1

CAPÍTULO 2 - DIODO DE POTÊNCIA :

2.1 - CARACTERÍSTICAS DO DIODO :

O diodo de potência tem uma importância muito grande em circuitos eletrônicos depotência. Ele pode ser utilizado em retificadores ( conversor CA/CC ), como diodo deretorno ( freewheeling diode - transferência de energia ), isolador de tensão, etc.

Em algumas análises, o diodo pode ser assumido como uma chave ideal mas,sempre observando que este componente tem algumas limitações.

O diodo de potência tem configuração similar ao diodo de sinal, sendo que operaem uma faixa de potência bem maior que o diodo de sinal. Na formação deste diodo, sãoutilizados três processos de dopagem no mesmo componente. Inicialmente há uma fortedopagem da região n que forma o catodo do diodo; uma dopagem, de menor intensidade,forma uma camada intermediária responsável pela barreira de potencial do diodo. Aterceira dopogem que utiliza o processo de difusão, tem a função de formar o anodo dodiodo ( região p ).

A área do anodo varia de acordo com o valor de corrente que este deverá suportar.Para diodos que suportam milhares de ampères, a área pode ter vários cm2.

A velocidade de chaveamento é menor, no diodo de potência, quando comparadocom o de sinal.

p

n

A

K

A

K

(a) (b) (c)

Figura 1.7 : a) estrutura; b) símbolo; c) característica VxI do diodo

A característica VxI do diodo pode ser representada pela expressão :

( )I I eD SV VD T= −. /η 1

(1.1.)

I

V

Vr

Vk

2

onde :

ID ⇒⇒⇒⇒ corrente através do diodo

VD ⇒⇒⇒⇒ tensão sobre o diodo

IS ⇒⇒⇒⇒ corrente de fuga ( 10-15 A ≤ IS ≤ 10-6 A )

ηηηη ⇒⇒⇒⇒ coeficiente de emissão ( 1 a 2 ) : depende do tipo de material de que éconstruído o diodo

VT ⇒⇒⇒⇒ constante de tensão térmica

VT = k.T temperatura absoluta

constante de Boltzmann = 1,3806x10-23J/K

VT ( 25° C ) ≅ 25,8mV

2.1.1 - CARACTERÍSTICA DE RECUPERAÇÃO REVERSA :

A corrente em uma polarização direta do diodo é devido ao efeito de portadoresmajoritários e minoritários. Quando o diodo está conduzindo e sua corrente direta é levadaà zero (comutação natural ou forçada ), o diodo continuará conduzindo devido aosportadores minoritários que permanecem armazenados na junção pn e no corpo do diodo .Estes portadores necessitam de um certo tempo para se recombinarem com cargas opostase se neutralizarem. Este tempo é chamado de tempo de recuperação reversa ( trr ) dodiodo.

Na figura 1.8 é mostrada a característica de recuperação reversa para uma diodo. Otempo trr é medido à partir do instante em que a corrente pelo diodo passa por zero, até oinstante em que a corrente no diodo é de 25% do máximo valor ( pico ) da correntereversa Irr.

O tempo trr é composto de duas componentes ta e tb. ta é devido às cargasarmazenadas na região de depleção do diodo e, tb é devido às cargas armazenadas no corpodo diodo. A razão tb/ta fornece o fator de amortecimento ( softness factor SF ). Assim :

trr ta tb= + (1.2.)

A corrente reversa de pico do diodo é expressa por :

Irr tadi

dt= . (1.3.)

3

Figura 1.8

O tempo trr depende da temperatura da junção do diodo, da taxa de descida dacorrente direta e da corrente direta imediatamente antes da comutação.

A carga de recuperação reversa Qrr, é a soma das cargas portadoras que fluematravés do diodo, na direção contrária devido a mudança da polarização do diodo. Estevalor de Qrr é determinado por :

Qrr Irr ta Irr tb Irr trr= + =1

2

1

2

1

2. . . . . . (1.4.)

ou :

IrrQrr

trr=

2. (1.5.)

Substituindo 1.4 em 1.5, tem-se que :

trrQrr

didt

=2.

(1.6.)

Irr Qrrdi

dt= 2. . (1.7.)

