1
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 1
Eletrônica de Potência
ProfessorFernando Antunes
Semestre 2007.1
Universidade Federal do Ceará
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 2
Programa da Disciplina• Unidade I – Introdução
– Objetivo, histórico e aplicações da Eletrônica de potência ;– Semicondutores de potência: diodos, Transistor Bipolar e Tiristores;– Classificação dos conversores estáticos;– Cálculo térmico.
• Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo– Retificadores monofásicos de meia onda;– Retificadores Monofásicos de onda completa.
• Unidade III – Retificadores Trifásicos não controlados– Retificadores em Meia Ponte e Ponte Completa;– Comutação
• Unidade IV – Retificadores Controlados Monofásicos e Trifásicos– Retificadores em Meia ponte e Ponte Completa;– Fator de potência– Comutação– Pontes mista
2
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 3
Programa da Disciplina• Unidade V – Transistor para Alta Freqüência
– MOSFET;– IGBT.
• Unidade VI – Conversores CC-CC Abaixadores e Elevadores– Principio de operação;– Regulador CC-CC Abaixador (Conversor Buck);– Regulador CC-CC Elevador (Conversor Boost);– Regulador CC-CC Abaixador / Elevador (Conversor Buck / Boost);– Operação com cargas RLE.
• Unidade VII – Conversores CC-CA– Estrutura Básica – VSI;– Principio de modulação por largura de pulso – PWM;– Estruturas monofásica– Estrutura trifásicas
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 4
Programa da Disciplina• Aulas de Laboratório
– Característica de chaveamento de diodos e tiristores;– Conversores ca-cc monofásicos a diodo;– Conversores ca-cc trifásicos a diodo;– Conversores ca-cc de monofásico controlado a tiristor;– Conversores ca-cc trifásico controlado a tiristor;– Conversores ca-cc de 12 pulsos;– Conversor Buck a MOSFET/IGBT;– Conversor Boost a MOSFET/IGBT;– Inversor monofásico;– Inversor trifásico .
3
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 5
Unidade I - Introdução
Definição de Eletrônica de Potência • É uma nova tecnologia que trata da aplicação de dispositivos
eletrônicos e componentes associadas para conversão, controle e condicionamento da energia elétrica;
• Controle da Energia Elétrica, meio usado para se obter controle de grandezas não elétricas como: velocidade de maquinas girantes, controles de temperatura de fornos, processo eletromecânicos, intensidades de iluminamento e etc.
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 6
Unidade I - Introdução
Definição de Eletrônica de Potência • De uma maneira geral pode ser considerada como uma
tecnologia multidisciplinar que envolve:– Dispositivos Semicondutores de Potência;– Circuitos Conversores;– Máquinas Elétricas;– Teoria de Controle;– Microprocessadores;– Sistemas Elétricos.
4
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 7
Unidade I - Introdução
Histórico
• Retificador a Arco de Mercúrio – inicio do século passado;• Estrutura Retificadoras – Anos 30;• Tiristor – Grande evolução:
• Laboratório Bell, 1956;• Comercializado pela GE, 1958;
• Anos 70 – diodos, Transistores de potência e GTO;• Anos 80 – MOSFET e IGBT;• Anos 90 – Encapsulamento de Potência.
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 8
Unidade I - Introdução
Aplicações
• Fontes Estabilizadas• Controles de Motores• Equipamentos de soldagem• Veículos Elétricos • Tração Elétrica• Controle de Trânsito• Utilização de fontes não Convencionais de Energias• Utilização Aeroespacial• Carregadores de bateria• Alimentação de Emergência (UPS)• Sistema Elétricas de Potência
5
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 9
Unidade I - Introdução
Conversores Estáticos
• Circuito projetados para processamento da energia;• Convertem energia elétrica da forma como é fornecida por
uma fonte, na forma requerida por uma carga;• Alto rendimento (99% em grandes conversores);• Usam semicondutores como chaves;• Estrutura formada basicamente por chaves, capacitores e
indutores.
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 10
Unidade I - Introdução
Conversores Estáticos
• Conversores ca-cc (Retificadores)• Conversores cc-cc (Choppers e fontes cc chaveadas)• Conversores cc-ca (Inversores)• Conversores ca-ca (Chaves ca)
Vantagens : Espaço físicoResposta rápidaBaixa manutenção
Desvantagens : HarmônicosInterferências
6
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 11
Unidade I - Introdução
• Idealmente possuem apenas dois estados: Apresentam completo bloqueio ou oferecem irrestrita condução àpassagem de corrente.
