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Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Engenharia Elétrica – UFV
ELT 313 – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
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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
www.gesep.ufv.br
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