Aula 02 - DEE UFBA

Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica
Departamento de Engenharia Elétrica
Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48)
Tema: Dispositivos para Eletrônica de Potência
Prof.: Eduardo Simas
[email protected]
Aula 8
DEE
Sumário


Principais dispositivos para Eletrônica de Potência

Diodos

Transistores

Tiristores
Aplicações
DEE
2/80
1. Dispositivos Semicondutores
DEE
3/80
Principais Dispositivos Semicondutores

Diodo de Potência:

Transistor Bipolar
de Potência:

MOSFET de Potência:
 Tiristor (SCR):

TRIAC:

GTO (Gate Turn
Off Thyristor):

IGBT: (Insulated Gate
Bipolar Transistor)

MCT (MOS controlled
Thyristor)
DEE
4/80
Principais Dispositivos Semicondutores

Os dispositivos são
escolhidos considerando a
potência máxima e a
frequência de chaveamento
necessárias para a
aplicação
DEE
Tratamento Térmico e Termoquímico dos Aços
5/80
2.Diodos de Potência
DEE
6/80
Diodos de Potência

Os diodos de potência são provavelmente o dispositivo semicondutor mais
simples utilizado em aplicações da Eletrônica de Potência.
Simbologia
Encapsulamentos
Curva Característica
A -> Anodo
K -> Catodo
Quando:
VA > VK (VAK > 0) -> polarização direta -> condução
VA < VK (VAK < 0) -> polarização reversa -> bloqueio
DEE
7/80
Diodos de Potência

Estrutura interna básica de um diodo semicondutor (junção P-N):
Região de
depleção
DEE
8/80
Diodos de Potência
Estrutura interna:
-
-
-
O lado N é dividido em dois, com
diferente intensidade da dopagem.
A região N- tem menor intensidade de
impurezas dopantes e permite ao
componente suportar tensões mais
elevadas pois diminui o campo elétrico
na região de transição.
As regiões externas são fortemente
dopadas gerando contatos com
características ohmicas (e não
semicondutoras).
DEE
9/80
Diodos de Potência
Características estáticas:
Vo -> Tensão de condução
IR -> Corrente reversa
VRR -> Tensão de ruptura reversa
r -> Resistência interna para pol. direta
r=
DEE
∂V
∂I
10/80
IF -> Corrente de pol. direta
Diodos de Potência
VON -> Tensão de condução
VR-> Tensão de pol. reversa
Qrr -> Carga acumulada
Características dinâmicas:

Diodos de potência
apresentam um tempo
finito (não-nulo) para passar
do estado desligado (pol.
reversa) para o estado
ligado (polarização direta) e
vice-versa.

Sobre-tensão durante o
ligamento (VFP)!

Pico de corrente reversa no
desligamento (Irr) !
DEE
11/80
Diodos de Potência
Características dinâmicas – Transitório p/ condução:

Portadores são injetados na região de depleção diminuindo
a barreira de potencial.

O excesso de portadores produz aumento na corrente (t1).

O pico de tensão direta (VFP) é produzido devido a
características internas ao diodo como:


capacitância produzida na região de depleção quando
polarizada reversamente;

resistência equivalente da região N-;

indutância da pastilha de silício
VFP pode chegar a algumas dezenas de volts
DEE
12/80
Diodos de Potência
Carac. dinâmicas – Transitório p/ bloqueio:

Durante t3 o excesso de portadores na junção é
gradualmente reduzido.

O intervalo trr = t4 + t5 é chamado tempo de recuperação
reversa.
di R
diR t rr
I rr =
t =
dt 4 dt S+ 1
sendo:
S=
t5
t4
Do gráfico temos:
1
Qrr ≈ I rr t rr
2
então:
diR t 2rr
Qrr =
dt 2 (S+ 1 )
Substituindo chega-se a:
trr =
DEE
2Qrr (S +1 )
diR / dt
I rr =
2Qrr diR / dt
S +1
13/80
Diodos de Potência

Transitório para bloqueio com diferentes fatores de atenuação:
Recuperação suave
Recuperação abrupta
Observação: ta=t4 e tb=t5
DEE
14/80
Perdas em Diodos de Potência
Perdas:




