apostila_eletronica de potencia-ufsm
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8/2/2019 Apostila_Eletronica de Potencia-UFSM
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ELC1032
Fundamentos de Eletrnica de Potncia
Universidade Federal de Santa Maria
Prof. Humberto Pinheiro, Ph.D.
e-mail: [email protected]
11/2005
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ELC 1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia_______________________________ 2
Sumrio
Sumrio.......................................................................................................................................... 2
1.1 Teoria de Circuitos Comutados ............................................................................................... 4
Introduo .................................................................................................................................. 4
1.1.1. Caractersticas Estticas Ideais de Semicondutores de Potncia.................................... 4
1.1.2.a. Diodo ........................................................................................................................ 5
1.1.2.b. Tiristores................................................................................................................... 5
1.1.2.c. BJT Bipolar Junction Transistor .............................................................................. 61.1.2.d. MOSFETS Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors ........................... 7
1.1.2.e. IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor.................................................................. 7
GTO Gate Turn-off Thyristor............................................................................................. 8
Combinao tpica de Semicondutores ................................................................................. 9
Soluo de Circuitos Com Semicondutores de Potncia Idias .............................................. 12
Exemplo 1............................................................................................................................ 12
1.2. Definies Bsicas................................................................................................................ 481.2.1. Valor Mdio................................................................................................................... 48
1.2.1.1. Ex.: Calculo da tenso mdia de um retificador de meia onda............................... 48
1.2.2. Valor Eficaz................................................................................................................... 49
1.2.2.1. Ex.: Calculo da corrente eficaz em um retificador de entrada meia-onda.............. 49
1.2.3. Distoro harmnica total.............................................................................................. 50
1.2.3.1. Ex.: Calculo da THD para uma dada forma de onda.............................................. 51
1.2.4. Fator de Potncia ........................................................................................................... 51
1.2.5. Fator de Deslocamento .................................................................................................. 52
1.2.6. Fator de Utilizao ........................................................................................................ 52
1.2.7. Rendimento.................................................................................................................... 52
1.2.8. Fator de Desequilbrio ................................................................................................... 53
1.2.9. Fator de Ondulao........................................................................................................ 54
1.2.10. Fator de Crista ............................................................................................................. 54
Exerccio.................................................................................................................................. 55
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1.3. Dispositivos .......................................................................................................................... 56
1.3.1. Caractersticas dos Semicondutores de Potncia........................................................... 56
1.3.1.1. Diodos..................................................................................................................... 59
1.3.1.1. MOSFETS .............................................................................................................. 65
1.3.1.1. Transistor de Juno Bipolar - BJT ........................................................................ 73
1.3.1.1. Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT).............................................................. 77
1.3.1.1. Tiristores (SCR, GTO, MCT)................................................................................ 82
1.4 Magnticos ............................................................................................................................ 97
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1.1 Teoria de Circuitos Comutados
Introduo
Eletrnica de Potncia trata do processamento de energia. Sendo a eficincia uma das
caractersticas importante nesse processamento. A diferena entre a energia que entra no sistema
e a que sai geralmente transformada em calor. Mesmo que, o custo da energia desperdiada
gere preocupao, a remoo dessa energia cria transtornos tanto durante o projeto quanto na
sua utilizao. Atualmente conversores estticos utilizados para transformar a energia eltrica de
uma forma para outra, apresentam eficincia entre 85% e 99% dependendo da aplicao da
faixa de potncia. Essa eficincia elevada obtida utilizando semicondutores de potncia, que
apresentam uma queda de tenso prxima de zero quando em conduo, e uma corrente
praticamente nula quando em bloqueado.
Static Converter Definition by IEEE Std. 100-1996:
A unit that employs static rectifier devices such
semiconductor rectifiers or thyristors, transistors,
electron tubes, or magnetic amplifiers to change ac
power to dc power and vice versa.
1.1.1. Caractersticas Estticas Ideais de Semicondutores de Potncia
Os principais semicondutores de potncia utilizados em conversores estticos com sua
regio de operao no plano tenso corrente ( plano v-i ) so apresentados a seguir:
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1.1.2.a. Diodo
O diodo um semicondutor no controlvel, pois o seu estado, conduzido ou bloqueado
determinado pela tenso ou pela corrente do circuito onde ele esta conectado, e no por qualquer
ao que possamos tomar. O diodo entra em conduo quando a tenso vak torna-se positiva. Ele
permanece em conduo desde que a corrente iD, que governada pelo circuito onde o diodo
estiver inserido, for positiva. Quando a corrente torna-se negativa o diodo bloqueia-se
comportando-se como circuito aberto.
iD
vAK
+_
KA
0
vAK
iD
(a) (b)
_+
+
_
Figura 0.1 (a) Smbolo e (b) Caracterstica ideal de um Diodo
1.1.2.b. Tiristores
O tiristor algumas vezes referido com um semicondutor semi-controlado. No seu
estado bloqueado, ele pode suportar tenses tanto positivas quanto negativas. O tiristor pode
mudar de estado de conduo com aplicao de um pulso de corrente na porta (gate) quando a
tenso vak for positiva. Uma vez em conduo, ele continua em conduo mesmo que corrente
de gate seja removida. Neste estado o tiristor comporta-se como um diodo. Somente quando a
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corrente ia, que governada pelo circuito externo, torna-se negativa que o tiristor retorna ao
estado bloqueado.
iA
vAK
+
_
K
A
0
vAK
iA
(a) (b)
G
iG
(Pulso em iG
)On-state
Figura 0.2 (a) Smbolo e (b) Caracterstica ideal de um tiristor
1.1.2.c. BJT Bipolar Junction Transistor
Os transistores bipolares foram os primeiros semicondutores de potncia totalmente
controlados utilizados comercialmente em conversores estticos. A caracterstica esttica de um
BJT ideal mostrada na figure abaixo. O BJT pode conduzir corrente somente em uma direo,
e quando em estado bloqueado suporta somente tenses positivas, ou seja, ic>0 e vCE >0.
Quando uma corrente de base aplicada a base o BJT, este passa a conduzir. Com a remoo da
corrente de base o BJT volta ao estado bloqueado.
(a) (b)
iB
vCE
+
_
E
C
B
iC
+
_vBE 0
vCE
iC
On
Off
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Figura 0.3 (a) Smbolo e (b) Caracterstica ideal de um BJT
1.1.2.d. MOSFETS Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors
O MOFET, como os BJT, um semicondutor totalmente controlado. A caracterstica
esttica de um MOSFET ideal mostrada na figura abaixo. O MOSFET pode conduzir corrente
somente em uma direo, e quando em estado bloqueado, suporta somente tenses positivas, ou
seja, id>0 e vDS>0. Quando uma tenso adequada aplicada entre os termais da porta e fonte,
vGS, o MOSFET entra em conduo. Com a remoo da tenso vGS o MOSFET volta ao estado
bloqueado.
(a) (b)
vDS
+
_
S
D
G
iD
+
_vGS 0
vDS
iD
On
Off
Figura 0.4 (a) Smbolo e (b) Caracterstica ideal de um MOSFET.
1.1.2.e. IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
O IGTB semicondutor que combinas as caractersticas desejveis dos MOFETs e
BJTs. A caracterstica esttica ideal de um IGBT semelhante de um MOSFET. O IGBT pode
conduzir corrente somente em uma direo, e quando em estado bloqueado, suporta somente
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tenses positivas, ou seja id>0 e vce>0. Quando uma tenso adequada aplicada entre os termais
da porta e fonte, vge, o IGBT entra em conduo. Com a remoo da tenso vge o IGBT volta ao
estado bloqueado.
(b)
0
vCE
iC
vCE
+
_
iC
+
_vGE
(a)
C
E
G
On
Off
Figura 0.5 (a) Smbolo e (b) Caracterstica ideal de um IGBT.
GTO Gate Turn-off Thyristor
A caracterstica esttica do GTO mostrada na figura abaixo. O GTO pode entrar em
conduo por um pulo de corrente no gate, e uma vez em conduo no h a necessidade de
manter a corrente de gate para mante-lo conduzindo. O que diferencia o GTO do tiristor o fato
de uma vez em conduo poder retornar para o estado bloqueado pela aplicao de uma tenso
gate-catodo negativa, e como conseqncia resultando em uma corrente de gate elevada.
0
vAK
iA
(b)
On
Off
(a)
iA
vAK
+
_
K
A
G
iG
Figura 0.6 (a) Smbolo e (b) Caracterstica ideal de um IGBT.
