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Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência CAPÍTULO - 1 ESTUDO DOS COMPONENTES EMPREGADOS EM ELETRÔNICA DE POTENCIA (DIODOS E TIRISTORES) 1.1 - O DroDo < Diodo Ideal + vF - Fig. 1.1 - Representação do diodo ideal. E Característica estática (tensão - corrente) ir vr0 Resistência Resistência Infinita Nula Fig. 1.2 - Característica estática do diodo ideal. E Polarizado diretamente => Não apresenta perda de energia. E Polarizado inversamente > É capaz de bloquear uma tensão infinita. (Características de um interruptor ideal) e Diodo Real ir Ir > YF Vero) Fig. 1.3 - Característica estática de um diodo real, Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência Cap. |- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência 2 E Circuito Equivalente (Eletrônica de Potência - Médias Freqiências/100kHz) ir Age + vF- lr A | Fon c Von< Vero) Pr E YF E Fig. 1.4 - Circuito equivalente de um diodo. º Bloqueio reverso limitado (Vrrm) => Tensões superiores são destrutivas (entra em condução, mantendo a tensão elevada e gerando grande quantidade de calor na junção) « Polarizado reversamente => Circulação pequena corrente reversa (Ir) E Dados ilustrativos: Diodo : SKN20/08 Varm=800V; Vcro=0,85V; Ir =0,15mA; rr = 1ImO; Corrente média = 20 A (para Tcápsuta = 125ºC) = Perdas em Condução P= Víro, LM + Ir Ia (1.1) Onde: Ipmes = Valor médio da corrente; Iper = Valor eficaz da corrente. (Expressão (1.1) é genérica, para qualquer forma de onda) B Características Dinâmicas dos Diodos (Considera-se D real) Fig. 1.5 - Circuito para o estudo da comutação de um diodo. º Inicialmente S bloqueado. > Malha L D circula I, em roda livre; q ( representa a indutância parasita; ES é fechado > Corrente I, transferida de D para S (Processo comutação) (Nesta comutação o diodo se bloqueia) Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência 4 & t,=Tempo de Recuperação Reversa (Eq. 1.4) e Irm=Corrente Reversa Máxima (Eq. 1.5) - || 30, t.= = (1.4) am E Ê Q.. di.) (1.5) E Q, dado fabricante; E di,/dt estabelecido projetista (depende circuito). & Quanto menor Q,,, mais rápido será o diodo. E Quanto à velocidade de recuperação: Rápidos, Ultra-rápidos e Lentos. e Ex: (até 50A e 500V) Diodos rápidos => t,, menores que 200ns Diodos ultra-rápidos => t,, menores que 70ns Diodos Lentos => tr, superiores a lps. E Limitação de Iry (Circuito - Fig. 1.9 e Formas de onda - Fig. 1.10) 4 r ir dip Fig. 1.10 - Corrente do diodo para a figura 1.9. < Para este caso, tem-se que: E LE (1.6) sa Q. Two t.= + 0,63-—EL (di,/d0 (1.7) Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência 5 * Fenômenos associados à Entrada em Condução Diodo (Fig. 1.11) A R ve] » ir Fig. 1.11 - Circuito para o estudo da entrada em condução do diodo. = Formas de onda durante a comutação (Entrada em condução) ip i o Z dig dt t vrá 2V Vrp VE t 23 i t Rp rf t Fig. 1.12 - Formas de onda relativas à entrada em condução de um diodo. E t,, tempo de entrada em condução => Pode variar de 0,1a1,5us. E Vrp Tensão de pico na entrada em condução > Pode alcançar valores próximos de 40V. e O atraso e a sobretensão são devidos à variação da resistência do diodo durante entrada em condução (Fig. 1.12) = Fenômenos são observáveis quando D é atacado por fonte de corrente. E Em baixa tensão => Diodo introduz atraso considerável na corrente. « Uso diodos rápidos => reduzem Vrp € trr. Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência Cap. |- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência 1.2 - O TIRISTOR <& Tiristor Ideal + vr- Fig. 1.14 - Representação do tiristor ideal. & Característica Estática (Tiristor ideal - Fig. 1.15) a!T O) Disparo »YT O & Fig. 1.15 - Característica estática ideal do tiristor. q Tiristor ideal: E Vc<00u>0 e Iç=0 = Representado pelos segmentos 1 e 2 (Bloqueio de tensões Positivas e Negativas) E Vic>0 eIç> 0 > Representado pelo segmento 3 (Condução) E Vac <0eIç>0 = Representado pelo segmento 1 (Bloqueio de tensões Negativas) º Com: Ig > 0 => Característica de Diodo ideal q Definição: Tiristor <> Diodo Controlado pelo gate SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência q Característica Estática Real dos Tiristores (Fig. 1.16) ir 9) Segmentos 1 e2[ Ig nula Segmentos 1 ea Ig>] Ig=0 VRM D Fig. 1.16 - Característica estática real de um tiristor. VACmáx q Tensões máximas de bloqueio, tanto direta quanto inversa, são limitadas. E Circuito Equivalente para o Tiristor dE, A, DB Ko ge o ir — A, | a o Vrçro) PT + vr - Fig. 1.17 - Circuito equivalente do tiristor. E Perdas em Condução (Eq. 1.10) 2] P= Vrco, Lica + Er hs Onde: Irmea = Corrente Média, e Ires= Corrente Eficaz, que o tiristor conduz. Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência (1.10) Cap. |- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência 13 E Bloqueio do Tiristor( Circuito Fig. 1.20, Formas de onda Fig. 1.21) «- Tiristor T encontra-se conduzindo; º Instante t, o interruptor S é fechado. R s o Ê E — E E A Fig. 1.20 - Circuito para o estudo do tiristor durante bloqueio. E — iz tinv E mta Vr : t to t Irm E, Ez+AV Fig. 1.21 - Formas de onda relativas ao bloqueio do tiristor. e Instante t; o interruptor S é novamente aberto; q Tiristor encontra-se bloqueado e retém a tensão E;; q t;=Tempo mínimo de aplicação de tensão inversa (Dado Fabricante). (Para Tiristor readquirir capacidade de bloqueio, após a corrente ter-se anulado, o Tempo de aplicação de tensão inversa deve ser 2 ty) = Quanto menor t, melhor é o Tiristor: Tiristores rápidos > 10us < tg < 200us (Operação em frequências maiores, menores perdas na comutação e circuitos de comando de menor custo) = Comutação Forçada => t, é um dado fundamental. OBS: TIRISTOR NÃO PODE SER COMANDADO PARA O BLOQUEIO PELO GATE = GTOs (Gate Turn-off Thyristors) Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência 19 1.3 - CÁLCULO TÉRMICO = O Problema E Corrente em circulação > produz calor (em Condução e nas Comutações); E Calor deve ser transferido para o ambiente (Uso de dissipadores) e Objetivo: Temperatura Junção < Tymáxima (Dado fabricante) (Potência máxima processada - Diodo ou Tiristor => Limitada pela T; ) & Cálculo térmico é fundamental (Segurança e Vida média - MTBF) = Cálculo Térmico - Regime Permanente (Circuito Térmico Eq. Fig. 1.22) R; Rea “ Ra T; componente, To Tg dissipador | Ta Fig. 1.22 - Circuito térmico equivalente de um diodo ou tiristor. Onde: T; - temperatura da junção (ºC); T. - temperatura da cápsula (C); Ta - temperatura do dissipador ((C); T, - temperatura ambiente (ºC); P - Potência térmica, circula no componente e é transferida ao ambiente (W); Ra - resistência térmica junção-cápsula (CW); Raa - resistência térmica cápsula-dissipador ((C/W); Rag - resistência térmica dissipador-ambiente ((CIW), Rja - resistência térmica junção-ambiente ((CIW). R, =R,+R4+R (1.12) « Cálculo Térmico (Regime Permanente) T-T,=R,P (1.13) = Analogia Circuito elétrico (Fig. 1.23) Vi — aRo os v2 T* Fig. 1.23 - Circuito elétrico análogo. E Procedimento: a) P - Calculada com dados do componente e da corrente que por ele circula; b) T; - Fornecida pelo fabricante do componente; Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência Logo: dP, dt 2 fRC” RC & Resolvendo-se (1.21) obtém-se a Equação (1.22). AT P pot —eRc|= [i-ei)-2 | “ Valor de Z, é fornecido pelo fabricante do componente. 2 (1.20) (1.21) (1.22) * Conceito de impedância térmica é muito importante para correntes impulsivas (grande intensidade e curta duração). 1.4 - CURVAS PARA CÁLCULO TÉRMICO DE DIODOS E TIRISTORES 100 Teose no 160 Erro a) Diodos “o em w Rihcg = 2 9C/W ILE É E SKN 205 CSTTNO “[ SKR 20 N ao 7ã ; 4 D + mp: | 5 20 6 mm + Ss E: = DAS a t 10 Z 154 RESSS 1 ZÃ = PEER olá ESSA O ray 10 20 A O Tamb 50 100 150 Sc 20 (a) (b) ec 180 o Fig. 1.26 - (a)Potência dissipada Prmea em função da corrente direta média Ines para corrente contínua pura (cont.), para meia-onda senoidal (sin.180) e para ondas retangulares (rec.60) e (rec. 120); (b) Temperatura da cápsula T. em função da temperatura ambiente T, para diferentes resistências térmicas Rca Ko Ks K3 Zeenjc cctos EEHEANERMEETE Hr SKN 20 'FESKR 20 EEE zona Zum Zum a 0º dt he 41 so:t ZA UI samp d 2155 Es 15 [088 loos — q ECA EE! 1031 1072 10! 10 10! 10? 103 5 10! Fig. 1.27 - Impedância térmica transitória Ze: para corrente contínua pura, em função do tempo t. A impedância térmica para correntes impulsivas Z«mp é obtida pela soma dos valores dados pela tabela Zum: com aqueles dados pela curva Za Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência Cap. |- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência 22 b) Tiristores “o a o? T w DT [ee [re NN She No ocjo ES lo so | SKT 16 7) 8.15 *R o [ ! A 7 , St VA TS A he N »o DUVAVA [= RAS a A N NA VESES ESSS = Pray E “cw SE SESS o piuToos | o av 10 20 A O Tomb 50 100 sc (a) (b) Fig. 1.28 - (a)Potência dissipada Prmea em função da corrente média Irmeé para diferentes ângulos de condução, para correntes senoidais; (b)Potência dissipada Prymea em função da temperatura ambiente Ta, para diferentes resistências térmicas totais junção-ambiente, Ropja T so 1 20 160061) W E 20 Z A op A im pm — Prav À ii Ta O Trav 10 20 A ao Fig. 1.29 - Potência dissipada Prmea em função da corrente média Irmeb para diferentes ângulos de condução, para correntes retangulares. ec É FERRO [Rihco “as E5-M6 | 2.5 sOw |. | K5-M6 | 5.5 9ciw 4 K3-M6 | 3,5 9ciw)— 110 KU -M6 | 1.6 9Ciw |] VA Da a 105 [Rins] om. 7080 “cw [TT] 100 ! mn aos im f fo. o,90 SKT 16 Rihje Pr psy E a O oe 30 so E 120 150 Si 180 Fig. 1.30 - Resistência térmica entre junção e a cápsula, Rujw em função do ângulo de condução para correntes senoidais e retangulares. Para corrente continua pura, deve ser tomada Rj cont. Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência 24 1.5 - EXEMPLO DE CÁLCULOS TÉRMICOS a) Retificador de Meia Onda a Diodo (Fig. 1.32) D v(wt)=/2 : 220 sen (wt) f=60Hz R=1092 D=SKN20/04 Fig. 1.32 - Retificador de meia onda a diodo. q Calcular Rg, para manter T; < Timáxima Dados: Rj =2ºC/W (Rajo); Rea =1ºC/W (Ranch); T,= 180ºC (Ty) Víro) = 0,85V; rr = 1ImO, T,=50ºC (T, = temperatura ambiente) v(mt) R & Corrente no diodo (Fig. 1.34) V2 Vo ot 0 x 2x 3n Fig. 1.34 - Corrente no diodo. PENA .. ee =9,9A; PE RUAS = do 20 15,55A < Potência média dissipada (Equacionamento) P = Voos Iimei + Er Tas > P=0,85.9,9+11-10% (15,55)? = 11,07W e Ábacos (P=Potência média) Imea >> Fig. 1.26a - (onda 180º) => P=11W & Cálculo Rg, AT AT 130 AT=P(R, +R4+RG) > Ru=p Re-Ra=p —2-1=57-3 Ra RatR4=88+1=9,8ºC/W = Ábacos (Ras) T,=50ºCeP=11W => Fig. 1.26b > Ra S 10ºC/W => Ra =10-1= 9ºCIW. = Dissipador Especificado: K5-M6 => R = 5,7ºC/W. º Confirmação: T; < Tjmáxima Re =2,0ºCIW Ras LOCIW Ru=47CIW T; Cd DS Ty RE VE e P=11W E T,=PRj +T,=11:(2+5,7)+50 = T=134,7"C = o K9-M6; Tr176,5€ ET =P(R,+R,)+T=11:5,7+50 > T=112,7C Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência 25 b) Retificador Monofásico a Tiristor (Fig. 1.33) T v(mt)= /2 220 sen (ot) f =60Hz R=80; a=60º T=SKTI6 v(mt) Fig. 1.33 - Retificador monofásico a Tiristor. Dados: Rj =0,94ºC/W (obtida na Figura 1.30) Rea = 0,5ºC/W T;= 130ºC 9=120º Seja T, = 50ºC (valor adotado) 0,225 V, 0,225. 220 E La ="Ro + cosa) = o d+ +0,5) > Lg =928A e Ábacos (P=Potência média) Irmea > Fig. 1.28a - (0 = 120º) >> P= 17,5W € Cálculo Ras T,=50CeP=17,5W > Fig. 1.28b > R,, =4,5ºC/W Ra=R,-R,-R4=45-0,94-0,5 => R$, =3,06C/W º Catálogo Fabricante => Escolhe-se o Dissipador (K3 — Limite!!!) (K1,1 elevado volume e peso; Usar Ventilação ou Tiristor maior Capacidade) c) Impedância Transitória « Seja Diodo SKN20 (com dissipador K5) submetido ao regime da Fig. 1.34. E Determinar Máximo valor de Ital que => T; < 180ºC. ir I < Is «180 0€ CATE 130 0€ : Fig. 1.34 - Corrente impulsiva - SKN20+KS ( V (xo, = 0,85V e 1; = 1im9) « t= 1s (tempo grande, considerando-se CCO)=> Fig. 1.27 > Leny E 1,5ºC/W. T -T, 180-30 P=T- TL>P=>— =" =100W Dean Liar 15 P=Vioyl+rP > Iz64A Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência Cap. 2 - Retificadores a Diodo 27 CAPITULO 2 RETIFICADORES A DIODO 2.1 - RETIFICADOR MONOFÁSICO DE MEIA ONDA A DIODO a) Carga Resistiva Pura (Figura 2.1) tdo Corgo eva Pre Vuned ( d D o Ng 5 N Amslenals abin D” no i Plenilis Alisa mes canos é 1 o c Yeo 5) L| Rs Aqu A o polener ab o me fenda Fig. 2.1 - Retificador monofásico de meia onda com carga resistiva. E Onde: v(wt) = Vm sen(wt) =42V, sen(wt) (2.1) Vi Sendo: V, = Valor Eficaz da Tensão de Alimentação. = Formas de onda carga R (pura) (Figura 2,2). v V2 Vo] ot E 7 “2 EE YL. V2 Vol ' — : ap Higp!s N ot ir o NV] ' : dey SMDS modo da condu R . Imea deseorhnuca ot YD ot 0 x 2n am à iguabo, À te =N2Vol > a tod Fig. 2.2 - Formas de onda relativas “aê 2.1, > considerando > diodos q Tensão média na carga (Equação 2.2). rata 1 == A 2.2 Vigsi == j V2.V, sen (ot) d(ot) os (2.2) 2 V v E Logo: Vimea = “2 0,45V (2.3) = Corrente média na carga ço 2.4). 2 2.4 Times = 2) R = sen (wt) d(ot) (2.4) Vima 0,45 Vo E Logo: e E = (2.5) Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência Cap. 2 - Retificadores a Diodo <& Corrente de pico no diodo (Equação 2.6). J2V, =| (2.6) « Tensão de pico inversa no diodo (Equação 2.7). Vo, = 2 V, (2.7) = Corrente eficaz no diodo (Equação 2.8). 2 1 7/2 : =|— e t 2.8 Le | ço | E sen? (ct) d(ot) (2.8) Vo Vo E Logo: Le = DRC 9,7070] (2.9) b) Carga R L (Figura 2.3) + Yp- D vo(Ão) à | vL Fig. 2.3 - Retificador monofásico de meia onda alimentando carga RL. = Formas de onda relativas à carga R L (Figura 2.4). v ' ja ul da torduços ds diodo * É >7 re : YD Fig. 2.4 - Formas de onda relativas à figura 2.3. Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência 
