zener), capacitnciavarivel (varicap ou varactor), dosador de radiao, GUN (transmissor), PIN (receptor).Em aplicaes de potncia, o diodo utilizado basicamente para retificao, sendo por esta razo chamado de DIODO RETIFICADOR.Os diodos retificadores so classificados em: Retificao genrica; Rpidos (ou para chaveamento) Schottky.A seguir a estrutura interna dos diodos de Sinal e de Potncia:2.1.1. Diodo de sinalTabela 2.1: Diodo de sinal diretamente polarizadoPolarizao Diretamente Polarizado (Vac > 0)Caractersticas Juno inundada com portadores: o silcio se torna condutorFigura Ilustrativa(Fig. 2.1) E>0,7 V A K ID VAK Tabela 2.2: Diodo de sinal reversamente polarizadoPolarizao Diodo de sinal inversamente polarizado (Vac < 0)Caractersticas Portadores aspirados pela fonte; Estabelecida distribuio espacial de cargas (de mesma polaridade da fonte) em cada lado da juno resultante da formao de ons dos tomos; Forma-se um capacitor; Suportabilidade de tenso inversa dada pela largura (espessura da camada espacial).Figura Ilustrativa(Fig. 2.2) -------------- +++++++++++ E - + PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.292.1.2. Diodo de PotnciaTabela 2.3: Diodo de potncia diretamente polarizadoPolarizao Diodo de Potncia diretamente polarizado (Vac > 0)Caractersticas Alta corrente juno com rea grande; Regio n* inundada por grande nmero de portadores torna-se condutora, levando introduo de queda hmica.Figura Ilustrativa (Fig. 2.3) E>0,7 V n p n* A K ID n* fracamente dopada VAK Tabela 2.4: Diodo de potncia reversamente polarizadoPolarizao Diodo de Potncia Inversamente polarizado (Vac < 0)Caractersticas Regio n* alta resistncia, aumentando a suportabilidade de tenso (capacitor com distncia entre placas maior)Figura Ilustrativa(Fig. 2.4) E - + +++++++++++ -------------- n p Curvas Caractersticas Dos Diodos de Sinal e Potncia VAK IF IF VAK A K 0,7V 1 V Caracterstica linear Caracterstica exponencial Regio de avalanche Diodo de sinal Diodo de potncia VRRM IR Fig. 2.5: Curvas caractersticas de um diodo de sinal e um de potncia.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.30Operao na regio de avalanche: O aumento da tenso externa negativa e o conseqente aumento do campo eltrico resultante desencadeia um mecanismo em cascata de formao de portadores (avalanche breakdown), tornando a regio condutora (corrente reversa sobe muito); Esse mecanismo destrutivo, pois provoca conduo localizada emcertas reas da superfcie da juno, causando aquecimento localizado emalguns pontos da pastilha, causando a sua destruio.Diodos de Avalanche Controlada: A ruptura ocorre no corpo e no na superfcie (juno mais homognea). Permite conduo de correntes maiores (dentro de certos limites) sem destruio.Limitao da taxa de crescimento da tenso:Se a tenso inversa cresce abruptamente (campo eltrico elevado) gera colises entre portadores na regio de juno gerando corrente reversa elevada, que reduz a resistncia da juno. Anlogo a um capacitor:i=C dvdt(2.1)O fabricante especifica conjunto capacitor + resistor para ser ligado em paralelo para amortecer o (suavizar) dv/dt. Este conjunto RC chamado de amortecedor ou snubber.Nas especificaes dos diodos de potncia (assim como outros semicondutores de potncia) devem ser levadas em conta as grandezas eltricas, trmicas e mecnicas, como visto nos itens a seguir.2.2. GRANDEZAS ELTRICAS2.2.1. Regime ContnuoRegio inversa (bloqueado): Tenso inversa peridica mxima VRRM; Corrente inversa com mxima temperatura de juno (TJuno) IR.Regio direta (conduzindo): Corrente eficaz mxima (50/60 hertz) IFRMS; Corrente mdia (frequncia, forma de onda) IF; Tenso de conduo VF.2.2.2. Regime Pulsado (no repetitivo) Corrente impulsiva mxima IFSM: o valor de pico de uma oscilao, correspondente a um semiciclo de senide (de 50 Hz) que, em regime, provocaria uma elevao da TJunoacima do seu valor mximo, sendo tolerado apenas como operao de emergncia (uma nica vez ou com intervalos de 5 a 10 segundos): TJuno supera limite contnuo, mas no o valor mximo especificado para surto; Deve-se operar sempre abaixo dos limites especificados para surto; Operao prximo do limite s pode ocorrer em nmero limitado de repeties;PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.31 O ciclo de trabalho aps o surto deve ser tal que TJunovolte ao valor tem regime contnuo; Corrente de surto permissvel funo da temperatura da juno antes do surto.Obs.: Existem casos em que se opera s na condio de surto. Exemplo:Bloqueio em CC (chave esttica operando em conjunto com disjuntor) Integral limite a correnteI2dt :Valor daenergia(funodatemperaturainicial edalarguradopulso) queprovocao aquecimento da juno at sua mxima temperatura limite.Valores tabelados:Resistncia trmica fixa, sem dissipao: para t < 10 ms utiliza-seI2t dado=IP210ms2=IFSM210ms2(2.2); para t de 2 a 5 ms utiliza-se valores menoresResistncia trmica fixa, com dissipao: para t>10ms, utiliza-se valores maiores.2.2.3. Regime Transitrio2.2.3.1. ConduoA conduo do diodo pode ser representada por uma reta equivalente, com: Resistncia diferencial rt Limiar de conduo V(To) IF VAK V(To) rT Fig. 2.6: Reta equivalente de conduo do diodo.Equacionando-se a reta equivalente, tem-se:vTt )=V T o)+iTt ) rT(2.3)P=1TvTt )iTt ) dt =V T o)1TiTt ) dt +rT1Ti2T t ) dt(2.4)P=V To)IT+rT I2T R MS(2.5)A equao (2.5) fornece uma estimativa de perdas de conduo. Note-se que a queda de tenso da juno do diodo (ou limiar de conduo)V(To)relaciona-se com a corrente mdia pelo diodo IT e a resistncia ohmica da juno (ou resistncia diferencial) relaciona-se com (o quadrado PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.32da) acorrenteeficazpelodiodoIRMS. Estaequaotambmumamaneiradeseenxergar a diferenaprticanousodevaloresmdios eeficazesdecorrentenodimensionamentodeum circuito.2.2.3.2. Desligamento (turn off) Tempo de recuperao inverso trr;Quando o diodo se encontra em conduo e corrente direta reduzida a zero (devido ao comportamentonatural docircuitoouaplicando-setensoinversasobreele) odiodocontinua conduzindo devido a portadores