eletrônica de potência básica

Eletrnica de Potncia

Eletrnica de Potncia Bsica

NDICECAPTULO 1: COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTNCIA

CAPTULO 2: TCNICAS DE MODULAO DE POTNCIA

CAPTULO 3: CONVERSORES CA-CC - RETIFICADORES CAPTULO 4: CONVERSORES CC-CC PARA ACIONAMENTO DE MQUINAS DE CORRENTE CONTNUA CAPTULO 5: TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS CAPTULO 6: CONVERSORES CC-CA ALIMENTAO COM FREQUNCIA FIXA COMO FONTES DE

CAPTULO 7: CONVERSORES CC-CA PARA ACIONAMENTO DE MQUINA DE INDUO TRIFSICA CAPTULO 8: INVERSORES DE TENSO COM COMUTAO SUAVE CAPTULO 9: INVERSORES E RETIFICADORES DE CORRENTE COM COMUTAO SUAVE CAPTULO 10: CONVERSORES TENSO E CICLOCONVERSORES CA-CA: VARIADORES DE

CAPTULO 11: DIMENSIONAMENTO DE DISSIPAO DE CALOR PARA SEMICONDUTORES DE POTNCIA

SISTEMAS DE DISPOSITIVOS

Eletrnica de Potncia - Cap. 1

J. A. Pomilio

1. COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTNCIAA figura 1.1 mostra uma distribuio dos componentes semicondutores, indicando limites aproximados (2004) para valores de tenso de bloqueio, corrente de conduo e freqncia de comutao. Obviamente estes limites evoluem com o desenvolvimento tecnolgico e servem como uma ilustrao para a verificao, numa primeira aproximao, das faixas de potncia em que cada componente pode ser utilizado.Tenso

Tiristores IGCT 5kV GTO e IGCT 4kV 3kV IGBT 2kV 1kV MOSFET 2kA Freqncia 4kA 6kA TBP 1kHz 10kHz 100kHz 1MHz

Corrente

Figura 1.1 Limites de operao de componentes semicondutores de potncia. 1.1 Breve Reviso da Fsica de Semicondutores A passagem de corrente eltrica em um meio depende da aplicao de um campo eltrico e da existncia de portadores livres (usualmente eltrons) neste meio. Em metais, como o cobre ou a prata, a densidade de portadores livres (eltrons) da ordem de 1023/cm3, enquanto nos materiais isolantes, como o quartzo ou o xido de alumnio, o valor da ordem de 103/cm3. Os chamados semicondutores, como o silcio, tm densidades intermedirias, na faixa de 108 a 1019/cm3. Nos condutores e nos isolantes, tais densidades so propriedades dos materiais, enquanto nos semicondutores estas podem ser variadas, seja pela adio de impurezas de outros materiais, seja pela aplicao de campos eltricos em algumas estruturas de semicondutores. 1.1.1 Os portadores: eltrons e lacunas tomos de materias com 4 eltrons em sua camada mais externa (C, Ge, Si, etc.), ou ainda molculas com a mesma propriedade, permitem o estabelecimento de ligaes muitoDSCE FEEC UNICAMP 2006

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estveis, uma vez que, pelo compartilhamento dos eltrons externos pelos tomos vizinhos (ligao covalente), tem-se um arranjo com 8 eltrons na camada de valncia, como ilustra a figura 1.2.

eltrons compartilhados

ncleos atmicos

Figura 1.2 Estrutura cristalina de material semicondutor Em qualquer temperatura acima do zero absoluto (-273 oC), algumas destas ligaes so rompidas (ionizao trmica), produzindo eltrons livres. O tomo que perde tal eltron se torna positivo. Eventualmente um outro eltron tambm escapa de outra ligao e, atrado pela carga positiva do tomo, preenche a ligao covalente. Desta maneira tem-se uma movimentao relativa da carga positiva, chamada de lacuna, que, na verdade, devida ao deslocamento dos eltrons que saem de suas ligaes covalentes e vo ocupar outras, como mostra a figura 1.3.movimento da lacuna tomo ionizado

eltron ligao rompida

Figura 1.3 Movimento de eltrons e lacunas em semicondutor A ionizao trmica gera o mesmo nmero de eltrons e lacunas. Em um material puro, a densidade de portadores aproximadamente dada por: qE g

ni Ce

kT

(1.1)

onde C uma constante de proporcionalidade, q a carga do eltron (valor absoluto), Eg a banda de energia do semicondutor (1,1 eV para o Si), k a constante de Boltzmann, T a temperatura em Kelvin. Para o Si, temperatura ambiente (300K), ni 1010/cm3. 1.1.2 Semicondutores dopados Quando se faz a adio de tomos de materiais que possuam 3 (como o alumnio ou o boro) ou 5 eltrons (como o fsforo) em sua camada de valncia estrutura dos semicondutores,

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os tomos vizinhos a tal impureza tero suas ligaes covalentes incompletas ou com excesso de eltrons, como mostra a figura 1.4.Si ligao incompleta Si Bo Si Si Si eltron em excesso Si P Si Si Si Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Figura 1.4 Semicondutores dopados Neste caso no se tem mais o equilbrio entre eltrons e lacunas, passando a existir um nmero maior de eltrons livres nos materiais dopados com elementos da quinta coluna da tabela peridica, ou de lacunas, caso a dopagem seja com elementos da terceira coluna. Respectivamente, produzem-se os chamados materiais semicondutores tipo N e tipo P. Observese, no entanto, que o material permanece eletricamente neutro, uma vez que a quantidade total de eltrons e prtons a mesma. Quando a lacuna introduzida pelo boro captura um eltron livre, tem-se a movimentao da lacuna. Neste caso diz-se que as lacunas so os portadores majoritrios, sendo os eltrons os portadores minoritrios. J no material tipo N, a movimentao do eltron excedente deixa o tomo ionizado, o que o faz capturar outro eltron livre. Neste caso os portadores majoritrios so os eltrons, enquanto os minoritrios so as lacunas. As dopagens das impurezas (1019/cm3 ou menos), tipicamente so feitas em nveis muito menores que a densidade de tomos do material semicondutor (1023/cm3), de modo que as propriedades de ionizao trmica no so afetadas. Mesmo em um material dopado, o produto das densidades de lacunas e de eltrons (po e no, respectivamente) igual ao valor ni2 dado pela equao (1.1), embora aqui po no . Alm da ionizao trmica, tem-se uma quantidade adicional de cargas livres, relativas s prprias impurezas. Pelos valores indicados anteriormente, pode-se verificar que a concentrao de tomos de impurezas muitas ordens de grandeza superior densidade de portadores gerados por efeito trmico, de modo que, num material tipo P, po Na, onde Na a densidade de impurezas aceitadoras de eltrons. J no material tipo N, no Nd, onde Nd a densidade de impurezas doadoras de eltrons. Em qualquer dos materiais, a densidade dos portadores minoritrios proporcional ao quadrado da densidade intrnseca, ni, e fortemente dependente da temperatura.

n i2 no , po Na po n i2 po , no Nd no

(1.2)

(1.3)

1.1.3 Recombinao Uma vez que a quantidade ni determinada apenas por propriedades do material e pela temperatura, necessrio que exista algum mecanismo que faa a recombinao do excesso de portadores medida que novos portadores so criados pela ionizao trmica.

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Tal mecanismo inclui tanto a recombinao propriamente dita de um eltron com uma lacuna em um tomo de Si, quanto a captura dos eltrons pela impureza ionizada ou, adicionalmente, por imperfeies na estrutura cristalina. Tais imperfeies fazem com que os tomos adjacentes no necessitem realizar 4 ligaes covalentes. Pode-se definir o tempo de vida de um portador como o tempo mdio necessrio para que o eltron ou a lacuna sejam neutralizados pela consecusso de uma ligao covalente. Em muitos casos pode-se considerar o tempo de vida de um portador como uma constante do material. No entanto, especialmente nos semicondutores de potncia, esta no uma boa simplificao. Quando ocorre um significativo aumento na temperatura do semicondutor, tem-se um aumento no tempo de recombinao do excesso de portadores, o que leva a um aumento nos tempos de comutao dos dispositivos de tipo portadores minoritrios, como o transistor bipolar e os tiristores. Uma vez que este tempo de vida dos portadores afeta significantemente o comportamento dos dispositivos de potncia, a obteno de mtodos que possam control-lo importante. Um dos mtodos que possibilita o ajuste deste tempo a dopagem com ouro, uma vez que este elemento funciona como um centro de recombinao, uma vez que realiza tal operao com grande facilidade. Outro mtodo o da irradiao de eltrons de alta energia, bombardeando a estrutura cristalina de modo a deform-la e, assim, criar centros de recombinao. Este ltimo mtodo tem sido preferido devido sua maior controlabilidade (a energia dos eltrons facilmente controlvel, permitindo estabelecer a que profundidade do cristal se quer realizar as deformaes) e por ser aplicado no final do processo de construo do componente.1.1.4 Correntes de deriva e de difuso Quando um campo eltrico for aplicado a um material semicondutor, as lacunas se movimentaro no sentido do campo decrescente, enquanto os eltrons seguiro em sentido oposto. Esta corrente depende de um parmetro denominado mobilidade, a qual varia com o material e do tipo de portador. A mobilidade dos eltrons aproximadamente 3 vezes maior do que a das lacunas para o Si em temperatura ambiente. A mobilidade diminui aproximadamente com o quadrado do aumento da temperatura. Outro fator de movimentao de portadores por difuso, quando existem regies adjacentes em que h diferentes concentraes de portadores. O movimento aleatrio dos portadores tende a equalizar sua disperso pelo meio, de modo que tende a haver uma migrao de portadores das regies mais concentradas para as mais dispersas. 1.2 Diodos de Potncia

Um diodo semicondutor uma estrutura P-N que, dentro de seus limites de tenso e de corrente, permite a passagem de corrente em um nico sentido. Detalhes de funcionamento, em geral desprezados para diodos de sinal, podem ser significativos para componentes de maior potncia, caracterizados por uma maior rea (para permitir maiores correntes) e maior comprimento (a fim de suportar tenses mais elevadas). A figura 1.5 mostra, simplificadamente, a estrutura interna de um diodo. Aplicando-se uma tenso entre as regies P e N, a diferena de potencial aparecer na regio de transio, uma vez que a resistncia desta parte do semicondutor muito maior que a do restante do componente (devido concentrao de portadores).

