Apresentaoii Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar / Leonardo Wayland Torres Silva Apresentao EstetextofoielaboradocomorefernciaparaadisciplinaEletrnicade PotnciaministradanocursodegraduaoemEngenhariaEltricada UniversidadeFederaldoRioGrandedoNorte.Foiempregadaumaanlise simpleseconcisadosfundamentosdaEletrnicadePotncia,observando tambm suas evolues e novas tendncias. Inicialmente,feitaumaintroduoaocontedo,trazendoconceitos, definies,termos,dispositivos,esquemas,formulaesegrficos,quesero empregadosnodecorrerdoassunto,sendo,tambm,consideradosumabreve evoluohistricaeaplicaesprticasdaEletrnicadePotncia,afimde situ-lanoseucontextoatual.Almdisso,realizadoumestudosucintoda Fsica envolvida nos dispositivos semicondutores de potncia. Emseguida,soabordadososdispositivossemicondutoresdepotncia maiscomumenteutilizados,observandosuascamadassemicondutoras (dopagem),modelosequivalentes,curvascaractersticas,propriedadesde disparo e chaveamento, tipos, ligaes e aplicaes. Posteriormente,soanalisadososcircuitosconversoresempregados,em Eletrnica de Potncia, para controlar ou condicionar a energia eltrica, atravs daconversodepotnciaeltrica.Dentreestescircuitos,soanalisadosos retificadorescontroladoseno-controlados,oschopperseosinversores,cada qualtratadoemumcaptulo,deformaapermitirumaanlisemaissimplese detalhada destes conversores. Porfim,tem-seosApndices,quevisampermitirummaior aprofundamento do contedo, atravs de tpicos mais especficos e detalhados, osquaisforamomitidos,duranteodesenvolvimentodoscaptulos,como propsito de tornar o estudo mais claro e objetivo. Asrefernciasbibliogrficas,tratadasaofinal,oferecemcondiesdeum maiordesenvolvimentoemassuntosdecarterespecfico,acercadaqueles apresentados. Ainda, vale a pena salientar que este trabalho uma coletnea de assuntosfundamentaisrelacionadosEletrnicadePotncia,sendoalguns desenvolvidos,acrescentadoseaperfeioados,parafornecermelhornfasee didticaaocontedo,eoutrostranscritosdabibliografiacitada,parano perder em qualidade e no descaracterizar a escrita do autor. Almdisso,estematerialdevesofrerfreqentesatualizaesepossveis correes,emvirtudedaconstanteevoluotecnolgicaobservadanocampo da Eletrnica de Potncia e de eventuais erros cometidos no prprio texto, pelos quais, desde j, pedimos a colaborao de todos os leitores, informando sobre as falhas detectadas. ndiceiii Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazarndice Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia .....................................1 1.1. Introduo..............................................................................................................1 1.2. Evoluo Histrica................................................................................................2 1.3. Fsica dos Semicondutores ..................................................................................3 1.4. Dispositivos Semicondutores de Potncia ........................................................5 1.5. Efeitos da Converso de Potncia ....................................................................12 1.6. Tipos de Circuitos ...............................................................................................13 1.7. Aplicaes ............................................................................................................16 1.8. Projetos de Equipamentos .................................................................................17 Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia ......................18 2.1. Introduo............................................................................................................18 2.2. Diodos de Potncia .............................................................................................18 2.2.1. Generalidades.......................................................................................................18 2.2.2. Aspectos Contrutivos ............................................................................................19 2.2.3. Caractersticas de Operao ...................................................................................19 2.2.4. Tipos ....................................................................................................................25 2.2.5. Ligaes ...............................................................................................................26 