minoritrios armazenados na juno. Esses portadores necessitam de um certo tempo para se recombinarem, chamado de TEMPO DE RECUPERAO INVERSO. IF VAK IRR trr ta tb O,25IRR dIF/dt Qrr Fig. 2.7: Corrente pelo diodo de potncia no processo de desligamento (turn-off).ta - retirada das cargas na borda da juno.tb - retirada das cargas no interior da juno.Valores Tabelados:IRR =f(di/dt , iF )Qrr =f(di/dt , iF )Qrr12 IRRMta+tb) trr=2QrrIRRM(2.6)Diodos de potncia normais: trr25usDiodos de potncia rpidos:Exemplo: No circuito da figura 1.52, modelando-se a caracterstica de conduo direta do diodo D como no grfico da figura 2.6, calcular a potncia dissipada no diodo, com:I=300 [A] (valor mdio de corrente pelo diodo)VT0=1,14[V] (queda de tenso da juno)rd=0,63 [m] (resistncia ohmica do diodo a 140oC)Relacionando-se o valor de pico da corrente pelo diodo com seu valor mdio:I =12n0nIpicosin0d 0=12n2 I pico=I picon(2.7) (que a equao (1.49) para a corrente)Obtendo-se o valor eficaz da corrente pelo diodo atravs do valor de pico obtido de (2.7):Ieficaz=.12n0nIpico2sin20d 0=.12n I pico2n2=I pico2(2.8) (que a equao (1.50) para a corrente)Realcionando-se o valor mdio de corrente com o eficaz:Ieficaz=I n2(2.9)Com isso, obtm-se o valor eficaz da corrente pelo diodo e se substitui na equao (2.5):P=VT o I +rd I2T R MS=1,14300+0,63e-3300n2)2 481,90 [W]Este exemplo mostra os nveis de potncia dissipada que os diodos de potncia usados em eletrnicadepotnciapodematingir (etaisvalorespodemseraindamaiores). necessrioo correto equacionamento trmico dos semicondutores de potncia bem como prover meios fsicos de retirar adequadamente o calor gerado para no se danificar estes componentes.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.332.3. GRANDEZAS TRMICASConforme mostrado no exemplo anterior, o semicondutor conduzindo corrente gera calor que tem que ser retirado atravs da montagem do mesmo em dissipadores, que removem o calor gerado. Oequilbriotrmicoalcanadoquandoocalorgeradonajunosemicondutoraena resistncia ohmica do componente se iguala ao calor removido pelo dissipador. Potncia trmica Tj A B Calor removido Calor gerado Regio permitida Fig. 2.8: Curvas de potncia trmica (em watts) gerada e dissipada em funo da temperatura de juno TJ.Nafigura2.8atemperaturacresceatopontodeequilbrioA, aondedoqual ocalor removidoigual aogerado(pontodeequilbrioestvel). NotequeopontodeequilbrioB instvel, pois se o calor gerado cai retorna-se ao ponto A, mas se o calor gerado sobe, a temperatura cresce indefinidamente at a destruio do componente.2.3.1. Regime PermanentePode-se modelar um anlogo eltrico em regime permanente para o fenmeno trmico, de modo a se poder usar ferramentas de anlise de circuitos eltricos no dimensionamento trmico. Rel Fonte de tenso(E) U2 U1 Iel U=RelIel Rterm T1 Pterm T=RtermPel T2 Fonte de calor(P) Modelo eltricoModelo trmico Fig. 2.9: Modelamento de um anlogo eltrico para o modelo trmico em regime permanente.Desta forma pode-se modelar um semicondutor de potncia em regime permanente: RcdRjc Tjuno Rda Tcarcaa Tdissipador Tambiente P Fig. 2.10: Anlogo trmico para um semicondutor de potncia, em regime permanente.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.34Aonde: P potncia trmica (em watts) gerada na pastilha semicondutora; Rjc Resistncia trmica juno-carcaa (em oC/W ou K/W), dada pelo fabricante; Rcd Resistncia trmica carcaa-dissipador (em oC/W ou K/W), dada pelo fabricante; RdaResistncia trmica dissipador-ambiente (emoC/WouK/W), determinada pelas caractersticas de acoplamento trmico entre o dissipador e seu ambiente; Tjuno temperatura da juno, por hiptese o ponto mais quente do sistema trmico; Tcarcaatemperaturadacarcaa(encapsulamento)dosemicondutor, supostauniforme por hiptese; Tdissipador temperatura do dissipador, suposta uniforme por hiptese; Ta temperatura ambiente, por hiptese o ponto mais frio do sistema trmico.Outras hipteses assumemqueapotnciatotal geradanosemicondutor eretirada totalmente nodissipador por conveco, desconsiderando-se troca de calor por irradiaoou conduo do dissipador ao ambiente.A troca de calor pode se dar por uma superfcie do semicondutor se a carcaa for do tipo rosca, por exemplo (neste caso geralmente no anodo), ou por ambos os lados (anodo e catodo) em encapsulamentos do tipo disco (hockey-puck). Oexemplo a seguir mostra a diferena no desempenho notocante temperatura final da carcaa para dissipao unilateral e bilateral, tornando claro porque encapsulamentos tipo disco so preferidos para aplicaes de potncias mais elevadas.Exemplo:a) Considerandoodiodocomresfriamentodeumdoslados, calcular aresistnciatrmicado dissipadoraoambiente(Rda)paraqueatemperaturamximadajunosejaTjMAX=130oCe calcular as temperaturas no dissipador e carcaa.Dados:P=480|W Rjc=0,11|oC /W Rcd=0,012|oC/ W Ta=40|oC A temperatura mxima da juno dada por (2.10):TjMAX=Ta+PRjc+Rcd+Rda) (2.10)De onde se deduz a resistncia trmica dissipador-ambiente Rda:Rda=TjMAXTaPRjcRcd=130404800,110,012Rda=0,065|oC /W A temperatura calculada no dissipador :Tdissip=Rda P+Tamb=0,065480+4071,2|oCE na carcaa:Tcarcaa=Tdissip+Rcd P=71,2+0,01248077|oCb) Calcular a temperatura na juno e dissipadores admitindo resfriamento em ambas as faces do semicondutor, utilizando dois dissipadores (um em cada face) com a resistncia trmica calculada no item anterior.O circuito equivalente da figura 2.10 deve ser substitudo pelo da figura 2.11:PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.35 0.0120,11 Anodo 0.065 Catodo Td1 Tambiente 480 Td2 0.0120,13 0.065 Tj 480 RC Tj RA 0.1870.207 ramo anod. ramo catod. Fig. 2.11: Circuito equivalente com troca de calor do lado do anodoe do catodo. Note-se que a resistncia trmica Rjc diferente entre o lado andico e catdico, devido s diferentes estruturas para cada lado.A temperatura da juno deve ser recalculada:Tj=Tamb+Rja P=40+R ARCR A+RC48087|oC RA=0,187 , RC=0,207)Potncia dissipada no lado andico:P A=PRCRA+RC=4800,2070,187+0,207=252| WTemperatura do lado andico:Tdissip anodico=Tamb+RdaPA=40+0,06525256|oC