Perdas no estado ligado:
Perdas no estado desligado:
Perdas no chaveamento:
Total:
DEE
t ON
P Ligado= V F I F
T
tOFF
P Desligado= V R I R
T
PComutação =
V F ( max)× I F ( max )× tComutação
Perdas= P Ligado+ P Desligado+ P Comutação
6
×fS
Sendo:
VF = tensão direta
IF = corrente direta
VR = tensão reversa
IR = corrente de fuga
fs = frequência de chaveamento
15/80
Diodos de Potência
Exemplo:

Considerando que o fabricante de um diodo informou os valores a seguir:

Taxa de queda da corrente = 20 A/μs

Tempo de recuperação reversa = 5 μs
Encontre a corrente de pico reversa sabendo que t 4 >> t5 (recuperação
abrupta).
DEE
16/80
Diodos de Potência
Exemplo:

Considerando que o fabricante de um diodo informou os valores a seguir:

Taxa de queda da corrente = 20 A/μs

Tempo de recuperação reversa = 5 μs
Encontre a corrente de pico reversa sabendo que t 4 >> t5 (recuperação
abrupta).
Resolução:
Como t4 >> t5 , então S → 0, assim:
diR t rr2
Qrr =
= 1 / 2  20 A / μs  ( 5μμ )2 = 50 μC
dt 2
A
I rr = 2Qrr diR / dt = 20  2  50 μC = 44,72 A
μs
DEE
17/80
Diodos Schottky

DEE
O diodo Schottky é formado
pela junção de um filme
fino de metal com um
semicondutor (que
normalmente é do tipo n).
18/80
Diodos Schottky

As características de retificação i-v são semelhantes às de um diodo de
potência formado por uma junção p-n.

Entretanto apresenta características particulares se comparado a um
diodo de junção p-n como:
DEE

Tensão de condução mais baixa (0,3 a 0,4 V)

Maior corrente de fuga reversa

Tensão de bloqueio entre 100 e 200 V

Maior velocidade na mudança de estados

Menor pico de tensão durante o ligamento
19/80
Diodos de Potência
Circuitos “snubber” para diodos de potência:

No processo de recuperação reversa podem
aparecer picos de tensão em diodos de potência.

Estes picos podem danificar o dispositivo.

Os circuitos amaciadores (snubbers) são utilizados
para proteção dos diodos de potência.

Capacitor -> estabiliza a tensão:

Resistor -> dissipa energia
DEE
20/80
3. Transistores Bipolares de Potência
DEE
21/80
TBJ de Potência

Os TBJs de potência têm sido tradicionalmente utilizados em diversas
aplicações onde é necessário o chaveamento de potência em altas e baixas
frequencias.

Recentemente, com o avanço da tecnologia de fabricação de semicondutores,
os transistores de efeito de campo metal-óxido (MOSFET) e os transistores
bipolares de porta isolada (IGBT) vêm gradualmente substituindo os TBJ em
algumas aplicações.
DEE
22/80
TBJ de Potência

Estrutura orientada na
vertical maximiza a área da
Simbologia
seção transversal.

As resistências elétrica e
térmica são minimizadas.

Os níveis de dopagem e as
larguras das camadas
influenciam nas
características do dispositivo.
Estrutura interna
DEE
23/80
TBJ de Potência

O coletor tem dois níveis de dopagem distintos (de modo semelhante ao diodo de
potência).

A largura das camadas do coletor determina o nível de tensão de ruptura do
dispositivo.

Pode ser dos tipos
DEE
NPN
ou
PNP:
24/80
TBJ de Potência
Princípio de operação (tipo NPN):

Há uma junção PN entre a base e o emissor e outra entre a
base e o coletor.

Quando a junção B-E está diretamente polarizada (VBE > 0), um fluxo de portadores
de carga (elétrons e lacunas) é estabelecido entre a base e o emissor.

Como a região da base é fina, os portadores acabam sendo atraídos para a junção
coletor emissor que está inversamente polarizada (VBC > 0) e enfraquecendo a
região de depleção.