2.3. Tiristores...............................................................................................................28 2.4. Transistores..........................................................................................................34 2.4.1. Transistor de Juno Bipolar ..................................................................................35 2.4.2. Mosfet de Potncia ................................................................................................39 Captulo 3 Retificadores No-Controlados ............................................43 3.1. Introduo............................................................................................................43 3.2. Circuitos Bsicos ................................................................................................. 43 3.3. Anlises de Retificadores...................................................................................45 3.3.1. Retificador Monofsico de Meia-Onda com Carga Resistiva .....................................45 3.3.2. Retificador Monofsico de Meia-Onda com Carga RL..............................................48 3.3.3. Retificador Monofsico com Carga RL e Fora Eletromotriz .....................................53 3.3.4. Retificador Monofsico de Meia-Onda com Carga RC..............................................56 3.3.5. Retificador Monofsico de Meia-Onda com Carga LC..............................................57 3.3.6. Circuito Inversor de Carga do Capacitor .................................................................57 3.3.7. Retificador Monofsico de Onda Completa Tipo Ponte ............................................58 ndiceiv Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar3.3.8. Retificador Multifsico ..........................................................................................59 3.3.7. Retificador Trifsico Tipo Ponte .............................................................................59 Captulo 4 Retificadores Controlados.......................................................61 4.1. Introduo............................................................................................................61 4.2. Princpio de Operao........................................................................................61 4.3. Retificadores Controlados Monofsicos .......................................................... 63 4.3.1. Retificador Semicontrolado....................................................................................63 4.3.2. Retificador Totalmente Controlado.........................................................................64 4.3.3. Retificador Duplamente Controlado .......................................................................65 4.3.4. Retificadores Controlados Monofsicos em Srie .....................................................66 4.4. Retificadores Controlados Monofsicos .......................................................... 69 4.4.1. Retificador Semicontrolado....................................................................................69 4.4.2. Retificador Totalmente Controlado.........................................................................70 4.4.3. Retificador Duplamente Controlado .......................................................................71 4.5. Consideraes SobreProjetos de Retificadores .............................................71 Captulo 5 Choppers..........................................................................................73 5.1. Introduo............................................................................................................73 5.2. Princpio de Operao........................................................................................73 5.3. Conversor Buck (Redutor de Tenso ou Step-Down) ................................... 74 5.4. Conversor Boost (Elevador de Tenso ou Step-Up) ......................................76 5.5. Conversor Buck-Boost (Fly-back).....................................................................78 5.6. Conversor Cuk ....................................................................................................80 5.7. Conversor Tipo Ponte ........................................................................................ 