Potncia dissipada no lado catdico: PC=PRAR A+RC=4800,1870,187+0,207=228| WTemperatura do lado catdico:Tdissip catodico=Tamb+RdaPC=40+0,06522855|oC2.3.2. Operao pulsadaO modelo trmico da figura 2.10 no leva em conta o armazenamento de energia trmica nas massasmetlicasenvolvidas, poisemregimepermanentetal armazenamentoconstanteeno varia. Em operao pulsada no entanto, essa energia acumulada deve ser levada em conta, e para isso um modelo emulando tal armazenamento deve ser realizado. Estendendo o anlogo eltrico, so definidas capacitncias trmicas, que dependem basicamente da massa das estruturas envolvidas (bem comodos caloresespecficos dos materiais dessas estruturas).Desta forma, a capacitncia trmica da juno (Cj) necessariamente muito menor que a do dissipador (Cd) e a da carcaa (Cc) tem valor intermedirio. Com isso as constantes de tempo das diversas estruturas (juno, carcaa, dissipador) tambm apresentam grandes diferenas.A dificuldade dese tratar diretamentecomo capacitncias esses potenciais de acumulao de calor leva ao uso do conceito de maneira indireta, adotando-se o conceito de Impedncia Trmica Transitria (Zth). P Tj RjcRcd Rdar Cj Cc Cd Cj< Cc1s TJ=TA+PRthJC+RthCD+RthCA) (2.12)t 1s TJTA+PZthJC+ZthCA) (2.13)Exemplo:Para se mostrar a aplicao do conceito de impedncia trmica transitria, a curva de aplicao de potncia da figura 2.15, aonde dois pulsos de potncias P1 e P2so aplicados conscutivamente, gerada em uma juno semicondutora, que inicialmente estava com temperatura ambiente Ta. Por hiptese o sistema trmico suposto linear, de modo a se poder aplicar o teorema da superposio. P(W) t(s)t1t2t3 P(W) t(s)t1t2t3 P1 P2 P1 P2 -P1 -P2 Fig. 2.15: Gerao de uma curva de potncia com patamares P1 e P2 em uma juno semicondutora, e sua decomposio em degraus de potncias positivas e negativas nos instantes t1, t2 e t3.Adecomposiodacurvadepotnciaoriginal feitaatravs dedegraus depotncias positivas enegativas queseiniciamnos mesmos instantes dos dacurvaoriginal mas quese estendem indefinidamente. Por exemplo, o patamar de potncia P1 inicia-se no instante t1e cessa no instante t2, quando se inicia o patamar de potncia P2. Para se representar o efeito do pulso P1 umdegraudeintensidadeP1inicia-seem t1, estendendo-seindefinidamente, masem t2outro degras, este negativo mas com mesma intensidadeP1inicia-se e tambm se estende indefinidamente,anulando o efeito do patamarP1positivo.O mesmo feito para o patamar de potncia P2. Desta forma a memria da energia trmica acumulada na aplicao e retirada dos patamares de potncia, bem como seus instantes de aplicao, preservada. Assim, em qualquer instante a partir de t1 pode-se calcular a temperatura da juno, equacionando-se para cada intervalo de tempo como feito na tabela 2.5.Tabela 2.5: temperatura da juno nos intervalos de tempo para a curva de potncia da figura 2.15.Intervalo de tempo Temperatura da junoTjunono instante ttt1Tjuno=Ta(2.14) (temperatura ambiente)t1 tt2Tjunot )=Ta+P1Z t t1)(2.15)t2 tt3Tjunot )=T a+P1Z t t1)P1Z t t2)+P2Z t t2)(2.16)t > t3Tjunot )=T a+P1Z t t1)+P2P1)Z t t2)P2Z t t3)(2.17)t t3Tjuno=Ta(2.14) (temperatura ambiente)PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.38AsinformaesdeZ(t)soretiradasdegrficoscomoosdafigura2.13e2.14oude expresses analticas como oda figura 2.14, que interpolama curva da impedncia trmica transitria, e so mais convenientes para uso em computadores e calculadoras. 2.3.2.1. Aproximaes analticas para aplicao da impedncia trmica transitria em regime permanente pulsado Mtodo dos dois pulsosEm eletrnica de potncia as chaves semicondutoras so submetidas a regimes de corrente pulsada como o da figura 1.52(b). Comos intervalos de tempo envolvidos (da ordemde milissegundos) necessrio o uso da impedncia trmica transitria para se inferir as elevaes de temperatura em regime nos semicondutores. Usando-se o mesmo raciocnio empregado na tabela 2.5 (uso do teorema da superposio) pode-se deduzir uma expresso para a temperatura de juno no caso de um regime de pulsos retangulares de potncia.Exemplo: obter a expresso para a temperatura da junoTjunono instante final de aplicao de um trem de n pulsos retangulares de mesma amplitude P, largura e perodo T.Resposta:Tjuno=Ta+P|k=0n1Z kT+t)k =0n1Z kT )(2.18)A aplicao prtica da expresso (2.18) limitada, pois a princpio no se sabe o instante em que o sistema trmico atingiu o regime permanente pulsado. A figura 2.16 mostra a elevao de temperaturaaolongodotempoparaumaaplicaodepotnciapulsadaapartirdatemperatura ambiente.Fig. 2.16: Elevao de temperatura de juno com a aplicao de um trem de pulsos retangularesA figura 2.16 mostra que aps certo tempo deve-se atingir um regime permanente pulsado com uma sucesso de exponenciais de subida e de descida de temperatura na juno, e no projeto trmico deve-se limitar o valor de pico de temperatura deste regime pulsado a nveis seguros. Parasecontornar oproblemadenosesaber quandoseatingiuoregimepermanente pulsado, pode-se usar o mtodo dos dois pulsos. Este mtodo aproxima o trem de pulsos de potncia de pico P, largura de pulso e perodo T por um degrau pr-existente com a potncia mdia do trem de pulsos (PM), seguido por dois pulsos. A temperatura calculada ao fim do segundo pulso.