Pode-se verificar nas expressões acima que tanto o tempo de recuperação reversatrr, quanto o valor de pico da corrente de recuperação reversa Irr, dependem da cargaarmazenada Qrr e da taxa de decrescimento de corrente di/dt. A carga armazenada Qrrdepende da corrente direta do diodo IF. As grandezas Irr, Qrr e o SF são elementosimportantes na especificação do componente para uma determinada aplicação, e devem serfornecidos pelo fabricante.

Se o diodo está reveramente polarizado, circula apenas uma pequena corrente defuga devido aos portadores minoritários. Aplicando-se então uma tensão direta nosterminais do diodo, estabelece-se uma corrente direta. Para que esta corrente sejaestabelecida, gasta-se um tempo chamadao de tempo de recuperação direta ( foward

i

t

t

I

0

I

4

recovery time ). Se a taxa de crescimento da corrente direta é alta e a corrente estaconcentrada em uma pequena área da junção, o diodo pode falhar. Assim, o tempo derecuperação direta limita a taxa de crescimento da corrente direta e a velocidade dechaveamento do componente.

2.2 - TIPOS DE DIODOS DE POTÊNCIA :

Dependendo das características de recuperação reversa e das técnicas de fabricação,os diodos de potência podem ser classificados em três categorias :

* diodo de uso geral;

* diodo de recuperação rápida;

* diodo Schottky.

a) - Diodo de uso geral : estes diodos apresentam um tempo de recuperaçãoreversa relativamente alta ( ≈ 25µs ) e, são utilizados em aplicações de baixa velocidade,onde o tempo de recuperação do componente não é crítico ( retificadores, conversores debaixa frequência - 1kHz , conversores com comutação pela linha ). Estes diodos trabalhamdentro de uma faixa que varia de 1A até milhares de ampères e de 50V até 5000V.

b) - Diodo de recuperação rápida : estes diodos tem um tempo de recuperaçãobaixo ( >5µs ). São utilizados em conversores CC/CC e CC/CA, onde a velocidade derecuperação é importante. Estes diodos operam em uma faixa desde 1A até centenas deampères e de 50V até 3000V.

c) - diodo Schottky : estes diodos apresentam um tempo de recuperação reversamuito pequeno e com uma tensão de polarização direta VD de aproximadamente 0,25V.Opera em uma faixa de tensão de até 100V e de corrente de até 300A. São ideais parafontes CC de alta corrente e baixa tensão, computadores digitais ( alta velocidade ), etc.

2.3 - Características de chaveamento :

Os tempos de recuperação direta e reversa do diodo de potência, são parâmetrosmuito importantes e serão analisados a seguir. Observando o circuito e as suas formas deonda nas figuras 1.9a e 1.9b, respectivamente, pode-se analisar o circuito.

5

Vs

SD1

Dr

R

Li2

i1

iL

RsCs

Ls

Figura 1.9 : a) circuito; b) formas de onda

Quando a chave S é fechada em t=0 e permanece por um certo tempo, a corrente nacarga em regime permanente é :

R

VI S

L ==== (1.8.)

O diodo de retorno Dr está reversamente polarizado, neste período. Se a chave S éaberta em t=t1, o diodo de retorno Dr passa a conduzir a corrente de carga iL.

Se, agora, a chave S é novamente fechada, o diodo Dr comporta-se como um curto-circuito. Os valores das correntes nos diodos D1 e Dr podem se tornar altos, vindo adanificá-los. Para eliminar este problema, basta colocar um indutor Ls em série com achave S. Assim, o grau de crescimento da corrente através de D1 e Dr é dado por :

(a)

trr

Ip

t

t

t

(b)

iL

Io

i1

Io

i2

Io

-Irr

6

didt

VsLs

= (1.9.)

Se trr é o tempo de recuperação reversa de Dr, a corrente Ir é :

I tdidt

tVLr rr rr

s

s= =. . (1.10.)

Assim a corrente através do indutor é :

I I I I tVLindutor r rr

s

s= + = +0 0 . (1.11.)

Quando a corrente no indutor for igual a Ip, o diodo Dr comuta rápidamente.Devido a carga ser altamente indutiva, a corrente não pode variar instantâneamentede I0 par Ip. O excesso de energia armazenada no indutor pode induzir uma tensãoreversa sobre Dr e danificá-lo.