81 Captulo 6 Inversores ........................................................................................84 6.1. Introduo............................................................................................................84 6.2. Princpio de Operao........................................................................................85 6.3. Inversor Monofsico em Ponte .........................................................................87 6.4. Inversor Trifsico ................................................................................................88 6.5. Inversor Trifsico em Ponte ..............................................................................89 6.6. Inversor de Fonte de Corrente (IFC) ................................................................91 6.7. Controle de Tenso de Inversores Monofsicos.............................................93 CAPITULO 7 APLICAO A FONTE DE ALIMENTAO...98 7.1. Introduo........................................................................................................... 98 7.2. Fontes Chaveadas vs Fontes Lineares ............................................................. 99 ndicev Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar7.3. Conversor CC-CC com ISOLAMENTO ELETRICO..................................... 99 7.4. CONVERSOR FLYBACK..................................................................................99 7.5. CONVERSOR FORWARD (derivado do step-down) ................................ 100 7.6. CONVERSORES CC-CC BIDIRECCIONAIS .............................................. 103 7.7. CONTROLE DE UMA FONTE CHAVEADA CC..........................................105 7.8FONTES DE ALIMENTAO C.A..................................................................107 Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia1 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia 1.1. Introduo A Eletrnica de Potncia pode ser definida como a rea da Tcnica onde os dispositivossemicondutoressousadosem:converso,controle,chaveamento eprocessamentodaenergiaeltrica.Destamaneira,atarefadaEletrnicade Potncia oferecer o tratamento adequado ao fluxo de potncia eltrica, atravs damodelagemdasfontesdeenergiaeltricaedoscircuitosconversores, usando dispositivos semicondutores de potncia. Basicamente, existem trs reas que interagem nas aplicaes da Eletrnica dePotncia,asaber:Equipamentosdepotncia,estticosourotativos; Eletrnica,comdispositivose/ oucircuitos;Controle,analgicooudigital (Figura1-1).Assim,oprojetodecircuitosdeEletrnicadePotnciarequero desenvolvimentodoscircuitosdepotnciaedecontrole,sendoesteltimode vitalimportncia,vistoque,almdedefiniremonitoraraconverso,tambm reduz as tenses e correntes harmnicas geradas pelos conversores de energia. Figura 1-1 reas que interagem em aplicaes da Eletrnica de Potncia. O potencial de aplicaes da Eletrnica de Potncia torna-se cada vez mais amplo,medidaquesodesenvolvidasnovastecnologias,paradispositivos semicondutoresdepotnciaecircuitosintegrados.Dispositivosdepotncia, parachaveamentorpido,sodesenvolvidoscomlimitesdetensoecorrente cadavezmaiores.Taisdispositivos,juntamentecomaaplicaode microprocessadoresmodernos,nasintetizaodaestratgiadecontrole,esto permitindoalcanarmaioresespecificaesdeconverso.Almdisso,outro fator importante, para essa crescente evoluo, a disponibilidade comercial de um grande nmero destes dispositivos semicondutores de potncia. Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia2 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar 1.2. Evoluo Histrica Ocorreram grandes avanos nos dispositivos semicondutores de potncia, desdeoprimeirotiristor.At1970,ostiristoresconvencionaiseramusados apenasnocontroledepotnciadeaplicaesindustriais.Apartirda,vrios tiposdedispositivossemicondutoresdepotnciaforamdesenvolvidose disponibilizados comercialmente. Toda esta evoluo histrica da Eletrnica de Potncia (mostrada cronologicamente na Figura 1-2) teve incio em 1900, com o retificadoraarcodemercrioecontinuou,gradativamente,comaintroduo devriosoutrosdispositivos,taiscomo:oretificadordetanquemetlico,o retificador em tubo a vcuo de grade controlada, o ignitron e o tiratron. Figura 1-2 Evoluo histrica da Eletrnica de Potncia. Cominvenodotransistordesilcio,em1948,porBardeen,Brattaine SchockleydaBellTelephoneLaboratories,aconteceuaprimeirarevoluoda Eletrnica.FatoestequedeuorigemmaioriadastecnologiasdaEletrnica