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.39 P(W) t(s) P PMED max t(s) T P(W) t(s) P PMED= P t(s) T 0T+max med ( C) PMED= P = /T Z( )=Rth Fig, 2.17: Mtodo dos dois pulsos.Para o trem de pulsos retangulares,PM=P tT=P6 (2.19) com6=t/ Tsendo o ciclo de trabalho (duty-cycle), e a impedncia trmica aps longo tempo se iguala resistncia trmica Z )=Rth(2.20). Equacionando:Tjuno=Ta+PMZ )+ P6 P)ZT +t)PZ T +tt)+PZT +t+T ) Tjuno=Ta+P| 6 Rth+16)Z T+t)+Z t)Z T )(2.21)A expresso (2.21) aproximada e a favor da segurana, ou seja, os valores de temperatura com ela calculados so maiores que com o mtodo exato da equao (2.18). Pode-se estender o conceito, com mtodos de trs ou quatro pulsos.Exemplo: Expandir o mtodo dos dois pulsos para n pulsos.Resposta:Tjuno=Ta+P|6Rth6Z n1)T +t)+k =0n1Z kT +t)k =0n1Z kT )(2.22) interessante compara esta expresso com a (2.18).Exemplo:Achar a temperatura da juno pelo mtodo de dois pulsos para o trem de pulsos da figura 2.18, com caracterstica de impedncia trmica transitria dada pela tabela 2.6.Tabela 2.6: Impedncia trmica transitria do exemplo.Z(t) [oC/W]0,02 0,05 0,08 0,1 0,15 0,2 0,22 0,3 0,33 0,4 0,5 0,6t [s]10-310-210-11 2 6 10 50 60 100 500 1000PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.40 t(s) PP T =10 s Fig. 2.18: Trem de pulsos senoidais de largura e perodo T.Dados:Ta=40|oCRth ja=0,7|oC /WPP=350|WW=10| sT=50| sNa prtica aproxima-se os pulsos senoidais por ondas quadradas (retangulares) de mesma amplitude de pulso e largura tal que a onda resultante tenha a mesma energia do pulso original. De (1.51) e (1.53) obtm se a equivalncia entre o pulso senoidal e o retangular:Valor mdio do pulso senoidal, usando (1.53): Ppulso=2nPpoT(2.23)Valor mdio do pulso retangular, usando (1.51): Ppulsoeq=PptT(2.24)2nPpoT=PptT t=2on =210n =6,37 Ppulso=2onTPp=0,127Pp44,5|WAplicando o mtodo dos dois pulsos (2.21): Tjuno=Ta+P|6 Rth+16)Z T+t)+Z t)Z T )Tjuno=40+350| 0,1270,7+10,127)0,33)+0,20,3137C0Apesar daaplicaodaequao(2.21) necessitar aconsultadeumgrfico, tabelaoufuno analtica de impedncia trmica transitria, o uso de resistncia trmica em regime (Z )=Rth) em lugar da impedncia trmica transitria pode levar a erros graves:- UtilizandoPmdio e Z )=Rth:Tj media=Ta+PM Rth=40+44,50,7=71,15|oCEste resultado subdimensionado, pois erradamente se espera uma elevao de temperatura menor que a que ocorrer na prtica.- Utilizando Ppicoe Z )=Rth:Tj pico=Ta+Pp Rth=40+3500,7=285|oC Este resultado superdimensionado, pois erradamente se espera uma elevao de temperatura maior que a que ocorrer na prtica.Exerccio:Deduzir os mtodos dos trs e quatro pulsos e recalcular o exemplo anterior para se verificar a diferena. Resposta: Tjuno=Ta+P|6Rth+16)Z 2T+t)Z 2T)+Z T +t)+Z t)Z T )(2.25) trs pulsosTjuno=Ta+P|6Rth+16)Z 3T+t)Z 3T)+Z 2T+t)+Z T+t)+Z t)Z 2T)Z T ) (2.26) quatro pulsos.Usandoomtododostrspulsos: Tjuno=134,0|oC ; usandoomtododosquatropulsos: Tjuno=133,5|oC . A aparente maior preciso do mtodo dos quatro pulsos no justificvel perante a complexidade de sua frmula e pelo fato destes mtodos seremaproximativos, linearizando um problema (trmico) de natureza no linear. Note-se ainda que, como dito, o mtodo dos dois pulsos conservativomedidaemquefornecevalores detemperaturaligeiramente superiores aos que apareceriam com mtodos mais precisos.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.412.3.2.2. Pulsos de potncia com forma qualquerFig 2.19: Aproximao de um pulso de potncia por degraus equivalentes.Pulsos de formas quaisquer podemser aproximados conservativamente por degraus equivalentes que respeitem as condies: Mesma amplitude mxima; Mesma potncia mdia.2.3.3. Mtodos de dissipao de calorA remoo de calor dos semicondutores de potncia baseia-se nos fenmenos de conduo, conveco, radiao e mudana de fase (lqido para gasoso) para remover o calor: Conduo:materiais bons condutores de calor, como alumnio e cobre, devem ser usados nos contatos trmicos entre o encapsulamento do semicondutor e o sistema de retirada de calor; Conveco: a superfcie do dissipador deve ter rea suficiente para prover retirada de calor por conveco, bem como deve haver circulao eficiente do ar aquecido, de modo natural ou forado; Radiao: aretirada decalor por irradiaoproporcional temperatura absoluta do dissipador (emKelvin) elevadaquartapotncia(lei deStefan-Boltzmann), reade irradiaoeemissividadedomaterial (menorqueunidadepoisodissipadornoum corponegroperfeito). Comoas temperaturas detrabalhodeumdissipador tipicamente devemficar abaixode100C, easuaemissividadepioracomoacmulodepoeirae fuligem, a retirada de calor por irradiao limitada na prtica; Mudana de fase: a entalpia de evaporao de um lqido de trabalho usada para se retirar calor com eficincias bem superiores s conseguidas por conduo ou conveco.Logo, a retirada de calor, baseada nos fenmenos acima, pode ser realizada por: Resfriamento a ar (com fluxo natural ou forado); Resfriamento a lqido (com fluxo de lqido forado); Resfriamento por mudana de fase.2.3.3.1. Resfriamento a arO resfriamento a ar o mtodo mais comum devido ao menor custo. Sua aplicao deve levar emcontaoambienteaser instalado, prevendo-seeventual entradadepoeira(inclusive condutiva) muitas vezes presente em ambientes industriais, o que pode implicar no uso de filtros, com os consequentes problemas de manuteno (limpeza, troca etc.). O uso de ventilao forada melhora consideravelmente o desempenho, mas implica em desvantagens como aumento do custo, rudo acstico, necessidade de manuteno etc.Os fabricantes geralmente apresentam curvas caractersticas, das quais podem constar: Rth DAP (resistnciatrmicaDissipador-Ambienteversuspotnciatrmica)paradada PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.42diferena de temperaturaATDAentre dissipador e ambiente e dado comprimento do perfil do dissipador (usualmente 3 ou 4 de comprimento). Com o aumento de temperatura do dissipador diminui a resistncia trmica Dissipador-Ambiente devido ao aumento da conveco e irradiao; Rth DAQar(resistnciatrmicaDissipador-Ambienteversus fluxodear, em[m/s] ou [m3/s]) paradadadiferenadetemperatura ATDAentredissipadoreambienteedado comprimento do perfil do dissipador (usualmente 3 ou 4 de comprimento); Zth DA=f t , P) (impedncia trmica transitria Dissipador-Ambiente emfuno do tempo de aplicao e potncia trmica) para dada diferena de temperatura ATDAentre dissipador e ambiente e dado comprimento do perfil do dissipador (usualmente 3 ou 4 de comprimento); Zth DA=f t , Qar) (impedncia trmica transitria Dissipador-Ambiente emfuno do tempodeaplicaoefluxodear) paradadadiferenadetemperatura ATDAentre dissipador e ambiente e dado comprimento do perfil do dissipador (usualmente 3 ou 4 de comprimento); Curva de correo para variao da altitude de operao; Curva de correopara diferentes valores de ATDA(diferena de temperatura entre dissipador