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Combinao tpica de Semicondutores
As combinaes tpicas de semicondutores encontrados em conversores estticos so:
Tiristores em antiparalelo
0
v
i
(a) (b)
v
i
_
+
_+
+
_
Tiristores com diodo em Antiparalelo
v
0
i
(a) (b)
v
i
_
+
_+
+
_
BJT com Diodo em Antiparalelo
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(a) (b)
iB
v
+
_
i
0
v
i
On
Off
MOSFET com Diodo em Antiparalelo
(a) (b)
v
+
_
i
0
v
i
+_
On
Off
MOSFET com Diodo Serie
(a) (b)
v
+
_
0
v
ii
On
Off
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IGBT com Diodo em Antiparalelo
(b)
0
v
i
v
+
_
i
(a)
On
Off
IGBT com Diodo Serie
(b)
0
v
i
i
(a)
v
+
_
On
Off
Exerccio Proposto: Determine a caracterstica estticas, planosv-i, para os arranjos de semicondutores de potncia descritosabaixo:
a) IGBT com Diodo em Antiparalelo em anti-srieb) IGBT em uma ponte de diodosc) IGBT com Diodo Serie em antiparalelo.
Compare os arranjos dos itens a) , b) e c) e comente sobre as
possveis vantagens e desvantagens.
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Soluo de Circuitos Com Semicondutores de Potncia Idias
Uma vez estabelecida as caractersticas estticas dos principais semicondutores de
potncia (interruptores), vamos agora, atravs de exemplos, investigar o impacto do uso desses
interruptores no operao de circuitos com fontes e elementos passivos como resistores
capacitores indutores.
Exemplo 1 Seja o circuito da Figura 0.7, determine os etapas de operao,
bem como as principais formas de ondas do circuito. Considere que:
v= 311 sin(t) e R=10 sendo =377 rad/s.
Figura 0.7 Retificador de meia onda no controlado com carga resistiva
O circuito da Figura 0.7 apresenta duas etapas de operao que so definidas
a partir do estado do diodo, conduzindo e bloqueado. Como a tenso da fonte
peridica este circuito tambm deve apresentar um comportamento
peridico. Portanto, a seguir ser abalizado o circuito para o primeiro ciclo da
tenso da fonte v..
Etapa 1 . Durao 0
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etapa da mostrado na Figura 0.8 (a). As principais equaes que descrevem o
comportamento do circuito nessa etapa so:
vak= 0 V
iD = v / R
vR= v
Etapa 2 . Durao
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Figura 0.9 Formas de onda do retificador da Figura 0.7
Exemplo2 Seja o circuito da Figura 0.10, determine os etapas de operao,
bem como as principais formas de ondas do circuito. Considere que os
parmetros da Tabela II
TABELA II
v= 311 sin(t)R=10 =377 rad/svB= 100 V
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Figura 0.10 Retificador de meia onda no controlado com resistiva e fonte de
tenso
O circuito da Figura 0.10 apresenta duas etapas de operao que so definidas
a partir do estado do diodo, conduzindo e bloqueado.
Etapa 1 . Durao 1
= =
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Por outro lado ngulos 2 pode ser obtido do instante que a corrente sobre o
diodo passa por zero, ou seja:
2
o1
311sin( ) d0 com 0
dtlogo
100sin( ) 109.47
311
Bt DD
t v ii
R
a
=
= = . Pode-se
observar que a corrente no indutor no zero no incio de cada perodo, e esta
crescente. Portanto, se a corrente no for limitada ela danificar os componentes
do circuito, possivelmente o MOSFET!
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Exemplo 6 O circuito da Figura 0.34 um conversor CC-CC que se
caracteriza por operar com freqncia de comutao varivel. Este conversor
apresenta como vantagem a comutao em entrada em conduo e bloqueio
do IGBT com corrente nula. Aqui este conversor ser utilizado para
exemplificar a soluo de circuitos comutados de segunda ordem.
As seguintes hipteses so assumidas para a anlise do circuito:
(v) A tenso gate-emissor do IGBT descrita na Figura 0.35.
(vi) O circuito opera com freqncia varivel.
(vii) A corrente do indutor e a tenso no capacitor so zero no incio
de cada ciclo de funcionamento do circuito.
(viii)A durao do pulso de tenso gate-emissor tal que no momento
do bloqueio do IGBT a corrente circula pelo diodo em
antiparalelo com este.
(ix) A tenso da fonte de entrada e a corrente da fonte de sada so
constantes em um ciclo de operao.
Figura 0.34 Conversor CC-CC com frequncia varivel.
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Figura 0.35 Tenso gate-emissor para o converosr da Figura 0.34.
Como assumido que a corrente no indutor e a tenso no capacitor so nulas no
incio de cada ciclo de operao, ento, nesse instante a corrente de carga,
representada pela fonte de corrente, circula pelo diodo D. Com a entrada em
conduo do IGBT, no instante que a tenso gateemissor vai para 10V, inicia a
primeira etapa de operao desse conversor.
Etapa 1: Durao 0 < t< 1. O circuito equivalente dessa etapa mostrado
na Figura 0.36 e as equaes que governam a operao do circuito podem ser
obtidas aplicando a LKT no circuito equivalente, ou seja:
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com (0) 0
e 0
in
c
div L i
dt
v
= =
=
Solucionando a equao acima temos
1( ) para 0
e
0.
in
c
vi t t t
L
v
= < V
i t t I t L
= + >
para
Esta etapa dura at o instante que a corrente no indutor, depois de se tornar
negativa, vai zero. Dando incio da prxima etapa de operao.
O final desta etapa pode ser obtido a partir da equao acima:
2 1
2 1
0 sin( ( ))
1= (2 arcsin( )) +
VI
L
LI
V
= +
+
Onde o ngulo resultante da funo arcsin deve estar no quarto quadrante
com valores entre 0 e -/2.
A tenso do capacitor para esta etapa pode ser obtida a partir da integrao da
corrente no capacitor, o que resulta em:
1( ) (1 cos( ( ))c inv t v t = .
O valor final na tenso no capacitor ser:
2 2 1( ) (1 cos( ( ))c inv v =
Etapa 3: Durao 2< t< 3. Nesta a corrente de carga descarrega o capacitor
linearmente. O circuito equivalente dessa etapa mostrado abaixo
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Figura 0.38 Circuito equivalente para a Etapa 2.
A equao que governa o comportamento do circuito :
2 2 2 3( ) ( ) ( ) parac cI
v t t v t C
= +
Esta etapa termina em t=3 quando a tenso no capacitor passa por zero e
polariza diretamente o diodo, dando incio a ltima etapa de operao.
Etapa 4: Durao 3< t< T. Nesta etapa a tenso sobre o capacitor e a corrente
no indutor so nulas. Esta etapa dura at o intante que a tenso gate-emissor do
IGBT for novamente para nvel alto, 10 V, caracterizando assim, o incio de
uma etapa identica a etapa 1.
As principais formas de onda do circuito so mostradas na figura abaixo:
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Figura 0.39 Formas de onda no circuito da Figura 0.34 .
Quanto a durao do pulso de tenso entre gate e emissor do IGBT, Ton, este
deve ser tal que garanta que no momento do bloqueio do IGBT a corrente esteja
circulando pelo diodo em antiparalelo com este, ou seja, enquanto a corrente no
indutor for negativa. Portanto, a seguinte restrio deve ser satisfeita.
13_ max 2 _ min
2 1
13 1
onde
1= (2 arcsin( )) +
e
1( arcsin( ))
on
in
in
T
LI
v
LI
v
+
= +
onde o ngulo resultante da funo arcsin deve estar no quarto quadrante com
valores entre 0 e -/2.
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Note que o valor mximo de 3 e o valor de mnimo 2 ocorrem para a mxima
corrente de sada e a mnima tenso da fonte. Assim a durao Ton deve ser
determinada para essa condio de operao.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 13
3.35
3.7
4.05
4.4
4.75
5.1
5.45
5.8
6.15
6.5
2k
13k
k
Figura 0.40 .Variao dos 3 e 2 em dein
LI
v
=
Exerccio Proposto: Determine a mxima freqncia de operao do conversor
da Figura 0.34 em funo dos parmetros do circuito.
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1.2. Definies Bsicas
1.2.1. Valor MdioDada uma funo peridicaf(t)=f(t+T), onde T o perodo em que a funo se repete,
(constante), tem-se que seu valor mdio dado por:
1( )
t T
avg
t
f f t dt T
+
= (0.1)
Para formas de onda senoidais,favg = 0.
Para o produto de duas funes vavg e iavg, pavg = vavg iavg
1.2.1.1. Ex.: Calculo da tenso mdia de um retificador de meia onda
Dado o retificador meia onda do Exemplo 1 da Seo 1.1.5, determine o valor mdio da
tenso de sada:
( )220 2 sin 2 60 , 0( )
0 , 2o
t tv t
t
< =
<
Figura 0.1
Resoluo:
2
0
1 1( ) ( )2avg
t T
o o
t
v f t dt v t d t T
+
= =
2
0
1220 2 sin( ) 0
2avgov t d t d t
= +
( ) ( )0
311 311cos 1 1
2 2avgov t
= = +
99avgo
v V=
-
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1.2.2. Valor Eficaz
Dada uma funo peridicaf(t)=f(t+T), onde T o perodo em que a funo se repete,
(constante), tem-se que seu valor eficaz dado por:
21 ( )t T
rms
t
f f t dt T
+
= (0.2)
Para formas de onda senoidais,2
p
rms
ff = , ondefp o valor de pico da senide.