• Podem ser:– Diodos;– Tiristores;– Chaves controladas:
• BJT – 1kV, 300A, 20kHz, 200kVA;• MOSFET – 1kV, 100A, 50kHz;• IGBT – 3kV, 1kA, 20kHz, 3MVA;• MCT.• IGCT
Chaves Semicondutoras
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 12
Unidade I - Introdução
Aplicações típicas da Eletrônica de Potência
0.1
1
10
100
1000
Cor
rent
e de
Con
duçã
o, A
10 100 1000 10 000Tensão de Bloqueio, V
HVDC
TRAÇÃOELÉTRICA
“BALLASTS” DEILU MINAÇÃO
ELETRÔNICAEMBARCADA
(AUTOMOTIVA)
FONTESCHAVEADA S
AUTOMAÇÃOINDUSTRIAL
ACIONA MENTODE MOTORES
7
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 13
Unidade I - IntroduçãoCaracterísticas Potência x Tensão
e Potência x Freqüência
103
104
10 5
10 6
10 7
102
103
104
MOSFET
TransistorBipolar
GTO
TiristorIGBT
VA
V
BJT
103
104
105
106
107
102 103 104
VA
Hz105
MOSFET
BJT IGBT
GTO
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 14
• Formam a base para o estudo dos diodos transistores e tiristores de potência.
• Cristal de Silício:– Pureza – em 10 átomos de silício há apenas um átomo estranho;– Isolante em baixas temperaturas;– Apresentam elétrons livres em altas temperaturas;– Condutividade natural à temperatura ambiente, cerca de 2 x 10 elétrons
livres(Buracos) por cm ;– Quando sujeito a campo elétrico os buracos movimentam se na direção do campo
comportando-se como portadores de carga positiva.
Unidade I - Introdução
Junção PN
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
Cristal de Silício e Elétrons de Valência
9
10
3
8
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 15
Unidade I - Introdução
Dopagem
• Átomos estranhos substituem os de silício em varias posições da cadeia do cristal alterando enormemente a habilidade de condução do cristal. A dopagem não deve alterar a estrutura original do cristal.
+4 +4 +4
+4 +3 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +5 +4
+4 +4 +4
Cristal Tipo N Cristal Tipo P
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 16
Unidade I - Introdução
União do Cristal P com o Cristal N• Na junção os elétrons do cristal N se difundem no cristal P
ocupando os buracos formando uma região de depleção na junção.
• Campo elétrico na junção:– Fica mais forte à medida que mais cargas atravessam a junção;– Atrasa o processo de formação da camada de depleção;– Age no sentido de empurrar os elétrons na região de depleção de volta
para a camada N.
++
+
+
+
--
-
-
-
P N
Camada de depleção
9
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 17
Unidade I - Introdução
• Junção PN inversamente polarizada– Aumento da camada de depleção;– Ausência de portadores majoritários na junção;– Tensão reversa máxima é determinada pela
camada de depleção.
• Junção PN diretamente polarizada– Portadores majoritários saturam a junção;– Colapso de camada de depleção – cristal conduz;– Condutividade consideravelmente menor que dos
metais;– Perdas causam aquecimento excessivo para o
tamanho do cristal.
União do Cristal P com o Cristal N
p
n
-
+
p
n
+
-
Reversamente Polarizada
Diretamente Polarizada
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 18
Unidade I - Introdução
Diodo de Potência
• Região de arrasto:– Camada n- não é encontrada nos diodos se
sinal;– Estabelece a tensão reversa máxima
suportada pelo diodo;– Alta resistividade devido à baixa dopagem;– Onde se estabelece a camada de depleção– Resistividade reduz quando em polarização
direta devido à saturação da região por portadores majoritários;
– Esta modulação da condutividade reduz bastante a perda por condução.
Anodo
Catodo
n+
Regiãon-
p+
dearrasto
Nd=1019cm-3
Nd=10 14cm-3
Nd=119cm-3 10µ
250µm
m
Seção Transversal de um Diodo de Potência
10
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 19
Unidade I - Introdução
Característica V x I de um diodo de potencia
• Com altas correntes a característica ôhmica mascara a exponencial;• Quando polarizado inversamente, apenas uma pequena corrente de
fuga circula;• Requer tempo finito para mudar estado bloqueio / condução;• Tempo de transição e formas de ondas são afetadas pela
caracteristica intrínseca do diodo.
D
A K0 ,7 V
V R M-
i
v
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 20
Característica de chaveamento de um diodo de potencia
Unidade I - Introdução
Circuito para análise na característica de chaveamento do diodo de potência
Cargaindutiva
circuitode base
+
-
V C
I
Ic
0D
11
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 21
Unidade I - Introdução
Característica de chaveamento de um diodo de potencia
• Condução:– Remoção da carga armazenada na camada de
depleção com o aumento da condução. Camada de depleção ainda presente, queda ôhmica na região de arrasto e indutâncias presentes no circuito são causas da sobretensão;
– Saturação da junção (Neutralização da camada de depleção) e da região de arrasto e estabelecimento da corrente e regime fazem a tensão cair para Von.