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Quando se polariza reversamente um diodo, ou seja, se aplica uma tenso negativa no anodo (regio P) e positiva no catodo (regio N), mais portadores positivos (lacunas) migram para o lado N, e vice-versa, de modo que a largura da regio de transio aumenta, elevando a barreira de potencial.Juno metalrgica

P+ + + + + + + _ _ + ++++++++ _ _ + ++++++++ _ _ + ++++++++ _ _ + ++++++++ _ _ ++

+ _ _ + _ _ + _ _ + _ _ + _ _ _

_ _ _ _ _

_ _ _ _ _

_ _ _ _ _

_ N_ _ _ _ _ _ _ _ _

Anodo

Catodo

Difuso

0 1u

Potencial

Figura 1.5 Estrutura bsica de um diodo semicondutor. Por difuso ou efeito trmico, uma certa quantidade de portadores minoritrios penetra na regio de transio. So, ento, acelerados pelo campo eltrico, indo at a outra regio neutra do dispositivo. Esta corrente reversa independe da tenso reversa aplicada, variando, basicamente, com a temperatura. Se o campo eltrico na regio de transio for muito intenso, os portadores em trnsito obtero grande velocidade e, ao se chocarem com tomos da estrutura, produziro novos portadores, os quais, tambm acelerados, produziro um efeito de avalanche. Dado o aumento na corrente, sem reduo significativa na tenso na juno, produz-se um pico de potncia que destri o componente. Uma polarizao direta leva ao estreitamento da regio de transio e reduo da barreira de potencial. Quando a tenso aplicada superar o valor natural da barreira, cerca de 0,7V para diodos de Si, os portadores negativos do lado N sero atrados pelo potencial positivo do anodo e vice-versa, levando o componente conduo. Na verdade, a estrutura interna de um diodo de potncia um pouco diferente desta apresentada. Existe uma regio N intermediria, com baixa dopagem. O papel desta regio permitir ao componente suportar tenses mais elevadas, pois tornar menor o campo eltrico na regio de transio (que ser mais larga, para manter o equilbrio de carga). Esta regio de pequena densidade de dopante dar ao diodo uma significativa caracterstica resistiva quando em conduo, a qual se torna mais significativa quanto maior for a tenso suportvel pelo componente. As camadas que fazem os contatos externos so altamente dopadas, a fim de fazer com que se obtenha um contato com caracterstica hmica e no semicondutor. O contorno arredondado entre as regies de anodo e catodo tem como funo criar campos eltricos mais suaves (evitando o efeito de pontas). No estado bloqueado, pode-se analisar a regio de transio como um capacitor, cuja carga aquela presente na prpria regio de transio. Na conduo no existe tal carga, no entanto, devido alta dopagem da camada P+, por difuso, existe uma penetrao de lacunas na regio N-. Alm disso, medida que cresce a corrente, mais lacunas so injetadas na regio N-, fazendo com que eltrons venham da regioDSCE FEEC UNICAMP 2006

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N+ para manter a neutralidade de carga. Desta forma, cria-se uma carga espacial no catodo, a qual ter que ser removida (ou se recombinar) para permitir a passagem para o estado bloqueado do diodo. O comportamento dinmico de um diodo de potncia , na verdade, muito diferente do de uma chave ideal, como se pode observar na figura 1.6. Suponha-se que se aplica uma tenso vi ao diodo, alimentando uma carga resistiva (cargas diferentes podero alterar alguns aspectos da forma de onda). Durante t1, remove-se a carga acumulada na regio de transio. Como ainda no houve significativa injeo de portadores, a resistncia da regio N- elevada, produzindo um pico de tenso. Indutncias parasitas do componente e das conexes tambm colaboram com a sobretenso. Durante t2 tem-se a chegada dos portadores e a reduo da tenso para cerca de 1V. Estes tempos so, tipicamente, da ordem de centenas de ns. No desligamento, a carga espacial presente na regio N- deve ser removida antes que se possa reiniciar a formao da barreira de potencial na juno. Enquanto houver portadores transitando, o diodo se mantm em conduo. A reduo em Von se deve diminuio da queda hmica. Quando a corrente atinge seu pico negativo que foi retirado o excesso de portadores, iniciando-se, ento, o bloqueio do diodo. A taxa de variao da corrente, associada s indutncias do circuito, provoca uma sobre-tenso negativa.t3 t1 dif/dt iDAnodo

trr

dir/dt i=Vr/R Qrr

P+

10e19 cm-3

10 u

Vfp vD

Von

t4 t5 Vrp

N

_ 10e14 cm-3

-VrDepende da tenso

t2 +Vr

viN+ 10e19cm-3 250 u substrato

vD iD R

-Vr

viCatodo

Figura 1.6 - Estrutura tpica de diodo de potncia e formas de onda tpicas de comutao de diodo de potncia. A figura 1.7 mostra resultados experimentais de um diodo de potncia lento (retificador) em um circuito como o da figura 1.6, no qual a indutncia desprezvel, como se nota na figura (a), pela inverso quase imediata da polaridade da corrente. A corrente reversa limitada pela resistncia presente no circuito. J na entrada em conduo, a tenso aplicada ao circuito aparece instantaneamente sobre o prprio diodo, o que contribui para limitar o crescimento da corrente. Quando esta tenso cai, a corrente vai assumindo seu valor de regime.

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(a) (b) Figura 1.7 - Resultados experimentais das comutaes de diodo: (a) desligamento; (b) entrada em conduo. Canal 1: Corrente; Canal 2: tenso vak Diodos rpidos possuem trr da 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 sobre-tenses 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. Em aplicaes nas quais o diodo comuta sob tenso nula, como o caso dos retificadores com filtro capacitivo, praticamente no se observa o fenmeno da recombinao reversa.1.3 Diodos Schottky

Quando feita uma juno entre um terminal metlico e um material semicondutor, o contato tem, tipicamente, um comportamento hmico, ou seja, a resistncia do contato governa o fluxo da corrente. Quando este contato feito entre um metal e uma regio semicondutora com densidade de dopante relativamente baixa, o efeito dominante deixa de ser o resistivo, passando a haver tambm um efeito retificador. Um diodo Schottky formado colocando-se um filme metlico em contato direto com um semicondutor, como indicado na figura 1.8. O metal usualmente depositado sobre um material tipo N, por causa da maior mobilidade dos portadores neste tipo de material. A parte metlica ser o anodo e o semicondutor, o catodo. Numa deposio de Al (3 eltrons na ltima camada), os eltrons do semicondutor tipo N migraro para o metal, criando uma regio de transio na juno. Note-se que apenas eltrons (portadores majoritrios em ambos materiais) esto em trnsito. O seu chaveamento muito mais rpido do que o dos diodos bipolares, uma vez que no existe carga espacial armazenada no material tipo N, sendo necessrio apenas refazer a barreira de potencial (tipicamente de 0,3V). A regio N+ tem uma dopagem relativamente alta, a fim de reduzir as perdas de conduo, com isso, a mxima tenso suportvel por estes diodos de cerca de 100V. A aplicao deste tipo de diodos ocorre principalmente em fontes de baixa tenso, nas quais as quedas sobre os retificadores so significativas. Na figura 1.4.(b) tem-se uma forma de onda tpica no desligamento do componente. Note que, diferentemente dos diodos convencionais, assim que a corrente se inverte a tenso comea a crescer, indicando a no existncia dos portadores minoritrios no dispositivo.DSCE FEEC UNICAMP 2006

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contato retificador SiO2

Al

Al

contato hmico

N+ Tipo N Substrato tipo P

(a) (b) Figura 1.8 - (a) Estrutura de diodo Schottky; (b) Forma de onda tpica no desligamento. Canal 1: Corrente; Canal 2: tenso vak1.4 Tiristor

O nome tiristor engloba uma famlia de dispositivos semicondutores que operam em regime chaveado, tendo em comum uma estrutura de 4 camadas semicondutoras numa seqncia p-n-p-n, apresentando um funcionamento biestvel. O tiristor de uso mais difundido o SCR (Retificador Controlado de Silcio), usualmente chamado simplesmente de tiristor. Outros componentes, no entanto, possuem basicamente uma mesma estrutura: LASCR (SCR ativado por luz), tambm chamado de LTT (Light Triggered Thyristor), TRIAC (tiristor triodo bidirecional), DIAC (tiristor diodo bidirecional), GTO (tiristor comutvel pela porta), MCT (Tiristor controlado por MOS).1.4.1 Princpio de funcionamento O tiristor formado por quatro camadas semicondutoras, alternadamente p-n-p-n, possuindo 3 terminais: anodo e catodo, pelos quais flui a corrente, e a porta (ou gate) que, a uma injeo de corrente, faz com que se estabelea a corrente andica. A figura 1.9 ilustra uma estrutura simplificada do dispositivo. Se entre anodo e catodo tivermos uma tenso positiva, as junes J1 e J3 estaro diretamente polarizadas, enquanto a juno J2 estar reversamente polarizada. No haver conduo de corrente at que a tenso Vak se eleve a um valor que provoque a ruptura da barreira de potencial em J2. Se houver uma tenso Vgk positiva, circular uma corrente atravs de J3, com portadores negativos indo do catodo para a porta. Por construo, a camada P ligada porta suficientemente estreita para que parte destes eltrons que cruzam J3 possua energia cintica suficiente para vencer a barreira de potencial existente em J2, sendo ento atrados pelo anodo.

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Vcc J1 A P NJ2 P

Rc (carga) J3 N+ K Catodo

Anodo Gate G Vcc A G Rg Vg K Rc Rg

Vg

CH

Figura 1.9 - Funcionamento bsico do tiristor e seu smbolo. Desta forma, a juno reversamente polarizada tem sua diferena de potencial diminuda e estabelece-se uma corrente entre anodo e catodo, que poder persistir mesmo na ausncia da corrente de porta. Quando a tenso Vak for negativa, J1 e J3 estaro reversamente polarizadas, enquanto J2 estar diretamente polarizada. Uma vez que a juno J3 intermediria a regies de alta dopagem, ela no capaz de bloquear tenses elevadas, de modo que cabe juno J1 manter o estado de bloqueio do componente. comum fazer-se uma analogia entre o funcionamento do tiristor e o de uma associao de dois transistores, conforme mostrado na figura 1.10. Quando uma corrente Ig positiva aplicada, Ic2 e Ik crescero. Como Ic2 = Ib1, T1 conduzir e teremos Ib2=Ic1 + Ig, que aumentar Ic2 e assim o dispositivo evoluir at a saturao, mesmo que Ig seja retirada. Tal efeito cumulativo ocorre se os ganhos dos transistores forem maior que 1. O componente se manter em conduo desde que, aps o processo dinmico de entrada em conduo, a corrente de anodo tenha atingido um valor superior ao limite IL, chamado de corrente de "latching". Para que o tiristor deixe de conduzir necessrio que a corrente por ele caia abaixo do valor mnimo de manuteno (IH), permitindo que se restabelea a barreira de potencial em J2. Para a comutao do dispositivo no basta, pois, a aplicao de uma tenso negativa entre anodo e catodo. Tal tenso reversa apressa o processo de desligamento por deslocar nos sentidos adequados os portadores na estrutura cristalina, mas no garante, sozinha, o desligamento. Devido a caractersticas construtivas do dispositivo, a aplicao de uma polarizao reversa do terminal de gate no permite a comutao do SCR. Este ser um comportamento dos GTOs, como se ver adiante.A P N G P N K N P A T1 Ic1 G T2 Ig Ib2 Ik K Ic2 Ia Ib1

Figura 1.10 - Analogia entre tiristor e transistores bipolaresDSCE FEEC UNICAMP 2006