W L I I Ir s r= + −12 0

202. .[( ) ] (1.12.)

Para evitar este problema, um capacitor Cs e um resitor Rs são colocados emparalelo com Dr.

O capacitor absorve a energia armazenada em Ls e o resitor extingue oscilaçõestransitórias. O valor de Cs é dado por :

CWVS

r

C

= 2 2. (1.13.)

2.4 - CONEXÕES SÉRIE E PARALELO DO DIODO :

a) - Conexão série :

Em muitas aplicações de alta tensão ( transmissão em HVDC ), apenas umdiodo não é suficiente para suportar as altas tensões a que estará sujeito. Assim, diodos sãoligados em série de forma a aumentar a capacidade do sistema quando sujeito à tensãoreversa.

No circuito da figura 1.10, tem-se dois diodos ligados em série. Na prática, acaracterística VxI para o mesmo tipo de diodo, é diferente devido às tolerâncias em seusprocessos de produção.

I

7

-

+

Vs

D1

D2

VD1

D2V

-

-+

+

(a) (b)

Figura 1.10 : a) circuito com dois diodos em série; b) características VxI

Na região direta, os diodos conduzem a mesma corrente e as quedas de tensão diretanos diodos são praticamente iguais. No entanto, na região reversa, cada diodo tem queatingir a mesma corrente de fuga e assim, as suas tensões reversas VD1 e VD2 são diferentes.

Para se solucionar este problema, basta se conectar um resistor R, de mesmo valor,em paralelo com cada diodo, como é mostrado na figura 1.11.

(a) (b)

Figura 1.11 : a) circuito modificado; b) características VxI

(1.14.)

mas :

(1.15.)

Logo :

IVR

IVRS

DS

D1

1

12

1

2+ = + (1.16.)

V

-

V

-IS

1

-

8

Como R1=R2=R, e as tensões VD1 e VD2 dependem da característica VxI de cadadiodo, os valores VD1 e VD2 podem podem ser determinados por :

IVR

IVRS

DS

D1

12

2+ = + (1.17.)

V V VD D S1 2+ = (1.18.)

As tensões transitórias sobre os diodos podem ser minimizadas através da conexãode capacitores e resitores em paralelo com os diodos, como mostrado na figura 1.12.

R

R

R

R

1

22

1 s

s

C

C

D

D

s

s

Figura 1.12

b) - Conexão paralelo :

Em aplicações de potência, diodos são ligados em paralelo, de forma a aumentar acapacidade de corrente do circuito. As correntes através dos diodos terão valores de acordocon suas respectivas quedas de tensão direta. Para se ter correntes aproximadamente iguais,colocam-se indutâncias iguais em série com cada diodo. Também podem ser especificadosdiodos com o mesmo valor de queda de tensão direta, ou do mesmo tipo.

A figura 1.13 mostra um circuito com dois diodos em paralelo, de forma à dividir acorrente total Is.

9

D D

R R

LL

Vs

+

-1

1

1

2

2

2

Figura 1.13

2.5 - DIODOS COM CARGA RC, RL E RLC :

a) - CARGA RC :

Dado o circuito da figura 1.14a, abaixo :

+

-

Vs

SD

R

i +

-

VR

C CV

+

-

(a) (b)

Figura 1.14 : a) circuito RC; b) características i e Vc

i

t

Vs

t

V

τ

V

10

A equação de tensão do circuito é :

V V VS R C= + (1.19.)

V R iC

i dt VS

t

C= + +∫. . .1

00 (1.20.)

Em t = 0 : Vc = Vco = 0 :

V R i C i dtS

t

= + ∫. . .1

0

(1.21.)

derivando e dividindo por R :

didt R C

i+ =10

.. (1.22.)

A solução desta equação diferencial, de 1ª ordem, a coeficientes constantes, é dotipo :

i k eDt= . (1.23.)

Substituindo o operador D na equação, tem-se que :

DR C

= − 1.

(1.24.)

Portanto o valor da corrente i é :

i k e t RC= −. / (1.25.)

Para t = 0 ⇒

iVR

S= (1.26.)

O valor final da expressão de corrente i é :

iVSR

e t RC= −. / (1.27.)