Desse modo é estabelecido um fluxo de portadores entre o coletor e o emissor.
DEE
25/80
TBJ de Potência
Princípio de operação:

A corrente de emissor é dada por:
sendo: VT=KT/q e η é o coeficiente de emissão

A corrente de coletor é uma fração da corrente de emissor:

Como iE = iC+iB :
DEE
26/80
TBJ de Potência
Curvas de operação
(emissor-comum):
DEE
Em aplicações de chaveamento o TBJ opera entre as regiões
de corte (corrente IC nula para qualquer valor de VCE) e de
saturação (alta corrente IC para baixos valores de VCE).
27/80
TBJ de Potência
Curvas de operação :
TBJ de potência vertical

A região de quase-saturação
só existe nos diodos de
potência devido à região de
baixa dopagem no coletor.
BVSUS: tensão de ruptura com IC > 0
BVCEO: tensão de ruptura com IB = 0
BVCBO: tensão de ruptura com IB < 0
DEE
28/80
TBJ de Potência
ConexãoDarlington:
 Devido à suas características construtivas os TBJ de
potência em geral apresentam baixo ganho de corrente
(5 a 10 vezes).
 Quanto um maior ganho é necessário pode-se utilizar
um par Darlington:
 =  1x  2 +  1 +  2
DEE
29/80
TBJ de Potência
Região de Operação Segura (Safety Operation Area – SOA)
Indica os valores de tensão e corrente que podem ser aplicados ao dispositivo:
DEE
Polarização
direta
Polarização
reversa
30/80
TBJ de Potência
Características
dinâmicas: Carga
Resistiva
Sendo:
ton = td + tn : tempo de ativação
toff = ts + tf : tempo de desativação
td : tempo de atraso devido ao
efeito capacitivo da junção B-E
tn : tempo de subida de Ic
tS : tempo necessário p/ neutralizar
os portadores da junção C-B
tf : tempo de descida de Ic
DEE
31/80
TBJ de Potência
Características dinâmicas: Carga Indutiva

Com cargas indutivas a corrente apresenta um
atraso em relação à tensão aplicada na base.

É produzida uma corrente de base negativa
durante o desligamento do dispositivo.
DEE
32/80
TBJ de Potência
Perdas:

As perdas podem acontecer no
chaveamento, durante a
condução e no estado desligado

Quando a frequencia de chaveamento é baixa as perdas na condução são mais
significativas:
PDesligado  VCC  I C(Fuga) tDesligado  f S
PLigado  VCE(SAT) I C  tLigado  f S

As perdas no chaveamento aumentam com
a frequencia de comutação:
Pcomutação 
DEE
VCC  I C(MAX)
6
 τ  fS
VCC : tensão de polarização do coletor
IC(max) : máxima corrente IC
: duração do transitório de
chaveamento (=ton ou =toff)
fS : freq. de chaveamento
33/80
TBJ de Potência
DEE
34/80
TBJ de Potência
Circuitos de acionamento da base:
Exemplo
Um pulso positivo em 1 leva T1 à condução,
carregando o capacitor com a tensão do diodo zener
e produzindo uma corrente positiva na base do TP .
Um pulso negativo em 1 leva T2 à condução (e T1 ao
corte ), criando um caminho para a descarga do
capacitor, que gera um pulso de corrente negativa na
base do TP, acelerando seu desligamento
1
DEE
35/80
TBJ de Potência
Exemplo: Considerando que no circuito a seguir VCC=200V, RC=20Ω e
VCE(sat)=0,9V, encontre as perdas no TBJ para:
a)fs=120Hz, ton=1μs e toff=1,5μs
b)fs=5kHz, ton=1μs e toff=1,5μs
Considere a corrente de fuga no estado bloqueado
aproximadamente igual a zero e um ciclo de trabalho d=0,8.
DEE
36/80
TBJ de Potência
Exemplo: Considerando que no circuito a seguir VCC=200 V, RC=20 Ω e
VCE(sat)=0,9V, encontre as perdas no TBJ para:
Resolução:
a)fs=120Hz, ton=1μs e toff=1,5μs
1/fs = Ts = TLigado + TDesligado + Tcomut sendo Ts o período entre os
chaveamentos assim: Ts= 8,3333 ms → d = TLigado /(Ts - Tcomut)
TLigado = (8,3333 – 0,0025) x 0,8 = 6,6646 ms
Perdas = PLigado + Pcomut :
PLigado  VCE(SAT) I C  tLigado  f S
DEE
Pcomutação 
VCC  I C(MAX)
6
 τ  fS
37/80
TBJ de Potência
Exemplo:
PLigado  VCE(SAT) I C  tLigado  f S
>> Perdas no estado ligado:
sendo:
IC =
então:
VCC  VCE(SAT)
RC
=
200 0,9
= 9,955A
20
PLigado  0,9  9,955  6,6646 103 120  7,17 W
>> Perdas na comutação:
como:
I C( MAX ) =
DEE
VCC 200
=
= 10 A
RC
20
Pcomutação 
VCC  I C(MAX)
então:
Pcomutação
6
 τ  fS
200 10