e ambiente); Curva de correo para diferentes valores de temperatura ambiente TA; Curva de correo para diferentes comprimentos do perfil do dissipador; Indicao do acabamento do dissipador(geralmente anodizao preta) e sua emissividade; Curva de correo para envelhecimento (depsito de poeira etc.) Para ventilao natural, indicao de posio de montagem (vertical, horizontal)Comoomododeapresentaodascurvaseoutrosdadosvariagrandementecomcada fabricante, desejvel se aplicar o mtodo proposto por determinado fabricante para seu produto e comparar os resultados com um dissipador dimensionalmente semelhante de outro fabricante, neste caso com sua outra metodologia de projeto. As figuras 2.20 e 2.21 mostram apresentaes tpicas para dissipadores por diferentes fabricantes para diferentes produtos. PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.43Fig. 2.20: Apresentao de dados de dissipador para transistor encapsulamento TO-220 do fabricante Wakefield.Fig. 2.21: Apresentao de dados de dissipador para mdulos de potncia do fabricante Wakefield.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.44Fig. 2.22: Apresentao de dados de dissipador do fabricante HS.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.452.3.3.1.1. Ventilao natural e forada - ventiladoresA resistncia trmica do dissipador com circulao natural de ar no constante com sua temperatura. Com o aumento da potncia dissipada existe aquecimento do dissipador, melhorando-se as caractersticas de conveco e irradiao. Como temperatura ambiente considera-se a do ar que entra no dissipador. No caso de dois dissipadores montados em srie (sobrepostos verticalmente) o ar de entrada do superior corresponde ao de sada do inferior, com ventilao natural.Os grficos das figuras 2.19, 2.20 e 2.21 mostram uma grande melhora no desempenho do dissipador com ventilao forada. A melhor troca de calor com ar forado com a maior vazo devido atuao do ventilador contra a queda de presso que ocorre devido resistncia aerodinmica do dissipador. Supondo o ar como fluido incompressvel, admitindo-se um nico fluxo de ar sem fugas ou entradassecundrias, sehouverndissipadores emparalelo, paraseter amesmadiferenade pressoAP entre entrada e sada dos dissipadores a vazo necessria deve ser n vezes maior que a de um nico dissipador. Se os n dissipadores estiverem em srie, para uma mesma vazo a queda de presso a ser vencida sernAP . Logo, o arranjo mecnico dos dissipadores dita o requisito principal, seja de presso, seja de vazo. Os parmetros para a escolha de um ventilador so: Vazo; Presso; Rudo acstico.(a)(b)Fig. 2.22: Ventilador axial. O impulsor tem forma de hlice e o movimento do ar no sentido axial.(a)(b)Fig. 2.23: Ventilador radial. O impulsor tem forma de roda d'gua, a entrada de ar axial e a sada radial.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.46(a)(b)Fig. 2.24: Ventilador semi-axial ou misto. O impulsor tem formato de hlice e a entrada de ar axial e a sada radial.Ascurvascaractersticas dosventiladorespodemser resumidas nafigura2.25, comos parmetros adimensionaism(relacionado presso) eu (relacionado ao volume).(a)(b)Fig. 2.25: Curvas caractersticas dos ventiladores. Definem-se estes coeficientes m= AP2u2(2.27)eu= vn4D2u(2.28),onde: AP : variao de presso; : densidade do fluido; u : rotao; D : dimetro do impulsor; v : vazo.A anlise da figura 2.25(b) mostra que devido s suas caractersticas os ventiladores tm PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.47diferentes faixas de atuao tima: Ventilador axial: baixa vazo e incrementos significativos de presso; fornece grandes vazes para baixas resistncia de presso; a inflexo na curva ocorre quando o fluxo de ar deslocado para fora. Ventilador semi-axial: vazo e incrementos de presso mdios. Ventilador radial: alta vazo e baixos incrementos de presso; maior transferncia de energia ao fluido; sada de ar em alta velocidade pela circunferncia do impulsor; consegue vencer presses maiores.Notocantescaractersticas acsticas, sobrepondo-seascurvasdevariaodepresso acstica em dB(A), medidas a um metro de distncia da tomada de ar, s curvas da figura 2.25, obtm-se a figura 2.26.Fig.2.26: Nveis de presso sonora, em dB(A), medidas a um metro de distncia da tomada de ar,com diferentes vazes e presses, para os ventiladores do tipo radial e axial.Da figura 2.26 depreende-se que: Ventiladoraxial: aumentosignificativoderudoquandovazoexcessivamenterestrita. Torna-se ruidoso quando o fluxo de ar no segue o contorno do impulsor; Ventilador radial: sempre ruidoso.2.3.3.2. Resfriamento a lqidoQuando os nveis de potncia a ser retirada dos semicondutores so elevados, ou quando a densidade volumtrica de potncia do conversor alta (conversor muito compacto ou de potncia especfica muito elevada), ou se no ambiente do conversor no podem ingressar impurezas pelo ar (caso de conversores operando em altas tenses), o resfriamento a lqido impe-se sobre o a ar. O lqido adotado geralmente gua destilada e deionizada para se tornar no condutiva PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.48eletricamente, oucompostosdeguaeglicois(etilenooupropilenoglicol), ouleomineral de transformadores.Os fabricantes geralmente apresentam curvas caractersticas, das quais podem constar: Rth TAQgua(resistnciatrmicaTrocadordecalor-Ambienteversusfluxodeguaem [l/s] ou [l/min]); ApressoQgua(perda de carga em funo do fluxo d'gua); Zth TA=f t ,Qgua) (impedncia trmica transitria Trocador de calor-Ambiente em funo do tempo de aplicao e fluxo de gua);Para se minimizar a resistncia trmica entre a carcaa dosemicondutor e olqido refrigerante, deve-se usar metal com elevada condutibilidade trmica e baixo calor especfico, bem como lquido refrigerante com calor especfico e condutibilidade trmica elevados (alm de ser bom isolante eltrico). Atabela 2.7 mostra alguns valores de constantes trmicas de materiais comumente usados.Tabela 2.7: Constantes trmicas de alguns materiais.Material Calor Especfico[Joule/KgoC]Condutibilidade Trmica[W/moC]Resistividade Trmica[moC/W]guaEtileno glicolleo mineral4.2002.3001.9000,630,250,161,64,06,3CobreAlumnioAo3909204403802001000,0030,0050,01A figura 2.27 apresenta um trocador de calor com gua, e a figura 2.28 sua implementao em um conversor.