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1.4.2

Maneiras de disparar um tiristor Podemos considerar cinco maneiras distintas de fazer com que um tiristor entre em conduo: a) Tenso Quando polarizado diretamente, no estado desligado, a tenso de polarizao aplicada sobre a juno J2. O aumento da tenso Vak leva a uma expanso da regio de transio tanto para o interior da camada do gate quanto para a camada N adjacente. Mesmo na ausncia de corrente de gate, por efeito trmico, sempre existiro cargas livres que penetram na regio de transio (no caso, eltrons), as quais so aceleradas pelo campo eltrico presente em J2. Para valores elevados de tenso (e, consequentemente, de campo eltrico), possvel iniciar um processo de avalanche, no qual as cargas aceleradas, ao chocarem-se com tomos vizinhos, provoquem a expulso de novos portadores, os quais reproduzem o processo. Tal fenmeno, do ponto de vista do comportamento do fluxo de cargas pela juno J2, tem efeito similar ao de uma injeo de corrente pelo gate, de modo que, se ao se iniciar a passagem de corrente for atingido o limiar de IL, o dispositivo se manter em conduo. A figura. 1.11 mostra a caracterstica esttica de um SCR. b) Ao da corrente positiva de porta Sendo o disparo atravs da corrente de porta a maneira mais usual de ser ligado o tiristor, importante o conhecimento dos limites mximos e mnimos para a tenso Vgk e a corrente Ig, como mostrados na figura 1.12. O valor Vgm indica a mnima tenso de gate que garante a conduo de todos os componentes de um dado tipo, na mnima temperatura especificada. O valor Vgo a mxima tenso de gate que garante que nenhum componente de um dado tipo entrar em conduo, na mxima temperatura de operao. A corrente Igm a mnima corrente necessria para garantir a entrada em conduo de qualquer dispositivo de um certo tipo, na mnima temperatura. Para garantir a operao correta do componente, a reta de carga do circuito de acionamento deve garantir a passagem alm dos limites Vgm e Igm, sem exceder os demais limites (tenso, corrente e potncia mximas). c) Taxa de crescimento da tenso direta Quando reversamente polarizadas, a rea de transio de uma juno comporta-se de maneira similar a um capacitor, devido ao campo criado pela carga espacial. Considerando que praticamente toda a tenso est aplicada sobre a juno J2 (quando o SCR estiver desligado e polarizado diretamente), a corrente que atravessa tal juno dada por:

Ij =

d C j Vak dt

(

) = C dVak + Vj

dt

ak

dC j dt

(1.4)

Onde Cj a capacitncia da juno.

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Eletrnica de Potncia - Cap. 1Ia Von

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Vbr

IL IH

Ig2

>

Ig1

>

Ig=0 Vak Vbo

Figura 1.11 - Caracterstica esttica do tiristor.Vgk Mxima tenso de gate Limite de baixa corrente 6V

Mxima potncia Instantnea de gate

Vgm Vgo

Limite de alta corrente Reta de carga do circuito de acionamento

0 0 Igm 0,5A Ig

Figura 1.12 - Condies para disparo de tiristor atravs de controle pela porta. Quando Vak cresce, a capacitncia diminui, uma vez que a regio de transio aumenta de largura. Entretanto, se a taxa de variao da tenso for suficientemente elevada, a corrente que atravessar a juno pode ser suficiente para levar o tiristor conduo. Uma vez que a capacitncia cresce com o aumento da rea do semicondutor, os componentes para correntes mais elevadas tendem a ter um limite de dv/dt menor. Observe-se que a limitao diz respeito apenas ao crescimento da tenso direta (Vak > 0). A taxa de crescimento da tenso reversa no importante, uma vez que as correntes que circulam pelas junes J1 e J3, em tal situao, no tem a capacidade de levar o tiristor a um estado de conduo. Como se ver adiante, utilizam-se circuitos RC em paralelo com os tiristores com o objetivo de limitar a velocidade de crescimento da tenso direta sobre eles.

d) Temperatura A altas temperaturas, a corrente de fuga numa juno p-n reversamente polarizada dobra aproximadamente com o aumento de 8o C. Assim, a elevao da temperatura pode levar a uma corrente atravs de J2 suficiente para levar o tiristor conduo. e) Energia radiante Energia radiante dentro da banda espectral do silcio, incidindo e penetrando no cristal, produz considervel quantidade de pares eltrons-lacunas, aumentando a corrente de fuga reversa, possibilitando a conduo do tiristor. Este tipo de acionamento o utilizado nos

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LASCR, cuja aplicao principal em sistemas que operam em elevado potencial, onde a isolao necessria s obtida por meio de acoplamentos ticos.1.4.3 Parmetros bsicos de tiristores Apresentaremos a seguir alguns parmetros tpicos de tiristores e que caracterizam condies limites para sua operao. Alguns j foram apresentados e comentados anteriormente e sero, pois, apenas citados aqui. Tenso direta de ruptura (VBO) Mxima tenso reversa (VBR) Mxima corrente de anodo (Iamax): pode ser dada como valor RMS, mdio, de pico e/ou instantneo. Mxima temperatura de operao (Tjmax): temperatura acima da qual, devido a um possvel processo de avalanche, pode haver destruio do cristal. Resistncia trmica (Rth): a diferena de temperatura entre 2 pontos especificados ou regies, dividido pela potncia dissipada sob condies de equilbrio trmico. uma medida das condies de fluxo de calor do cristal para o meio externo. Caracterstica I2t: o resultado da integral do quadrado da corrente de anodo num determinado intervalo de tempo, sendo uma medida da mxima potncia dissipvel pelo dispositivo. dado bsico para o projeto dos circuitos de proteo. Mxima taxa de crescimento da tenso direta Vak (dv/dt). Mxima taxa de crescimento da corrente de anodo (di/dt): fisicamente, o incio do processo de conduo de corrente pelo tiristor ocorre no centro da pastilha de silcio, ao redor da regio onde foi construda a porta, espalhando-se radialmente at ocupar toda a superfcie do catodo, medida que cresce a corrente. Mas se a corrente crescer muito rapidamente, antes que haja a expanso necessria na superfcie condutora, haver um excesso de dissipao de potncia na rea de conduo, danificando a estrutura semicondutora. Este limite ampliado para tiristores de tecnologia mais avanada fazendo-se a interface entre gate e catodo com uma maior rea de contato, por exemplo, 'interdigitando" o gate. A figura 1.13 ilustra este fenmeno. Corrente de manuteno de conduo (IH): a mnima corrente de anodo necessria para manter o tiristor em conduo. Corrente de disparo (IL): mnima corrente de anodo requerida para manter o SCR ligado imediatamente aps ocorrer a passagem do estado desligado para o ligado e ser removida a corrente de porta. Tempo de disparo (ton): o tempo necessrio para o tiristor sair do estado desligado e atingir a plena conduo. Tempo de desligamento (toff): o tempo necessrio para a transio entre o estado de conduo e o de bloqueio. devido a fenmenos de recombinao de portadores no material semicondutor. Corrente de recombinao reversa (Irqm): valor de pico da corrente reversa que ocorre durante o intervalo de recombinao dos portadores na juno.

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Eletrnica de Potncia - Cap. 1K G N P N

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G NN P Gate circular A Contato metlico Catodo P N

P

G

Gate interdigitado

Figura 1.13 - Expanso da rea de conduo do tiristor a partir das vizinhanas da regio de gate. A figura 1.14 ilustra algumas destas caractersticas.dv/dt Tenso direta de bloqueio

di/dt

Corrente de fuga direta

Von Corrente de fuga reversa Irqm ton Tenso reversa de bloqueio toff

Figura 1.14 Tenses e correntes caractersticas de tiristor.1.4.4 Circuitos de excitao do gate a) Conduo Conforme foi visto, a entrada em conduo de um tiristor controlada pela injeo de uma corrente no terminal da porta, devendo este impulso estar dentro da rea delimitada pela figura 1.12. Por exemplo, para um dispositivo que deve conduzir 100 A, um acionador que fornea uma tenso Vgk de 6 V com impedncia de sada 12 ohms adequado. A durao do sinal de disparo deve ser tal que permita corrente atingir IL quando, ento, pode ser retirada. Observamos ser bastante simples o circuito de disparo de um SCR e, dado o alto ganho do dispositivo, as exigncias quando ao acionamento so mnimas. b) Comutao Se, por um lado, fcil a entrada em conduo de um tiristor, o mesmo no se pode dizer de sua comutao. Lembramos que a condio de desligamento que a corrente de anodo fique abaixo do valor IH. Se isto ocorrer juntamente com a aplicao de uma tenso reversa, o bloqueio se dar mais rapidamente. No existe uma maneira de se desligar o tiristor atravs de seu terminal de controle, sendo necessrio algum arranjo no nvel do circuito de anodo para reduzir a corrente principal.

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b.1) Comutao Natural utilizada em sistemas de CA nos quais, em funo do carter ondulatrio da tenso de entrada, em algum instante a corrente tender a se inverter e ter, assim, seu valor diminudo abaixo de IH, desligando o tiristor. Isto ocorrer desde que, num intervalo inferior a toff, no cresa a tenso direta Vak, o que poderia lev-lo novamente conduo. A figura 1.15 mostra um circuito de um controlador de tenso CA, alimentando uma carga RL, bem como as respectivas formas de onda. Observe que quando a corrente se anula a tenso sobre a carga se torna zero, indicando que nenhum dos SCRs est em conduo.S1 i(t) L vi(t) S2 vL R

200V vi(t) -200V 40A i(t)

-40A 200V vL(t)

-200V 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms

Figura 1.15 - Controlador de tenso CA com carga RL e formas de onda tpicas. b.2) Comutao por ressonncia da carga Em algumas aplicaes especficas, possvel que a carga, pela sua dinmica prpria, faa com que a corrente tenda a se inverter, fazendo o tiristor desligar. Isto ocorre, por exemplo, quando existem capacitncias na carga as quais, ressoando com as indutncias do circuito produzem um aumento na tenso ao mesmo tempo em que reduzem a corrente. Caso a corrente se torne menor do que a corrente de manuteno e o tiristor permanea reversamente polarizado pelo tempo suficiente, haver o seu desligamento. A tenso de entrada pode ser tanto CA quanto CC. A figura 1.16 ilustra tal comportamento. Observe que enquanto o tiristor conduz a tenso de sada, vo(t), igual tenso de entrada. Quando a corrente se anula e S1 desliga, o que se observa a tenso imposta pela carga ressonante. b.3) Comutao forada utilizada em circuitos com alimentao CC e nos quais no ocorre reverso no sentido da corrente de anodo. A idia bsica deste tipo de comutao oferecer corrente de carga um caminho alternativo ao tiristor, enquanto se aplica uma tenso reversa sobre ele, desligando-o. Antes do surgimento dos GTOs, este foi um assunto muito discutido, buscando-se topologias eficientes. Com o advento dos dispositivos com comutao pelo gate, os SCRs tiveram sua aplicao concentrada nas aplicaes nas quais ocorre comutao natural ou pela carga.

