ELC1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia Universidade Federal de Santa Maria Prof. Humberto Pinheiro, Ph.D. 10/2011 ELC 1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia_______________________________2 Sumrio Sumrio .......................................................................................................................................... 2 1.1 Teoria de Circuitos Comutados ............................................................................................... 4 Introduo .................................................................................................................................. 4 1.1.1.Caractersticas Estticas Ideais de Semicondutores de Potncia .................................... 4 1.1.2.a. Diodo ........................................................................................................................ 5 1.1.2.b. Tiristores ................................................................................................................... 5 1.1.2.c. BJTBipolar Junction Transistor .............................................................................. 6 1.1.2.d. MOSFETS Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors ........................... 7 1.1.2.e. IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor .................................................................. 7 GTO Gate Turn-off Thyristor ............................................................................................. 8 Combinao tpica de Semicondutores.................................................................................. 9 Soluo de Circuitos Com Semicondutores de Potncia Idias .............................................. 12 Exemplo 1 ............................................................................................................................ 12 1.2. Definies Bsicas ................................................................................................................ 68 1.2.1. Valor Mdio ................................................................................................................... 68 1.2.1.1. Ex.: Calculo da tenso mdia de um retificador de meia onda............................... 68 1.2.2. Valor Eficaz ................................................................................................................... 69 1.2.2.1. Ex.: Calculo da corrente eficaz em um retificador de entrada meia-onda .............. 69 1.2.3. Distoro harmnica total .............................................................................................. 71 1.2.3.1. Ex.: Calculo da THD para uma dada forma de onda .............................................. 72 1.2.4. Fator de Potncia ........................................................................................................... 72 1.2.5. Fator de Deslocamento .................................................................................................. 73 1.2.6. Fator de Utilizao......................................................................................................... 73 1.2.7. Rendimento .................................................................................................................... 73 1.2.8. Fator de Desequilbrio ................................................................................................... 74 1.2.9. Fator de Ondulao ........................................................................................................ 75 1.2.10. Fator de Crista ............................................................................................................. 75 Exerccio .................................................................................................................................. 76 ELC 1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia_______________________________31.3. Dispositivos .......................................................................................................................... 77 1.3.1. Caractersticas dos Semicondutores de Potncia ........................................................... 77 Fig. Semicondutores de potencia em diferentes aplicaes. ............................................... 80 1.3.1.1. Diodos ..................................................................................................................... 80 1.3.1.1. MOSFETS .............................................................................................................. 91 1.3.1.1. Transistor de Juno Bipolar - BJT ........................................................................ 99 1.3.1.1. Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) ............................................................ 103 1.3.1.1. Tiristores(SCR, GTO, MCT) .............................................................................. 109 1.4 Magnticos .......................................................................................................................... 132 Exemplos ................................................................................................................................... 155 Projeto do Indutores .......................................................................................................... 159 ELC 1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia_______________________________4 1.1 Teoria de Circuitos Comutados Introduo EletrnicadePotnciatratadoprocessamentodeenergia.Sendoaeficinciaumadas caractersticas importante nesse processamento. A diferena entre a energia que entra no sistema e a que saigeralmente transformadaem calor. Mesmo que, o custo daenergia desperdiada gerepreocupao,aremoodessaenergiacriatranstornostantoduranteoprojetoquantona sua utilizao. Atualmente conversores estticos utilizados para transformar a energia eltrica de umaformaparaoutra,apresentameficinciaentre85%e99%dependendodaaplicaoda faixadepotncia.Essaeficinciaelevadaobtidautilizandosemicondutoresdepotncia,que apresentamumaquedadetensoprximadezeroquandoemconduo,eumacorrente praticamente nula quando em bloqueado.Static Converter Definition by IEEE Std. 100-1996: Aunitthatemploysstaticrectifierdevicessuch semiconductorrectifiersorthyristors,transistors, electrontubes,ormagneticamplifierstochangeac power to dc power and vice versa. 