Von
i(t)
v(t)
t
t
t 1 t 2
t 3 t 4 t 5
t rr
I
V
Irr
0
Q rr
t1
t2
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 22
Unidade I - IntroduçãoCaracterística de chaveamento de um diodo de potencia
• Bloqueio:– A carga em excesso na região de arrasto
passa a ser removida por recombinação e arrasto. Cessada a recombinação i(t) reduz a zero;
– Fluxo de minoritários na formação da camada de depleção inverte i(t). As junções p n n n permanecem polarizadas diretamente devido excesso de portadores nas junções;
– Retirados os portadores em excesso da junção, esta polariza inversamente e logo adquire substancial valor negativo. Os minoritários passam a ter crescimento negativo reduzindo a corrente reversa a zero.
Von
i(t)
v(t)
t
t
t 1 t 2
t 3 t 4 t 5
t rr
I
V
Irr
0
Q rr
t3
t4
t5
+ +- -
12
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 23
Unidade I - Introdução
Transistor de potência
• Nível de dopagem influencia as características do dispositivos;• Região de arrasto possui dopagem leve e determina a tensão de
ruptura do transistor;• A espessura da base é feita menor possível, para maior ganho
de corrente;• Uma menor espessura de base limita a tensão reversa máxima
que pode ser aplicada ao transistor.
Emissor
Coletor
n+
n-
p
Nd=1019cm-3
Nd=1014cm-3
Nd=1016cm-3
Base
n+Nd=1019cm-3
5−20µ
50−200µ
250µ
10µm
m
m
m
Ic
C
E
B Ic
C
E
B
NPN PNP
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 24
Unidade I - Introdução
Transistor de potênciaJunções PNP e NPN
• Emissor – cristal de alta dopagem;• Base – cristal de media dopagem;• Coletor - cristal de alta dopagem.
• Processo de condução:– Pequena corrente é introduzida na base através de circuito de controle;– Algumas cargas alcançam a camada de depleção (ausente de carga)
coletor-base e são arrastados para o circuito externo através do coletor, iniciando se uma condução;
– A corrente de base satura a junção coletor-base tornando o transistor condutor;
– Para um certo valor de corrente de base o transistor comporta-se como uma chave fechada, para corrente de base nula comporta-se com uma alta resistência .
pnp
13
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 25
Introdução – Transistor NPN
• Condução no transistor NPN (O mais usado):
• Inicio de condução - os elétrons fluem do emissor para base (sentido real de corrente).
• A grande maioria dos elétrons atingem a camada de depleção base-coletor(inversamente polarizada).
• O campo elétrico da tensão de polarização externa atrai os elétrons para camada de depleção, saturando-a.
• Inicia-se um fluxo de elétrons no sentido emissor coletor, isto é corrente elétrica no sentido coletor emissor.
+
-Emissor
Coletor
Base np
n
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 26
Unidade I - Introdução
• Vsus: tensão máxima emissor-coletor quando o dispositivo esta conduzindo;
• Ruptura primária: avalanche convencional na junção;
• Ruptura secundária: alta dissipação de potência em pontos localizados no cristal
Característica V x I do transistor de potência
I C
VCE
saturaçãoplena
quasi-saturação
I B0
I B1
I B2
I B3
I B4
0
IB=0
secundáriaruptura
Vsus
primáriaruptura
VBCE0
+
-Emissor
Coletor
Base
n
p
n
n-
14
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 27
Unidade I - Introdução
Característica de chaveamento de um transistor de potência
Circuito para análise na característica de chaveamento do transistor bipolar
Cargaindutiva
circuitode base
+
-
V C
I
Ic
0D
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 28
Unidade I - Introdução
• Condução:– Inicio do processo de retirada da
camada de depleção. Vce não éalterada;
– Vce na se altera pois o diodo em paralelo com a carga esta conduzindo;
– O diodo em paralelo deixa de conduzir;
– O ganho do transistor diminui reduzindo a taxa de queda de Vce.