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voVccS1 Vcc io(t) vo(t) L Carga Ressonante

0

io

Figura 1.17 Circuito e formas de onda de comutao por ressonncia da carga. A figura 1.18 mostra um circuito para comutao forada de SCR e as formas de onda tpicas. A figura 1.19 mostra detalhes de operao do circuito auxiliar de comutao. Em um tempo anterior a to, a corrente da carga (suposta quase constante, devido elevada constante de tempo do circuito RL) passa pelo diodo de circulao. A tenso sobre o capacitor negativa, com valor igual ao da tenso de entrada. Em t1 o tiristor principal, Sp, disparado, conectando a fonte carga, levando o diodo Df ao desligamento. Ao mesmo tempo surge uma malha formada por Sp, Cr, D1 e Lr, a qual permite a ocorrncia de uma ressonncia entre Cr e Lr, levando inverso na polaridade da tenso do capacitor. Em t1 a tenso atinge seu mximo e o diodo D1 desliga (pois a corrente se anula). O capacitor est preparado para realizar a comutao de Sp. Quanto o tiristor auxiliar, Sa, disparado, em t2, a corrente da carga passa a ser fornecida atravs do caminho formado por Lr, Sa e Cr, levando a corrente por Sp a zero, ao mesmo tempo em que se aplica uma tenso reversa sobre ele, de modo a deslig-lo.D260A

Sp i Lr Sa Vcc i Df c VoT

iT

Cr

+ Vc +

LoiC vo0

Ro

-60A 200V

D1

vC-200V

Figura 1.18 Topologia com comutao forada de SCR e formas de onda tpicas. Continua a haver corrente por Cr, a qual, em t3, se torna igual corrente da carga, fazendo com que a variao de sua tenso assuma uma forma linear. Esta tenso cresce (no sentido negativo) at levar o diodo de circulao conduo, em t4. Como ainda existe corrente pelo indutor Lr, ocorre uma pequena oscilao na malha Lr, Sa, Cr e D2 e, quando a corrente por Sa se anula, o capacitor se descarrega at a tenso Vcc na malha formada por Cr, D1, Lr, fonte e Df.

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60A

iT

-60A 200V

ic vo

0 vc-200V

to t1

t2 t3

t4

t5

Figura 1.19 - Detalhes das formas de onda durante comutao.1.4.5 Redes Amaciadoras O objetivo destas redes evitar problemas advindos de excessivos valores para dv/dt e di/dt, conforme descritos anteriormente. a) O problema di/dt Uma primeira medida capaz de limitar possveis danos causados pelo crescimento excessivamente rpido da corrente de anodo construir um circuito acionador de gate adequado, que tenha alta derivada de corrente de disparo para que seja tambm rpida a expanso da rea condutora. Um reator saturvel em srie com o tiristor tambm limitar o crescimento da corrente de anodo durante a entrada em conduo do dispositivo. Alm deste fato tem-se outra vantagem adicional que a reduo da potncia dissipada no chaveamento pois, quando a corrente de anodo crescer, a tenso Vak ser reduzida pela queda sobre a indutncia. O atraso no crescimento da corrente de anodo pode levar necessidade de um pulso mais longo de disparo, ou ainda a uma seqncia de pulsos, para que seja assegurada a conduo do tiristor. b) O problema do dv/dt A limitao do crescimento da tenso direta Vak, usualmente feita pelo uso de circuitos RC, RCD, RLCD em paralelo com o dispositivo, como mostrado na figura 1.20. No caso mais simples (a), quando o tiristor comutado, a tenso Vak segue a dinmica dada por RC que, alm disso, desvia a corrente de anodo facilitando a comutao. Quando o SCR ligado o capacitor descarrega-se, ocasionando um pico de corrente no tiristor, limitado pelo valor de R. No caso (b) este pico pode ser reduzido pelo uso de diferentes resistores para os processos de carga e descarga de C. No 3o caso, o pico limitado por L, o que no traz eventuais problemas de alto di/dt. A corrente de descarga de C auxilia a entrada em conduo do tiristor para obter um Ia>IL, uma vez que se soma corrente de anodo proveniente da carga. A energia acumulada no capacitor praticamente toda dissipada sobre o resistor de descarga.

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D R R1 C R2

D

L

R C C

(a)1.4.6

(b) (c) Figura 1.20 - Circuitos amaciadores para dv/dt.

Associao em Paralelo de Tiristores Desde o incio da utilizao do tiristor, em 1958, tm crescido constantemente os limites de tenso e corrente suportveis, atingindo hoje faixas de 5000 V e 4000 A. H, no entanto, diversas aplicaes nas quais necessria a associao de mais de um destes componentes, seja pela elevada tenso de trabalho, seja pela corrente exigida pela carga. Quando a corrente de carga, ou a margem de sobre-corrente necessria, no pode ser suportada por um nico tiristor, essencial a ligao em paralelo. A principal preocupao neste caso a equalizao da corrente entre os dispositivos, tanto em regime, como durante a comutao. Diversos fatores influem na distribuio homognea da corrente, desde aspectos relacionados tecnologia construtiva do dispositivo, at o arranjo mecnico da montagem final. Existem duas tecnologias bsicas de construo de tiristores, diferindo basicamente no que se refere regio do catodo e sua juno com a regio da porta. A tecnologia de difuso cria uma regio de fronteira entre catodo e gate pouco definida, formando uma juno no-uniforme, que leva a uma caracterstica de disparo (especialmente quanto ao tempo de atraso e sensibilidade ao disparo) no homognea. A tecnologia epitaxial permite fronteiras bastante definidas, implicando numa maior uniformidade nas caractersticas do tiristor. Conclui-se assim que, quando se faz uma associao (srie ou paralela) destes dispositivos, prefervel empregar componentes de construo epitaxial. Em ligaes paralelas de elementos de baixa resistncia, um fator crtico para a distribuio de corrente so variaes no fluxo concatenado pelas malhas do circuito, dependendo, pois, das indutncias das ligaes. Outro fator importante relaciona-se com a caracterstica do coeficiente negativo de temperatura do dispositivo, ou seja, um eventual desequilbrio de corrente provoca uma elevao de temperatura no SCR que, por sua vez, melhora as condies de condutividade do componente, aumentando ainda mais o desequilbrio, podendo lev-lo destruio. Uma primeira precauo para reduzir estes desbalanceamentos realizar uma montagem de tal maneira que todos os tiristores estejam a uma mesma temperatura, o que pode ser feito, por exemplo, pela montagem em um nico dissipador. No que se refere indutncia das ligaes, a prpria disposio dos componentes em relao ao barramento afeta significativamente esta distribuio de corrente. Arranjos cilndricos tendem a apresentar um menor desequilbrio. 1.4.6.1 Estado estacionrio Alm das consideraes j feitas quanto montagem mecnica, algumas outras providncias podem ser tomadas para melhorar o equilbrio de corrente nos tiristores:

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a) Impedncia srie A idia adicionar impedncias em srie com cada componente a fim de limitar o eventual desequilbrio. Se a corrente crescer num ramo, haver aumento da tenso, o que far com que a corrente se distribua entre os demais ramos. O uso de resistores implica no aumento das perdas, uma vez que dado o nvel elevado da corrente, a dissipao pode atingir centenas de watts, criando problemas de dissipao e eficincia. Outra alternativa o uso de indutores lineares. b) Reatores acoplados Conforme ilustrado na figura 1.21, se a corrente por SCR1 tende a se tornar maior que por SCR2, uma fora contra-eletro-motriz aparecer sobre a indutncia, proporcionalmente ao desbalanceamento, tendendo a reduzir a corrente por SCR1. Ao mesmo tempo uma tenso induzida do outro lado do enrolamento, aumentando a corrente por SCR2. As mais importantes caractersticas do reator so alto valor da saturao e baixo fluxo residual, para permitir uma grande excurso do fluxo a cada ciclo.

. .(a)

.

. . .

SCR1

(c)

.(b)

.SCR2

.

.

.

.

.

.(d)

.

.

Figura 1.21 - Equalizao de corrente com resistores e com reatores acoplados1.4.6.2 Disparo H duas caractersticas do tiristor bastante importantes para boa diviso de corrente entre os componentes no momento em que se deve dar o incio da conduo: o tempo de atraso (td) e a mnima tenso de disparo (Vonmin). O tempo de atraso pode ser interpretado como o intervalo entre a aplicao do sinal de gate e a real conduo do tiristor. A mnima tenso de disparo o valor mnimo da tenso direta entre anodo e catodo com a qual o tiristor pode ser ligado por um sinal adequado de porta. Recorde-se, da caracterstica esttica do tiristor, que quanto menor a tenso Vak, maior deve ser a corrente de gate para levar o dispositivo conduo. Diferenas em td podem fazer com que um componente entre em conduo antes do outro. Com carga indutiva este fato no to crtico pela inerente limitao de di/dt da carga, o que no ocorre com cargas capacitivas e resistivas. Alm disso, como Vonmin maior que a queda de tenso direta sobre o tiristor em conduo, possvel que outro dispositivo no consiga entrar em conduo.

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Esta situao crtica quando se acoplam diretamente os tiristores, sendo minimizada atravs dos dispositivos de equalizao j descritos e ainda por sinais de porta de durao maior que o tempo de atraso.1.4.6.3 Desligamento Especialmente com carga indutiva, deve-se prever algum tipo de arranjo que consiga manter o equilbrio de corrente mesmo que haja diferentes caractersticas entre os tiristores (especialmente relacionadas com os tempos de desligamento). A capacitncia do circuito amaciador limita o desbalanceamento, uma vez que absorve a corrente do tiristor que comea a desligar. 1.4.6.4 Circuito de disparo A corrente de gate deve ser alvo de atenes. O uso de um nico circuito de comando para acionar todos os tiristores minimiza os problemas de tempos de atraso. Alm disso, deve-se procurar usar nveis iguais de corrente e tenso de gate, uma vez que influem significativamente no desempenho do disparo. Para minimizar os efeitos das diferenas nas junes gate-catodo de cada componente pode-se fazer uso de um resistor ou indutor em srie com o gate, para procurar equalizar os sinais. importante que se tenha atingido a corrente de disparo (IL) antes da retirada do pulso de gate, o que pode levar necessidade de circuitos mais elaborados para fornecer a energia necessria. Uma seqncia de pulsos tambm pode ser empregada. 1.4.7 Associao em srie de tiristores Quando o circuito opera com tenso superior quela suportvel por um nico tiristor, preciso associar estes componentes em srie, com precaues para garantir a distribuio equilibrada de tenso entre eles. Devido a diferenas nas correntes de bloqueio, capacitncias de juno, tempos de atraso, quedas de tenso direta e recombinao reversa, redes de equalizao externa so necessrias, bem como cuidados quanto ao circuito de disparo. A figura 1.22 indica uma possvel distribuio de tenso numa associao de 3 tiristores, nas vrias situaes de operao. Durante os estados de bloqueio direto e reverso (I e VI), diferenas nas caractersticas de bloqueio resultam em desigual distribuio de tenso em regime. Ou seja, o tiristor com menor condutncia quando bloqueado ter de suportar a maior tenso. interessante, ento, usar dispositivos com caractersticas o mais prximas possvel. Os estados de conduo (III e IV) no apresentam problema de distribuio de tenso. Estados II e V representam um desbalanceamento indesejado durante os transientes de disparo e comutao. No estado II o tempo de atraso do SCR1 consideravelmente mais longo que o dos outros e, assim, ter que, momentaneamente, suportar toda a tenso. O estado V resulta dos diferentes tempos de recombinao dos componentes. O primeiro a se recombinar suportar toda a tenso. 1.4.7.1 Estado estacionrio O mtodo usual de equalizar tenses nas situaes I e VI colocar uma rede resistiva com cada resistor conectado entre anodo e catodo de cada tiristor. Estes resistores representam consumo de potncia, sendo desejvel usar os de maior valor possvel. O projeto do valor da resistncia deve considerar a diferena nos valores das correntes de bloqueio direta e reversa.

