Eletrônica de Potência COMPONENTES SEMICONDUTORES EM

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
EPO – Eletrônica de Potência
COMPONENTES SEMICONDUTORES EM
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Prof. Yales Rômulo de Novaes
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
INTRODUÇÃO
●
Introdução
●
Classificação dos semicondutores
●
Diodos
●
Características estáticas reais
●
●
●
Idealizações
Características dinâmicas reais
●
Idealizações
●
Classificação dos diodos
●
Cálculo de perdas
●
Exemplo
Prof. Yales Rômulo de Novaes
●
Tiristores
●
Características estáticas reais
● Idealizações
●
Características dinâmicas reais
● Idealizações
●
Classificação dos diodos
●
Cálculo de perdas
Cálculo térmico
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INTRODUÇÃO
●
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”
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INTRODUÇÃO
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
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INTRODUÇÃO
Aplicações:
●
●
●
●
Controle de motores
Retificador
Fontes de alimentação
(telecomunicações, computadores)
No-breaks, UPS
Conversor
indireto de
freqüência
Conversor
CC-CC
Conversor
indireto
de tensão
Energia fotovoltaica, eólica, fontes
alternativas
●
Condicionadores de energia
●
...
Conversor direto
de freqüência
Inversor
E2
(v2, f2)
Fonte:Rech
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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
iF
Em condução (diretamente polarizado),
C
A
possui baixa queda de tensão.
+ vF iF
Bloqueado (inversamente polarizado), circula
1
VRRM IR
V(TO)
somente corrente de fuga, até atingir VRRM.
rT
vF
Modelo durante condução
iF
C
A
V(TO) r T
vF
+
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DIODOS – Idealizações
Em condução (diretamente
Interruptor fechado, baixa
polarizado), possui baixa queda de
resistência.
tensão.
Bloqueado (inversamente
polarizado), circula somente corrente
de fuga, até atingir VRRM.
Interruptor aberto, alta resistência
(MΩ)
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DIODOS – Idealizações
VF>0, resistência nula (s/ perdas condução)
iF
C
A
+ vF -
VF<0, resistência infinita (corrente nula)
iF
Lembrar:
Entra em condução quando polarizado pela
tensão
vF
Bloqueia-se espontaneamente quando a corrente
passa por zero
Pode haver corrente negativa durante o bloqueio
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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.
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Fonte: Williams2006
DIODOS – Classificação quanto a velocidade
Convencionais:
comumente utilizados em retificadores, frequências de comutação típicas: 16 2/3 Hz, 50 Hz,
60 Hz. Tempo de recuperação reversa não especificado, trr: 400ns @ 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 @ 60 A, 400600V
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 @ 60 A, 45V
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DIODOS – Perdas
Perdas podem ser separadas em:
●
Perdas de condução
●
Perdas de comutação
●
bloqueio
●
entrada em condução
Perdas de condução
iF
C
A
V(TO) r T
vF
+
P cond =V T0⋅I AVG I RMS 2⋅r T
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DIODOS – Perdas
Perdas de comutação:
P com =P onP off
Bloqueio (idealizado):
P off =Q rr⋅E⋅f
1
P off = V RRM⋅i RRM⋅t ri⋅f
2
s
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DIODOS – Perdas
Perdas de comutação – entrada em condução
1
P on = V FP −V F ⋅I o⋅t rf⋅f
2
s
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DIODOS – Perdas
Perdas totais
P tot =P com P cond
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)
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DIODOS – exercício
Retificador meia onda, a 60 Hz (220 RMS, R=10 Ohms)
iD med =10 A
iDef =15,5 A
Diodo SKN20/04
V T0 =0,85V
r T =11 m 
Calcule a potência dissipada no diodo,
considerando-se as perdas de maior
relevância (condução).
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Tiristores – característica estática real
A
C
G
1
2
3
4
Polarização reversa → bloqueio
Polarização direta → bloqueio
Polarização direta → curto-circuito (disparo)
Polarização direta → curto-circuito
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Tiristores – característica estática real
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Tiristores – idealização da característica estática
esp.
1
conduz
ik
bloqueia
3
com.
bloqueia
esp.
2
vk
1
Polarização reversa → circuito aberto
2
Polarização direta → circuito aberto (sem disparo)
3
Polarização direta → circuito fechado (disparo)
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G
C
A
Tiristores – características dinâmicas
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Tiristores – características dinâmicas
Bloqueio
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:Michels
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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:
●
Perdas de condução
●
Perdas de comutação
●
bloqueio
●
entrada em condução
Perdas de condução
iF
C
A
V(TO) r T
vF
+
P cond =V T0⋅I AVG I RMS 2⋅r T
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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
1
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Cálculo térmico
Modelo para regime permanente
R jc
Tj
R cd
Tc
R da
Td
P
Ta
Tj Junção (semicondutor)
Tc Case (Encapsulamento)
Td Dissipador (Alumínio/
Cobre/Água/etc)
Ta
Ambiente
Fonte: Heldwein2009
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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=40o C
Rthda =80 C
Rthjc=20 C
0
Rthcd =1 C
R jc
Tj
R cd
Tc
P
R da
Td
Ta
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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
P 1 =10W
0
Rthjc=1 C
0
Rthcd =0,5 C
0
Tj max=150 C
Componente 2
P 2=14 W
0
Rthjc=1,5 C
0
Rthcd =0,5 C
0
Tj max =125 C
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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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