A tensão sobre o capacitor é :

VC

idtC

t

= ∫1

0

. (1.28.)

11

Substituindo i na expressão acima, tem-se que :

( )V V eC St RC= − −. /1 (1.29.)

b) - Carga RL :

Dado o circuito da figura 1.15, abaixo :

+

-

Vs

SD

R

i +

+-

-

V

V

R

L L

(a) (b)

Figura 1.15 : a) circuito RL; b) características VL e i

A equação de tensão é :

V R i LdidtS = +. . (1.30.)

Derivando e dividindo por L, tem-se a equação diferencial de 1ª ordem, acoeficientes constantes :

didt

RL

i+ =. 0 (1.31.)

A solução desta equação é do tipo :

i i ip t= + (1.32.)

Onde :

iVRp

S= (1.33.)

i k etDt= . (1.34.)

V

V

i

Vs

t

t

τ

12

Resolvendo a equação :

DRL

= − (1.35.)

iVR

k eS tR L= + −. / (1.36.)

Para t = 0 ⇒ i = 0 ⇒

kVR

S= − (1.37.)

O valor final da expressão de i é :

( )iVR

eS tR L= − −. /1 (1.38.)

A tensão no indutor é :

V LdidtL = . (1.39.)

Subustituindo i na expressão acima :

V V eL StR L= −. / (1.40.)

c) - Carga RLC :

Dado o circuito da figura 1.16a, abaixo :

+

-

Vs

SD

R

i +

+-

-

V

V

R

L L

C CV+-

Figura 1.16 : a) circuito RLC; b) característica i

t

Subamortecidoamortec. críticosobreamortecido

(

13

A equação de tensão é :

V R i Ldidt C idt VS

t

C= + + +∫. . .1

00 (1.41.)

Derivando a expressão e dividindo por L, tem-se :

d idt

RL

didt L C

i2

2

10+ + =.

.. (1.42.)

Que uma equação diferencial de 2ª ordem, a coeficientes constantes. Substituindo-se o operador D, tem-se :

DRL

DL C

2 10+ + =.

.(1.43.)

Portanto :

DRL

RL L C

= − ±

−

2 212

. . .(1.44.)

Onde :

α = RL2.

⇒ coeficiente de amortecimento;

ω0

1=L C.

⇒ frequência de ressonância angular.

Logo :

D = ± −α α ω202 (1.45.)

Se :

α ω= 0 ⇒ amortecimento crítico;

α ω> 0 ⇒ sobreamortecimento;

α ω< 0 ⇒ subamortecimento.

A figura 1.16b mostra a característica de corrente, para cada condição deamortecimento. Para que a corrente i passe por zero, em um certo instante t, o circuito RLCdeve ser subamortecido.

Logo :

D j r= − ±α ω (1.46.)

14

Onde :

ω ω αr = −02 2 (1.47.)

ωr ⇒ frequência ressonância natural do circuito.

A expressão final da corrente i é da da por :

( )i e k t k ttr r= +−α ω ω. .cos .sen1 2 (1.48.)

As constantes k1 e k2 são determinadas através das condições iniciais do circuito,ou seja, os valores de corrente i e de tensão no capacitor Vc no instante em que se inicia aanálise do circuito.

*OBS : DIODO DE RETORNO : este diodo, também conhecido como diodo deroda livre, é utilizado em situações onde se deseja que a corrente de carga il continuecirculando pela mesma, durante o período em que a tensão na carga é nula.

A figura 1.17a, mostra um circuito utilizando o diodo de retorno Dr e, a figura1.17b mostra as formas de onda para este circuito.

+

-

Vs

S

DR

i +

+-

-

V

V

R

L L

Dr

ir

(a) (b)

Figura 1.17 : a) circuito com diodo de retorno Dr;b) formas de onda

( )0 11 1≤ ≤ ⇒ = − −t t iVR

eS tR L. / (1.49.)

t t t iVR

eS tR L1 2 2≤ ≤ ⇒ = −. / (1.50.)

t

t

i

t t

I

I

i

i

15

2.6 - CIRCUITOS DE APLICAÇÃO PARA O DIODO DE POTÊNCIA:

2.6.1 - Retificador Trifásico de Onda Completa :

16

2.6.2 - Retificador de Doze Pulsos :