Característica de chaveamento de um transistor de potência
td(on)
tstf1tf2
iB(t)
vBE(t)
iC(t)
vCE(t)Vd
VBE(off)
VBE(on)
IB(on)
t
VCE(sat)
I
t
t
tsd(on)
0
0
0
0
t=0 t f1 t f2
0
tt
15
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 29
Unidade I - Introdução
Característica de chaveamento de um transistor de potência
• Bloqueio:– Para bloquear um transistor tem se que remover toda carga armazenada na
junção;– Após ts o transistor deixa a região de saturação e passa a de quase
saturação;– Redução de carga na região de arrasto
Vd
VBE(off)
VBE(on)
B(on)
t
VCE(sat)
I
t
t
tts td(on)
0
0
0
0
B(t)
BE(t)
C(t)
CE(t)
t=0t f2 t f1
0i
v
Ii
v
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 30
Unidade I - Introdução
• Também chamado de SCR;• Mais antigo dispositivo de potência em estado sólido• É um dispositivo de quatro camadas
Tiristorgatilho
Anodo
n-
p
14cm
-3
catodo
1019
cm-3
n+
p
p+ 1019
cm-3
1017
cm-3
1017
-5 x 10
1017
cm-3
30-50
1019
cm-3
n+ 10 m
30 - 100
50 - 1000
30-50 Anodo
gatilho
catodo
(a)(b)
µ
mµ
mµ
mµ
mµ p n
+
-
p
n +
Anodo
Catodo
Gatilho
J1
J2
J3
16
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 31
Unidade I - Introdução
• NPN inicia a condução;• Circula corrente pela junção base-emissor do transistor PNP;• Há uma realimentação positiva;• Corrente através do dispositivo é autosustentada.
Junções PNPN
pn
+
-
p
Anodo
Catodo
Gatilhonp
n
C
E
B
B
E
C
a
g
k
v ak
vgk
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 32
Unidade I - Introdução
Junções PNPN
• J1 e J3 são polarizadas diretamente e J2 inversamente;
• A ação dos dois emissores saturam a junção J2;
• A camada n absorve a camada de depleção;
• Logo J2 determina a tensão máxima aplicável ao tiristor.
p n
+
-
p
n +
Anodo
Catodo
Gatilho
J1
J2
J3
17
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 33
Unidade I - Introdução
Característica V x I de um tiristor
• Sob tensão inversa o tiristor comporta-se similarmente a um diodo polarizado inversamente, que conduz pouca corrente até que avalanche ocorra.
• A região de alta tensão e baixa corrente é a região de bloqueio em polarização direta
A
AK
Estado de condução direta
g=0g>0IH
IB0
VH VB0
VRMEstado de bloqueio
em polarização direta
-
v
ii
i
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 34
Unidade I - Introdução
Característica de chaveamento
• Condução:– Durante td(on) a corrente de
gatilho injeta portadores na camada p2;
– Condução inicia se em torno de gatilho devido excesso de portadores na região;
– Excesso de portadores na região do gatilho reduz sensivelmente a capacidade de bloqueio do tiristor;
iK (t)=0
vAK(t)=0
I0
i g(t)=0
di/dt
t
t
ttd(on)
– di/dt em torno do gatilho pode ter efeito destruidor;– Finalmente o plama se espalha por toda secção transversal do tiristor;– Grande quantidade de energia liberada nas adjacências do gatilho;– Deve se controlar a taxa de crescimento da corrente de anodo.
18
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 35
Unidade I - Introdução
Característica de chaveamento
• Bloqueio:– Bloquear um tiristor requer a aplicação de uma tensão negativa entre
anodo e catodo por um período de tempo mínimo;– Processo similar ao de um diodo;– Dispositivo bloqueia quando J1 ou J3 ficar inversamente polarizada.
• Condução acidental do tiristor:– O tempo que o tiristor é mantido sob tensão reversa deve ser
suficientemente longo para garantir um real bloqueio;– A taxa de crescimento dv/dt da tensão de polarização direta deve ser
mantida abaixo de um Máximo valor especificado pelo fabricante.
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 36
Unidade I - Introdução
• Metal Oxide SemiconductorFiel- Effect Transistor;
• Acionados por tensão;• Operam em altas freqüências.
Transistor MOSFET
S
D
G
n +
p
Canal Tipo n
n +----------
D
++++++----------
19
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 37
Unidade I - Introdução
MOSFET Tipo e característica de condução
• Essencialmente resistivo em condução;• Resistência de condução relativamente alta.