 2,5 106 120 = 0,1W
6
38/80
TBJ de Potência
Exemplo: Total de perdas:
Perdas= P Ligado+ P Comutação= 7,17+ 0,10= 7,27W
>> Repetindo o problema para o item b) fs=5kHz, ton=1μs e toff=1,5μs chega-se a:
Ts= 20 μs → TLigado =(20– 2,5) x 0,8 = 14 µs
PLigado  0,9  9,955 14 106  5000 0,627W
Pcomutação
200 10

 2,5 106  5000 = 4,167W
6
Perdas = PLigado + PComutação = 0,627 + 4,167 = 4,794W
DEE
39/80
TBJ de Potência
Aplicações:

Acionamento de um
motor de corrente
contínua:
DEE
40/80
4. Transistores de Efeito de Campo de
Potência
DEE
41/80
MOSFET de Potência

Com os avanços na tecnologia de fabricação de semicondutores, MOSFETs com
considerável capacidade de condução de corrente no estado ligado e bloqueio de
tensão no estado desligado começaram a ser produzidos em larga escala a partir
da década de 1980.

Os MOSFETs passaram a ser amplamente utilizados em substituição aos TBJs
principalmente em aplicações onde é requerida alta frequência de chaveamento.

Diferente do BJT, o MOSFET pertence a uma classe de dispositivos UNIPOLARES,
pois utilizam apenas os portadores majoritários para condução.

São intrinsecamente mais rápidos que os TBJs pois não apresentam excesso de
portadores minoritários a serem removidos durante os transitórios de ligamento e
desligamento, as únicas cargas a serem removidas são das capacitâncias internas.
DEE
42/80
Simbologia
MOSFET de Potência
Canal-n

Características:
Estrutura interna de
um MOSFET canal-n
O gate está isolado
do corpo pelo SiO2.
Canal-p

O MOSFET de potência utiliza uma estrutura de canal
vertical para aumentar a capacidade de potência.
DEE
n+ : 1019 cm-3 (alta dopagem)
n- : 1014 cm-3 (baixa dopagem)
p : 1016 cm-3 (média dopagem)
43/80
MOSFET de Potência
Curvas de

Operação:
DEE
44/80
MOSFET de Potência
Funcionamento:

Bloqueio
Duas junções p-n, não há passagem de corrente qualquer que seja a polarização.
DEE
45/80
MOSFET de Potência
Funcionamento:

Efeito de
campo.

Um capacitor
de alta
qualidade é
formado.
DEE
46/80
MOSFET de Potência
Funcionamento:

Condução
A corrente de dreno é controlada a partir da tensão aplicada na porta !
DEE
47/80
MOSFET de Potência
Transitórios de chaveamento:

Circuito utilizado para analisar os
transitórios de chaveamento:

Acionamento de uma carga
indutiva.
DEE
48/80
MOSFET de Potência
Transitórios de chaveamento:

Desligado – Ligado:

Não há pico de corrente nem
atraso de resposta como no TBJ.
DEE
49/80
Perdas no MOSFET de Potência
Perdas:


Perdas no estado ligado:
Perdas no estado desligado:
P Ligado=
t ON
2
I D R DS(ON )
T
t OFF
P Desligado= V DS( MAX ) I DSS
T
PComutação =
V DS( max )× I D × t Comutação
×fS

Perdas no chaveamento:

Total:

Comparando com o TBJ, o MOSFET apresenta menor perda durante o chaveamento,
6
Perdas= P Ligado+ P Desligado+ P Comutação
porém maior perda no estado ligado.
DEE
50/80
MOSFET de Potência

Exemplo: Considerando que um MOSFET tem os seguintes parâmetros: RDS(ON)=0,3 Ω, ciclo
de trabalho 50%, ID=6 A, VDS=100V, t(off-on)=100 ns e t(on-off)=200 ns e que a frequência de
chaveamento é 40 kHZ, calcule as perdas no estado ligado e no chaveamento.
DEE
51/80
MOSFET de Potência

