Eletrônica de Potência, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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ELC

Fundamentos de Eletrônica de Potência

Universidade Federal de Santa Maria

Prof. Humberto Pinheiro, Ph.D.

e-mail: humbertoelc1032@hotmail.com

Sumário

1.1 Teoria de Circuitos Comutados

Introdução Eletrônica de Potência trata do processamento de energia. Sendo a eficiência uma das características importante nesse processamento. A diferença entre a energia que entra no sistema e a que sai geralmente é transformada em calor. Mesmo que, o custo da energia desperdiçada gere preocupação, a remoção dessa energia cria transtornos tanto durante o projeto quanto na sua utilização. Atualmente conversores estáticos utilizados para transformar a energia elétrica de uma forma para outra, apresentam eficiência entre 85% e 99% dependendo da aplicação da faixa de potência. Essa eficiência elevada é obtida utilizando semicondutores de potência, que apresentam uma queda de tensão próxima de zero quando em condução, e uma corrente praticamente nula quando em bloqueado. Static Converter Definition by IEEE Std. 100-1996: A unit that employs static rectifier devices such semiconductor rectifiers or thyristors, transistors, electron tubes, or magnetic amplifiers to change ac power to dc power and vice versa.

1.1.1. Características Estáticas Ideais de Semicondutores de Potência Os principais semicondutores de potência utilizados em conversores estáticos com sua região de operação no plano tensão corrente ( plano v-i ) são apresentados a seguir:

1.1.2.a. Diodo

O diodo é um semicondutor não controlável, pois o seu estado, conduzido ou bloqueado é determinado pela tensão ou pela corrente do circuito onde ele esta conectado, e não por qualquer ação que possamos tomar. O diodo entra em condução quando a tensão vak torna-se positiva. Ele permanece em condução desde que a corrente iD , que é governada pelo circuito onde o diodo estiver inserido, for positiva. Quando a corrente torna-se negativa o diodo bloqueia-se comportando-se como circuito aberto.

iD

+ (^) vAK ___

A K

0

vAK

iD

(a) (b)

_ +

_

Figura 0.1 (a) Símbolo e (b) Característica ideal de um Diodo

1.1.2.b. Tiristores

O tiristor algumas vezes é referido com um semicondutor semi-controlado. No seu estado bloqueado, ele pode suportar tensões tanto positivas quanto negativas. O tiristor pode mudar de estado de condução com aplicação de um pulso de corrente na porta ( gate ) quando a tensão vak for positiva. Uma vez em condução, ele continua em condução mesmo que corrente de gate seja removida. Neste estado o tiristor comporta-se como um diodo. Somente quando a

Figura 0.3 (a) Símbolo e (b) Característica ideal de um BJT

1.1.2.d. MOSFETS Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors

O MOFET, como os BJT, é um semicondutor totalmente controlado. A característica estática de um MOSFET ideal é mostrada na figura abaixo. O MOSFET pode conduzir corrente somente em uma direção, e quando em estado bloqueado, suporta somente tensões positivas, ou seja, id >0 e vDS >0. Quando uma tensão adequada é aplicada entre os termais da porta e fonte, vGS , o MOSFET entra em condução. Com a remoção da tensão vGS o MOSFET volta ao estado bloqueado.

(a) (b)

vDS

_

S

D

G

iD

vGS (^) ___ 0 vDS

iD On Off

Figura 0.4 (a) Símbolo e (b) Característica ideal de um MOSFET.

1.1.2.e. IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

O IGTB é semicondutor que combinas as características desejáveis dos MOFETs e BJTs. A característica estática ideal de um IGBT é semelhante à de um MOSFET. O IGBT pode conduzir corrente somente em uma direção, e quando em estado bloqueado, suporta somente

tensões positivas, ou seja id >0 e vce >0. Quando uma tensão adequada é aplicada entre os termais da porta e fonte, vge , o IGBT entra em condução. Com a remoção da tensão vge o IGBT volta ao estado bloqueado.

(b)

0

vCE

iC +_ vCE

iC

vGE ___ (a)

C

E

G

On Off

Figura 0.5 (a) Símbolo e (b) Característica ideal de um IGBT.

GTO – Gate Turn-off Thyristor

A característica estática do GTO é mostrada na figura abaixo. O GTO pode entrar em condução por um pulo de corrente no gate , e uma vez em condução não há a necessidade de manter a corrente de gate para mante-lo conduzindo. O que diferencia o GTO do tiristor é o fato de uma vez em condução poder retornar para o estado bloqueado pela aplicação de uma tensão gate-catodo negativa, e como conseqüência resultando em uma corrente de gate elevada.

0

vAK

iA

(b)

On Off

(a)

iA +_ vAK

K

A

G

iG

Figura 0.6 (a) Símbolo e (b) Característica ideal de um IGBT.

(a) (^) (b)

iB v

_

i

0

v

i On Off

MOSFET com Diodo em Antiparalelo

(a) (b)

v

_

i

0

v

i

_ +

On Off

MOSFET com Diodo Serie

(a) (b)

v

_

0

v

i i On Off

IGBT com Diodo em Antiparalelo

(b)

0

v

i

v

_

i

(a)

On Off

IGBT com Diodo Serie

(b)

0

v

i

i

(a)

v

_

On Off

Exercício Proposto: Determine a característica estáticas, planos v - i , para os arranjos de semicondutores de potência descritos abaixo: a) IGBT com Diodo em Antiparalelo em anti-série b) IGBT em uma ponte de diodosc) IGBT com Diodo Serie em antiparalelo. Compare os arranjos dos itens a) , b) e c) e comente sobre aspossíveis vantagens e desvantagens.

etapa da mostrado na Figura 0.8 (a). As principais equações que descrevem o comportamento do circuito nessa etapa são: vak = 0 V iD = v / R vR = v Etapa 2. Duração π <ω t< 2 π. : Em ω t = π a corrente no diodo , iD , torna-se negativa, devido v , levando o diodo entrar em bloqueio. O circuito equivalente dessa etapa da mostrado na Figura 0.8 (b). As principais equações que descrevem o comportamento do circuito nessa etapa são: vak = v iD = 0 vR = 0

(a) (b) Figura 0.8 Retificador de meia onda não controlado com carga resistiva As principais formas de onda do circuito são mostrada na Figura 0.