D
S
G
I D
V DS
V GS =12V
V GS =7V
V GS =5V
V GS =3V
I D
V DS
(a) (b)
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 38
Unidade I - Introdução
Característica de chaveamento
Capacitâncias parasitas
D
S
G
ID
C GD
C GS
C DS
D
S
G
CGD
CGS
I0
VD
D
RDR
VDR
F
Modelo para análise de chaveamento
20
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 39
Unidade I - Introdução
Característica de chaveamento
vGS (t)
iG
(t)
t
VDR
VGS,Io
Vth
t
iG
(t)
vDS (t)
VD
VDS(ON)
Io
vDS (t)
VdIo
iD
(t)
Vth
vGS (t)
VGS,Io
iG
(t)
0
0 t
t
VDR
Forma de onda durante o bloqueio
Forma de onda durante a condução
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 40
Unidade I - Introdução
• Transistor Bipolar de Gatilho Isolado;• Atuação rápida (transitório efeito de campo);• Alta capacidade de potência (Transistor Bi-polar);• Controle por tensão;
IGBT
21
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 41
Unidade I - IntroduçãoCaracterística I-V
VGS-1
VGS-3
VGS-4
VGS-2
VRM
VnsS
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 42
Unidade I - Introdução
Característica de chaveamento
Formas de onda da Corrente e da Tensão noIGBT em Condução
22
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 43
Unidade I - Introdução
Característica de chaveamento
Formas de onda da Corrente e da Tensão noIGBT em Bloqueio
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 44
Unidade I - Introdução
Futuro das chaves• Dispositivos a base de carbono de silício;• Suportam altos gradientes de tensão;• Reduzida queda de tensão em condução.
Evolução
23
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 45
Unidade I - Introdução
Especificação de chaves semicondutoras
• Corrente média de condução direta, Id– Valor médio da corrente que o dispositivo pode conduzir
continuamente repetidas as condiçoes de resfriamento.• Corrente eficaz de condução direta, Irms
– Valor máximo permitido para corrente eficaz. Isto limita a potência máxima dissipada devido i².R.
• Corrente de pico repetitiva, Ifrm– Valor máximo da corrente que pode ser aplicada repetitivamente,
geralmente é especificada para um pico a cada meia senoide.• Corrente de pico não repetitiva, Ifsm
– Valor máximo da corrente que pode ser aplicada, a repetição épermitida apenas após um intervalo de tempo que permita resfriar a junção.
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 46
Unidade I - Introdução
Especificação de chaves semicondutoras
• Tensão de pico inversa, Vrpm– Valor instantâneo de tensão máxima permitida da direção positiva ou
negativa do dispositivo.
• Queda de tensão em condução direta, Vf– Queda de tensão apresentada pelo dispositivo quando em condução
direta.
• Temperatura da junção, Tj(max)– Valor máximo de temperatura que o dispositivo pode operar, acima
deste valor o dispositivo pode danificar se por avalanche térmica.
24
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 47
Unidade I - Introdução
Perdas e Cálculo Térmico
• A perda total de um dispositivo é dada por:– Perda durante a condução;– Perda no chaveamento;– Perda no estado de bloqueio.
• Estas perdas que se transforma em calor, devem ser liberadas par ao meio ambiente, caso contrário a temperatura da junção se elava acima do limite permitido, provocando destruição de dispositivo.
• A elevação de temperatura na junção provoca mudanças químicas e metálicas no dispositivos. Estas mudanças variam exponencialmente com a temperatura.
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 48
a i rd Eo k
Unidade I - Introdução
Perda durante a conduçãoSeja uma junção de um dispositivo qualquer, aqui representada por um diodo
Para não danificar o semicondutor, Pon deve ser transferida para o ambiente. Como que esta potência é transferida?
meddefon
T
o
T
odon
T
odon
d
T
oon
iEriP
dtiET
dtriT
P
dtEiriT
P
Eirv
dtivT
P
02
02
0
0
..11
)(1
.1
+=
+=
+=
+=
=
∫ ∫
∫
∫
25
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 49
Unidade I - Introdução
Perdas nos dispositivos semicondutores
• Quando duas superfícies sólidas paralelas a temperaturas uniformes, Tj e To, são justapostas, uma certa quantidade de calor Q (joules/s-m²) fluirá por unidade de área da superfície de maior temperatura (Tj) para a de menor temperatura (To).
Q = 1/K (Tj - To) [Joules/s-m²]
• No caso de um dispositivo semicondutor, a corrente através da junção inversamente polarizada produz calor quando os portadores majoritários perdem energia ao atravessar a barreira de potencial. A energia elétrica na junção se transforma em energia térmica no cristal.
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 50
Unidade I - Introdução
• A potência dissipada na junção por segundo fluirá para o ambiente segundo a equação abaixo:
Pon = 1/Rja (Tj - Ta) [joules/s]- Tj – Temperatura na junção- Tj – Temperatura ambiente- Rja – resistência térmica entra a junção e o ambiente
• Fazendo se uma analogia com um circuito elétrico:
Perdas nos dispositivos semicondutores
Quando o semicondutor não estáconduzindo, Pon = 0, logo Tj=Ta. A temperatura da junção se eleva acima da ambiente e há um fluxo de calor para o ambiente. Quando menor Rja, menor será ΛT0°C
Ta
RjaPon
26
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 51
Unidade I - Introdução
Perdas nos dispositivos semicondutores
• Para uma certa resistência térmica Rja e temperatura ambiente Ta, há uma máxima potência Pon que pode ser dissipada, Pon
max. sem que se exceda à máxima temperatura admissível na junção, Tjmax.