Para o produto de duas funes vrms e irms, prms = vrms irms
1.2.2.1. Ex.: Calculo da corrente eficaz em um retificador de entrada meia-onda
Dado o retificador meia onda do Exemplo 1 da Seo 1.1.5, determine o valor mdio da
tenso de sada:
, 0( )
0 , 2
I ti t
t
< =
<
Figura 0.2
Resoluo:
22 2
0
1 1( ) ( )
2
t T
rms
t
f f t dt i t d t T
+
= =
32
0
1
02rmsf I d t d t
= +
( )2 20
1 10
2 2rmsf I t I
= =
2rms
If =
-
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1.2.3. Distoro harmnica total
a razo entre o valor rms do contedo harmnico pelo rms da quantidade
fundamental, expressada em percentual, ou seja, se refere ao fator de distoro percentual de
uma tenso ou corrente com relao a uma senide.
Dada uma funo peridicaf(t)=f(t+T), por:
01
( ) cos sink kk
k x k xf x a a b
L L
=
= + + (0.3)
que tambm pode ser escrita da seguinte forma:
0 1 2 3
1 2 3
2 3( ) cos cos cos
2 3sin sin sin
x x xf x a a a a
L L Lx x x
b b bL L L
= + + + +
+ + + +
, (0.4)
ou ainda:
01
( ) sink kk
k xf x a c
L
=
= + + , (0.5)
onde
2
0
2
2
1
( )2
1( )cos , 1,2,...
1( )sin , 1,2,...
c L
c
c L
k
c
c L
k
c
a f x dxL
k xa f x dx k
L L
k xb f x dx k
L L
+
+
+
=
= =
= =
2 2k k kc a b= + e arctan
kk
k
a
b
=
.
A distoro harmnica desta funo pode ser escrita por:
( ) 221
1% 100%f k
k
THD cc
=
=
(0.6)
Escrevendo a THD para tenses e correntes, se obtm, respectivamente, as seguintes
equaes:
( ) 221
1% 100%V k
k
THD V V
=
=
(0.7)
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( ) 221
1% 100I k
k
THD I I
=
=
(0.8)
1.2.3.1. Ex.: Calculo da THD para uma dada forma de onda
Dada a seguinte forma de onda,
4 4 4( ) 4sin( ) sin(3 ) sin(5 ) sin(7 )
3 5 7f x x x x x= + + + (0.9)
cuja forma de onda mostrada na figura a seguir, obtenha a THD.
Figura 0.3
Resoluo:
1
3
5
7
4
4 / 3( )
4 / 5
4 / 7
c
cf x
c
c
= =
=
=
( )2 2 2
2
21
1 1 4 4 4% 100% 100%
4 3 5 7f kkTHD c
c
=
= = + +
( )% 41,41%fTHD =
1.2.4. Fator de Potncia
O fator de potncia entre duas funo peridicas de mesmo perodo v(t)=v(t+T) e
i(t)=i(t+T) definido como a razo entre a potncia ativa, dada em W, e a potncia aparente,
dada em VA, ou seja
PFP
S= (0.10)
onde P a potncia ativa, S a potncia parente.
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Alternativamente, o fator de potncia pode ser calculado com a combinao do fator de
deslocamento e da distoro harmnica total, ou seja,
2
1
1FP DF
THD=
+(0.11)
1.2.5. Fator de Deslocamento
O fator de deslocamento de duas funes peridicas de mesmo perodo v(t) e i(t), que
representam a tenso e a corrente em dado elemento, respectivamente, definido como o ngulo
de deslocamento de fase entre a componente fundamental da tenso v(t) e a componente
fundamental de corrente i(t). O fator de deslocamento dado por
( ) ( )1 1 1 1 1 11 1
cos cos V IDFV I
= = (0.12)
onde 1 e 1 so os ngulos de deslocamento da tenso e da corrente com relao a um dado
ngulo de referncia. Essa medida realizada no lado CA de um conversor e freqentemente
confundida com o fator de potncia, pois esta se confunde com o fator de potncia para funes
senoidais.
1.2.6. Fator de Utilizao uma medida comumente empregada em transformadores para se obter o ndice de
utilizao do mesmo. dado por:
1( ) ( )
t T
avg t
rms rms rms rms
v t i t dt p T
TUFv i v i
+
= =
(0.13)
1.2.7. Rendimento
uma figura de mrito que nos permite comparar a eficcia de um conversor esttico.Sua relao dada por:
out
in
p
p = (0.14)
ondepoutepin so as potncias de entrada e sada do conversor, respectivamente.
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1.2.8. Fator de Desequilbrio
O fator de desequilbrio de corrente (ou tenso) pode ser definido, como o mximo desvio
da mdia das correntes (ou tenses) trifsicas, divididos pela mdia das tenses ou correntes das
trs fases, expressadas em percentual, conforme mostra a seguir:
( ) max% 100%frms avg
avg
i iDesq
i
=
(0.15)
onde_ _ _
3
a rms b rms c rms
avg
I I I i
+ += .
Desequilbrios de corrente (ou tenso) podem tambm ser definidos fazendo-se usando
da teoria de componentes simtricos, onde a taxa entre componente de seqncias negativas ou
zero em relao a componente da seqncia positiva pode ser especificada como percentual de
desequilbrio, conforme mostrado a seguir:
( )componente de seq. negativa
_N % 100%componente de seq. positiva
Deseq
=
(0.16)
( )componente de seq. zero
_0 % 100%componente de seq. positiva
Deseq
=
(0.17)
comum a existncia de desequilbrios de percentuais entre 0 e 2% nas tenses da rede.
Desequilbrios de tenso maiores que 5 % so considerados como desequilbrios severos.
Um exemplo de desequilbrio mostrado na figura a seguir, onde considerou-se que em
um sistema trifsico a tenso nominal rms seja de 127 V por cada fase, porm a fase b apresenta
amplitude de tenso rms de 125 V, logo o desequilbrio percentual de 2 %.
Tenso(V)
Tempo (ms)
0 3,3 6,6 10 13,3 16,6-200
-100
0
100
200va(t) vb(t) vc(t)
Figura 0.4. Desequilbrio de tenso em um sistema trifsico.
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1.2.9. Fator de Ondulao
O Fator de Ondulao, tambm conhecido porripple factor, uma medida empregado
em sinais predominantemente contnuos que possuem sinais senoidais indesejveis. uma
medida do ndice de regulao de um dada funo contnua. Este fator de ondulao dado por:
2
21 1rms
avg
vRF FF
v
= =
(0.18)
onde FF conhecido por fator de forma, que dado por
avg
rms
V
FF V= (0.19)
1.2.10. Fator de Crista
definido como a razo de corrente (ou tenso) mxima ou de pico pela corrente (ou
tenso) eficaz de um dado circuito, como apresentado na seguinte equao:
p
rms
VCF
V= (0.20)
Para uma dada senide a relao entre o valor de pico e rms deve ser 2 . O fator de
crista usado para redefinir a capacidade de sada de transformadores, fontes ininterruptas de
energia (UPS) e outros equipamentos que alimentem cargas no lineares. Uma vez comparado
com o fator de crista da forma de onda senoidal se obtm o fator de correo da capacidade
(CCF), que representado por:
( )2
% 100%CCFCF
=
(0.21)
A potncia corrigida se calcula mediante o produto do fator de correo de capacidade
pela potncia nominal do equipamento por:
corrig nomkVA kVA CCF = (0.22)
Por exemplo uma carga no linear cujo valor de pico de corrente de fase seja If= 10 A, e
o valor eficaz desta corrente seja Irms=6,5 A, tem-se que o CF=1,53 e CCF=92,16%. Um
transformador cuja potncia nominal de 10 kVA, considerado pelo fabricante para
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alimentao de cargas lineares, s poderia operar com uma potncia de 9,216 kVA, devido aos
harmnicos presentes na carga.
Exerccio
Obter as todas as medidas de desempenho apresentadas para o seguinte circuito, para
todos os elementos a que se aplicarem.
Figura 0.5
Figura 0.6
Considerar que:
i) a corrente na carga em regime permanente, mostrada em detalhe, seja aproximada por uma
constante;
ii) a fonte de tenso senoidal, dada por ( ) 220 2 sin(2 60 )v t t= ;
iii) o transformador ideal.
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1.3. Dispositivos
1.3.1. Caractersticas dos Semicondutores de Potncia
Os principais dispositivos empregados em eletrnica de potncia tm evoludo
consideravelmente nos ltimos anos. Cada vez mais tem se desenvolvido dispositivos para
processar mais potncia, como pode se verificar na figura abaixo (extrado de Mohan, 2002).
Figura 0.1 Semicondutores de potencia disponveis no mercado em funo da corrente tenso e
freqncia de operao.
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Figura 0.2 Caractersticas gerais dos Semicondutores de Potncia.