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Eletrnica de Potncia - Cap. 1I 1200V Bloqueio direto + 1000V II Conduo parcial + 1200V III Conduo direta + 1.0V IV Conduo reversa + 0.9V V Recuperao reversa parcial VI Bloqueio reverso

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T1

0.7V

100V

T2

50V

6V

1.1V

1.0V

0.7V

900V

T3

150V

5V

0.9V

0.8V

1200V +

200V +

5mA

10mA

50A

10A

10mA

10mA

Figura 1.22 - Tenses em associao de tiristores sem rede de equalizao.1.4.7.2 Disparo Um mtodo que pode ser usado para minimizar o desequilbrio do estado II fornecer uma corrente de porta com potncia suficiente e de rpido crescimento, para minimizar as diferenas relativas ao tempo de atraso. A largura do pulso deve ser tal que garanta a continuidade da conduo de todos os tiristores. 1.4.7.3 Desligamento Para equalizar a tenso no estado V, um capacitor ligado entre anodo e catodo de cada tiristor. Se a impedncia do capacitor suficientemente baixa e/ou se utiliza a constante de tempo necessria, o crescimento da tenso no dispositivo mais rpido ser limitado at que todos se recombinem. Esta implementao tambm alivia a situao no disparo, uma vez que realiza uma injeo de corrente no tiristor, facilitando a entrada em conduo de todos os dispositivos. Mas se o capacitor providencia excelente equalizao de tenso, o pico de corrente injetado no componente no disparo pode ser excessivo, devendo ser limitado por meio de um resistor em srie com o capacitor. interessante um alto valor de R e baixo valor de C para, com o mesmo RC, obter pouca dissipao de energia. Mas se o resistor for de valor muito elevado ser imposta uma tenso de rpido crescimento sobre o tiristor, podendo ocasionar disparo por dv/dt. Usa-se ento um diodo em paralelo com o resistor, garantindo um caminho de carga para o capacitor, enquanto a descarga se faz por R. O diodo deve ter uma caracterstica suave de recombinao para evitar efeitos indesejveis associados s indutncias parasitas das ligaes. Recomenda-se o uso de capacitores de baixa indutncia parasita. A figura 1.23 ilustra tais circuitos de equalizao.

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C

R D

C

R D

C

R D

Equalizao Dinmica

Rs Rs Equalizao esttica Figura 1.23 - Circuito de equalizao de tenso em associao srie de tiristores.

Rs

1.4.7.4 Circuito de disparo Em muitas aplicaes, devido necessidade de isolamento eltrico entre o circuito de comando e o de potncia, o sinal de disparo deve ser isolado por meio de algum dispositivo como, por exemplo, transformadores de pulso ou acopladores ticos, como mostra a figura 1.24. a) Transformador de pulso Neste caso, tem-se transformadores capazes de responder apenas em alta freqncia, mas que possibilitam a transferncia de pulsos de curta durao (at centenas de microssegundos), aps o que o transformador satura. Caso seja necessrio um pulso mais largo, ele poder ser obtido por meio de um trem de pulsos, colocando-se um filtro passa-baixas no lado de sada. Com tais dispositivos deve-se prever algum tipo de limitao de tenso no secundrio (onde est conectado o gate), a fim de evitar sobre-tenses. Quando se usar transformador de pulso preciso garantir que ele suporte pelo menos a tenso de pico da alimentao. Como as condies de disparo podem diferir consideravelmente entre os tiristores, comum inserir uma impedncia em srie com o gate para evitar que um tiristor com menor impedncia de gate drene o sinal de disparo, impedindo que os demais dispositivos entrem em conduo. Esta impedncia em srie pode ser um resistor ou um capacitor, que tornaria mais rpido o crescimento do pulso de corrente. b) Acoplamento luminoso O acoplamento tico apresenta como principal vantagem a imunidade a interferncias eletromagnticas, alm da alta isolao de potencial. Dois tipos bsicos de acopladores so usados: os opto-acopladores e as fibras ticas. No primeiro caso tem-se um dispositivo no qual o emissor e o receptor esto integrados, apresentando uma isolao tpica de 2500 V. J para as fibras ticas, o isolamento pode ser de centenas de kV. A potncia necessria para o disparo provida por duas fontes: uma para alimentar o emissor (em geral a prpria fonte do circuito de controle) e outra para o lado do receptor. Eventualmente, a prpria carga armazenada no capacitor do circuito amaciador (ou rede de equalizao), atravs de um transformador de corrente, pode fornecer a energia para o lado do receptor, a partir da corrente que circula pelo tiristor, assegurando potncia durante todo o perodo de conduo.

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+Vcc +

+V

..Req Pulsos Req

Pulsos

Figura 1.24 Circuitos de acionamento de pulso.1.4.8 Sobre-tenso As funes gerais da proteo contra sobre-tenso so: assegurar, to rpido quanto possvel, que qualquer falha em algum componente afete apenas aquele tiristor diretamente associado ao componente; aumentar a confiabilidade do sistema; evitar reaes na rede (como excitao de ressonncias). Estas sobre-tenses podem ser causadas tanto por aes externas como por distribuio no homognea das tenses entre os dispositivos. Em aplicaes onde as perdas provocadas pelos resistores de equalizao devem ser evitadas, a distribuio de tenso pode ser realizada pelo uso de retificadores de avalanche controlada, que tambm atuam no caso de sobre-tenses. Uma possvel restrio ao uso de supressores de sobre-tenso (geralmente de xido metlico, os varistores), que a falha em um certo componente (um curto em um tiristor) pode levar a uma sobrecarga nos demais supressores, provocando uma destruio em cascata de todos. A fim de evitar disparos indesejados dos tiristores em virtude do aumento repentino da tenso, superando o limite de dv/dt ou o valor da mxima tenso direta de bloqueio, deve-se manter uma polarizao negativa no terminal da porta, aumentado o nvel de tenso suportvel. Resfriamento As caractersticas do tiristor so fornecidas a uma certa temperatura da juno. O calor produzido na pastilha deve ser dissipado, devendo transferir-se da pastilha para o encapsulamento, deste para o dissipador e da para o meio de refrigerao (ar ou lquido). Este conjunto possui uma capacidade de armazenamento de calor, ou seja, uma constante de tempo trmica, que permite sobrecargas de corrente por perodos curtos. Tipicamente esta constante da ordem de 3 minutos para refrigerao a ar. A temperatura de operao da juno deve ser muito menor que o mximo especificado. Ao aumento da temperatura corresponde uma diminuio na capacidade de suportar tenses no estado de bloqueio. Tipicamente esta temperatura no deve exceder 120oC. O sistema de refrigerao deve possuir redundncia, ou seja, uma falha no sistema deve por em operao um outro, garantindo a troca de calor necessria. Existem vrias maneiras de implementar as trocas: circulao externa de ar filtrado, circulao interna de ar (com trocador de calor), refrigerao com lquido, etc. A escolha do tipo de resfriamento influenciada pelas condies ambientais e preferncias do usurio. 1.4.9

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1.5 GTO - Gate Turn-Off Thyristor

O GTO, embora tenha sido criado no incio da dcada de 60, por problemas de fraco desempenho foi pouco utilizado. Com o avano da tecnologia de construo de dispositivos semicondutores, novas solues foram encontradas para aprimorar tais componentes, que hoje ocupam significativa faixa de aplicao, especialmente naquelas de elevada potncia, uma vez que esto disponveis dispositivos para 5000V, 4000A.1.5.1 Princpio de funcionamento O GTO possui uma estrutura de 4 camadas, tpica dos componentes da famlia dos tiristores. Sua caracterstica principal sua capacidade de entrar em conduo e bloquear atravs de comandos adequados no terminal de gate. O mecanismo de disparo semelhante ao do SCR: supondo-o diretamente polarizado, quando a corrente de gate injetada, circula corrente entre gate e catodo. Grande parte de tais portadores, como a camada de gate suficientemente fina, desloca-se at a camada N adjacente, atravessando a barreira de potencial e sendo atrados pelo potencial do anodo, dando incio corrente andica. Se esta corrente se mantiver acima da corrente de manuteno, o dispositivo no necessita do sinal de gate para manter-se conduzindo. A figura 1.25 mostra o smbolo do GTO e uma representao simplificada dos processos de entrada e sada de conduo do componente. A aplicao de uma polarizao reversa na juno gate-catodo pode levar ao desligamento do GTO. Portadores livres (lacunas) presentes nas camadas centrais do dispositivo so atrados pelo gate, fazendo com que seja possvel o restabelecimento da barreira de potencial na juno J2.

Rg Vcc P+ NEntrada em conduo J1Regio de Transio

J2 J3 N+ P

Vg Rg

A G

K

Rg Vcc Desligamento P+ NP N+

Rg Vg

Figura 1.25 - Smbolo, processos de comutao e estrutura interna de GTO.A figura do GTO foi obtida na AN-315, International Rectifier, 04/82.

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Aparentemente seria possvel tal comportamento tambm no SCR. As diferenas, no entanto, esto no nvel da construo do componente. O funcionamento como GTO depende, por exemplo, de fatores como: facilidade de extrao de portadores pelo terminal de gate - isto possibilitado pelo uso de dopantes com alta mobilidade desaparecimento rpido de portadores nas camadas centrais - uso de dopante com baixo tempo de recombinao. Isto implica que um GTO tem uma maior queda de tenso quando em conduo, comparado a um SCR de mesmas dimenses. suportar tenso reversa na juno porta-catodo, sem entrar em avalanche - menor dopagem na camada de catodo absoro de portadores de toda superfcie condutora - regio de gate e catodo muito interdigitada, com grande rea de contato. Diferentemente do SCR, um GTO pode no ter capacidade de bloquear tenses reversas. Existem 2 possibilidades de construir a regio de anodo: uma delas utilizando apenas uma camada p+, como nos SCR. Neste caso o GTO apresentar uma caracterstica lenta de comutao, devido maior dificuldade de extrao dos portadores, mas suportar tenses reversas na juno J2. A outra alternativa, mostrada na figura 1.26, introduzir regies n+ que penetrem na regio p+ do anodo, fazendo contato entre a regio intermediria n- e o terminal de anodo. Isto, virtualmente, curto-circuita a juno J1 quando o GTO polarizado reversamente. No entanto, torna-o muito mais rpido no desligamento (com polarizao direta). Como a juno J3 formada por regies muito dopadas, ela no consegue suportar tenses reversas elevadas. Caso um GTO deste tipo deva ser utilizado em circuitos nos quais fique sujeito a tenso reversa, ele deve ser associado em srie com um diodo, o qual bloquear a tenso.

placa de contato do catodo

metalizao do catodo metalizao do gate

n+ J3

n+ p

n+

J2 nJ1 p+ n+ p+ anodo n+ p+

Figura 1.26 - Estrutura interna de GTO rpido (sem bloqueio reverso)1.5.2 Parmetros bsicos do GTO Os smbolos utilizados pelos diversos fabricantes diferem, embora as grandezas representadas sejam, quase sempre, as mesmas.