• Desprezando se a influência da resistência interna.Pon = I.Von
Pon max
Pon 1 > Pon max
Von
I
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 52
Unidade I - Introdução
Hipérbole de dissipação de potência
• Para a temperatura ambiente Ta, qualquer combinação de Von e I que fique de Pon max não danificará o dispositivo.
• Um ventilador ou qualquer refrigeração que venha a reduzir a temperatura ambiente Ta nas proximidades do dispositivo, uma potência Pon 1 maior que Pon max pode ser dissipada sem risco para p dispositivo.
Pon max
Pon 1 > Pon max
Von
I
0°C
Ta
RjaPon
27
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 53
Unidade I - Introdução
Dissipação do calor
• Falha na operação de um dispositivo semicondutor está, quase que sempre, ligada à elevação de temperatura do dispositivo.
• O fabricante normalmente especifica a máxima temperatura para a junção, mesmo nos piores transitórios.
• A dissipação de calor nos semicondutores está diretamente ligada aos trocadores de calor.
• Um trocador de calor é um metal irradiador de calor projetado para retirar do dispositivo o excesso de calor por convecção.
• O calor flui da junção para a carcaça do semicondutor, da carcaça para o trocador de calor através de uma pasta térmica, e do trocador de calor para o ambiente.
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 54
Unidade I - Introdução
• A transferência de calor pode ser representada pelo circuito elétrica ao lado.
• A temperatura da junção dependeráda potência dissipada e das resistências térmicas associadas ao dispositivos.
• Um cálculo adequando do trocador de calor permitirá ao projetista determinar a máxima potência que poderá ser dissipada pelo dispositivo, e, ainda conservar a temperatura máxima na junção a baixo de um valor escolhido
Dissipação do calor
chjcjaha
hachjcja
onjaaj
RRRR
RRRR
PRTT
−−=
++=
=− .
Rjc
Rch
0°C
Ta
Rha
Pon
Rja
28
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 55
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
• Um circuito retificador converte um sinal em corrente alternada em um unidirecional, isto é, converte uma tensão ca em cc.
ca ccsaída nível cc
ripple
=
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 56
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
• Retifica apenas um ciclo da tensão alternada.
• São os mais simples pois possuem apenas um diodo.
• O ripple da tensão de saída éalto, na freqüência da entrada.
• Apresenta uma componente ccna alimentação que o torna de pouco uso prático.
• Resumida aplicação em pequenas potências (celulares,computadores).
w t
w t
w t
w t
v ( t )
i ( t )
vD ( t )
2 VR
vo ( t )
v(t)= 2V sen(wt)
V2
R
D i(t)
v(t) vo
Carga Puramente Resistiva
29
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 57
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Carga Puramente Resistiva
• Para uma tensão de alimentação
) sen(2 tVv ω=
• Tensão média na carga
VV
VwtVV
wtVsenwtdV
45.0
2)cos(22
)(221
0
0
0
00
=
=−=
= ∫
ππ
ππ
π
• Valor eficaz da Tensão na carga
2/1
0
220 ])()2(
21[ ∫=
π
πwtwtdsenVV ef
VV ef 707,00 =
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 58
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Carga Puramente ResistivaSimulação no OrCad V1FREQ = 60
VAMPL = 60
D1
0
R1
12
Time
0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30msV(R1:2) V(D1:2,D1:1) -I(R1)*5
-40
0
40
80
Corrente na Carga
Tensão na Carga Tensão no diodo
30
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 59
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Carga Indutiva
• Os retificadores são raramente usados com carga puramente resistiva.
• Devido à presença da carga indutiva a condução no diodo continua para ωt>1800 até que a corrente caia a zero.
• Se se supõe que a carga é uma indutância pura, o diodo conduzirádurante os 3600, o que resultaria numa tensão média igual a zero. No caso real para R e L finitos a condução será descontínua. β
wt
wt
wt
v(t)
vD(t)
2 V
vo(t) v
i
2ππ
D
v(t)
v(t)= 2 V sen(wt)
i(t)
R
L
vo
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 60
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Carga Indutiva
i(t)
wt
i t
i = +ip it
it
ip Componente permanente
Componente transitoria
π βφ
v(t)
ip
RidtdiLwtV +=sen2
)sen(222
φω −+
= tXR
V
Lpi
ei t
t K τ/−=
( )τφt
L
KewtXR
Vi−
−−+
= )sen(2
21
22
( )⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−−−
+=
−τφφt
L
ewtXR
Vi )sen()sen(2
21
22
Composição da corrente de carga:•Componente contínua, it•Componente alternada, ip
D
v(t)
v(t)= 2 V sen(wt)
i(t)
R
L
vo
31
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 61
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Carga Indutiva• Valor de tensão na saída dependente da carga.• Apresenta um valor menor que para uma carga resistiva.