(a)(b)Fig. 2.27:Apresentaodedadosdetrocadordecalorparamdulosdepotnciadofabricante Semikron.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.49Fig. 2.28: Implementao de conversor com trocador de calor a gua para mdulos de potncia, do fabricante Semikron.A figura 2.29 mostra trocadores de calor a gua da ABB.Fig. 2.29: Trocadores de calor a gua da ABB.2.3.3.3. Resfriamento por mudana de faseAentalpiadeevaporaodeumfluidodetrabalhousadaparaseextraircalordeum semicondutor.O fluido na fase gasosa deve ser esfriado em outro ponto do sistema para que se condense e retorne ao ponto de aplicao de calor. H dois modos de implementao: Colocao dos semicondutores imersos no fluido. O conversor de potncia contido PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.50em um tanque, mergulhado no fluido. O aquecimento do funcionamento normal faz o fluido fervereogssobeaoaltodotanque, aondeumtrocadordecalorresfriaogs, quese condensa e volta ao fundo. Note que se a presso interna do tanque for inferior atmosfrica, eusando-seguacomofluidodetrabalho, elamudadefaseatemperaturas inferiores a 100C; Uso de Heat pipes (figura 2.30).Fig. 2.30: Mecanismo de funcionamento de um heat pipe.Noheat-pipeofluidodetrabalhoficaembebidoemummaterial poroso(wick). O aquecimento no extremo quente faz o lqido evaporar e seguir pelo centro do heat pipe at o extremo frio, aonde se condensa no material poroso e retorna ao extremo quente por capilaridade. Comoseusaaentalpiadeevaporaodofluido, pode-seconseguir condutibilidades trmicas centenas ou milhares de vezes superiores s de uma barra de cobre de igual rea. Em operao a temperaturaambiente, ofluidodetrabalhopodeser gua, metanol, amnia etc. Ocustodos heatpipes limita seus usos a locais aonde a retirada de calor pontual ou de difcil acesso.Fig. 2.31: Uso de heat pipe para retirada de calor de um microprocessador de notebook (notebook Dell D610). O resfriamento do fluido realizado pelo ventilador da foto.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.512.3.4. Consideraes sobre montagem mecnica dos semicondutores de potnciaOs semicondutoresdepotncia, devido aos altos nveis de tenso e corrente manipulados, tmconstruomecnicacompatvel comasnecessidadeseltricas(reaematerial decontato eltrico, distncias e material de isolamento), trmicas (reas de contato trmico) e mecnicas.2.3.4.1) Encapsulamentos tpicos de semicondutores de potnciaFig. 2.32: Diodo com encapsulamentodotiporosca. Diodo Semikron SKN 135F (VRRM=1200V,IAV=135A, IRMS=260A).Fig. 2.33: Diodo com encapsulamento do tipo disco (hockey-puck). Diodo Semikron SKN 6000 (VRRM=600 V,IAV=6000A, foradeaperto nominal F=24...30kN).Fig. 2.34: Diodo com encapsulamento do tipo mdulo. Diodo Semikron SKKD 162/18 (VRRM=1800V, IFAV=195A). Note que o mdulo contm dois diodos. A estrutura metlica dos semicondutores de potncia de cobre (para garantir condutividade eltrica e trmica) niquelado (para garantir proteo qumica e mecnica do cobre) com as partes isoladas de porcelana, resina plstica e outros materiais isolantes.Fig. 2.35: Vista interna de tiristor (SCR) com encapsulamento do tipo rosca.Fig. 2.36: Vista interna de tiristor (SCR) com encapsulamento do tipo disco (hockey-puck).Fig. 2.37: Vista interna de semicondutor com encapsulamento do tipo mdulo.Nos encapsulamentos tipo rosca e mdulo a pastilha semicondutora mantida sob presso por meiosinternos,para garantircontatoeltrico e trmico. Nestescasos deve-segarantirque a fixao destes encapsulamentos feita com o conjugado correto para no se danificar as estruturas de cobre. No encapsulamento tipo disco a pastilha semicondutora fica particamente solta dentro do encapsulamento, e deve ser pressionada, com uma fora de aperto uniformemente distribuida que pode chegar a 50kN, para se estabelecer contato trmico e eltrico. Emqualquer caso, eventualmente usa-se algum composto trmico para se melhorar o contato mecnico e a transmisso de calor (usam-se leo de silicone e outros compostos para tanto).PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.52Fig. 2.38. Distribuio de presso adequada e incorreta em um encapsulamento tipo disco. Extrado do Application Note 5SYA2036-03 da ABB.Para se garantir presso adequadamente distribuida em um encapsulamento disco, estruturas mecnicas, conhecidascomogrampos, devemserassociadasadissipadores, quetambmagem como contatos eltricos.Fig. 2.39. Sistemadefixaodeencapsulamentotipodisco. Note-seos trocadoresdecalor a lqido. Extrado do Application Note 5SYA2036-03 da ABB.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.53Fig. 2.40. Detalhamento do sistema de fixao de encapsulamento tipo disco. Extrado do Application Note 5SYA2036-03 da ABB.Na figura 2.40 os nmeros indicam: 1. Mola tipo barra. A excurso x, que proporcional fora Fm exercida, deve ser larga em comparao com a expanso trmica (vertical) do conjunto; 2. ContatomecnicoesfricogarantequeaforaFmtransferidasimetricamenteaos encapsulamentos mesmo com os no-paralelismos inerentes nas superfcies; 3. Pea de ao resistente (mnima deformao) garante distribuio homognea de presso; 4. Trocadores de calor com superfcies lisas e paralelas; 5. Semicondutor com encapsulamento tipo disco; 6. Suporte de ao resistente para mnima deformao; 7. Barramentos eltricos; 8. Barramentoseltricosflexveisparaseevitarqueforasmecnicasexternasafetema dsitribuio de presso do conjunto.Outrascaractersticas mecnicas podemser encontradasnodatasheetseapplication notes dos fabricantes.