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Vdrxm - Tenso de pico, repetitiva, de estado desligado: sob condies dadas, a mxima tenso instantnea permissvel, em estado desligado, que no ultrapasse o dv/dt mximo, aplicvel repetidamente ao GTO. It - Corrente (RMS) de conduo: mxima corrente (valor RMS) que pode circular continuamente pelo GTO. Itcm - Corrente de conduo repetitiva controlvel: mxima corrente repetitiva, cujo valor instantneo ainda permite o desligamento do GTO, sob determinadas condies. I2t: escala para expressar a capacidade de sobrecorrente no-repetitiva, com respeito a um pulso de curta durao. utilizado no dimensionamento dos fusveis de proteo. di/dt: taxa de crescimento mxima da corrente de anodo. Vgrm - Tenso reversa de pico de gate repetitiva: mxima tenso instantnea permissvel aplicvel juno gate-catodo. dv/dt: mxima taxa de crescimento da tenso direta de anodo para catodo. IH - corrente de manuteno: Corrente de anodo que mantm o GTO em conduo mesmo na ausncia de corrente de porta. IL - corrente de disparo: corrente de anodo necessria para que o GTO entre em conduo com o desligamento da corrente de gate. tgt - tempo de disparo: tempo entre a aplicao da corrente de gate e a queda da tenso Vak. tgq - tempo de desligamento: tempo entre a aplicao de uma corrente negativa de gate e a queda da corrente de anodo (tgq=ts+tf) ts - tempo de armazenamento1.5.3 Condies do sinal de porta para chaveamento Desde que, geralmente, o GTO est submetido a condies de alto di/dt, necessrio que o sinal de porta tambm tenha rpido crescimento, tendo um valor de pico relativamente elevado. Deve ser mantido neste nvel por um tempo suficiente (tw1) para que a tenso Vak caia a seu valor de conduo direta. conveniente que se mantenha a corrente de gate durante todo o perodo de conduo, especialmente se a corrente de anodo for pequena, de modo a garantir o estado "ligado". A figura 1.27 ilustra as formas de corrente recomendadas para a entrada em conduo e tambm para o desligamento. Durante o intervalo "ligado" existe uma grande quantidade de portadores nas camadas centrais do semicondutor. A comutao do GTO ocorrer pela retirada destes portadores e, ainda, pela impossibilidade da vinda de outros das camadas ligadas ao anodo e ao catodo, de modo que a barreira de potencial da juno J2 possa se restabelecer. O grande pico reverso de corrente apressa a retirada dos portadores. A taxa de crescimento desta corrente relaciona-se com o tempo de armazenamento, ou seja, o tempo decorrido entre a aplicao do pulso negativo e o incio da queda (90%) da corrente de anodo. Quanto maior for a derivada, menor o tempo. Quando a corrente drenada comea a cair, a tenso reversa na juno gate-catodo cresce rapidamente, ocorrendo um processo de avalanche. A tenso negativa de gate deve ser mantida prxima ao valor da tenso de avalanche. A potncia dissipada neste processo controlada (pela prpria construo do dispositivo). Nesta situao a tenso Vak cresce e o GTO desliga. Para evitar o disparo do GTO por efeito dv/dt, uma tenso reversa de porta pode ser mantida durante o intervalo de bloqueio do dispositivo. O ganho de corrente tpico, no desligamento, baixo (de 5 a 10), o que significa que, especialmente para os GTOs de alta corrente, o circuito de acionamento, por si s, envolve a manobra de elevadas correntes.

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t gq Ifgm Ifg ts

Vr tr dIrg dt Vrg (tenso negativa do circuito de comando) avalanche

t w1 Vgk IgIrg

Figura 1.27 - Formas de onda tpicas do circuito de comando de porta de GTO.1.5.4 Circuitos amaciadores (snubber) 1.5.4.1 Desligamento Durante o desligamento, com o progressivo restabelecimento da barreira de potencial na juno reversamente polarizada, a corrente de anodo vai se concentrando em reas cada vez menores, concentrando tambm os pontos de dissipao de potncia. Uma limitao da taxa de crescimento da tenso, alm de impedir o gatilhamento por efeito dv/dt, implicar numa reduo da potncia dissipada nesta transio. O circuito mais simples utilizado para esta funo uma rede RCD, como mostrado na figura 1.28. Supondo uma corrente de carga constante, ao ser desligado o GTO, o capacitor se carrega com a passagem da corrente da carga, com sua tenso vaiando de forma praticamente linear. Assim, o dv/dt determinado pela capacitncia. Quando o GTO entrar em conduo, este capacitor se descarrega atravs do resistor. A descarga deve ocorrer dentro do mnimo tempo em conduo previsto para o GTO, a fim de assegurar tenso nula inicial no prximo desligamento. A resistncia no pode ser muito baixa, a fim de limitar a impulso de corrente injetado no GTO.

D R C

Figura 1.28 Circuito amaciador de desligamento tipo RCD. A energia armazenada no capacitor ser praticamente toda dissipada em R. Especialmente em aplicaes de alta tenso e alta freqncia, esta potncia pode assumir valores excessivos. Em tais casos deve-se buscar solues ativas, nas quais a energia acumulada no capacitor seja devolvida fonte ou carga . A potncia a ser retirada do capacitor dada por:

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p cap

C V2 = fs 2

(1.5)

onde V a tenso de alimentao e fs a freqncia de chaveamento. Como exemplo, suponhamos um circuito alimentado em 1000V, operando a 1kHz com um capacitor de 1F. Isto significa uma potncia de 500W!1.5.4.2 Entrada em conduo A limitao de di/dt nos GTOs muito menos crtica do que para os SCR. Isto se deve interdigitao entre gate e catodo, o que leva a uma expanso muito mais rpida da superfcie em conduo, no havendo significativa concentrao de corrente em reas restritas. O problema relacionado ao crescimento da corrente refere-se, para um GTO, principalmente, potncia dissipada na entrada em conduo do dispositivo. Com carga indutiva, dada a necessria existncia de um diodo de livre-circulao (e o seu inevitvel tempo de desligamento), durante alguns instantes em que o GTO j se encontra conduzindo, sobre ele tambm existe uma tenso elevada, produzindo um pico de potncia sobre o componente. Este fato agravado pela corrente reversa do diodo e ainda pela descarga do capacitor do snubber de desligamento (caso exista). A figura 1.29 ilustra este comportamento.V Io carga Lcarga Df Ia Io Ls V Ia Rs Vak V Vak Vak Df

R carga

Ds

Figura 1.29 - GTO acionando carga indutiva e amaciador para desligamento. Para reduzir este efeito, um circuito amaciador para o disparo pode ser necessrio, com o objetivo de reduzir a tenso sobre o GTO em sua entrada em conduo, pode-se utilizar um circuito amaciador formado, basicamente, por um indutor com ncleo saturvel, que atue de maneira significativa apenas durante o incio do crescimento da corrente, mas sem armazenar uma quantidade significativa de energia.1.5.5 Associaes em srie e em paralelo Nas situaes em que um componente nico no suporte a tenso ou a corrente de uma dada aplicao, faz-se necessrio associar componentes em srie ou em paralelo. Nestes casos os procedimentos so similares queles empregados, descritos anteriormente, para os SCRs.

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1.6 Transistor Bipolar de Potncia (TBP) 1.6.1 Princpio de funcionamento A figura 1.30 mostra a estrutura bsica de um transistor bipolar.Rc Vcc N+ C NJ2 P J1 N+

-

B

-

E Vb Rb

Figura 1.30 - Estrutura bsica de transistor bipolar A operao normal de um transistor feita com a juno J1 (B-E) diretamente polarizada, e com J2 (B-C) reversamente polarizada. No caso NPN, os eltrons so atrados do emissor pelo potencial positivo da base. Esta camada central suficientemente fina para que a maior parte dos portadores tenha energia cintica suficiente para atravess-la, chegando regio de transio de J2, sendo, ento, atrados pelo potencial positivo do coletor. O controle de Vbe determina a corrente de base, Ib, que, por sua vez, se relaciona com Ic pelo ganho de corrente do dispositivo. Na realidade, a estrutura interna dos TBPs diferente. Para suportar tenses elevadas, existe uma camada intermediria do coletor, com baixa dopagem, a qual define a tenso de bloqueio do componente. A figura 1.31 mostra uma estrutura tpica de um transistor bipolar de potncia. As bordas arredondadas da regio de emissor permitem uma homogeneizao do campo eltrico, necessria manuteno de ligeiras polarizaes reversas entre base e emissor. O TBP no sustenta tenso no sentido oposto porque a alta dopagem do emissor provoca a ruptura de J1 em baixas tenses (5 a 20V). O uso preferencial de TBP tipo NPN se deve s menores perdas em relao aos PNP, o que ocorre por causa da maior mobilidade dos eltrons em relao s lacunas, reduzindo, principalmente, os tempos de comutao do componente.B E N+ 10e19 cm-3 10e16 cm-3 10 u 5 a 20 u C N10e14 cm-3 50 a 200 u B E N+ 10e19 cm-3 250 u (substrato)

P

C

Figura 1.31 Estrutura interna de TPB e seu smbolo

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1.6.2 Limites de tenso A tenso aplicada ao transistor encontra-se praticamente toda sobre a juno J2 a qual, tipicamente, est reversamente polarizada. Existem limites suportveis por esta juno, os quais dependem principalmente da forma como o comando de base est operando, conforme se v nas figuras 1.32 e 1.33. Com o transistor conduzindo (Ib>0) e operando na regio ativa, o limite de tenso Vce Vces o qual, se atingido, leva o dispositivo a um fenmeno chamado de primeira ruptura. O processo de primeira ruptura ocorre quando, ao se elevar a tenso Vce, provoca-se um fenmeno de avalanche em J2. Este acontecimento no danifica, necessariamente, o dispositivo. Se, no entanto, a corrente Ic se concentrar em pequenas reas, o sobre-aquecimento produzir ainda mais portadores e destruir o componente (segunda ruptura). Com o transistor desligado (Ib=0) a tenso que provoca a ruptura da juno J2 maior, elevando-se ainda mais quando a corrente de base for negativa. Isto uma indicao interessante que, para transistores submetidos a valores elevados de tenso, o estado desligado deve ser acompanhado de uma polarizao negativa da base.Ic Ib>0 Vces Ib=0 Vceo IbIb3>Ib2>Ib1>0 Vceo Vce Vcbo Ib25W) % da fundamental

Classe D (de 75 W a 600 W) [mA/W] 3,4 1,9 1,0 0,5 0,35 0,296 3,85/n

3 5 7 9 11 13 15T, a equao anterior se simplifica para: Eg E

(4.21)

No caso crtico, substituindo (4.21) em (4.19), tem-se que tx=0. A figura 4.7 mostra o valor do ciclo de trabalho crtico para diferentes relaes entre a constante de tempo eltrica e o perodo de chaveamento. Nas figuras 4.8 e 4.9 tem-se as curvas caractersticas estticas do conversor para diferentes tenses de armadura. Em 4.8, no modo descontnuo, a tenso terminal igual a Eg, enquanto em 4.9, como a queda resistiva no desprezvel, o valor da tenso terminal sempre superior tenso Eg. Em termos de um modelamento do conversor para uma anlise dinmica, se a operao ocorrer no modo de conduo contnua, pode-se represent-lo por um ganho, o que j no possvel no caso de conduo descontnua. Note-se que, nesta situao, o ganho incremental (dVt/d) muito baixo, tendendo a zero para a>>T.crit 1 cond. contnua

0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 20 40 60 Eg/E (%) 80 100

a /T=1cond. descontnua

a /T=10

Figura 4.7. Ciclo de trabalho crtico que delimita o modo de operao.