1.1.1.Caractersticas Estticas Ideais de Semicondutores de Potncia Osprincipaissemicondutoresdepotnciautilizadosemconversoresestticoscomsua regio de operao no plano tenso corrente ( planov-i ) so apresentados a seguir: ELC 1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia_______________________________51.1.2.a. Diodo O diodo um semicondutor no controlvel, pois o seu estado, conduzido ou bloqueado determinado pela tenso ou pela corrente do circuito onde ele esta conectado, e no por qualquer ao que possamos tomar. O diodo entra em conduo quando a tenso vak torna-se positiva. Ele permaneceemconduodesdequeacorrenteiD,quegovernadapelocircuitoondeodiodo estiverinserido,forpositiva.Quandoacorrentetorna-senegativaodiodobloqueia-se comportando-se como circuito aberto. iDvAK+_K A0vAKiD(a) (b)_++_ Figura 0.1(a) Smbolo e (b) Caracterstica ideal de um Diodo

1.1.2.b. Tiristores Otiristoralgumasvezesreferidocomumsemicondutorsemi-controlado.Noseu estadobloqueado,elepodesuportartensestantopositivasquantonegativas.Otiristorpode mudar de estado de conduo com aplicao de um pulso de corrente na porta (gate) quando a tenso vak for positiva. Uma vez em conduo,ele continua emconduo mesmo que corrente degatesejaremovida.Nesteestadootiristorcomporta-secomoumdiodo.Somentequandoa ELC 1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia_______________________________6correnteia,quegovernadapelocircuitoexterno,torna-senegativaqueotiristorretornaao estado bloqueado. iAvAK+_KA0vAKiA(a)(b)GiG(Pulso em iG ) On-state Figura 0.2 (a) Smbolo e (b) Caracterstica ideal de um tiristor 1.1.2.c. BJTBipolar Junction Transistor Ostransistoresbipolaresforamosprimeirossemicondutoresdepotnciatotalmente controlados utilizados comercialmente em conversores estticos. A caracterstica esttica de um BJT ideal mostrada na figure abaixo. O BJT pode conduzir corrente somente em uma direo, equandoemestadobloqueadosuportasomentetensespositivas,ouseja,ic>0evCE>0. Quando uma corrente de base aplicada a base o BJT, este passa a conduzir. Com a remoo da corrente de base o BJT volta ao estado bloqueado. (a)(b)iBvCE+_ECBiC+_vBE0vCEiCOnOff ELC 1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia_______________________________7Figura 0.3(a) Smbolo e (b) Caracterstica ideal de um BJT 1.1.2.d. MOSFETS Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors OMOFET,comoosBJT,umsemicondutortotalmentecontrolado.Acaracterstica esttica de um MOSFET ideal mostrada na figura abaixo. O MOSFET pode conduzir corrente somente em uma direo, e quando em estado bloqueado, suporta somente tenses positivas, ou seja,id>0evDS>0.Quandoumatensoadequadaaplicadaentreostermaisdaportaefonte, vGS,o MOSFET entra em conduo. Com a remoo da tenso vGS o MOSFET volta ao estado bloqueado. (a)(b)vDS+_SDGiD+_vGS0vDSiDOnOff Figura 0.4 (a) Smbolo e (b) Caracterstica ideal de um MOSFET. 1.1.2.e. IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor OIGTBsemicondutorquecombinasascaractersticasdesejveisdosMOFETse BJTs. A caracterstica esttica ideal de um IGBT semelhante de um MOSFET. O IGBT pode conduzircorrentesomenteemumadireo,equandoemestadobloqueado,suportasomente ELC 1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia_______________________________8tenses positivas, ou seja id>0 e vce>0.Quando uma tenso adequada aplicada entre os termais da porta e fonte, vge,o IGBT entra em conduo. Com a remoo da tenso vge o IGBT volta ao estado bloqueado. (b)0vCEiCvCE+_iC+_vGE(a)CEGOnOff Figura 0.5 (a) Smbolo e (b) Caracterstica ideal de um IGBT. GTO Gate Turn-off Thyristor AcaractersticaestticadoGTOmostradanafiguraabaixo.OGTOpodeentrarem conduoporumpulodecorrentenogate,eumavezemconduonohanecessidadede manter a corrente de gate para mante-lo conduzindo. O que diferencia o GTO do tiristor o fato de uma vez em conduo poder retornar para o estado bloqueado pela aplicao de uma tenso gate-catodo negativa, e como conseqncia resultando em uma corrente de gate elevada.

0vAKiA(b)OnOff(a)iAvAK+_KAGiG Figura 0.6 (a) Smbolo e (b) Caracterstica ideal de um IGBT. ELC 1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia_______________________________9 Combinao tpica de Semicondutores As combinaes tpicas de semicondutores encontrados em conversores estticos so: Tiristores em antiparalelo 0vi(a)(b)vi_+_++_ Tiristores com diodo em Antiparalelo v0i(a)(b)vi_+_++_ BJT com Diodo em Antiparalelo ELC 1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia_______________________________10(a)(b)iBv+_i0viOnOff MOSFET com Diodo em Antiparalelo (a) (b)v+_i0vi+_OnOff MOSFET com Diodo Serie (a)(b)v+_0viiOnOff ELC 1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia_______________________________11IGBT com Diodo em Antiparalelo (b)0viv+_i(a)OnOff IGBT com Diodo Serie (b)0vii(a)v+_OnOff Exerccio Proposto: Determine a caracterstica estticas, planos v-i,para os arranjos de semicondutores de potncia descritos abaixo: a) IGBT com Diodo em Antiparalelo em anti-srieb) IGBT em uma ponte de diodos c) IGBT com Diodo Serie em antiparalelo. Compareosarranjosdositensa),b)ec)ecomentesobreas possveis vantagens e desvantagens. ELC 1032 Fundamentos de Eletrnica de Potncia_______________________________12 Soluo de Circuitos Com Semicondutores de Potncia Idias Umavezestabelecidaascaractersticasestticasdosprincipaissemicondutoresde potncia (interruptores), vamos agora, atravs de exemplos, investigar o impacto do uso desses interruptoresnooperaodecircuitoscomfonteseelementospassivoscomoresistores capacitores indutores. Exemplo1SejaocircuitodaFigura0.7,determineosetapasdeoperao, bem como as principais formas de ondas do circuito. Considere que:v=311sin(t)eR=10sendo=377rad/s. Figura 0.7Retificador de meia onda no controlado com carga resistiva O circuito da Figura 0.7apresenta duas etapas de operao que so definidas a partir do estado do diodo, conduzindo e bloqueado. Como a tenso da fonte peridicaestecircuitotambmdeveapresentarumcomportamento peridico. Portanto, a seguir ser abalizado o circuito para o primeiro ciclo da tenso da fonte v.. Etapa 1 . Durao 0