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Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Engenharia Elétrica – UFV ELT 313 – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 1 Aula 02 – Diodos de Potência Prof. Heverton Augusto Pereira Universidade Federal de Viçosa - UFV Departamento de Engenharia Elétrica - DEL Gerência de Especialistas em Sistemas Elétricos de Potência – Gesep [email protected] www.gesep.ufv.br TEL: +55 (31) 3899-3266

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ELT 313 – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

1

Aula 02 – Diodos de Potência

Prof. Heverton Augusto PereiraUniversidade Federal de Viçosa - UFV

Departamento de Engenharia Elétrica - DEL Gerência de Especialistas em Sistemas Elétricos de Potência – Gesep

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TEL: +55 (31) 3899-3266

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Conteúdo

Tópicos01 - Introdução

02 - Diodos de potência e circuitos RLC chaveados

03 - Retificadores com diodos

04 - Transistores de potência

05 Conversores CC-CC

06 Tiristores

07 Retificadores controlados

08 - Controladores de tensão CA

09 - Conversores CC-CA

10 - Inversores de pulso ressonante

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Principais funções:• Chaves em retificadores• Roda livre (freewheeling)• Inversão de carga de capacitores• Transferência de energia entre componentes• Isolação de tensão

Introdução

Fonte: Arquivo pessoal

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Silício Monocristalino• Vários metros e diâmetro de 150 mm• Forno de zona de flutuação• Silício, Germânio e Arseneto de Gálio são os mais utilizados• Silício x Germânio – O Si é mais barato e menos sensível a temperatura• Silício puro é chamado semicondutor intrínseco • Resistividade e rigidez dielétrica muito elevada – 200kV/cm• Processo de dopagem: 1 átomo de impureza para 1 milhão de átomos de

silício

Conceitos de Materiais Semicondutores

Fonte: http://www.tindosolar.com.au/learn-more/poly-vs-mono-crystalline/

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Conceitos de Materiais Semicondutores

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=jh2z-g7GJxE

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Conceitos de Materiais Semicondutores

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=3TOpg1niATg

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Material tipo n: fósforo, arsênio e antimônio• Aumenta o número de elétrons livres• Aumenta a condutividade• Se for fortemente dopado é conhecido com n+

Material tipo p: boro, gálio e índio• Introduz lacunas• Se for fortemente dopado é conhecido com p+

Conceitos de Materiais Semicondutores

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Carbeto de Silício• Banda proibida muito larga• Os elétrons precisam de 3x mais energia para atingir a banda de

condução• Suportam tensões e temperaturas muito elevadas• Comparados com Si, SiC podem ter 1/10 da espessura• Mais rápidos• Mais eficientes

Conceitos de Materiais Semicondutores

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Conceitos de Materiais Semicondutores

Fonte: 2001, Comparison of Si and SiC diodes during operation in three-phase inverter driving ac induction motor

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Diodo

• Um diodo de potência é um dispositivo de junção pn de dois terminais• A junção pn é normalmente formada por fusão, difusão ou crescimento

epitaxial

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Características do Diodo

�� = ��(���� − 1)

�� =��

Equação de Shockley:

Onde:• ID – corrente através do diodo• IS – corrente de fuga ou de

saturação reversa 10-6 a 10-15A• VD – tensão no diodo• n – constante empírica,

depende do material. Varia de 1,1 a 1,8 em diodos comerciais

• VT - tensão térmica

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Características do Diodo

�� =��

Tensão térmica

Onde:• T – temperatura absoluta em

Kelvin• k – constante de holtzmannk = 1,3806 x 10-23 J/K• q = carga do elétronq = 1,6022 x 10-19 C

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Características do Diodo

Curva característica v–i de um diodo:• Queda de tensão durante a polarização direta• Corrente de fuga durante a polarização reversa• Tensão de ruptura

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Características do Diodo

Durante a polarização direta:

�� = ��(���� − 1) ≈ �� �

���

Durante a polarização reversa:

�� = −��

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Recuperação Reversa

Portadores minoritários precisam de um tempo para se recombinar

• Esse tempo de é chamado tempo de recuperação reversa

• Processo não linear

• tRR é o tempo em que a corrente passa por zero (condução-bloqueio) e o momento em que a corrente reversa atinge 25% de IRR

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Recuperação Reversa

Para fins práticos, é preciso se preocupar com:

• O tempo de recuperação total trr

• O valor de pico da corrente reversa IRR.

• A carga armazenada QRR, que é a área delimitada pela curva da corrente de recuperação, é aproximadamente

�� =��

��

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� Substituindo o valor de IRR, obtém-se:

� Se tb for desprezável quando comparado a ta, trr ≈ ta, e a equaçãoacima torna-se

� e

Recuperação Reversa

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Recuperação Reversa

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� Os diodos de potência podem ser classificados em trêscategorias:

1. Diodos-padrão ou de uso geral.2. Diodos de recuperação rápida.3. Diodos Schottky.

� Várias configurações de diodos deuso geral:

Tipos de Diodo de Potência

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Diodos-padrão ou de uso geral

� Faixa de aplicação até 6.000V – 4500 A

� Tempo de recuperação de 25us

� Em máquinas de solda são diodos de junção fundida, por seremmais baratos e mais robustos

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Diodos de recuperação rápida:

� Faixa de aplicação até 6.000V – 1100 A

� Tempo de recuperação de 0,1 a 5us

� Acima de 400V feitos por difusão� Abaixo de 400V crescimento epitaxial

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� Diodos Schottky duais de 20 e 30 A

Tipos de Diodo de Potência

� Faixa de aplicação até 100V – 300 A

� Queda de tensão de 0,5 a 1,2V� Tempo de recuperação de

nanosegundos

� Armazenamento de carga éreduzido através de uma barreirade potencial com um contato entreum metal e um semicondutor

� Aplicações em fonte dealimentação

� Baixa tensão de condução

� Corrente de fuga maior

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� O carbeto de silício (SiC) é um novo material para a eletrônica depotência.

� Suas propriedades físicas superam as do Si e as do GaAs.

� Por exemplo, os diodos Schottky SiC fabricados pela InfineonTechnologies têm perdas de potência ultrabaixas e altaconfiabilidade. Eles também têm as seguintes características:

� não possuem tempo de recuperação reversa;� apresentam chaveamento ultrarrápido;� a temperatura não influi no chaveamento.

Diodos de carbeto de silício

Diodos Schottky de carbeto de silício

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Exemplo: Para o diodo IDW100E60 da Infineon

Calcule:

• Fator de Suavidade do diodo operando à 25oC

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Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba

Exemplo: Para o diodo IDW100E60 da Infineon

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Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba

Exemplo: Para o diodo IDW100E60 da Infineon

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Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba

Exemplo: Para o diodo IDW100E60 da Infineon

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Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba

Exemplo: Para o diodo IDW100E60 da Infineon

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Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba

Exemplo: Para o diodo IDW100E60 da Infineon

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Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba

Exemplo: Para o diodo IDW100E60 da Infineon

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Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba

Exemplo: Para o diodo IDW100E60 da Infineon

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Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba

Exemplo: Para o diodo IDW100E60 da Infineon

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Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba

Exemplo: Para o diodo IDW100E60 da Infineon