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Eletrnica de Potncia Cap. 4

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100 80Vt/E (%)Eg/E=0,8 Eg/E=0,6 Eg/E=0,4 Eg/E=0,2

60 40 20 0

0.6 0.8 1 Figura 4.8. Caracterstica esttica do conversor para I quadrante para a/T=10.100Eg/E=0,8

0

0.2

0.4

80Eg/E=0,6

60

Vt/E (%)

Eg/E=0,4

40Eg/E=0,2

20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Figura 4.9. Caracterstica esttica do conversor para I quadrante para a/T=1. Em conduo contnua a ondulao da corrente dada por:1 e T a

I =

E Ra

+ e

T

a

e

(1 ) T

a

1 e

T a

(4.22)

Utilizando as linearizaes apresentadas tem-se:I = 2 E T (1 ) R a ( 2 a T)

(4.23)

A ondulao ser mxima para 50% de ciclo de trabalho, valendo:I max = ET 4 La

(4.24)

A corrente mdia :Ia = E Eg Ra

(4.25)

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4.2.2 Conversor Classe B Nesta situao, na qual a velocidade mantm seu sentido (portanto tambm o faz Eg) e o torque (a corrente de armadura) se inverte, a topologia apresenta-se como mostrada na figura 4.10, onde o diodo e o transistor trocaram de posio, havendo uma inverso no sentido da corrente de armadura e da fonte.ia If E iT

La

Ra vt + Eg -

Figura 4.10. Conversor Classe B: operao no IV quadrante - frenagem avante. Para que seja possvel corrente retornar fonte (supondo-a receptiva), necessrio que a tenso terminal mdia tenha um valor maior do que a tenso da fonte. Isto pode ocorrer se Eg>E ou ainda pela ao do prprio conversor. O primeiro caso (Eg>E) ocorre, por exemplo, quando se faz controle de velocidade atravs do enfraquecimento do campo. Ao se desejar freiar a MCC, eleva-se a corrente de campo, aumentando Eg, possibilitando a transferncia de energia da mquina para a fonte. Isto possvel at a velocidade base. Uma outra possibilidade a MCC girar, por ao de um torque externo, acima da velocidade base (por exemplo, um veculo numa descida). Nosso objetivo aqui, no entanto, analisar esta frenagem quando comandada pelo conversor. As formas de onda mostradas na figura 4.11 referem-se operao nos modos de conduo contnua e descontnua.Conduo contnua I Conduo descontnua tx Ia

ia

Ii

If i f

If

iTE Eg 0 t1

vt

E Eg 0 t1 t2

Figura 4.11 Formas de onda tpicas de conversor classe B. Durante a conduo do transistor acumula-se energia na indutncia de armadura. Quando este componente desligado, a continuidade da corrente por La leva conduo do diodo,

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fazendo com que a energia acumulada na indutncia e aquela retirada da MCC sejam entregues fonte. Quanto maior for o ciclo de trabalho, maior ser a corrente e, portanto, maior a energia retirada da mquina. Desprezando as quedas de tenso no transistor e no diodo, o valor mdio da tenso terminal, em conduo contnua :Vt = E (1 )

(4.26)

No intervalo em que a corrente de armadura cresce (entre 0 e t1) a corrente expressa por:i a (t ) = Io et a t Eg 1 e a + Ra

(4.27)

No intervalo de decaimento da corrente, ou seja, entre t1 e t2, tem-se:i a (t ) = I1 e ( t t1 ) a ( t t1 ) E Eg a 1 e Ra

(4.28)

Aproximaes (1a ordem) das equaes anteriores so dadas, respectivamente, por: t Eg t i a (t ) = Io 1 + a Ra a (t t 1 ) E E g t t 1 i a (t ) = I 1 1 a Ra a

( )

(4.29)

(4.30)

No modo descontnuo a corrente Io nula e t2>T, a equao anterior se simplifica para:tx E 1 T E Eg

(4.33)

O ciclo de trabalho que determina a passagem do modo de conduo contnua para o modo de conduo descontnua dado pela raiz positiva da equao:

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E (E E g ) a a 2 + 1 =0 EgT Eg T Sendo a>>T, a equao anterior se simplifica para: 1 Eg E

(4.34)

(4.35)

A figura 4.12 mostra o valor do ciclo de trabalho crtico para diferentes relaes entre a constante de tempo eltrica e o perodo de chaveamento. Na figura 4.13 tem-se as curvas caractersticas estticas do conversor para diferentes tenses de armadura. No modo de conduo descontnua, a tenso terminal tende a Eg, supondo a queda resistiva no desprezvel, o valor da tenso terminal sempre inferior a esta tenso. Em conduo contnua, a corrente mdia de armadura :Ia = Eg E (1 ) Ra

(4.36)

Em conduo descontnua a corrente mdia baixa, de modo que o torque frenante produzido pequeno. Uma frenagem eficiente realizada operando-se com conduo contnua. Na hiptese em que a fonte de alimentao no seja receptiva ao retorno da energia (como, por exemplo, um retificador a diodos), deve-se prever um meio de dissipar a energia retirada da MCC. Em geral, isto feito sobre uma resistncia, caracterizando a chamada frenagem dinmica.

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 20 a/T=10 a/T=1

60 80 100 Eg/E (%) Figura 4.12. Ciclo de trabalho crtico para conversor Classe B.

40

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100

Vt/E (%)80Eg/E=0,6

60Eg/E=0,4

40Eg/E=0,2

20

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Figura 4.13. Caracterstica de transferncia esttica de conversor Classe B (a/T=1).4.2.3 Conversor Classe C Neste caso pode-se operar tanto em trao quanto em frenagem, mas sem alterar o sentido de rotao da mquina. O circuito mostrado na figura 4.14 realiza tal funo. O conjunto T3/D3/Rd, usado caso se deseje fazer frenagem dinmica. O acionamento do I quadrante feito aplicando-se o sinal de comando em T1, ficando T2 e T3 desligados. O intervalo de circulao se d via D2 e D3. A frenagem (IV quadrante) regenerativa feita mantendo-se T1 desligado e aplicando o sinal de comando a T2, enquanto T3 mantido constantemente ligado. O intervalo de circulao ocorre via D1 e T3. A presena de T3 possibilita a realizao de frenagem dinmica, ou seja, dissipativa. Neste caso, T1 mantido desligado (D1 no existe) e T2 ligado. O sinal de comando aplicado a T3. Quando T3 desliga a corrente continua a circular pelo resistor Rd, dissipando a a energia retirada da mquina. D1 La iaD2

RaT1

ET2

vt RdD3

+ Eg -

T3

Figura 4.14 Conversor Classe C, com frenagem dinmica. Exceto para a operao com frenagem dinmica, as caractersticas estticas deste conversor so uma unio das caractersticas descritas para os conversores classe A e B.4.2.4 Conversor Classe D Neste tipo de conversor no ocorre frenagem (ou seja, a corrente de armadura circula sempre no mesmo sentido), mas a polaridade da tenso terminal pode ser alternada. A figura 4.15 mostra tal topologia. Uma aplicao tpica no acionamento de motores de passo, de

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relutncia, ou brushless quando se deseja apressar a extino da corrente aps o perodo de alimentao de uma dada fase do motor.

T1 E ia D3 La

D2

vtRa Eg T4

Figura 4.15 Conversor Classe D. Tipicamente os transistores so acionados simultaneamente, aplicando uma tenso terminal positiva MCC. Quando so desligados, a continuidade da corrente se d pela conduo dos diodos, fazendo com que a tenso terminal se inverta. Note que, como no ocorre inverso no sentido da corrente, no est havendo frenagem da mquina. O retorno de energia para a fonte se d pela absoro da energia acumulada na indutncia de armadura e no pela diminuio da energia presente na massa girante acoplada ao eixo da mquina. A figura 4.16 mostra as formas de onda tpicas para operao nos modos de conduo contnua e descontnua. Observe que a tenso terminal varia entre +E e -E.Conduo contnua I1 I Io I1 i a 0 iD Ia Conduo descontnua tx

Ia

i E Vt -E 0 t1 T=t2

T

v

E t 0 t1 -E t2

Eg

Figura 4.16. Formas de onda do conversor Classe D. A operao em um ou outro modo de funcionamento depende de diversos parmetros do sistema. Desprezando as quedas de tenso no transistor e no diodo, o valor mdio da tenso terminal, em conduo contnua :Vt = E ( 2 1)

(4.37)

Note que para um ciclo de trabalho inferior a 50% ter-se-ia uma tenso terminal negativa. Uma situao deste tipo poderia ocorrer em dois casos: transitoriamente, quando a largura de

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pulso reduzida rapidamente, enquanto a corrente de armadura se mantm contnua, levando os diodos a conduzirem por alguns ciclos completos; a outra hiptese a de uma tenso de armadura com polaridade oposta indicada, o que poderia ocorrer, nesta topologia, caso houvesse um torque externo levando a este movimento, ou uma inverso na corrente de campo, uma vez que o conversor no permite um torque que conduza a MCC ao outro sentido de rotao. No intervalo em que a corrente de armadura cresce (entre 0 e t1) a corrente dada por:i a ( t ) = Io et a

( E E g ) 1 e t +a

Ra

(4.38)

No intervalo de decaimento da corrente, ou seja, entre t1 e t2, tem-se:i a (t ) = I 1 e (t t1 ) a ( t t1 ) (E + E g ) a 1 e Ra

(4.39)

Aproximaes (1a ordem) das equaes anteriores so dadas, respectivamente, por: t E Eg t i a ( t ) = Io 1 + Ra a a (t t 1 ) (E + E g ) t t 1 i a ( t ) = I 1 1 a Ra a

(

)

(4.40)

(4.41)

No modo de conduo descontnua a corrente Io nula e t2>T, a equao anterior se simplifica para:tx E Eg 1 1 + T E + Eg

(4.44)

O ciclo de trabalho que determina a passagem do modo de conduo contnua para a descontnua dado pela raiz positiva da equao:

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2E (E + E g ) a a 2 + 1 =0 (E E g ) T (E E g ) T

(4.41)

Sendo a>>T, a equao anterior se simplifica para: E + Eg 2E

(4.42)

A figura 4.17 mostra o valor do ciclo de trabalho crtico para diferentes relaes entre a constante de tempo eltrica e o perodo de chaveamento.0.8

a/T=1 a/T=10

0.6

0.4

0.2

0

0

20

40

60 Eg/E (%)

80

100

Figura 4.17. Ciclo de trabalho crtico para conversor Classe D. Na figura 4.18 tem-se as curvas caractersticas estticas do conversor para diferentes tenses de armadura, supondo a queda resistiva desprezvel, ou seja, o valor da tenso terminal igual tenso Eg. Indicam-se apenas valores para tenso terminal positiva pois esta a nica possibilidade de operao em regime proporcionada pelo conversor sob anlise.100

Vt/E (%)80

Eg/E=0,8

60 Eg/E=0,4 40

20 Eg/E=0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Figura 4.18. Caracterstica esttica do conversor classe D para a>>T.4.2.5 Conversor Classe E Neste tipo de conversor possvel a operao nos quatro quadrantes do plano torque x velocidade, ou seja, trao e frenagem avante e r. A figura 4.19 mostra tal topologia.