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O maio desafio no projeto de semicondutores de potncia obter altas tenses de bloqueio com
baixas quedas diretas quanto em conduo. Outro desafio que aqueles dispositivos
semicondutores que apresentam altas tenses de bloqueio com baixas quedas diretas resultam
tempos de comutao significativos. A tenso mxima de bloqueio de uma juno p-n e a sua
regio de depleo so uma funo do grau de dopagem. Para obter altas tenes de bloqueio
necessrio reduzir a dopagem, e assim aumentar a resistividade. Por outro lado essa regio de
alta resistividade contribui significativamente para resistncia de conduo do diapositivo.
Assim dispositivos de alta tenso apresentam maiores resistncias de conduo do que
dispositivos de baixa tenso. Emdispositivos de portadores majoritriospor exemplo os
MOSFETS e os diodos Schottky, esse efeito responsvel pela dependncia da queda direta ousua resistncia de conduo com a tenso mxima de bloqueio. Por outro lado, e
dispositivos de portadores minoritrios,diodo de difuso, BJT , IGBT, SCR,GTO e MCT outro
fenmeno chamado demodulao de condutividade ocorre. Quando um dispositivo de
portadores minoritrios encontra-se em conduo portadores minoritrios so injetados na
regio de baixa dopagem atravs da juno que est diretamente polarizada. A elevada
concentrao de portadores minoritrios na regio de alta resistividade reduz a resistncia
aparente da juno p-n. Devido a esse fenmeno os dispositivos de portadores minoritrios
apresentam uma menor resistncia se comprado com os dispositivos de portadores majoritrios.
Deve ser salientado, que a vantagem dos dispositivos de portadores minoritrios de reduzir a
resistncia de conduo traz junto a desvantagem de aumentar os tempos de comutao. O
estado de conduo de qualquer semicondutor controlado pela presena ou ausncia de
algumas cargas dentro do dispositivo, e os tempos de entrada em conduo e bloqueio so uma
funo do tempo necessrio para colocar ou remover essas cargas. A quantidade total de cargas
que controlam o estado de conduo de dispositivos de portadores minoritrios muito maior
que as cargas necessrias para controlar um dispositivo equivalente de portadores majoritrios.Apresas dos mecanismos de insero e remoo das cargas de controle dos diferentes
dispositivos, (BJT,IGBT, MOSFET,DIODO,etc) serem diferentes, verdade que, devido a
maior quantidade de carga dos dispositivos de portadores minoritrios, esses apresentam tempos
de comutao significativamente maiores que os dispositivos de portadores majoritrios. Com
uma conseqncia dispositivos de portadores majoritrios so usualmente utilizados em
aplicaes de baixas tenses e alta freqncia, dispositivos de portadores minoritrios em altas
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tenses e alta potncia. A figura abaixo descreve as diferentes semicondutores e as suas
aplicaes tpicas.
1.3.1.1. Diodos
1.3.1.1.1. Caractersticas Principais
um dispositivo no-controlado (comuta somente espontaneamente);
Conduz quando diretamente polarizado (Vak>0) e bloqueia quando i
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Figura 0.3 Caracterstica construtiva de um diodo de potncia.
Suas caractersticas estticas ideais e reais so dadas por:
Observa-se que existe uma tenso mxima reversa de bloqueio Vrated, a partir da qual o
diodo entra em avalanche, que leva o componente sua destruio.
Suas caractersticas dinmicas so mostradas na figura a seguir:
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Figura 0.4 Caracterstica dinmica de um diodo do potencia.
Verifica-se que quando um diodo de potncia submetido a uma comutao abrupta, ou
seja, quando outro dispositivo desvia de maneira muito rpida a sua corrente, aparecem
significativas perdas durante a comutao. Na figura, se verifica que o tempo de recuperao
reversa (trr) e a carga armazenada na juno (Qrr) esto relacionadas diretamente com as perdas
de comutao. Este tempos podem ser calculados por:
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As perdas em diodos podem ser obtidas, de forma aproximada, com base na figura do
desempenho dinmico (obtida em data sheets de fabricantes):
Ptotal = Pon + Prec + Poff
Para um sinal peridico, temos que :
Perdas em conduo: Pon =IF_av VF+ IF_rms2
Ron
Perdas de recuperao: Prec = 0.5 tb VRIREC f
Perdas em bloqueio: Poff=IR_av VR .
D: razo cclica (tempo mdio em que o diodo conduz)
f: freqncia de comutao do diodo, em Hz.
IF, VF,IR, VR, tb, VR,IREC: obtidos do data-sheet do fabricante
1.3.1.1.2. Tipos
Diodos de uso geral
Estes diodos so os mais comuns no mercado, e tambm so conhecidos com line-frequency
diodes ou standard recovery diodes. So os diodos que foram desenvolvidos para operar em
freqncias muito baixas, geralmente menor que 1kHz.. Possuem baixa queda em conduo,
desta forma estes diodos esto aptos para operar at vrios kV de tenso e kA de corrente. Como
o tempo de recuperao desses dispositivos elevado (dezenas ou centenas de micro-segundos),
estes dispositivos no so indicados para trabalharem em altas freqncias. A figura a seguir
mostra um exemplo de abertura e fechamento de um diodo de uso geral, onde as correntes
(acima) e as tenses (abaixo) esto mostradas.
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Diodos rpidos (fast recovery diodes)
Diodos rpidos possuem trrda ordem de, no mximo, poucos micro-segundos, enquanto
nos diodos normais de dezenas ou centenas de micro-segundos. O retorno da corrente a zero,
aps o bloqueio, devido sua elevada derivada e ao fato de, neste momento, o diodo j estar
desligado, uma fonte importante de sobretenses produzidas por indutncias parasitas
associadas aos componentes por onde circula tal corrente. A fim de minimizar este fenmeno
foram desenvolvidos os diodos soft-recovery, nos quais esta variao de corrente suavizada,
reduzindo os picos de tenso gerados.
So dispositivos projetados para o uso em aplicaes envolvendo alta freqncia, onde um
pequeno tempo de recuperao necessrio. Em elevados nveis de potncia, possui trr de
poucos microssegundos ou at ns, alm disso, esta classe possui baixa queda em conduo
direta.
Diodos ultra-rpidos (ultrafast diodes)
uma famlia melhorada dos diodos rpidos. So semelhantes aos diodos rpidos em termos
de queda em conduo, porm possuem menor tempo de recuperao. Como recuperao ocorre
de forma suave, se elimina o uso de snubbers na maioria das aplicaes. Sendo um dispositivo
de portadores minoritrios, sua queda em conduo pequena, de tal forma que pode ser
aplicado em altas tenses de bloqueio. muito empregado em fontes chaveadas de alta
freqncia de alta eficincia, nos quais se incluem aqueles que operaram com comutao ZVS e
ZCS.
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Diodo Schottky
So dispositivos basicamente de portadores majoritrios, usados quando necessria uma
queda de conduo direta quase desprezvel em circuitos com baixa tenso de sada. Possuem
baixos tempos de recuperao, podendo operar em altas freqncias.
Estes diodos possuem uma queda de tenso em conduo muito baixa, tipicamente de
0,3V. Entretanto, a mxima tenso suportvel por estes diodos de cerca de 100V, sendo difcil
serem encontrados diodos Shottky para tenses reversas maiores que 45V. Alm disso, as
correntes de fuga reversas so altas se comparveis aos diodos por juno P-N. Note que,
diferentemente dos diodos convencionais (mostrado em uma figura anterior), assim que a
corrente se inverte a tenso comea a crescer, o que indica que esse dispositivo no possui
portadores minoritrios.
A aplicao deste tipo de diodos ocorre principalmente em fontes de baixa tenso, nas
quais as quedas sobre os retificadores so significativas.
Para ilustrar, mostramos o diferente comportamentos dos diodos durante as comutaes:
Figura 0.5
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1.3.1.1.3. Aplicaes
A tabela a seguir mostra uma comparao das tecnologias de diodos apresentadas.
Observa-se uma grande diferena entre as caractersticas dos diodos, principalmente em relao
aos tempos de comutao. Obviamente, dispositivos com caractersticas de desempenho melhor
so muito mais caros, e s devem ser considerados em projeto quando estritamente necessrios.
Tipo de diodoParmetro
(valores tpicos) Uso geral Rpido Ultra-rpido Shottky
IF (Av) 60A 60A 60A 60A
V 1600V 600V 400V 45V
VF 1.3V 1.1V 1.25V 0.69V
trr 400ns 70ns 8,5 ns 20ns
TJ -65 160oC -40 150 oC -55 - 175 oC -40 150 oC
Irr - 3.4A 8.8 A 2A
Qrr - 0.5 C 375 nC 800 nC
Componente 40HF 60HFU-600 60EPU04 MBR6045WT
Obs.: Os componentes exemplos so todos da International Rectifier (www.irf.com)
1.3.1.1. MOSFETS
Os MOSFETs de potncia so dispositivos semicondutores que possuem ocomprimento do Gate (porta) de aproximadamente alguns m. O MOSFET composto de
vrias pequenas clulas de modo ENHANCEMENT conectadas em paralelo sobre uma
superfcie de silcio (die). A seco transversal de uma clula ilustrada na Figura 1 abaixo.