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.542.4. TiristorO nome tiristor se aplica a componentes semicondutores com trs ou mais junes PN. O tiristor pode ter:- 2, 3 ou 4 terminais para conexo;- Conduzir corrente em um ou mais quadrantes da caracterstica anodo-catodo.O membro mais difundido da famlia dos tiristores ou o SCR (Silicon Controlled Rectifier, ou Semiconductor Controlled Rectifier), o qual, devido ao seu uso intenso, acabou tomando para si o nome da famlia em muitas aplicaes.2.4.1. SCROSCRumcomponentedepotnciacujocomportamentoeltricosemelhanteaodo diodo de potncia, exceto que na polarizao direta (tenso anodo-catodo positiva) ele s entra em conduo com a aplicao de um pulso de corrente no terminal de gatilho. Uma vez em conduo,s se pode desliga-lo zerando-se sua corrente externamente ou se aplicando tenso reversa (tenso anodo-catodo negativa).Fig. 2.41: Representao do SCR e seus terminais (K- catodo; A- anodo; G- gatilho) bem como sentidos diretos de tenso e corrente.A caracterstica V-I do SCR dada na figura 2.42.Fig. 2.42: Caracterstica V-I do SCR. Sentidos de tenso e corrente correspondem s da figura 2.41.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.55Da figura 2.41 observam-se duas regies de tenso:- Regio reversa (VT0): Dois estados estveis (bloqueio diretoe conduo direta) ligados por uma regio instvel com caracterstica de resistncia negativa na curva VT x IT.Regio bloqueio direto - baixas correntes (mA) com tenses elevadas;- tenso de avalanche com gatilho aberto VDBR;- tenso mxima direta VDRM (VDRM < VDBR), em uma dada temperatura de operao, para que se opere o SCR dentro de uma margem de segurana;- para correntes de gatilho crescentes IG>0 a tenso de avalanche cai quanto maior for IG.Regio de resistncia negativa - regio transitria entre o bloqueio direto e a conduo direta. A caracterstica VT x ITnesta regio tem coeficiente negativo, da o nome resistncia negativa.Regio de conduo direta - altas correntes com baixas tenses. A curva VTxITassemelha-se ao de umdiodo de potncia;- a corrente direta mximaIT, em valor mdio oueficaz a dada temperatura, para operao segura do SCR fornecida pelo fabricante;- corrente de travamento IL(mnima corrente IT fluindo pelo dispositivo para iniciar sua conduo);- corrente de manuteno IH (mnima corrente IT fluindo pelo dispositivo para mant-lo em conduo) e tenso de manuteno VH(mnima queda de tenso direta em conduo).2.4.1.1. Princpio de funcionamentoO SCR formado por quatro camadas PNPN, conforme figura 2.43.Fig. 2.43: Diagrama de formao do SCR em camadas PNPN. A espessura das camadas no est em escala.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.56NobloqueioreversoasjunesP1N1eP2N2seencontramreversamentepolarizadas. A juno P1N1 corresponde a um transistor PNP com base em aberto e suporta a maior parte da tenso, poisa junoP2N2,porser fortemente dopada,suportasomente atcerca de 40V.Nobloqueio direto somente a juno N1P2 est reversamente polarizada.ParaseanalisarofenmenodedisparodoSCResuaentradanomodotransitriode resistncia negativa, o modelo equivalente de dois transistores da figura 2.44 pode ser empregado. NestemodelooSCRconvenientementeparticionado(figura2.44a)nostransistoresQ1eQ2, respectivamente PNP e NPN (figura 2.44b).(a) (b)Fig. 2.24: Modelo de dois transistores do SCR.Relembrando-se que:ICIE=o (2.28)Obtm-se:IC1=oPNPIA+ICo1(2.29)IC2=oNPNIK+ICo1(2.30)aonde ICo1 e ICo2 so as correntes reversas de coletor de Q1 e Q2, constituidas de eltrons gerados por recombinao na juno base-coletor. Determinando-se as correntes de anodo e catodo do SCR:IA=IE=IC2+IC1(2.31)IK=I A+IG(2.32)Determina-se a corrente IA:IA=ICo1+ICo1+IGoNPN1oPNP+oNPN)(2.33)aonde PNP e NPN variam com a corrente. A condio de disparo :oPNP+oNPN=1 (2.34)Obedecido (2.34), o conjunto Q1e Q2entra em realimentao positiva at a saturao de Q1 e Q2, o que ocorre com um valor mnimo de corrente de travamento IT>IL(2.35) (corrente peloSCRmaior queseulatchingcurrent, conformedefinidonafigura2.42). Naprticah requerimentos a serem cumpridos quanto ao valor e forma de onda de IGpara que o disparo seja bem sucedido, a serem abordados posteriormente.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.57Note-se que com bloqueio direto, sem corrente de gatilho (IG = 0) e aumentando-se a tenso aplicada e/ou a temperatura do SCR, crescem as correntes residuais ICo1e ICo2, e como PNPe NPN variamemfunodacorrente, pode-seatingiracondiodaequao(2.34)eoSCRdisparar espontaneamente semcorrente pelo gatilho. Este tipo de disparopode ser destrutivo para o componente, dependendo da impedncia em srie com o SCR.Encerrado com sucesso o processo de disparo, o SCR entra em modo de conduo direta. Nesta altura as junes esto inundadas de portadores, caracterizando a saturao dos transistores equivalentes. Este processo no pode ser interrompido pela cessao da corrente de gatilho IG, mas apenas se o circuito externo ao SCR aplicar tenso reversa nele (VT < 0) ou se a corrente pelo SCR assumir valoresabaixodacorrentedemanutenoIH(holdingcurrent)IA+IGIH(2.36). Estassituaes(VT0, provocando sua reconduo mesmo sem corrente de gatilho. Portanto define-se um tempo maior, tq, que o tempo mnimo contado da passagem por zero da corrente andica decrescente at o instante em que a tenso direta vAK(t) > 0 pode ser reaplicada novamente. A diferena de tempo entre trr e tq o tempo em que os portadores da juno esto se recombinando, e no se pode reaplicar tenso vAK(t) > 0 at cerca de 60% dos portadores terem se recombinado.Fig. 2.49:VariaodacorrenteiT(=iA)edatensovAKduranteotransitriodoprocessode desligamento do SCR. Grfico sem escala.