Exemplo: Considerando que um MOSFET tem os seguintes parâmetros: RDS(ON)=0,3 Ω, ciclo
de trabalho 50%, ID=6 A, VDS=100V, t(off-on)=100 ns e t(on-off)=200 ns e que a frequência de
chaveamento é 40 kHZ, calcule as perdas no estado ligado e no chaveamento.
Resposta:
Ts = 1/fs = 25 µ s
d = TLigado /(Ts - Tcomut)
Como o ciclo de trabalho d=0,5 -> tLigado = 0,5 x (25 – 0,1 – 0,2) = 12,35 µ s
62 × 0,3× 12 , 35× 10− 6
PON =
= 5, 33 W
25× 10− 6
100× 6× 300× 10− 9
PCOMUTAÇÃO =
× 40× 10 3= 1,2W
6
DEE
100× 2× 10− 3 × 12 , 35× 10− 6
POFF =
= 0, 099 W
25× 10− 6
PTOTAL = 5,33+ 0.099+ 1,2= 6,629 W
52/80
5. Transistores Bipolares de Gate
Isolado (IGBT)
DEE
53/80
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Mescla características de baixa queda de tensão no estado ligado (do TBJ) com o
excelentes características de chaveamento (do MOSFET).

Os IGBTs vem substituindo os MOSFET em aplicações de alta tensão onde as
perdas de condução precisam ser mantidas em valores baixos.

Embora a velocidade de chaveamento dos IGBT seja maior que a dos TBJ, são
inferiores à alcançada pelos MOSFET.

O IGBT é acionado por tensão (assim como o MOSFET) e apresenta baixa
resistência no estado ligado (como o TBJ).
DEE
54/80
IGBT
Simbologia
Modelo equivalente
Estrutura interna
DEE
55/80
IGBT

Características estáticas:
DEE
56/80
IGBT
Perdas:

Perdas no estado ligado:

Perdas no chaveamento:

Perdas no estado desligado:

Total:
DEE
P Ligado= V CE (sat )× I C(avg )× T Ligado × f S
PComutação 
VCE( max )  I C(MAX)
6
 τ  fS
PComutação  VCC  I C(Fuga) TDesligado f S
Perdas= P Ligado+ P Comutação+ P Desligado
57/80
6. Tiristores
DEE
58/80
Tiristores

Tiristor é o nome dado a uma família de
semicondutores que apresenta uma
estrutura com 4 camadas (pnpn);

Operam em regime chaveado
(controlado pelo terminal de gate);

São capazes de suportar altos valores
de tensão e corrente (entre os terminais
de anodo e catodo).
+
IA
VAK
-
IG
Simbologia
Estrutura
interna
DEE
59/80
Tiristores

O tiristor mais difundido é o SCR (Retificador Controlado de Silício – Silicon
Controlled Rectifier);

Outros tiristores:

TRIAC (tiristor triodo bidirecional);

DIAC

GTO (tiristor comutado pela porta);

LASCR (SCR ativado pela luz).
DEE
60/80
Funcionamento Básico

Corrente majoritária: A-K;

Bloqueio para tensão reversa (VAK<0  J1 e J3 reversamente polarizadas e J2
diretamente polarizada);

A condução para tensão direta (VAK>0  J1 e J3 diretamente polarizadas e J2
reversamente polarizada) está condicionada à existência de uma corrente
positiva no gate (IG>0  diminuição da barreira de J2 , permitindo a passagem
da corrente, que se mantém mesmo na ausência de I G).
Sentido de
condução
DEE
Dispositivos Semicondutores – Eduardo Simas
61/80
Modelo Equivalente com 2 Transistores

VAK<0  não há condução pois as junções dos dois
transistores estão reversamente polarizadas.

VAK>0  é necessário que VG>0 para iniciar a
condução.

Uma vez que a corrente IA começa a circular, VG não
é mais necessária para manter a condução
Modelo equivalente
com dois transistores
DEE
62/80
Modos de Disparo de um Tiristor

Corrente positiva no gate: modo mais usual de disparo. A barreira J2 é
atenuada pela corrente de gate, o que leva à condução se VAK>0.

Tensão: em polarização positiva, a alta taxa de variação (dV/dt) pode levar o
tiristor à condução. Em alguns casos, a tensão direta pode iniciar (na
ausência da corrente de gate) um processo de avalanche que leva à
condução.

Temperatura: altas temperaturas levam ao aumento da corrente de fuga
numa junção pn reversamente polarizada (J2).