Figura 0.9 Formas de onda do retificador da Figura 0.

Exemplo2 Seja o circuito da Figura 0.10, determine os etapas de operação, bem como as principais formas de ondas do circuito. Considere que os parâmetros da Tabela II TABELA II v = 311 sin(ω t ) R=10 Ω ω v =377 rad/s B = 100 V

Por outro lado ângulos θ 2 pode ser obtido do instante que a corrente sobre o diodo passa por zero, ou seja:

2

1 o

311sin( ) (^) 0 com d 0 dt logo sin(^100 ) 109. 311

iD t^ t^ v^ B^ iD R a

= ω^ ω =θ − = <

θ = =

Etapa 2. Duração θ 2 <ω t< 2 π+θ 1. : Em ω t =θ 2 a corrente no diodo , iD , torna-se negativa, devido a v torna-se menor que vB, levando o diodo entrar em bloqueio. O circuito equivalente dessa etapa da mostrado na Figura 0. (b). As principais equações que descrevem o comportamento do circuito nessa etapa são:

v^ TABELA^ III iak^ =^ v-vB vDR^ =0 = vB

(a) (b) Figura 0.11 Retificador de meia onda não controlado com carga resistiva e fonte de tensão

• Sumário
• 1.1 Teoria de Circuitos Comutados
  • Introdução
  • 1.1.1. Características Estáticas Ideais de Semicondutores de Potência
    • 1.1.2.a. Diodo
    • 1.1.2.b. Tiristores
    • 1.1.2.c. BJT Bipolar Junction Transistor
    • 1.1.2.d. MOSFETS Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors
    • 1.1.2.e. IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor..................................................................
    • GTO – Gate Turn-off Thyristor
    • Combinação típica de Semicondutores..................................................................................
  • Solução de Circuitos Com Semicondutores de Potência Idéias
    • Exemplo
• 1.2. Definições Básicas
  • 1.2.1. Valor Médio
    • 1.2.1.1. Ex.: Calculo da tensão média de um retificador de meia onda...............................
  • 1.2.2. Valor Eficaz
    • 1.2.2.1. Ex.: Calculo da corrente eficaz em um retificador de entrada meia-onda
  • 1.2.3. Distorção harmônica total
    • 1.2.3.1. Ex.: Calculo da THD para uma dada forma de onda
  • 1.2.4. Fator de Potência
  • 1.2.5. Fator de Deslocamento
  • 1.2.6. Fator de Utilização.........................................................................................................
  • 1.2.7. Rendimento
  • 1.2.8. Fator de Desequilíbrio
  • 1.2.9. Fator de Ondulação........................................................................................................
  • 1.2.10. Fator de Crista
  • Exercício
• 1.3. Dispositivos
  • 1.3.1. Características dos Semicondutores de Potência
    • 1.3.1.1. Diodos.....................................................................................................................
    • 1.3.1.1. MOSFETS
    • 1.3.1.1. Transistor de Junção Bipolar - BJT
    • 1.3.1.1. Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
    • 1.3.1.1. Tiristores (SCR, GTO, MCT)
• 1.4 Magnéticos
• As principais formas de onda do circuito são mostrada na Figura 0.
• Figura 0.12 Formas de onda do retificador da Figura 0.

(a) (b) Figura 0.14com carga RL. Etapas de operação do retificador de meia onda não controlado (a) Etapa 1 , (b) Etapa 2

O final dessa etapa ocorre em ω t= θ 1 quando a corrente torna-se zero. Logo θ 1 pode ser obtido da solução da seguinte equação para θ 1

( )

1 1

1

2 2

2 1

(^21)

( ) 0 1 1 sin( arctan( )) 1

0 1 sin( arctan( )) seja

logo 0 1 sin( arctan( 1 ))

RL (^) t

t RL

i t V^ R^ t L e L (^) R L R L R L (^) e L R

R L

e

− (^) ωω ω =θ − (^) ωθ

−αθ

= = ^ + ^  ω − ω +  ω (^)    ^ ω  

• (^)  (^) ω  ^ 

= ^ + ^  θ − ω +   ^ ω  

α = ^   ω 

= ^ + α θ − +   α  Solucionando numericamente a equação acima temos

(^1800) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

194

208

222

236

250

264

278

292

306

320

θ 1 ⋅^180 π

Figura 0.15 Ângulo que corresponde ao final da Etapa 1 em função^ α do parâmetro α = ^ ω R L  Pode der observado que na medida que a carga torna-se mais indutiva α → 0 a duração da etapa 1 estendem-se no semi-ciclo negativo da rede, por outro lado quando a carga torna-se mais resistiva α → ∞ a duração da primeira etapa aproxima-se do final do semi-ciclo positivo da rede. Etapa 1. Duração θ 1 <ω t< 2pi: Nesta etapa o diodo encontra-se bloqueado, a corrente no circuito é zero, sendo o circuito equivalente mostrado na figura 14 b. A seguir são mostrados resultados de simulação para ilustrar o comportamento do circuito