epo eletrônica de potência componentes … · fontes de alimentação ... ou corrente de...

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

EPO – Eletrônica de Potência

COMPONENTES SEMICONDUTORES EM ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

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Introdução

Classificação dos semicondutores

Diodos

Características estáticas reais

Idealizações

Características dinâmicas reais

Idealizações

Classificação dos diodos

Cálculo de perdas

Exemplo

INTRODUÇÃO

Tiristores Características estáticas reais

Idealizações Características dinâmicas reais

Idealizações Classificação dos diodos Cálculo de perdas

Cálculo térmico

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Eletrônica de Potência:

“Ciência dedicada ao estudo de conversores estáticos.”

“É uma ciência aplicada que aborda a conversão e o controle de fluxo

de energia elétrica entre dois ou mais sistemas distintos, através de

conversores estáticos de potência”

INTRODUÇÃO




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Conversor Estático:

◦ Composto por elementos passivos (R, L, C) e interruptores

(semicondutores), combinados de tal maneira a realizar o tratamento ou

transformação de energia elétrica.

◦ Adicionado à carga e/ou fonte forma(m) um sistema.

◦ Basicamente, utiliza semicondutores operando na região de corte ou

saturação, evitando perdas excessivas.

◦ Dispositivos que “controlam” o fluxo de potência: semicondutores

INTRODUÇÃO




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INTRODUÇÃO

Aplicações:

Controle de motores

Fontes de alimentação (telecomunicações, computadores)

No-breaks, UPS

Energia fotovoltaica, eólica, fontes alternativas

Condicionadores de energia

...




cc-cc ca-ca

Retificador

Inversor

cc-cc

Indireta

ca-ca

Indireta

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Classificação dos semicondutores (interruptores) em EP

Não controláveis: diodos (entrada em condução e bloqueio espontâneo dependentes do circuito)

Semi-controláveis: tiristores (entrada em condução controlada, bloqueio espontâneo que depende do circuito)

Controláveis: GTO, BJT, MOSFET, IGBT, IGCT (entrada em condução e bloqueio controlados)




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DIODOS – Característica estática real

Em condução (diretamente polarizado), possui

baixa queda de tensão.

Bloqueado (inversamente polarizado), circula

somente corrente de fuga, até atingir

VRRM.

Modelo durante condução




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DIODOS – Idealizações

Em condução (diretamente

polarizado), possui baixa queda de

tensão.

Bloqueado (inversamente

polarizado), circula somente

corrente de fuga, até atingir VRRM.

Interruptor fechado, baixa

resistência.

Interruptor aberto, alta resistência

(MΩ)




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DIODOS – Idealizações

VF>0, resistência nula (s/ perdas condução)

VF<0, resistência infinita (corrente nula)

Lembrar:

Entra em condução quando polarizado pela

tensão

Bloqueia-se espontaneamente quando a

corrente passa por zero

Pode haver corrente negativa durante o

bloqueio devido a recuperação reversa

(dinâmica)




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DIODOS – Características dinâmicas

Entrada em condução: recuperação

direta, elevada derivada de corrente

pode provocar sobretensão.

Normalmente este fenômeno pode ser

desconsiderado. Tempo de

recuperação direta.

Bloqueio: a corrente se torna negativa por

um tempo antes de o diodo se bloquear

(Silício). Durante esse tempo, os

portadores de carga são armazenados

na junção são removidos. Tempo de

recuperação reversa – tr, trr.Fonte: Williams, 2006

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DIODOS – Classificação quanto a velocidade

Convencionais: comumente utilizados em retificadores, frequências de

comutação típicas: 16.66Hz, 50 Hz, 60 Hz. Tempo de recuperação reversa

não especificado, trr: 400ns em 60 A, 1600V.

Rápidos e ultra-rápidos: tempo de recuperação direta muitas vezes não

especificado, tempo de recuperação reversa e carga armazenada

normalmente encontrado nos datasheets, trr: 8,5-70ns em 60 A, 400-600V

Diodos tipo Schottky: tempo de recuperação reversa e carga armazenada

quase nula, queda de tensão direta baixa, tensão de bloqueio baixa (~100V),

trr: 20 ns em 60 A, 45V

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DIODOS – Perdas

Perdas podem ser separadas em:

Perdas de condução

Perdas de comutação

◦ Bloqueio

◦ Entrada em condução


𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑉𝑇0 ⋅ 𝐼𝐴𝑉𝐺 + 𝐼𝑅𝑀𝑆2 ⋅ 𝑟𝑇

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DIODOS – Perdas

𝑃𝑜𝑓𝑓 = 𝑄𝑟𝑟 ⋅ 𝐸 ⋅ 𝑓𝑠 𝑃𝑜𝑓𝑓 =1

2𝑉𝑅𝑅𝑀 ⋅ 𝑖𝑅𝑅𝑀 ⋅ 𝑡𝑟𝑖 ⋅ 𝑓𝑠

𝑃𝑐𝑜𝑚 = 𝑃𝑜𝑛 + 𝑃𝑜𝑓𝑓

Bloqueio (idealizado):

Perdas de comutação:

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DIODOS – Perdas


𝑃𝑜𝑛 =1

2𝑉𝐹𝑃 − 𝑉𝐹 ⋅ 𝐼𝑜 ⋅ 𝑡𝑟𝑓 ⋅ 𝑓𝑠

Entrada em condução

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DIODOS – Perdas

Perdas totais

Considerações de acordo com a frequência de operação

Retificadores 50 , 60Hz

◦ tipicamente considera-se somente as perdas por condução

Conversores em geral, (fs > 400 Hz) :

◦ No cálculo de perdas em condução pode-se muitas vezes desprezar rT

◦ Cálculo de perdas de comutação pode-se geralmente desprezar

entrada em condução (fs < 1 kHz)

𝑃𝑡𝑜𝑡 = 𝑃𝑐𝑜𝑚 + 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑

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DIODOS – Exercício

Retificador meia onda, a 60 Hz (220 RMS, R=10 Ohms)

𝑖𝐷𝑚𝑒𝑑 = 10𝐴

𝑖𝐷𝑒𝑓 = 15,5𝐴

Diodo SKN20/04

𝑉𝑇0 = 0,85𝑉

𝑟𝑇 = 11𝑚Ω

Calcule a potência dissipada no diodo, considerando-se as perdas de maior relevância (condução).