Energia Radiante: energia radiante incidindo e penetrando no cristal pode
elevar o número de portadores livre (elétrons e lacunas) levando à
condução. Este é o princípio utilizado no LASCR.
DEE
63/80
Curva Característica Tensão-Corrente

Vbr – Tensão de ruptura reversa;

IL – Corrente mínima de disparo;

Vbo – Tensão de ruptura direta;

Von – Tensão de condução.
DEE
64/80
Parâmetros Básicos de Tiristores
• Máxima corrente de anodo (Iamax);
• Máxima temperatura de operação (Tjmax);
• Resistência térmica (Rth);
• Máxima taxa de crescimento da tensão direta Vak (dv/dt);
• Máxima taxa de crescimento da corrente de anodo (di/dt);
• Corrente de manutenção de condução (IH);
• Corrente de disparo (IL);
• Tempo de disparo (ton);
• Tempo de desligamento (toff);
• Corrente de recombinação reversa (Irqm).
DEE
65/80
Associação de Tiristores

Embora os tiristores possam atingir altos valores de tensão e corrente
(~ 5kV / 4kA), em alguns casos é preciso utilizar mais de um dispositivo
para elevar a capacidade de trabalho.

Associação em paralelo: aumenta a capacidade de condução de corrente
do conjunto.

Associação em série: aumenta o valor da tensão máxima que pode ser
aplicada ao conjunto.
DEE
66/80
Circuitos de Acionamento (Disparo)

O terminal de gate tem limites de dissipação de potência muito menores
que os de anodo e catodo.

Para o acionamento podem ser utilizados circuitos de desacoplamento:

Ou circuitos micro-processados (por exemplo para acionamentos por PWM)
DEE
67/80
Retificador Controlado de Silício (SCR)

É um dos tipos mais comuns de tiristor (em alguns casos os termos SCR
e tiristor são usados como sinônimos).
Encapsulamentos
DEE
68/80
Tiristor Comutado pelo gate (GTO)

Estrutura de 4 camadas típica dos tiristores.

Funcionamento semelhante ao do SCR, porém pode ser levado ao estado de
bloqueio (desligado) pela aplicação de uma corrente negativa na porta (gate).
Condução
Desligamento
DEE
69/80
Tiristor Comutado pelo gate (GTO)

Embora criado desda a década de 1960, não era muito utilizado devido ao
baixo desempenho.

Com a evolução nos processos de fabricação de dispositivos
semicondutores :


Maiores valores nominais de tensão e corrente

Aumento na utilização do GTO .
Desvantagens do GTO:

Podem não apresentar adequado bloqueio de tensão reversa.

Para não haver chaveamento indesejado é conveniente manter as
correntes de gate (positiva  condução ou negativa  bloqueio).
DEE
70/80
Tiristor Triodo Bidirecional (TRIAC)

É capaz de conduzir nos dois
sentidos;

O disparo é condicionado à
aplicação de tensão no gate;

O pulso de chaveamento deve
ter a mesma polaridade da
polarização do dispositivo.

É limitado a frequências de
operação mais baixas.
Simbologia
Estrutura
interna
DEE
71/80
Tiristor Triodo Bidirecional (TRIAC)

Característica V-I: Condução nos dois
sentidos.

Modelo equivalente: dois SCRs conectados
em anti-paralelo.
Curva Característica
DEE
72/80
Tiristor Diodo Bidirecional (DIAC)

O único modo de levar o DIAC ao estado ligado é
exceder a tensão de disparo.

Pode ser ligado com tensões positivas ou negativas.

Os DIACs são utilizados em circuitos de disparo de SCRs
ou TRIACs.
Curva Característica
Estrutura
interna
Ânodo 1
Ânodo 2
Simbologia
DEE
73/80
Aplicações (SCR)
Retificadores Controlados:

Utilizados na conversão AC-DC com controle de potência:
Retificador monofásico de
meia onda controlado
Sendo  o ângulo de disparo
DEE
74/80
Aplicações (Transistores / GTO)
Conversão DC-DC:
Conversor Abaixador
(Step-down ou Buck)
DEE
75/80
Aplicações (Transistores / GTO)
Inversores (conversão DC-AC):
DEE
Inversor de fonte de tensão (VSI) monofásico em meia ponte
76/80
Aplicações (SCR + Transistores / GTO)
Controle de Motores AC:
Sistema de controle de velocidade de motor de indução
DEE
77/80
Aplicações (DIAC e TRIAC)
Controle de Iluminação:
Circuito simples para controle da iluminação (dimmer)
DEE
78/80
Exercícios de Fixação (parte 1 de 2):
1.
Compare os diversos semicondutores de potência considerando a potência máxima e a frequência de chaveamento.
2.
Comente a respeito da estrutura interna de um diodo de potência e dos seus efeitos nas características dinâmicas do dispositivo.
3.
Considerando um circuito com um diodo de potência em série com um resistor de 100 Ω sendo alimentado por uma fonte de tensão em onda
quadrada (± 300V) de frequência igual a 1kHz e ciclo de trabalho 50%, sabendo que o tempo de recuperação reversa é de 2 µs, a taxa de subida
de corrente é 40 A/micro s, a taxa de queda de corrente é 30 A/µs, calcule as perdas no dispositivo considerando que VF=1,1V e IR = 0,2 mA.
4.
Compare o diodo Schottky com o diodo de potência de junção p-n.
5.
Comente a respeito da estrutura interna de um transistor bipolar de potência e dos seus efeitos nas características dinâmicas do dispositivo.
6.
Para o circuito da Figura 1, sabendo que VCC = 150 V, VCE (sat) = 0,9 V, VBE(sat) = 1,1 V, RC = 100 Ω e RB = 1 kΩ, sabendo que a tensão VB é uma onda
quadrada simétrica, encontre o valor máximo necessário para produzir a configuração de polarização em saturação (conforme especificado).
7.
Para o transistor da questão 06, encontre a perda no dispositivo se a frequência do sinal VB for 2 kHz e o ciclo de trabalho 60%. Considere que os
tempos de ligamento e desligamento do dispositivo são respectivamente 0,5 µs e 0,9 µs e que a corrente de fuga é aproximadamente 0,1 mA.
8.
Comente a respeito da estrutura interna de um MOSFET de potência e dos seus efeitos nas características dinâmicas do dispositivo.
9.
Considerando que um MOSFET tem os seguintes parâmetros: RDS(ON)=0,4 Ω, ciclo de trabalho 80%, ID=7 A, VDS=170V, t(off-on)=130 ns e t(on-off)=150
ns e que a frequência de chaveamento é 30 kHZ, calcule as perdas no estado ligado e no chaveamento.
Figura 1
Figura 2
10. Repita a questão 09 para uma frequência de chaveamento igual a 300 Hz e compare os resultados obtidos.
11. Comente a respeito da estrutura interna de um IGBT e dos seus efeitos nas características dinâmicas do dispositivo.
12. No circuito da Figura 2, Vs = 220 V, RL = 10 Ω, fs = 1 kHz e d= 0,6. Considerando as características do IGBT: tON = 2,5 µs, tOFF = 1 µs e VCE (sat) = 2 V,
determine:
a. A corrente média na carga.
b. As perdas no dispositivo.
DEE
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Exercícios de Fixação (parte 2 de 2):
13. Compare os transistores TBJ de potência, MOSFET de potência e IGBT em termos das perdas , dos tempos e transitórios
de chaveamento.
+
Vs
-
14. Compare os diversos dispositivos tiristores estudados considerando a estrutura interna, o funcionamento, as curvas
características, etc.
15. Um SCR tem os seguintes valores nominais: tensão ânodo-cátodo no estado ligado ≈ 1,5 V, tensão porta-cátodo no
estado ligado 0,6 V. Considerando o circuito da Figura 3 e que a tensão VIN = 4 V, determine a perda de potência total no
estado ligado.
Figura 3
16. A perda de potência durante o chaveamento num SCR pode ser estimada a partir de Pchav = (Vbloq x IDireta x tchav x fs)/6 .
Considerando ainda o circuito da Figura 3, se uma fonte em onda quadrada (Vs) de ± 100 V e frequência 250 Hz é
conectada ao resistor RL, estime as perdas de chaveamento sabendo que tON = 5 µs, tOFF = 25 µs e que o SCR é disparado
uma vez a cada dois ciclos da tensão.
17. Esboce a forma de onda da tensão na carga do circuito da questão 16 sabendo que o SCR é disparado com um atraso de
0,5 ms em relação à subida da tensão de alimentação.
Leitura indicada:

Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and Applications, Segunda Edição, Elsevier, 2007.

Mohan, Undeland and Robins, Power Electronics, Converters, Applications and Design, Wiley

Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência , Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998,
Revisado em 2002.

A. Ahmed. Eletrônica de Potência. Prentice Hall, 2006.
Algumas figuras utilizadas nesta apresentação foram retiradas das referências citadas acima.
DEE
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