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Figura 1 - Seo transversal de uma clula MOSFET.
A corrente flui verticalmente atravs de silicon wafer. A conexo do dreno metalizada feita
na parte de baixo do CI, enquanto a metalizao da fonte o da porta (Gate) na parte superior.
Em condies normais de operao, com vds0 ambos a juno p_n e p_n- so polarizados
reversamente. Na Figura 2 a tenso dreno para fonte aparece atravs da regio de depleo na
junop_n-. A regio n- fracamente dopada, com uma espessura tal que a tenso desejada de
bloqueio mxima alcanada.
Figura 2 Junop_n ep_n- polarizadas reversamente.
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A Figura 3 abaixo ilustra a operao no estado de conduo, com uma tenso de gate-
source suficientemente grande. Um canal se forma no substrato da regio do tipo p abaixo do
gate.
Figura 3 Canal no substrato tipop no MOSFET.
A corrente de dreno circula atravs do canal n-, pela regio n, e sai pelo contato do
source.
A resistncia Ron que caracteriza o MOSFET em conduo a soma da resistncia da
regio n-, do canal, e dos contatos de dreno e source. Na medida em que a tenso de bloqueio
do MOSFET aumenta a resistncia RON do canal n- se torna dominante. Como no existem
portadores minoritrios para causar a modulao de condutividade a resistnciaRon aumenta
significativamente na medida em que a tenso de bloqueio atinge algumas centenas de volts.
+
+
canal
-
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A junop_n- chamada de body diode, essa juno forma um diodo em paralelo com
o MOSFET. Esse diodo polarizado diretamente quando a tenso vds se torna negativa. Esse
diodo capaz de conduzir a corrente nominal do MOSFET. Entretanto geralmente o MOSFET
no otimizado com relao os tempos de recuperao desse diodo. As grandes correntes que
fluem durante a recuperao do diodo podem causar danos no componente. Deve ser ressaltado
que alguns fabricantes produzem MOSFET com Body diode com baixos tempos de
recuperao.
A caracterstica esttica tpica de um MOSFET mostrada abaixo.
Figura 4 Caracterstica esttica tpica de um MOSFET.
Quando a tenso vgs menor que uma tenso de threshold Vth, o dispositivo opera no
estado bloqueado. Um valor tpico de Vth 3V. Quando a tenso vgs maior que 6 a 7 volts o
dispositivo opera no estado de conduo. Valores tpicos da tenso de gate so 12 a 15 V para
minimizar as perdas de conduo.
Em conduo a tenso do MOSFET, vds proporcional a corrente de dreno. O MOSFET
capaz de conduzir corrente de pico que excedem o valor mdio da corrente e a natureza da
caracterstica esttica modificada em altos nveis de corrente.
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MOSFET de potncia que operam com tenso gate-source de 5V tambm so
disponveis. Alguns MOSFET de potncia do tipo P tambm so disponveis, mas eles so
pouco usados devido a sua performance inferior se comparados com os do tipo N.
A resistncia de conduoRon e a queda de tenso de conduo possuem coeficientes de
temperatura positivos. Devido a essa propriedade relativamente fcil colocar dispositivos
MOSFET em paralelo.Os MOSFETs de alta corrente so dispositivos disponveis contendo
vrios CIs conectados em paralelo.
As principais capacitncias do MOSFET so ilustradas na Figura 5 abaixo. Esse modelo
suficiente para um estudo qualitativo do comportamento como interruptor.
Figura 5 Principais capacitncias do MOSFET.
Os tempos de comutao so determinados pelo tempo necessrio para carregar e descarregar
essas capacitncias. Uma vez que a corrente de dreno funo da tenso gate-source, ento a
taxa de variao da corrente de dreno dependente da taxa de variao que a tenso gate-sourceque definida pelo circuito de comando (drive circuit).
A capacitncia dreno-source leva a perdas de comutao uma vez que a energia
armazenada nessa capacitncia geralamente perdida durante a entrada em conduo do
MOSFET.
A capacitncia gate-source essencialmente linear. Entretanto a capacitncia dreno-
source e gate para dreno so fortemente no lineares.
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( )
1
o
ds ds
ds
o
CC v
v
V
=
+
.(1)
Onde os parmetros Co e Vo so dependentes da geometria do componente.
Um outro parmetro que geralmente fornecido pelos fabricantes a carga de gate (Qg). Qg a
carga total que o circuito de comando deve fornecer para elevar a tenso de gate source de zero
at tipicamente 10 V, com uma tenso dreno-source pr-definida.
MOSFETS so dispositivos usualmente utilizados para tenses menores ou iguais a
400V. Nessas tenses, a queda de tenso direta igual ou superior a dos dispositivos de
conduo por portadores minoritrios. Os tempos de comutao so de 50n a 200 ns. Em
tenses superiores a 400 e 500V, os dispositivos formados por portadores minoritrios possuem
uma queda direta menor (IGBT). A nica exceo em aplicaes onde a velocidade de
comutao mais importante do que o custo do semicondutor para obter queda em conduo
aceitvel.
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1.3.1.1. Transistor de Juno Bipolar - BJT
A seo transversal de um BJT de potncia npn mostrada na Figura 1 abaixo.
Figura 1 - Seo transversal de um clula BJT.
Como em outros dispositivos de potncia, a corrente flui verticalmente atravs do semicondutor
wafer. A regio fracamente dopada n- inserida no coletor para obter a tenso de avalanche
requerida. O transistor opera no estado bloqueado quando as junes pn- e pn esto
reversamente polarizadas. A tenso coletor-emissor aparece essencialmente sobre a regio de
depleo da juno pn-. Por outro lado, o transistor opera no estado saturado quando ambos as
junes so diretamente polarizadas. No estado saturado, um nmero substancial de cargas
minoritrias esto presentes na regiop e n-. Essas cargas minoritrias fazem com que regio n-
,que normalmente apresenta uma resistividade elevada, reduza a sua baixa resistncia devido aoefeito modulao de condutividade condutivity modulation. Entre a regio de bloqueio e
conduo existe a regio ativa, onde a juno p-n diretamente polarizada e a juno pn-
reversamente polarizada.
Quando o BJT opera na regio ativa, a corrente de coletor proporcional aos portadores
minoritrios na base, a qual proporcional (em equilbrio) a corrente de base. Existe uma quarta
regio conhecida como quase-saturao, ocorrendo entre a regio ativa e de saturao.
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A quase-saturao ocorre quando a corrente base insuficientemente colocar o BJT na
saturao. As cargas minoritrias presentes na regio n- so insuficientes para reduzir a regio
de resistncia n-, e uma maior resistncia do transistor observada se comparado com a
saturao.
Considere um exemplo simples dado na Figura 2.
Figura 2 Etapas de operao do circuito com BJT.
O transistor opera bloqueado no intervalo 1 com a juno base emissor reversamente polarizada
. A entrada em conduo inicia no intervalo 2, quando a tenso da fonte comuta para um valor
positivo, ou seja vs(t)=Vs2. Uma corrente positiva suprida pela fonte vs para a base do BJT.
Essa corrente primeiro carrega as capacitncias associadas a regio de depleo das junespn e
pn-
que esto reversamente polarizadas. No final do intervalo 2 a tenso base-emissor excedezero suficientemente para a juno base-emissor se tornar diretamente polarizada. A durao do
intervalo 2 chamado de turn-on delay time. Durante o intervalo 3 os portadores minoritrios
so injetados atravs da juno base-emissor do emissor para a regio da base. A corrente de
coletor proporcional a carga na regio base. Ento durante o intervalo 3 a corrente de coletor
aumenta. Uma vez que o transistor esta acionando uma carga resistiva, a tenso de coletor
decresce nesse intervalo. Isso reduz a tenso atravs da juno base-coletor e tambm reduz a
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regio de depleo. Aumentando Ib1 (pela reduo RB ou incrementando Vs2) possvel
aumentar ambos as variaes de portadores minoritrios da base e a carga da capacitncia da
regio de depleo. Assim, aumentando Ib1 possvel reduzir os tempos de entrada em
conduo. Prximo do fim do intervalo 3, a juno pn- se torna diretamente polarizada. Os
portadores minoritrios so ento injetados na regio n-, reduzindo efetivamente a resistividade.
Dependendo da geometria e da magnitude da corrente de base, a tenso de calda pode ser
observada na medida em que a resistncia aparente da regio n- reduzida pelo efeito de
modulao da condutividade. O BJT atinge o equilbrio no comeo do intervalo 5, com
resistncia ON baixa, e com uma substancial quantidade de portadores minoritrios nas
regies n-
e p. Nesse intervalo as cargas minoritrias excedem a quantidade necessria parasuportar a conduo na regio ativa da corrente de coletor.