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.60O tempo de recuperao de capacidade de bloqueio direto tq varia entre 5s a 500s. SCRs com tqtX, seno tX seria o tempo limitante.A freqncia mxima em que o disparador consegue operar :fmax disparador=1ttotal+3t'2.50) fmaxdisparador=1500us+3ms=285,71 HzEste resultado mostra que o circuito do exemplo est apto a disparar SCRs de conversores operando freqncia da rede (50/60Hz).PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.70d) Paraseespecificarumtransformadordepulsocomercial, precisofornecerovalor vPdt . Obt-lo.O valor de vPdt uma medida do fluxo mximo admissvel no transformador de pulso que no o sature. No caso,vPdt deve ser maior que a rea A1da figura 2.64, e sua unidade usualmente dada em Vs. Logo:vPdt>A12.51) A1=2,8V500us=1400uVsDeve-sebuscar umtransformador comvP dt maior que1400Vs. Nocatlogode transformadoresdepulsodofabricanteSemikronverifica-sequeomodeloSKPT25b20/s, com vPdt de 2000Vs, adequado para a aplicao.Observao 1: em um projeto mais detalhado, de posse do transformador de pulso escolhido, seus parmetros (resistnciasdeenrolamento, indutnciademagnetizao, indutncias dedisperso) devemserusados. Comissopossvel, porexemplo, secalcularotempodesubidatS,poisse dispe das indutncias de disperso.Observao 2: o valor de vPdt obtido no exemplo muito alto, no limite da disponibilidade comercial usual(valores mais usuais devPdt seencontram nafaixade200-500Vs).Uma soluo para se contornar este problema se aplicar um trem de pulsos com perodo de trepetio=20-100s e duty-cycle de 50% (metade do perodo trepetio com aplicao de corrente e a outra metade para se descarregar o ncleo) e valor de corrente de gatilho da ordem de 1,5IGT (sendo IGT a mnima corrente aplicvel ao gatilho que garante o disparo do SCR mnima temperatura de operao). Desta forma consegue-se uma aplicao de pulso suficientemente longa para que o SCR atinja sua corrente de latching IL. (lembrando que o tempo necessrio para que a corrente pelo SCR atinja IL dependedacarga, enodocomponente). Nestecasoestsesupondoqueduranteaparcelado tempo trepetio em que se est descarregando o ncleo (e portanto sem corrente de gatilho) a corrente ITpelo SCR constante ou de derivada positiva, de modo que aps certo tempo se atinge valores superiores aILe se estabelece conduo plena noSCR. Ainda, ocircuito de disparodeve inicialmente aplicar um pulso com valor de pico elevado (da ordem de 5IGT) e derivada de corrente suficientemente alta (da ordem de 1-2A/s) e s em seguida se introduzir o trem de pulsos.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.712.4.1.3.2. Caractersticas do gatilho Disparo do SCR Exemplos de circuito de disparo com com fibra ptica para isolao galvnica.Em aplicaes com conversores operando com tenses eficazes CA superiores a 1kV no se pode usar transformadores de pulso convencionais, pois estes geralmente tm tenso mxima de isolao da ordem de 3kV, e transitrios na rede CA podem facilmente ultrapassar este valor. Sem se lanar mo de transformadores especiais, a soluo se usar: Circuito de disparo no potencial do SCR, ligado ao circuito de controle via fibra ptica; SCRs disparados por luz.Fig. 2.66: Circuito tpico de acionamento e proteo de SCR para conversores de alta tenso.No circuito da figura 2.66 o SCR convencional para aplicao em alta tenso e corrente. Seu disparo realizado pela eletrnica de disparo que est no potencial do SCR, sendo que os sinais dedisparoedeconfirmaodeconduosoisoladosviafibraspticas. QuandooSCRest desligado, um divisor resistivo de tenso alimenta a eletrnica de disparo. Um sinal de disparo via fibra ptica gera um pulso de corrente que dispara o SCR e gera um pulso de luz de confirmao de conduoqueenviadoaocontroleviafibraptica. Umreatorsaturvel limitaaderivadade corrente pelo SCR e um circuito com varistor (componente a ser abordado posteriormente) gera um pulso de disparo protetivo em caso de sobretenso sobre o conjunto do SCR.2.4.1.4. LTT (Light Triggered Thyristor)Fig. 2.67: SCR disparado por luz (LTT - light triggered thyristor). Ilustrao do Application Note AN2006-3 V2.2 (March 2006) da Eupec/Infineon.PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.72A figura 2.67 mostra um SCR diretamente disparado por feixe de luz (LTT - light triggered thyristor) da Eupec, com a conexo de fibra ptica e a carcaa do SCR propositalmente aberta para mostrar a pastilha semicondutora. O disparo de tais SCR realizado com diodos laser, com pulsos de luz to curtos como 10s, potncia da ordem de 40mW e comprimentos de onda na faixa de 850-1000nm(a Eupec sugere o uso dos diodos laser SPL PL90 da Osram, mas o circuito formador de pulso que alimenta os diodos sofisticado e fora do escopo desta disciplina). Tais SCRs possuem circuitos internos de amplificao de corrente de gate (gate amplifying structures) para amplificar a energia relativamente limitada do pulso de luz, bem como proteo integrada com dv/dt elevados, que dispara protetivamente o LTT em caso de dv/dt aplicado que ultrapasse o valor nominal do componente.2.4.1.5. SCRs de potncia com SCR piloto (GAT Gate Assisted Thyristor)Para SCRs de dimenses reduzidas, os requerimentos de corrente de pico inicial e derivada mnima de para a corrente de disparo no so crticos, pois o processo de disparo e o espraiamento inicial dos portadores facilitado pela pequena rea a ser abrangida. Para SCRs de potncia de altas correntes, comgrandes dimenses superficiais da pastilha semicondutora, ao problema de distribuio de portadores se soma a alta corrente que ir passar pelo componente, e que inicialmente se concentra na regio do entorno do gatilho, resultando em densidades de corrente iniciaisdesiguaisnapastilha, inclusivecompossiblidadededanospastilha. Soma-seaindaa necessidadedacorrentededisparoser consideravelmentemaior queadeSCRs dedimenses menores, impondodemandamaioraocircuitodedisparo. Paraminimizaresteproblema, vrios fabricantes usam a configurao com SCR piloto.Fig. 2.68: SCR com SCR piloto. Ilustraes do Application Note 5SYA2034-02 June 07 da ABB.Fig. 2.69: SCR com SCR piloto. Vista da estrutura do SCR piloto distribuida sobre a superfcie do semicondutor. Ilustrao do Application Note 5SYA2034-02 June 07 da ABB.Com isso a corrente de disparo a ser gerada somente a necessria para se disparar o SCR piloto, que se incumbe de fornecer a corrente de maior valor ao gatilho do SCR principal. Ainda PEA-2487 Eletrnica de Potncia I - 1 sem/2010 - Notas de aula v. 0.99- pg.73paraseauxiliaroprocessodeligao, aestruturadoSCRauxiliarpodeserdistribuidasobrea superfcie do SCR principal (figura 2.69), diminuindo o tempo total de ligao ttot (equao 2.38).2.4.1.6. ASCR (Asymmetric SCR)O ASCR um SCR sem capacidade de bloqueio reverso (a tenso reversa mxima da ordemdedezenasdevolts). Comiss