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TIRISTORES – Característica estática real

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TIRISTORES – Característica estática real

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TIRISTORES – Idealização da característica estática

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TIRISTORES – Características dinâmicas

Bloqueio

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TIRISTORES – Características dinâmicas

tq: mínimo intervalo de tempo em que a tensão deva ser mantida reversa sobre o tiristor garantindo assim o bloqueio

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TIRISTORES – Datasheet (folha de dados)

Fonte: Prof. Leandro Michels - UFSM

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TIRISTORES – Datasheet (folha de dados)

Latching current (IL) ou corrente de retenção: para que o tiristor permaneça

no estado de condução depois que o sinal de gatilho é removido, é

necessário que a corrente principal (anodo) esteja acima do valor de IL

determinado pelo fabricante.

Holding current (IH) ou corrente de manutenção: para que o tiristor possa

bloquear, a corrente principal deve estar abaixo do valor da corrente de

Latching (IL). O nível de corrente em que o tiristor bloqueia é chamado

Holding current. Este nível de corrente é afetado pela temperatura e

impedância de gate.

Valores negativos de tensão de gate aumentam significativamente os valores

de IL e IH

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TIRISTORES – Perdas

Perdas podem ser separadas em:



◦ Bloqueio

◦ Entrada em condução


𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑉𝑇0 ⋅ 𝐼𝐴𝑉𝐺 + 𝐼𝑅𝑀𝑆2 ⋅ 𝑟𝑇

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TIRISTORES – Perdas

Assim como para os diodos, em conversores comutados

pela linha (50-60 Hz), as perdas de comutação podem ser

desprezadas.

Nos casos em que as perdas de comutação devam ser

consideradas, as equações são as mesmas obtidas para os

diodos de silício.

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Cálculo térmico

A corrente que circula no componente provoca perdas que

geram calor. O calor gerado deve ser transferido para o

ambiente. A temperatura de junção não pode se elevar acima

dos limites máximo permitidos pois provocaria a inutilização do

componente.

Por isso a determinação correta das perdas e o

dimensionamento do dissipador de calor são de importância

prática fundamental.

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Cálculo térmico

Exemplos de encapsulamentos

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Cálculo térmico

Modelo para regime permanente

Fonte: Heldwein, 2009

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Cálculo térmico

Procedimento:

1. Calcular as perdas (P) através das características do componente e do

circuito no qual está inserido.

2. Tj – máximo valor é fornecido pelo fabricante do componente.

3. Ta – valor adotado pelo projetista.

4. Calcular Rja.

5. Determinar a resistência térmica do dissipador.

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Cálculo térmico

Exercício:

A partir das perdas de condução calculadas no exercício anterior e utilizando-se

dos parâmetros abaixo informados, calcular a temperatura na junção

considerando-se a utilização de um dissipador comercial com resistência

térmica de 8 0C/W. 𝑇𝑎 = 40𝑜𝐶𝑅𝑡ℎ𝑑𝑎 = 80 Τ𝐶 𝑊

𝑅𝑡ℎ𝑗𝑐 = 20 Τ𝐶 𝑊

𝑅𝑡ℎ𝑐𝑑 = 10 Τ𝐶 𝑊

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Cálculo térmico

Exercício:

Considere um sistema de resfriamento com dois componentes distintos

montados sobre o mesmo dissipador de calor. Calcule a máxima resistência

térmica do dissipador a fim de manter a temperatura na junção em ambos

componentes dentro de valores aceitáveis. Considere a temperatura

ambiente Ta = 40 oC.

Componente 1 Componente 2

𝑃1 = 10𝑊

𝑅𝑡ℎ𝑗𝑐 = 10𝐶

𝑅𝑡ℎ𝑐𝑑 = 0,50𝐶

𝑇𝑗𝑚𝑎𝑥 = 1500𝐶

𝑃2 = 14𝑊

𝑅𝑡ℎ𝑗𝑐 = 1,50𝐶

𝑅𝑡ℎ𝑐𝑑 = 0,50𝐶

𝑇𝑗𝑚𝑎𝑥 = 1250𝐶

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Referências

Algumas das figuras/texto têm como fonte as seguintes referências:

• Barbi, I.do autor, E. (Ed.), 2001. Projetos de Fontes Chaveadas.

• Barbi, I., 2006. Eletrônica de Potência, 6 ed.. Edição do Autor. Heldwein, M. L. (2009). Apresentação em powerpoint (parte de minicurso COBEP2009).

• Michels, L. Apresentação em powerpoint da disciplina EPO I (UDESC).

• Rech, C. Apresentação em powerpoint da disciplina EPO II (UDESC).

• Williams, B. W.Williams, B. W. (Ed.), 2006. Principles and Elements of Power Electronics. Barry W. Williams, ISBN 978-0-9553384-0-3.

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