O bloqueio iniciado no intervalo 6, quando a tenso da fonte retorna para Vs1. A
tenso base-emissor permanece diretamente polarizada uma vez que os portadores minoritrios
esto na sua vizinhana. A corrente de coletor circular enquanto existir portadores minoritrios
em excesso para suportar a conduo na regio ativa. A corrente de base I b2. negativa remove
os portadores minoritrios armazenados na juno. Esse intervalo termina quando o excesso de
portadores minoritrios so removidos. A durao desse intervalo chamado de tempo de
estocagem ou Storage Time. Durante o intervalo 7 o BJT opera na regio ativa. A corrente de
coletor proporcional a carga armazenada. A recombinao e a corrente de base negativa
continuam a reduzir os portadores minoritrios da base, e a corrente de coletor diminui. No final
do intervalo 7 os portadores minoritrios armazenados so nulos. A juno base-emissor torna-
se reversamente polarizada. A durao do intervalo 7 chamada de tempo de descida. Durante
o intervalo 8 o capacitor associado da juno base-emissor descarregado at vs1. No intervalo
9 o transistor opera em equilbrio no estado bloqueado.
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Figura 3 Corrente de base idel do BJT.
A corrente acima uma corrente de base ideal. A corrente Ib1 alta, tal que a carga inserida
rapidamente na base, e assim h uma reduo dos tempos de entrada em conduo. Existe um
compromisso existe entre a amplitude corrente de equilbrio de conduo IBon e Storage Time. A
fim de que a queda de conduo seja pequena IBon deve ser grande mas assim h um aumento
excessivamente o excesso de portadores minoritrios o que aumenta tempo de estocagem.
A corrente Ib2 grande em magnitude tal que as cargas armazenadas possam ser
removidas rapidamente e os tempos de estocagem e desligamento sejam minimizados. Ainda,
os valores de Ib1 e Ib2 devem ser limitados para evitar falha no componente.
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1.3.1.1. Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
A seo transversal de um IGBT mostrada abaixo.
Figura 1 - Seo transversal de um clula IGBT.
O IGBT um dispositivo semicondutor moderno de quatro camadas de gate isolado.
Pode-se notar que o IGBT muito parecido com o MOSFET com relao ao tipo construtivo. A
diferena fundamental a regio p conectada ao coletor do IGBT. A funo da camada p de
injetar portadores minoritrios na regio n- quando o dispositivo opera na regio de conduo.
Quando o IGBT conduz a junopn- polarizada diretamente e portadores minoritrios
so injetados na regio n- e a resistncia reduzida pelo efeito de modulao de condutividade.
Isto reduz a resistncia ON da regio n-, que permite a construo de IGBTs de alta tenso de
bloqueio apresentar queda de tenso direta aceitveis. Em 1999 IGBTs de 600 V a 3300V eram
disponveis com quedas diretas entre 2 a 4 V, que so muito menor do que as de MOSFETs com
a mesma rea do semicondutor.
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Figura 2 Simbologia e circuito equivalente do IGBT.
O IGBT funciona como um MOSFET de canal n conectado a um transistor pnp. As
caractersticas fsicas desse componente so ilustradas abaixo.
Figura 3 Aspectos fsicos do IGBT.
Existem 2 correntes, a corrente do MOSFET i1 e a corrente dopnpi2.O preo pago por reduzir a tenso do IGBT o aumento dos tempos de comutao,
especialmente os tempos de desligamentos. O IGBT no desligamento apresenta uma corrente de
calda current tailing.
O MOSFET pode ser desligado rapidamente, removendo as cargas do gate. Isto faz com
que a corrente i1 v para zero.
coletor
emissor
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Entretanto a corrente i2 continua a circular at que os portadores minoritrios presentes
na regio n- sejam removidos. Uma vez que no existe maneira de remover esses portadores,
eles decaem lentamente por recombinao. Ento i2 decai coma recombinao dos portadores
minoritrios o que resulta em uma corrente de calda pode ser observada. A durao da corrente
de calda pode ser reduzida pela introduo de centros de recombinao na regio n- com o preo
pago de aumentar a resistncia ON.
O ganho de corrente pnp pode tambm ser minimizado causando i1 ser maior que i2. Mesmo
assim os tempos de comutao do IGBT so significativamente maiores que os dos MOSFET,
com tempos de fechamento de 0,5 s a 5 s. Hoje as freqncias tpicas de conversores com
IGBT so de 1 a 30 kHz. Finalmente, em conduo o IGBT pode ser modelado por um circuitocom mostrado na Fig.4, onde os valores de R e V so obtidos a partir do catalogo do fabricante,
veja Fig. 13 abaixo.
V
R
Figura 4 Modelo do IGBT em condio de conduo.
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1.3.1.1. Tiristores (SCR, GTO, MCT)
De todos os semicondutores de potncia o SCR ( silicon-controlled rectifier ) o mais
antigo, possui o menor custo por kVA, e capaz de controlar a maior quantidade de potncia.
Dispositivos de 5000 a 7000 V que suportam milhares de ampares so disponveis no mercado.
Em aplicaes de sistemas de potncia, especificamente em link transmisso CC, SCRs
comandados por luz ( light-triggered SCR - US Patent 5148253) conectados em srie so
empregados em retificadores e inversores comutados pela rede que operam com correntes de
alguns kA e tenses de at 1 MV. Um SCR de potncia ocupa um wafer de semicondutor de
alguns centmetros de dimetros e so montados em diferentes encapsulamentos, dentre eles
destaca-se os do tipo discos, como ilustrado na figura abaixo.
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Figura: SCR de grande potncia encaspulamento (press pack type).
O smbolo do SCR e um circuito equivalente contendo transistores NPN e PNP do tipo
BJT so ilustrados na figura abaixo.
Figura 1 - Simbologia e circuito equivalente para o SCR.
A seo transversal de um tiristor mostrada na figura 2 abaixo.
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Figura 2 Seo transversal para uma clula do SCR.
O transistorQ1 composto pelas regies n,p, n-, e o transistorQ2 pelas regiesp, n
-,p.
O SCR capaz de bloquear tenses positivas e negativas. Dependendo da polarizao da
tenso aplicada a uma das junes pn- polarizada reversamente. Em qualquer caso a regio de
depleo se estende na regio n- fracamente dopada. Como em outros dispositivos a tenso de
bloqueio obtida pela prpria espessura da regio n- e da concentrao de portadores nessa
regio.
O SCR pode entrar em conduo quando a tenso aplica vAK for positiva. Uma correntede gate positiva iG faz com que o transistor Q1 entre em conduo, isso supre corrente para o
transistorQ2 que entre em conduo. A conexo da base e do coletor dos transistores Q1 e Q2
constituem um lao de realimentao positiva. Desde que o produto dos ganhos dos dois
transistores seja maior que 1, ento, a corrente dos transistores ir aumentar regenerativamente.
Em conduo, a corrente do anodo limitada pelo circuito externo e ambos os transistores
operam saturados. Portadores minoritrios so injetados nas quatro regies, e como resultado do
efeito da modulao por condutividade leva a quedas diretas muito baixas. Em conduo o SCR
pode ser modelado como uma fonte de tenso srie com uma resistnciaRON.
Independentemente da corrente de gate, o SCR se mantm em conduo. Ele no pode se
bloquear a menos que uma corrente negativa de anodo seja aplicada.
No caso de conversores comutados pela rede, o bloqueio do SCR feito pela tenso de
entrada. Em conversores com comutao forada um circuito de comutao externo fora a
inverso de corrente no SCR.
A caracterstica esttica do SCR mostrada abaixo.
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Figura 3 Curva da caracterstica esttica do SCR.
Durante a entrada em bloqueio ( turn-off ), a taxa na qual a tenso anodo para catodo
reaplicada deve ser limitada para evitar que o SCR volte a entrar em conduo. O tempo tq o
tempo para que os portadores minoritrios armazenados nas regies p e n- sejam ativamente
removidos atravs de uma corrente de anodo negativa. Durante o bloqueio, a corrente negativa
remove ativamente os portadores minoritrios, com uma comutao semelhante a de um diodo.
Assim, aps do primeiro cruzamento por zero da corrente de anodo necessrio esperar um
tempo tq
antes de reaplicar uma tenso positiva entre anodo e catodo. A figura abaixo ilustra a
variao da carga armazenada com a derivada da corrente.
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Os SCRs usualmente apresentam uma rea relativamente grande, sem uma inter-
digitao do gate e do catodo. Elementos parasitas surgem da grande rea do SCR levam a
algumas limitaes. Durante a entrada em conduo a taxa de crescimento da corrente de anodo
deve ser limitada em um valor seguro, caso contrrio focos de corrente podem ocorrer que
levam a formao de pontos quentes hot spots, os quais podem levar a queima do dispositivo.
A forma rudimentar na qual a estrutura do gate e o catodo so arranjados no SCR impede que
seja possvel levar o SCR ao bloqueio atravs do gate.
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O GTO, Gate Turn Off Thyristors, um dispositivo moderno que pode ser desligado
pelo gate. O contato de gate e do catodo so interdigitados, de forma que toda a juno gate-
catodo pode ser reversamente polarizada durante a transio de bloqueio.