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T1 E D3

D1 La T3

vtRa

T2

D2

Eg

ia T4

D4

Figura 4.19 Conversor Classe E. Diferentes possibilidades de comando dos transistores existem:4.2.5.1 Comando simultneo O par de transistores T1/T4 ou o par T2/T3 acionado simultaneamente. Quando um par desligado, a continuidade da corrente se d pela conduo dos diodos em antiparalelo com o outro par, fazendo com que a tenso terminal da MCC se inverta. Note que se no ocorre inverso no sentido da corrente no est havendo frenagem da mquina. O retorno de energia para a fonte se d pela absoro da energia acumulada na indutncia de armadura e no pela diminuio da energia presente na massa girante acoplada ao eixo da mquina. As formas de onda so as mesmas mostradas na figura 4.16. O acionamento no I e II quadrantes (torque positivo) feito aplicando-se o sinal de comando a T1 e T4, ficando T2 e T3 desligados. O acionamento no III e IV quadrantes (torque negativo) feito comandando-se T2 e T3. As equaes e curvas vlidas para este conversor so as mesmas, para trao, mostradas para o conversor Classe D, ou seja, desprezando as quedas de tenso nos transistores e nos diodos, o valor mdio da tenso terminal, em conduo contnua :Vt = E ( 2 1)

(4.43)

Quando o sistema entra no modo de conduo descontnua a corrente mdia tende a um valor muito baixo e praticamente no h torque, de modo que a velocidade (e consequentemente Eg) permanece praticamente constante. Note que para um ciclo de trabalho inferior a 50% tem-se uma tenso terminal negativa. Uma situao deste tipo poderia ocorrer transitoriamente, quando a largura de pulso fosse reduzida rapidamente, enquanto a corrente de armadura se mantm contnua, levando os diodos a conduzirem por um intervalo de tempo maior do que o fazem os transistores. Neste caso, como no h inverso no sentido da corrente de armadura e supondo Eg>0, o processo continua sendo de trao e a energia entregue fonte aquela acumulada na indutncia de armadura. Uma outra hiptese a de uma tenso de armadura com polaridade oposta indicada, ou seja, com a MCC girando no outro sentido de rotao ( r). Neste caso, mantida a polaridade da corrente mdia de armadura, tem-se efetivamente um processo de frenagem.

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100 Vt/E (%) 60 Eg/E=0,2 Eg/E=0 Eg/E=-0,2 Eg/E=0,6

Trao

20 0 -20 Eg/E=-0,6

Acionamento de T1 e T4

-60

Frenagem se Eg>T. O acionamento de T2 e T3, deixando T1 e T4 desligados, permite a operao nos quadrantes III e IV. Sempre considerando a polaridade indicada na figura 4.19, isto significa uma corrente de armadura negativa. Para a polaridade da tenso de armadura indicada na figura, ou seja, Eg>0, durante a conduo destes transistores a tenso terminal instantnea ser negativa e a tenso da fonte se somar a Eg. Durante a conduo dos diodos a tenso sobre a indutncia (desprezando a queda em Ra) ser a diferena destas tenses. A figura 4.21 mostra as formas de onda. Desprezando as quedas de tenso no transistor e no diodo, o valor mdio da tenso terminal, em conduo contnua :Vt = E (1 2 )

(4.44)

Ter-se- frenagem regenerativa, com um fluxo de potncia da MCC para a fonte, quando o intervalo de conduo dos diodos for superior ao dos transistores. Isto ocorrer para um ciclo de trabalho inferior a 50%. Sempre supondo Eg>0, para >0,5, a energia retirada da fonte maior do que a devolvida, ou seja, o que se tem uma frenagem dinmica com a energia sendo dissipada sobre a resistncia de armadura! No intervalo em que a corrente de armadura cresce em mdulo (entre 0 e t1) a corrente expressa por:i a ( t ) = Io et a

( E + E g ) 1 e t +a

Ra

(4.45)

No intervalo de decaimento da corrente, ou seja, entre t1 e t2, tem-se:i a (t ) = I 1 e (tt1 ) a (t t1 ) (E E g ) a 1 e Ra

(4.46)

Aproximaes (1a ordem) das equaes anteriores so dadas, respectivamente, por:

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t E + Eg t i a ( t ) = Io 1 + Ra a a (t t 1 ) (E E g ) t t 1 i a ( t ) = I 1 1 a Ra a Conduo contnua 0 I Ia ia I1 iD tx Conduo descontnua

(

)

(4.47)

(4.48)

Ia

i E Vt -E 0 t1 T=t2

T

E vt -E 0 t1 t2 Eg

Figura 4.21. Formas de onda do conversor Classe E, para frenagem.

No modo de conduo descontnua a corrente Io nula e t2>T, a equao anterior se simplifica para:tx E + Eg 1 1 + T E Eg

(4.51)

O ciclo de trabalho que determina a passagem do modo de conduo contnua para a descontnua dado pela raiz positiva da equao:

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(E E ) 2E g a a =0 1 2 + (E + E g ) T (E + E g ) T

(4.52)

Sendo a>>T, a equao anterior se simplifica para: E Eg 2E

(4.53)

A figura 4.22 mostra o valor do ciclo de trabalho crtico para diferentes relaes entre a constante de tempo eltrica e o perodo de chaveamento. Na figura 4.23 tem-se as curvas caractersticas estticas do conversor para diferentes tenses de armadura, supondo a queda resistiva desprezvel, ou seja, o valor da tenso terminal igual tenso Eg. Se a tenso Eg for negativa, isto significa que a MCC est girando no sentido oposto. Neste caso o comando de T2/T3 implica numa operao de trao r. Para 0

Trao r Se Eg>T. Acionamento de T2/T3.

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4.2.5.2 Comandos separados Uma outra forma de comandar os transistores, e que determina diferentes formas de onda para a tenso terminal descrita a seguir: Para tenso terminal positiva mantm-se T1 (ou T4) sempre ligado, fazendo-se a modulao sobre T4 (ou T1). O perodo de circulao ocorrer no atravs da fonte, mas numa malha interna, formada, por exemplo, por T1 e D2, fazendo com que a tenso terminal se anule. Tem-se para o conversor um comportamento igual ao Classe A, valendo, inclusive, as mesmas equaes. Para tenso terminal negativa mantm-se T2 (ou T3) sempre ligado, fazendo-se a modulao sobre T3 (ou T2). O perodo de circulao ocorrer no atravs da fonte, mas numa malha interna, formada, por exemplo, por T2 e D1. Este acionamento no permite frenagem regenerativa, uma vez que a corrente que circula pelos diodos no retorna para a fonte. A vantagem que, em trao, como o ciclo de trabalho crtico menor do que no caso anterior, a corrente tende ao modo contnuo. 4.2.5.3 Deslocamento de fase Neste tipo de acionamento os comandos para os pares T1/T4 e T2/T3 so complementares, ou seja, quando se desliga um par se liga o outro. Isto garante a no existncia de descontinuidade na corrente pois, quando ela tende a se anular (circulando pelos diodos), os transistores acionados em antiparalelo permitiro sua reverso. O inconveniente que, mesmo com a MCC parada (tenso mdia nula) os transistores esto sendo acionados com ciclo de trabalho de 50%. Para se ter uma tenso mdia positiva o intervalo de conduo de T1/T4 deve ser maior do que o de T2/T3, e vice-versa, como indicado na figura 4.24. As frenagens ocorrem naturalmente quando, para uma dada polaridade da tenso de armadura se faz o acionamento (com largura de pulso maior que 50%) do par de transistores que produz uma tenso terminal com polaridade oposta.

T1/T4

T2/T3

+E

vt-E Ia Ia

Figura 4.24 Formas de onda de Conversor Classe E, com acionamento por deslocamento de fase.

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J. A. Pomilio

4.3 Princpios de motores com ms permanentes

Um problema dos motores CC convencionais so as escovas, devido ao desgaste e centelhamento produzido. Uma alternativa introduzir no rotor um m permanente que faz as vezes da armadura. Obviamente no se tema mais a possibilidade de controle atravs da variao do respectivo campo magntico. Abrem-se, no entanto, outras possibilidades de acionamento, com o aumento do nmero de plos. O funcionamento do motor, no entanto, depende de um conversor eletrnico que faa a adequada alimentao dos enrolamentos do estator. A figura 4.25 ilustra um motor com 2 plos e as respectivas bobinas do estator.

Figura 4.25 Estrutura bsica de motor de mas parmanentes de dois plos e respectivas bobinas. (extrado de http://www.basilnetworks.com/article/motors/analysis3.html em 8/2/2006). Com a energizao seqncia de cada bobina cria-se um campo resultante que impe um deslocamento no rotor buscando o devido alinhamento, o que leva rotao do eixo. Motores assim simples so normalmente utilizados em brinquedos e sistemas de baixo custo, como ventiladores para computadores. No entanto o motor de 2 plos, embora possa operar em elevadas velocidades, apresenta elevada ondulao de torque. Com o aumento do nmero de plos possvel obter um comportamento mais plano do torque embora, normalmente, isso implique numa reduo da velocidade. A figura 4.26 mostra um motor com 4 plos. A reduo da velocidade decorre da dificuldade de conseguir-se desmagnetizar a bobina antecessora ao mesmo tempo em que se alimenta a bobina seguinte. Observe que o campo ainda produzido pela bobina anterior produz um torque que se ope rotao desejada. A minimizao deste efeito exige que o conversor que alimenta o motor seja capaz de levar a zero da meneira mais rpida possvel a corrente da bobina que est sendo desligada, o que justifica o uso de topologias classe D.

D

eletrônica de potência básica

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