[ ])cos(12)cos(22
)(sen221
0
0
00
φπππ
πφπ
φπ
+−=−=
=
+
+
∫
VwtVV
wtwtdVV
• A tensão média de saída, V0 pode ser independente da carga se o ângulo φ for feito igual a zero.
• Isto é possível através do uso de um diodo em paralelo com a carga
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 62
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
0
D1
R1
12V3FREQ = 60VAMPL = 60
L2
70mH
1
2
Carga IndutivaSimulação no OrCad
Time
0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30msV(R1:2) -I(R1)*10
-100
0
100
Corrente na Carga
Tensão na Carga
32
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 63
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Carga Indutiva com Diodo de roda livre
D
v(t)
i(t)
R
L
1
D2
) t sen(V2v(t) ω=
D
v(t)
i(t)
R
L
1
D2
D
v(t)R
L
1
D2
wt
wt
wt
v(t)
v0 (t)
wt
i0(t)
i0(t)continua
descontinua
V2
i0(t)
i0(t)
• Presença do diodo de roda livre:– caminho para a corrente de carga no ciclo negativo da tensão da
fonte.– tensão de saída independente da carga.
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 64
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Carga Indutiva com Diodo de roda livreD
v(t)
i(t)
R
L
1
D2
) t sen(V2v(t) ω=
wt
wt
wt
(t)
2 V
vo (t)
2ππ
β
i0(t)
vD1
• Tensão de saída independente da carga:
V0=0,45V• Possibilidade de continuidade de
corrente na carga
Vantagens
33
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 65
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
D2
R1
12
0
D1
V3FREQ = 60VAMPL = 60
L2
70mH
1
2
Carga Indutiva com Diodo de roda livre
Simulação no OrCad
Time
0s 5ms 10ms 15ms 20msV(R1:2) -I(R1)*10
0
20
40
60Tensão na Carga
Corrente na Carga
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 66
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Carga Indutiva com Diodo de roda livre
Simulação no OrCadD2
R1
6
0
D1
V3FREQ = 60VAMPL = 60
L2
15mH
1
2
Time
0s 5ms 10ms 15ms 20msV(R1:2) -I(R1)*10
0
40
80
Tensão na Carga
Corrente na Carga
34
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 67
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Carga Indutiva com Diodo de roda livre
Simulação no OrCadD2
R1
6
0
D1
V3FREQ = 60VAMPL = 60
L2
700mH
1
2
Time
32ms 36ms 40ms 44ms 48ms 52ms 56ms 60ms 64msV(R1:2) -I(R1)*10
-40
0
40
80
Corrente na Carga
Tensão na Carga
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 68
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Analise ca• Usando-se um transformador para casamento de tensão.• Tensão na saída do retificador é ideal (Ripple na corrente de carga
desprezível).• A fonte de tensão ca é um barramento infinito.
v(t)
Di
R
L
12
I0i1
N Np s D 2
Cargav(t)
35
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 69
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Analise ca
• Potência consumida pela carga (ativa):
P0=V0*I0• Corrente eficaz no secundário
do transformador: I0
i 2
iD
i 2 c a
i 1 c a
I2 c c
F
I0
I0
v(t)
i
R
L
12
I0i1
N Vp 2 D2 V 0
( )2
II21I 0
21
0
20
2
ef2 =⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= ∫
π
π
• Potência aparente no secundário será:
S=V2*I2ef
000
ef222 P57,12
I45,0
VIVS =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛==
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 70
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Analise ca• Corrente eficaz no primário do
transformador:
I0
i 2
iD
i 2 c a
i 1 c a
I2 c c
F
I0
I0
v(t)
i
R
L
12
I0i1
N Vp 2 D2 V0
2I
2I
21I 0
21
0
20
2
ef1 =⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= ∫
π
π
• Potência aparente no primário será:
000
ef111 P17,12I
45,0VIVS =⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛==
• S1=1,11P0
• S2=1,57P0
36
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 71
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Analise • Simples construção e baixo custo;• Mínimo número de componentes;• Tensão de saída contém uma componente de ripple na frequência de alimentação, o que torna a filtragem mais difícil;• A corrente de entrada (ca) possui uma componente em corrente contínua (cc), que torna o retificador impraticável quando necessita-se de transformador;• Sua aplicação é aceitável em equipamentos de pequena potência e baixa tensão como: fontes para notebooks, celulares, etc;• Aplicável também a carregadores de bateria e equipamentos portáteis.