O ganho de desligamento do GTO a razo entre a corrente negativa de gate e a corrente
necessria para levar o dispositivo ao bloqueio. Valores tpicos de ganho so de 2 a 5. Isto
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significa que vrias centenas de ampares de corrente de gate negativa so necessrios para
bloquear um GTO de 1000 A.
Tambm importante a mxima corrente controlvel de conduo. O GTO capaz de
conduzir picos de corrente bastante significativos. Entretanto, s possvel levar ao estado de
bloqueio atravs do gate com valores de corrente de anodo inferiores a um valor limite
especificado pele fabricante.
A figura abaixo mostra formas de onda tpicas de um GTO.
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Outro dispositivo da famlia dos tiristores o MCT, MOS Controlled Thyristors. Este
um dispositivo recente, onde MOSFETs so integrados formando um SCR altamente
interdigitados, permitindo controlar a entrada em conduo e o bloqueio. Da mesma forma que
o MOSFET e o IGBT, o MCT um dispositivo de um nico quadrante no plano vak x ia. No
MCT a entrada em conduo e o bloqueio so controlados pela tenso entre gate e anodo. A
seo transversal de um MCT contm MOSFET mostrado na figura abaixo.
Figura 4 Seo transversal para uma clula doMCT.
O circuito equivalente do MCT mostrado abaixo.
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Figura 5 Circuito Equivalente de um MCT.
Na entrada em conduo do MCT, a tenso gate para anodo levada para um valor negativo.
Isto polariza diretamente o canal p do MOSFET Q3, polarizando diretamente a juno base-
emissor de Q1.
O transistor Q1 polariza diretamente o Q2 que se mantm em conduo. Para levar o
MCT ao bloqueio, a tenso gate para anodo deve ser levada para um valor positivo. Isto polarizadiretamente o MOSFET de canal n,Q4, que por sua vez polariza reversamente a juno base-
emissor do BJT Q2 levando ao estado bloqueado. importante que a resistncia do MOSFET
seja pequena o suficiente de forma a influenciar a corrente de catodo. Isto estabelece a mxima
corrente controlvel de conduo, ou seja, a mxima corrente que pode ser bloqueada pelo gate.
O MCT de tenso elevada apresenta tenso direta inferior e maior densidade de corrente que o
IGBT para mesma tenso e rea de semicondutor. Entretanto, os tempos de comutao so
maiores. Como o GTO, o MCT pode conduzir correntes elevadas, mas a mxima corrente que
pode ser interrompida pelo gate limitada. Para obter transies ao bloqueio confiveis,
circuitos de proteo (snubbers) devem ser utilizados. O MCT ainda um dispositivo
semicondutor emergente, sendo que geraes futuras de MCT podero apresentar caractersticas
mais satisfatrias.
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1.4 Magnticos
Reviso de Magnetismo
Os elementos magnticos so uma parte integral de todos os conversores estticos.
Freqentemente, o projeto de dispositivos magnticos no pode ser feito de uma forma isolada.
O Engenheiro de eletrnica de Potncia deve no s projetar o conversor, mas tambm projetar
os elementos magnticos. Aqui a teoria bsica do magnetismo revisada, incluindo circuitos
magnticos, modelo de indutores e transformadores. Os mecanismos de perdas em dispositivos
magnticos so tambm abordados.
Relaes Bsicas
A fora magnetomotriz F um escalar que proporcional a integral do campo
magntico entre dois pontos, ou seja,
2
1
y
y
= Hdl
ondedl um vetor infinitodecimal na direo do caminho lm.
O produto escalar indica que a componente do campo ao longo do caminho. Se o
campo magntico uniforme ao longo do caminho, tem-se,
H l =
Por outro lado o fluxo magntico passando pela superfcie S com reaA obtido por:
superfcie S
= BdA
onde dA um vetor com direo normal a superfcie. Para uma densidade de fluxo magntico
uniforme.
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cB A =
Lei de Faraday
A lei de Faraday relaciona a tenso induzida em uma espira com a variao de fluxo passando
no interior da espira, isto :
( )d
v tdt
=
Figura 1 Representao da lei de Faraday
Para uma densidade de fluxo uniforme
( ) cdB
v t Adt
=
Assim a tenso induzida em uma espira est relacionada com a variao temporal
densidade de fluxo no interior da espira.
Lei de Lenz
A tenso induzida pela variao de fluxo (t) possui uma polaridade que tende a geraruma corrente que gera um fluxo que se opem a variao do fluxo.
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Figura 2 Ilustrao da Lei de Lenz.
Lei de Ampre
A Lei de Ampre relaciona a corrente em um enrolamento com a fora magnetomotriz e
o campo magntico H. A fora magnetomotriz em um caminho fechado igual a corrente
passando no interior desse caminho. Seja como exemplo o ncleo magntico com uma espira
passando uma corrente i(t) atravs do centro da janela. Vamos considerar o caminho fechado lm.
corrente que passa atraves do caminho=Hdl Se o campo for uniforme ento,
( ) ( ) ( )t H t l i t = =
Por outro lado, a relao entreB eH:
=B H Sendo a permeabilidade dependente do meio. Para o espao livre a permeabilidade =0
4x10-7 em Henries por metro em MKS. A figura 2 ilustra a curva BH tpica de uma liga de ao
quando sujeita a uma excitao senoidal em regime permanente.
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Figura 2 Curva BH no espao livre e para liga de ao.
A caracterstica BH dos materiais magnticos so no-linear e exibem histerese e
saturao. Com o objetivo de simplificar a anlise a caracterstica do material pode ser
modelada por uma curva linear por partes como mostrado na figura abaixo.
A permeabilidade de uma material magntico pode ser expressa pelo produto da
permeabilidade relativa e a permeabilidade o do espao livre (=ro ). Valores tpicos de o
so de 103 105 para matrias magnticos.
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Materiais com lao quadrado exibem um tipo de caracterstica de saturao abrupta.
Materiais soft exibem uma caracterstica de saturao menos abrupta que gradualmente
reduz com o aumento de H.
O valor tpico deBsat de 1 a 2 Tesla para o ao laminado e 0,5 e 1 tesla para materiais
p de ferro ( iron powder, molypermalloy ) enquanto materiais o tipo ferrite possuem um Bsat
entre 0,25 a 0,5 Tesla.
Com objetivo de determinar as caractersticas eltricas de um circuito contendo
elementos magnticos vamos considerar um simples indutor.
Da lei de Faraday temos que a tenso induzida no enrolamento devido ao fluxo no interior do
ncleo, :
( )espirad
v tdt
= como o enrolamento possui n espiras a tenso total nos terminais do
enrolamento ser:
( )( )d t
v t ndt
=
Assumido que a densidade de fluxo magntico uniforme atravs ento
( )( )
c
dB tv t nA
dt=
Por outro lado, se considerarmos tambm que o campo magntico uniforme ao do caminho
magntico do ncleo, lm, e lembrando que o enrolamento possui n espiras da lei de Ampere
temos:
( ) ( )H t l n i t =
-
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ELC 1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia_______________________________ 102
Com o objetivo de simplificar a curvaBHvamos considerar a curva linear por partes que no
considera a histerese mas considera a saturao, mostrada anteriormente. Assim a relao entre
a densidade de fluxo magntico e campo magntico pode ser expressa por:
para
para
para
sat sat
sat
sat sat
B H B
B H H B
B H B
>
= > <
Na regio de saturao a inclinao da curvaBH definida poro que muito menor que e
assim ser desprezada. A corrente de saturao pode ser definida por:
ou
sat m sat
sat msat
sat msat
H l n i
H lin
B li
n
=
=
=
Vamos considerar agora que a corrente no circuito seja menor que a corrente de saturao,
|i(t)| < isat, assim a tenso induzida nos terminais do enrolamento pode ser expressa por:
( )( )
c
dH tv t nA
dt=
ainda, utilizando a relao entre a corrente e campo magntico obtida da lei de Ampere temos:
( )2 ( )c
m
n A di tv t
l dt=
Definindo a indutncia como
2c
m
n AL
l=
tem-se a relao usual da tenso e corrente em um indutor:
( )( )di t
v t Ldt
=
que vlida para uma densidade de fluxo menor que Bsat. Quando a corrente for superior a
corrente de saturao a permeabilidade reduz significativamente e a tenso induzida
praticamente nula.
-
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Circuitos Magnticos
Para a soluo de circuito com elementos magnticos mais complexos til obter um
circuito magntico a parmetros concentrados. Vamos considerar um elemento magntico
mostrado abaixo:
c c
H l
Bl
ll
A A
=
=
= =
=
Note que a ultima equao possui uma forma semelhante a lei de ohm. Essa equao estabelece
que o fluxo magntico atravs de um elemento proporcional a fora magnetomotriz. A
constante de proporcionalidade a relutncia. Assim podemos desenhar o seguinte elemento de
circuito magntico:
-
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Estruturas magnticas complexas contendo entreferro podem ser representas por circuito
magnticos equivalentes. Esse circuitos magnticos podem ser solucionados de forma
semelhante a circuitos eltricos. A lei de Kirchoff das correntes pode ser aplicada uma vez que
das leis de Maxwell tem-se que o divergente da densidade de fluxo magntico zero. Ou seja,
no existe fonte ou sorvedouro de campo magntico, assim os somatrios dos fluxo entrando e
saindo de um n em um circuito magntico nulo.
Por outro lado, anlogo a lei de Kirchoff das tenses a lei de Ampere.
corrente que passa atraves do caminho=Hdl O lado esquerdo da equao representa as quedas de FMM sobre as relutncias e o lado direito
as fontes de FMM. Sendo o somatrios as duas nulos sobre um caminho fechado.
Vamos considerar um indutor com um entreferro mostrado abaixo:
-
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2
2
( )
a tenso induzida nos ternimais do indutor serv
( )( )
ou
( )( )
( )
definindo a indutncia como
( )
resulta
( )( )
c g
c g
c g
ni
d tv t n
dt
n di t v t
dt
nL
di tv t L
dt
= +
=
= +
= +
=
O entreferro utilizado em indutores por duas razes: Sem o entreferro a indutncia
proporcional a permeabilidade do material magntico do ncleo que depende as temperatura e
do ponto de operao e difcil de ser controlada. Como a relutncia do entreferro geralmente
maior que a do ncleo e o entreferro possvel obter valores de indutncia que so pouco
dependentes da permeabilidade do ncleo. Segundo a introduo do entreferro a corrente de
saturao bem superior.
-
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A corrente de saturao com o entreferro ser:( )sat c
sat c q
B AI
n= +
assim a corrente de saturao maior com o entreferro, mas o valor da indutncia menor.
Vamos considerar agora o caso de um transformador com dois enrolamentos como o
mostrado na figura abaixo onde tambm mostrado o circuito magntico equivalente
Considerando que o ncleo possui uma seo transversal Ac, um comprimento mdio lm
e uma permeabilidade ento a relutncia do ser:
mc
c
l
A =
Assim da lei de Ampere temos:
1 1 2 2
1 1 2 2
c
c
n i n i
n i n i
= +
= +
E em um transformador ideal a relutncia zero ento
1 1 2 20 n i n i= +
-
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Sendo a tenso induzida nos enrolamentos so obtidas pela lei de Faraday, ou seja
1 1
2 2
dv n
dt
dv n
dt
=
=
com o fluxo o mesmo temos:
1 2
1 2
v v
n n=
Para um transformador rela a relutncia do ncleo diferente de zero ento a tenso induzida
pode ser relacionada com corrente da seguinte forma:
21 22
1 11
( )n
d i in n
vdt
+=
definindo
-
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21
21 2
1
1
e
temos
M
M
MM
nL
ni i i
n
div L
dt
=
= +
=
No circuito acima a indutncia de magnetizao est referida para o primrio, ou seja o lado do
enrolamento n1. A indutncia de magnetizao modela a magnetizao do ncleo, e essa exibe
tanto o histerese quanto saturao. Note que a presena da indutncia de magnetizao faz com
que a relao entre a corrente primria e secundria seja diferente da relao de espiras. O
transformador satura quando a densidade de fluxo magntico maior do que o de saturao, e
na regio de saturao a corrente de magnetizao aumenta significativamente. importante
salientar que a saturao de um transformador uma funo do produto tenso tempo, ou seja
11
M
M
i v dt L
=
ou in ternos de fluxo, apartir da lei de Faraday
11
1( ) ( )
c
B t v t dt n A
=
Assim aumentado o numero de espiras ou a seo transversal do ncleo pode-se reduzir a
densidade de fluxo e evitar a saturao do transformador.
-
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Na prtica nem todo do fluxo que cruza o enrolamento n1 cruza o enrolamento n2, parte
do fluxo disperso no ar ou em parte do ncleo. Esse fluxo disperso pose ser representado por
uma indutncia em srie com os enrolamentos com mostrado na figura abaixo, onde o circuito
equivalente tambm mostrado.
Note que a indutncia de disperso faz com que a relao entre a tenso v1 e v2 seja diferente do
nmero de espiras. As equao do transformador freqentemente escrita da seguinte forma:
1
1 11 12
2 12 22 2
di
v L L dt
v L L di
dt
=
-
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OndeL12 chamada de indutncia mtua e dada por:
1 2 212
1M
n n nL L
n= =
e as quantidadesL11 eL22 so conhecidas com auto-indutncias
11 1
2
222 1
1
l M
l M
L L L
nL L L
n
= +
= +
Note que
1
1 11 12
2 12 22 2
di
v L L dt
v L L di
dt
=
no traz a relao de espira de uma forma explicita mas
expressa em funo de grandezas eltricas. Essa equao pode ser usada para obter a relao de
espiras efetiva, ou seja
22
11e
Ln
L=
e o coeficiente de acoplamento
12
11 22
Lk
L L=
O coeficiente de acoplamento 0
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Mecanismos de Perdas em Dispositivos Magnticos
1.1Perdas no Ferro
Energia necessria para efetuar uma mudana na magnetizao de um ncleo
magntico. Nem toda a energia removida na forma eltrica, uma frao perdida na forma de
calor. Essas perdas magnticas so observadas histerese na curvaB-H.
Considere um indutor excitado com uma tenso v(t), i(t) tendo uma freqncia f. A
energia lquida que no indutor sobre um ciclo :
( ) ( )one c ic lo
W v t i t dt = . (2)
Ns podemos relacionar a caractersticaB-H. SubstituindoB(t) porv(t) usando a lei de Faraday,
e substituindo campo magnticoHusando a lei de Ampre tem-se:
( ) ( )
m
c
one cic lo
dB t H t lW nA dt
dt n
=
. (3)
c m
one cic lo
W A l H dB= . (4)
O termo Aclm o volume do ncleo, enquanto a integral a rea no interior do lao B-H.
en erg ia p erd id a V olu me d o n ucleo (area d o lao - )B H= . (5)
As perdas por histerese PH igual a energia perdida por ciclo multiplicada pela
freqnciaf.
H c m
one cic lo
P f A l HdB= . (6)
Onde observa-se pela equao anterior que as perdas por histerese so diretamente
proporcionais a freqncia.
Ncleos magnticos so ligas ferro que infelizmente tambm so bons condutores
eltricos. Como resultado campos magnticos podem causar o fluxo de corrente alternada
dentro do ncleo. Como no exemplo ilustrado na Figura 1.
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Figura 1 Eddy currents no material de ferro
O fluxo CA passa pelo ncleo, e de acordo com a lei de Lenz induz corrente (Eddy current) que
gera um fluxo que se ope a essa variao. Essas correntes causam perdas i2R. Essas correntes
so especialmente significativas em altas freqncias.
De acordo com alei da Faraday o flux (t) induz uma tenso, que produz uma corrente
conforme a figura anterior. Como a tenso proporcional a derivada do fluxo, a magnitude
aumenta de forma diretamente proporcional com a freqncia de excitao. Se a impedncia do
ncleo puramente resistiva e independente da freqncia, ento a magnitude da tenso
induzida que resultam nas Eddy currents tambm aumenta diretamente proporcional com a
freqncia. Isto implica que as perdas i2R associadas asEddy currents deveria aumentar com o
quadrado da freqncia. Em ferrites, a impedncia na realidade diminui com a freqncia f.
Existe um compromisso entre densidade de saturao e as perdas no ncleo. O uso de altas
densidades de fluxo reduz o tamanho, peso e custo. O ao silcio apresenta uma densidade de
fluxo de saturao entre 1.5 e 1.2 T. Infelizmente esses materiais apresentam altas perdas no
ncleo. Em particular a baixa resistividade desse material eleva as Eddy currents. O ncleo
produzido em finas lminas para reduzir a magnitude dasEddy currents.
Outras ligas de ferro podem conter molibdnio, cobalto ou outros elementos que
apresentam menores perdas no ferro ao preo de reduzir as densidade do fluxo de saturao.
Ligas de ferro so tambm utilizadas em ncleos porosos, contento partculas demateriais magnticos com dimetro suficientemente pequeno, tal que geram Eddy currents
pequenas. Essas partculas so unidas usando um material isolante. Ferro poroso (Iron Powder)
molybdenum permalloy powder apresentam densidade de saturao entre 0,6 a 0,8 T, com
perdas significativamente menores que a dos materiais porosos laminados.
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O isolante funciona com um entreferro distribudo, ento esses ncleos possuem uma
permeabilidade relativamente baixa. Ncleos porosos encontram aplicao em transformadores
de freqncia de alguns kHz, e em indutores para conversores chaveados de at 100 kHz.
Ligas Amorfos exibem uma baixa perda por histerese. A condutividade do ncleo
menor que das ligas de material ferroso, mas maior que a dos ferrites. O fluxo de saturao varia