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 72
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
• Os diodos conectam a carga à fonte em ambos os ciclos positivo e negativo.
• A retificação se dá para os dois semi-períodos da tensão de entrada.
• A tensão de saída não apresenta uma componente cc.• Apresentam-se de duas formas :
Retificadores Monofásicos de Onda Completa
D1 V
+
-D2
0
Vp
V
V
D 1
D 2 D 4
D 3 L
Rv(t)
i
V0
+
-
i s
0
Ponto Médio Em Ponte
37
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 73
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
• Ideal para altas correntes e baixa tensão.
• Os diodos estão submetidos àtensão total do enrolamento quando não em condução.
• Apresenta valores médio e eficaz da tensão de saída de:
Retificador com Ponto Médio
wt
wt
v(t)
2 V
v0 (t)
wt
2 V2
vD2 v D1
vD
D1 V+
-D2
0Vp
V
V
V9,0)wt(wtdsenV21V0
0 =π
= ∫π
V)wt(wtdsen)V2(1V21
0
22ef0 =⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡
π= ∫
π
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 74
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
• A carga como uma fonte de corrente.• Corrente eficaz no secundário:
• Potência aparente em um enrolamento secundário:
• Trafo com potência total 57% maior que a carga;
• Não existe componente continua no secundário;
• Menos harmônico na corrente.
Retificador com Ponto Médio - Comportamento do trafo.
D1 I
D2
0Vp
V
V
sefsssTR
sefsefssefs
iVPPPP
iViVPiVP
0121
00
11
57,12
785,0707,09,0
.
==+=
=•=∴=
I 0
i 0
I p
i d1
i d2
00
201 707,0
21 IidwtIii SefefdSef =→== ∫
π
π
38
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 75
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Retificador com Ponto MédioD1
D2
0
V2FREQ = 60VAMPL = 60
0
R1
12
V1FREQ = 60VAMPL = 60
Time
0s 5ms 10ms 15ms 20msV(D1:2) -I(R1)*5
0
20
40
60
corrente na carga
tensão na carga
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 76
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Retificador Monofásico em Ponte
• Dispensa o uso do transformador.• Os diodos estão submetidos à
tensão total do enrolamento quando não em condução.
V9,0)wt(wtdsenV21V0
0 =π
= ∫π
D1
D 2 D 4
D 3 L
Rv(t)
i
V0
+
-
i s 0
wt
wt
v(t)2V
wt
i
is
0
v0
tsenV2)t(v ω=
Formas de OndaCircuito em Ponte
Diodos em condução
D1 D4 D2 D3
39
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 77
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Retificador Monofásico em Ponte• Há um melhor aproveitamento
do transformador
I 0
i 0
i2
I 0
i 1
D1
D2 D4
D3
V1
i
v0
+
-
i2
0
i1
V2
000
ef1121 P 1,1I9,0
VIVSS =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛===
• S1=1,11P0
• S2=1,11P0
0ef1ef2 III ==
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 78
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Retificador Monofásico em PonteParâmetros de avaliação de desempenho
• Valor eficaz da componente alternada da tensão de saída é:
• O fator de forma:
• Fator de ripple:
• Fator de utilização do transformador:
V V Vca ef= −2
02
V V Vca ef= −2
02
FFVV
ef=0
11 22
0
−=−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=→ FF
VV
FR efFRVV
ca=0
FTP
V Is s= 0
40
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 79
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
D1
0
D3
D4
R1
12D2
V1FREQ = 60VAMPL = 60
Retificador Monofásico em Ponte
V V Vca ef= −2
02
Time
0s 5ms 10ms 15ms 20ms-I(R1)*5 V(D1:2,D2:1)
0
20
40
60
Corrente na Carga
Tensão na Carga
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 80
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
D3
L1
70mH
1
2
D1 R1
12
D4D2
0
V1FREQ = 60VAMPL = 60
Retificador Monofásico em Ponte
V V Vca ef= −2
02
Time
32ms 36ms 40ms 44ms 48ms 52ms 56ms 60ms 64msV(D3:2,D2:1) -I(R1)*5
0
20
40
60Tensão na Carga
Corrente na Carga
41
[email protected] – DEE - UFC
www.dee.ufc.br/~fantunes 81
Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo
Retificador Monofásico em Ponte
V V Vca ef= −2
02
0
V1FREQ = 60VAMPL = 60 C1
10m
R1
1200
D3
D2
D1
D4
Time
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60msV(R1:2,D2:1) -I(R1)*100
0
20
40
60
Corrente na Carga
Tensão na Carga
Top Related