avanadadehoje.AevoluodaMicroeletrnicamodernasedeuapartirda destessemicondutoresdesilcio.Em1956,foirealizada,tambmpelaBell Telephone Laboratories, a prxima grande descoberta, a inveno do transistor disparvelPNPN,denominadodetiristorouretificadorcontroladodesilcio (do ingls silicon-controlled rectifier SCR). Odesenvolvimentodotiristorcomercial,em1958,pelaGeneralElectric Company,deuincioasegundarevoluodaEletrnica,oqueoriginou diferentestiposdedispositivossemicondutoresdepotnciaetcnicasde converso,possibilitandoacapacidadededeterminarecontrolaraformade enormesquantidadesdepotncia,demaneiraeficaz,revolucionandoa EletrnicadePotncia.Estaevoluopermitiu,tambm,arevoluoda Microinformtica,atravsdodesenvolvimentodoprocessamentode informaes, em grandes quantidades e velocidades. Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia3 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Neste contexto, houve uma unio entre os ramos da Eletrnica de Potncia edaMicroeletrnica,fatoqueampliou,deformasignificativa,osseus potenciaisdeaplicaes.Estatendnciadevecontinuar,demaneiraque,nos prximosanos,aenergiaeltrica,emalgumpontodesuatransmisso,estar sujeita Eletrnica de Potncia. 1.3. Fsica dos Semicondutores Ofluxodecorrenteeltrica,emummeio,dependedaaplicaodeum campo eltrico e da existncia de portadores livres (usualmente, eltrons), neste meio.Nosmetais,adensidadedeportadoreslivresalta(daordemde 1023/ cm3),enquanto,nosmateriaisisolantes,ovalorbaixo(emtornode 103/ cm3). J, nos semicondutores, h densidades intermedirias (na faixa de 108 a1019/ cm3).Taisdensidades,noscondutores e isolantes, so propriedades dos materiais,enquanto,nossemicondutores,podemservariadaspelaadiode outros materiais (impurezas), ou, pela aplicao de campos eltricos. Istoocorrepelofatodostomos(Carbono,Silcio,Germnioetc.),ou molculasdemesmapropriedade,dosmateriaissemicondutorespossurem quatroeltronsnaltimacamada,permitindooestabelecimentodeligaes muito estveis, atravs do compartilhamento dos eltrons externos, por tomos vizinhos(ligaocovalente),criandoumarranjocomoitoeltronsnacamada de valncia (Figura 1-3). Figura 1-3 Estrutura cristalina de um material semicondutor. Aionizaotrmicadestesmateriais,isto , a quebra de ligaes, criando eltronslivres,ocorreemtemperaturasacimadozeroabsoluto(273C).O tomoqueperdeeltronssetornapositivo.Enquantoisso,eventualmente, eltronstambmescapamdeoutrasligaese,atradospelacargapositivado tomo,preenchemaligaocovalente.Destaforma,humamovimentao relativadacargapositiva,denominadadelacuna,devidoaodeslocamentodos eltronsdesuasligaescovalentes,paraocuparoutras.Assim,aionizao trmica gera o mesmo nmero de eltrons e lacunas (Figura 1-4). Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia4 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Figura 1-4 Movimentao de eltrons e lacunas no semicondutor. Assimsendo,quandosefazadopagem,ouseja,adiodetomosde materiais,quepossuamtrs(AlumnioouBoro)oucinco (Fsforo) eltrons na camada de valncia, estrutura dos semicondutores, os tomos vizinhos a estas impurezas tero suas ligaes covalentes com falta ou excesso de eltrons (Figura 1.5). Neste caso, no h mais equilbrio, existindo excesso de eltrons livres, nos materiaisdopadoscomelementosdecincoeltrons,nacamadadevalncia (semicondutores tipo N), ou de lacunas, caso a dopagem seja com elementos de trseltrons(semicondutorestipoP).Contudo,omaterialpermanece eletricamente neutro, j que a quantidade total de eltrons e prtons a mesma. Figura 1-5 Dopagem de semicondutores. Amovimentaodelacunas,nomaterialtipoP,ocorrequandouma destascapturaumeltronlivre,demodoqueaslacunassodenominadasde portadores majoritrios e os eltrons de portadores minoritrios. J, no material tipoN,amovimentaodoeltronexcedenteionizaotomoeeste,ento, capturaoutroeltronlivre,sendooseltronsosportadoresmajoritrioseas lacunas, os minoritrios. A dopagem de impurezas (menor ou igual a 1019/ cm3) feita, tipicamente, em nveis muito menores que a densidade de tomos do material semicondutor (1023/ cm3),demodoqueaspropriedadesdeionizaotrmicanosejam afetadas.Almdisso,aconcentraodeimpurezasmuitasordensde grandezasuperiordensidadedeportadoresgeradosporefeitotrmico (1010/ cm3,paraoSi,temperaturaambiente),tornandoasdensidadesde lacunaseeltrons(emboradiferentesentresi,nestecaso)iguais, respectivamente, s densidades de impurezas aceitadoras e doadoras de eltrons. Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia5 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Quandoumcampoeltricoforaplicadoaummaterialsemicondutor,as lacunassemovimentaronosentidodocampodecrescente,enquantoos eltronsseguiroemsentidooposto.Estacorrentefunodeumparmetro denominadomobilidade,quedependedomaterial,dotipodeportadore,em geral,diminuicomoquadradodoaumentodatemperatura.Outrofator determinante da movimentao de portadores a difuso, que ocorre quando h regiesadjacentescomdiferentesconcentraes.Omovimentoaleatriodos portadorestendeaequalizaressadispersonomeio,atravsdamigraode portadores das regies mais concentradas, para as mais dispersas. 1.4. Dispositivos Semicondutores de Potncia Osdispositivossemicondutoresdepotnciatmsofridograndes evoluestecnolgicasesetornadocadavezmaiscomunscomercialmente. Duranteaanlisedecircuitos,comumconsiderarestesdispositivoscomo sendo ideais, isto , atendendo as seguintes condies: a.Tm uma queda de tenso nula, no estado de conduo; b.Suportam tenses infinitas, no estado desligado; c.Admitem correntes diretas infinitas; d.Apresentam correntes reversas nulas; e.Possuem uma velocidade de chaveamento infinita; A Figura 1-6 mostra a distribuio de valores de tenso de bloqueio, corrente de conduo e freqncia de comutao, para alguns dispositivos semicondutores. Figura 1-6 Valores de operao de dispositivos semicondutores de potncia. Emgeral,taisdispositivospodemserdivididosemseistipos:diodosde potncia;tiristores;transistoresdejunobipolares(BJTs);MOSFETsde potncia;transistoresbipolaresdeportaisolada(IGBTs);e,transistoresde induo esttica (SITs). Os tiristores ainda podem ser subdivididos em tiristores de comutao natural (pela rede) ou forada. Os tipos mais comuns de tiristores so:controladodesilcio(SCR);induoesttica(SITH);desligamentopelo Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia6 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar gatilho(GTO);controladoporMOS(MCT);conduoemambosossentidos (TRIAC);controladodesilcioativadoporluz(LASCR);conduoreversa (RCT); e, desligamento auxiliado pelo gatilho (GATT). O Quadro 1-1 mostra as curvascaractersticaseossmbolosdealgunsdestesdispositivos,osquaisso tratados,deformasucinta,aseguir, sendo feita uma anlise mais profunda no Capitulo 2 (Dispositivos Semicondutores de Potncia), deste trabalho. DISPOSITIVOSSMBOLOSCURVAS CARACTERSTICAS Diodo SCR SITH GTO MCT TRIAC Tiristor LASCR BJT MOSFET IGBT SIT Quadro 1-1 Caractersticas e smbolos de alguns dispositivos semicondutores de potncia. Osdiodosdepotncia,mostradosnaFigura1-7,talqualosdiodosde circuitoseletrnicosdebaixapotncia,possuemdoisterminais:umcatodoe umanodo.Elesconduzemquandoatensodeanodoformaiorqueade catodo, sendo a queda de tenso direta muito baixa (tipicamente de 0,5 a 1,2 V). Seatensodeanodoformenorqueatensodecatodo,odiodonoconduz, ficandonodenominadomododebloqueio.Osdiodosdepotnciasodivididos em trs tipos: Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia7 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar a.Genricos,fornecidoscomfaixasquepodemirat5kV,5kAetempode recuperao reversa variando entre 0,1 e 5 s; b.Altavelocidade,comfaixaschegandoat3kV,1kAetempode recuperao reversa de 0,1 a 5 s, sendo essenciais no chaveamento, em alta freqncia, dos conversores de potncia; c.Schottky,comvaloresnominaislimitadosa40V,60Aetempode recuperaobastantepequeno,possuindoumabaixaquedadetenso,em sentido direto, e uma corrente de fuga que aumenta com a faixa de tenso. Figura 1-7 Configuraes de diodos de potncia. Os tiristores tm trs terminais: anodo, catodo e gatilho. Estes dispositivos conduzemquandoopotencialdoanodosuperioraodocatodoeuma pequena corrente passa do terminal do gatilho para o do catodo, apresentando uma a queda de tenso direta muito pequena (normalmente de 0,5 e 2 V). Uma vez no modo de conduo, o circuito do gatilho no tem mais controle sobre o tiristor,oqualcontinuaaconduzir.Paradesligarotiristoremconduo, necessriotornaropotencialdoanodoigual ou inferior ao do catodo, sendo o tempodedesligamentodefinidocomoointervaloentreoinstanteemquea correnteprincipal(deanodoparacatodo)diminudaazeroeoinstanteem queotiristorcapazdesuportarumatensoprincipalespecfica,semligar novamente. Os tiristores se dividem em dois tipos: a.Tiristores de comutao forada: desligados por um circuito extra, chamado circuito de comutao; b.Tiristoresdecomutaonatural(oupelarede):desligadosdevido natureza senoidal da tenso de entrada. Valores nominais fornecidos para os tiristores vo at 5 kV, 5 kA e o tempo de desligamento de tiristores de bloqueio reverso de alta velocidade chega a ser de 10 a 20 s. A Figura 1-8 apresenta vrias configuraes de tiristores. Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia8 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Figura 1-8 Configuraes de tiristores. OsSITHseosGTOssotiristoresautodesligveis,isto,nonecessitam decircuitosdecomutao,masnodependem,exclusivamente,darede,para seremdesligados.Estescomponentessocomandadospelaaplicao,ao gatilho,decurtospulsos,positivos,paralig-los,enegativos,paradeslig-los. Os SITHs so fornecidos em at 4 kV, 2,2 kA, sendo usados em conversores de alta potncia, com freqncias de dezenas de kHz e bem maiores que a faixa de freqnciadosGTOs,osquaispossuemvaloresnominaisdeat4,5kV,3kA, tambmsendoatrativosparaacomutaoforadadeconversores.OsMCTs so ligados por um pequeno pulso de tenso negativa, em relao ao anodo, na portaMOS,edesligadosporoutropulso,squepositivo.Possuemumalto ganho de desligamento e esto disponveis em at 600 V, 60 A. OsTRIACssoamplamenteutilizadosemaplicaesdecorrente alternadadebaixapotncia,comoocontrolesimplesdeaquecimento, iluminao,mquinaseltricasechaves.AscaractersticasdosTRIACsso semelhantes aquelas de dois tiristores conectados em antiparalelo, tendo apenas um terminal de gatilho, de maneira que a corrente, que flui atravs do TRIAC, pode ser controlada em ambos os sentidos. Para sistemas de potncia em alta tenso, apropriado o uso de tiristores ativadosporluz(LASCRs),encontradosemat6kV,1,5kA,comvelocidades de chaveamento de 200 a 400 s. Alm dos tipos de tiristores citados no Quadro 1-1,tambmmerecemdestaqueosRCTseosGATTs,porseremamplamente usadosnochaveamento,emaltasvelocidades.OsRCTssosimilaresaum tiristoreumdiodoligadosemantiparalelo,sendooferecidosemat2,5kV,1 kA, com uma velocidade de chaveamento de 40 s. Os GATTs esto disponveis em at 1,2 kV, 0,4 kA, com um tempo de chaveamento igual a 8 s. Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia9 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Normalmenteusadosemconversores,comfreqnciasmenoresque10 kHz,os transistores bipolares (BJTs) de alta potncia, assim como nos circuitos eletrnicos de baixa potncia, possuem trs terminais: base, emissor e coletor; e suafaixachegaat630V,50A.Emgeral,encontradooperandocomouma chave, na configurao emissor comum, onde o transistor NPN permanece ligado (emconduo),enquantoajunodecoletorparaemissorestiver adequadamentepolarizadaeacorrentedebase(devidobasepossuirum potencialmaiorqueodoemissor)forsuficienteparamanterotransistorna regiodesaturao.Casosejaretiradaatensodeexcitaodabase,o transistor ficar desligado (no conduz). Em conduo, um transistor apresenta uma queda de tenso direta da ordem de 0,5 a 1,5 V. Variadas configuraes de transistores bipolares so mostradas na Figura 1-9. Figura 1-9 Configuraes de transistores NPN. Os MOSFETs de potncia so empregados em conversores de potncia de alta velocidade, com valores nominais relativamente baixos, em torno de 500 V, 50A.SuafaixadefreqnciadaordemdevriasdezenasdekHz,sendo caracterizados por possurem uma velocidade de chaveamento muito rpida. A Figura 1-10 mostra vrias configuraes de MOSFETs. Figura 1-10 Configuraes de MOSFETs. Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia10 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Usados em tenses e correntes elevadas, com freqncias de at 20 kHz, os IGBTssofornecidosemat1,2kV,0,4kA.Emgeral,sotransistoresde potncia controlados por tenso, com caractersticas de excitao e chaveamento bastantesuperioresaquelasdosBJTscomuns,pormmenosvelozesqueos MOSFETs. Algumas configuraes de IGBTs so apresentadas na Figura 1-11. Figura 1-11 Configuraes de IGBTs. OsSITssodispositivosapropriadosparaaplicaesdealtapotnciae altafreqncia(amplificadoresdeudio,VHF/ UHFemicroondas);pois,as caractersticasdenormalmenteligadoealtaquedadetenso,emconduo, limitam o seu uso, em geral. Semelhantes aos JFETs, so considerados a verso, em estado slido, da vlvula triodo a vcuo. Os SITs possuem valores nominais deat1,2kV,0,3kAetemposdedisparoedesligamentomuitocurtos. Apresentampequenosvaloresderudoedistoro.TalqualparaosSITs, algunsvaloresnominais,disponveiscomercialmente,dosdispositivos semicondutoresdepotnciaforammostrados,anteriormente.Taisvaloresso tratados, de modo mais detalhado, na Tabela 1-1. Especificao DispositivoTipo Tenso (V) Corrente (A) Freqncia Superior (kHz) Tempo de Chaveamento ( s) Genricos500050001100 Alta Velocidade30001000102-5Diodo Schottky4060200,23 SCR500050001200 SITH40002200206,5 GTO450030001015 MCT60060202,2 TRIAC12003000,4200-400 LASCR600015000,4200-400 RCT25001000540 Tiristor GATT12004000208 Darlington40040206 Transistor Darlington63050251,7 MOSFETnico500501000,6 IGBTnico1200400202,3 SITDarlington12003001000,55 Tabela 1-1 Valores nominais de dispositivos semicondutores de potncia. Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia11 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Umautilizaocomumdosdispositivossemicondutoresdepotnciaa suaoperaocomochave,atravsdaaplicaodesinaisdecontroleaos terminaisdogatilho(comonostiristores)oudabase(comonostransistores). Com a variao do tempo de conduo destas chaves, a sada desejada obtida. AFigura1-12mostraastensesdesadaedecontroledosdispositivosde chaveamentodepotnciamaisusados,ondeaquedadetenso,emconduo, foi considerada desprezvel. Figura 1-12 Caractersticas de operao dos dispositivos de chaveamento de potncia. Tais dispositivos de chaveamento de potncia podem ser classificados com relao a vrios fatores, os quais so relacionados na Tabela 1-2. FatorClassificaoExemplos No-controladoDiodo Disparo ControladoSCR, SITH, GTO, MCT, BJT, MOSFET, IGBT e SIT No-controladoDiodo e SCR Desligamento ControladoSITH, GTO, MCT, BJT, MOSFET, IGBT e SIT ContnuoBJT, MOSFET, IGBT e MCT Sinal no gatilho PulsoSCR, GTO e MCT UnipolarGTO, BJT, MOSFET, IGBT e MCT Tenso BipolarSCR e GTO UnidirecionalDiodo, SCR, SITH, GTO, MCT, BJT, MOSFET, IGBT e SIT Corrente BidirecionalTRIAC e RCT Tabela 1-2 Fatores de classificao dos dispositivos de chaveamento de potncia. Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia12 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Dependendodesuatipologia,osconversoresdepotnciapodemexigir dois,quatroouseisdispositivos,demaneiraqueosdispositivosdepotncia estodisponveiscomercialmentetantonaformaindividual,quantonaforma demdulos.Estesmdulosconsistememconjuntosdedispositivos,sendoos tipos mais comuns com dois (configuraes meia-ponte ou dual), quatro (pontes completas), ou, seis (circuitos trifsicos) dispositivos. Tais mdulos possuem as seguintesvantagens,emrelaoaosdispositivosconvencionais:a)Menores perdas,emconduo;b)Chaveamentodealtastenses;c)Correntee velocidademaiores;d)Proteocontratransientes;e)Proteoaocircuitode excitaodaportaougatilho.Algumasconfiguraesdemdulosso apresentadas na Figura 1-13. Figura 1-13 Configuraes de mdulos. Tambmexistemoschamadosmdulosinteligentes,cadavezmaisusados emEletrnicadePotncia,queintegramomdulodepotnciaaumcircuito perifrico,cabendoaousurioapenasconectarafontedealimentao.Tal circuitoperifricoconsisteem:a)Isolaoentreentradaesada;b)Circuitode excitao;c)Circuitodediagnsticoeproteo(contraexcessodetensoe corrente, curto-circuito, carga aberta e superaquecimento); d) Controle da fonte de alimentao; e) Controle por microcomputador. 1.5. Efeitos da Converso de Potncia A qualidade da energia entregue a cargas sensveis, utilizando a Eletrnica dePotncianaconverso,umdesafioaserresolvido.Nestecontexto,a qualidadedeumconversordepotnciapodeserjulgadapelassuasformas de ondadetensoecorrente,naentradaenasada.Expressandotaisformasde onda atravs da srie de Fourier, possvel encontrar seu contedo harmnico e,conseqentemente,determinarosfatores,quemedemaperformancedestes conversores,taiscomo:a)Distoroharmnicatotal,doinglstotalharmonic distortion (THD); b) Fator de deslocamento, do ingls displacement factor (HF); c) Fator de potncia na entrada, tambm do ingls input power factor (IPF). Disponvel apenas em alguns modelos de mdulos. Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia13 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Estesproblemas,naqualidadedaenergiafornecidapelosconversoresde potncia,ocorrem,principalmente,pelofatodesuaoperaosebasearno chaveamentodedispositivossemicondutoresdepotncia,oqueresultana introduodecorrentesetensesharmnicasnosistemadealimentaoena sadadosconversores(distorodatensodesada),almdepodercausar interferncianoscircuitosdecomunicaoesinalizao.Destaforma, necessrioreduzironvelharmnicodossistemasconversoresaamplitudes aceitveis,atravs,geralmente,daintroduodefiltrosnaentradaenasada dos conversores de potncia. Na Figura 1-14, mostrado o diagrama de blocos de um conversor de potncia generalizado. Figura 1-14 Diagrama de blocos de um sistema conversor de potncia generalizado. Almdisso,nodiagramadeblocosdaFigura1-14,tambmtratadoo circuitodecontroledochaveamento,componentebsicodaestratgiadecontrole empregada,aqualfundamentalnareduodageraodeharmnicoseda distorodaformadeondadesada.Talcircuitodecontrolepodesofrer interferncia,emradiofreqncia,devidoradiaoeletromagnticados conversores de potncia, gerando sinais de controle errneos. Esta interferncia corrigida, atravs do uso de blindagens aterradas. 1.6. Tipos de Circuitos Osconversoresestticosrealizamasfunesdeconversodepotncia eltrica,necessriasaocontroledaenergia,atravsdascaractersticasde chaveamentodosdispositivossemicondutores,sendo,assim,considerados matrizesdechaveamento.Estaaodechaveamentopodeserefetuadapor mais de um dispositivo semicondutor, de maneira que sua escolha funo das exigncias de tenso, corrente e velocidade da aplicao. Os circuitos utilizados nos conversores de potncia podem ser classificados em seis tipos, a saber: a.RetificadoresNo-Controlados:Osretificadoresno-controlados,ou retificadorescomdiodo,convertemtensesdecorrentealternada(tenses CA),monofsicasoutrifsicas,naentrada,emtensesdecorrentecontnua (tenses CC) fixas, na sada, conforme mostrado no conversor da Figura 1-15. Pelo fato da tenso CC de sada no ser controlvel, que estes conversores so chamados de no-controlados. Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia14 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Figura 1-15 Circuito retificador no-controlado monofsico. b. RetificadoresControlados:TambmconhecidoscomoconversoresCA-CC, osretificadorescontroladospermitem,apartirdeumatensodeentrada monofsica ou trifsica, o controle do valor mdio da tenso de sada, atravs davariaodotempodeconduodosdispositivossemicondutoresde potncia empregados. Na Figura 1-16, ilustrado um exemplo de retificador controlado monofsico com dois tiristores, em comutao natural. Figura 1-16 Circuito retificador controlado monofsico. c.ControladoresdeTensoCA:OscontroladoresdetensoCA,tambm chamadosdeconversoresCA-CA,soempregadosnaobtenodeuma tenso de sada CA varivel, a partir de uma fonte CA fixa. Assim como nos conversores CA-CC, o controle do valor da tenso de sada feito pelo tempo deconduododispositivosemicondutorusado.Umcontrolador de tenso CA monofsico com TRIAC mostrado na Figura 1-17. Figura 1-17 Circuito controlador de tenso CA monofsico. Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia15 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar d. Choppers: Para uma tenso CC de entrada fixa, os choppers, ou conversores CC-CC,controlamatensoCCmdiadesada,pelavariaodotempode conduododispositivosemicondutordepotnciaemuso.AFigura1-18 contem um chopper com transistor. Figura 1-18 Circuito chopper. e.Inversores:Osinversores,ouconversoresCC-CA,fornecemtensesCA,na sada,apartirdetensesCC,naentrada,pormeiodacomutao (chaveamento)adequadadosdispositivossemicondutoresdepotncia utilizados. A Figura 1-19 mostra um inversor monofsico com MOSFETs. Figura 1-19 Circuito inversor monofsico. f.ChavesEstticas:Conforme citado anteriormente e observado em boa parte doscircuitosanalisados,osdispositivossemicondutoresdepotnciaso comumente usados como chaves. Tais chaves estticas CA ou CC tm muitas vantagens sobre as chaves e rels eletromecnicos convencionais, pois podem serinterfaceadasasistemasdigitaisdecontroleoumesmoacomputadores. Uma chave CA monofsica ilustrada na Figura 1-20. Figura 1-20 Circuito de uma chave CA monofsica. Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia16 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar 1.7. Aplicaes DesdeoantigosistemaWard-Leonard,paraobtenodetensesCC variveis, que o controle da energia eltrica uma necessidade, no acionamento demquinaseltricas,noscontrolesindustriaisenaconversodepotncia eltrica,emgeral.Estanecessidadecadavezmaior e, junto com ela, tambm cresce o desenvolvimento tecnolgico na rea da Eletrnica de Potncia. Combinando potncia, eletrnica e controle, a Eletrnica de Potncia vem revolucionandoeexpandindoosconceitoseagamadeaplicaesexistentes, paraaconversodeenergiaeltrica,conformetambmfoi citado na seo 1.1. Introduo,destetrabalho(verFigura1-1).Apotnciatratadosequipamentos estticoserotativos,empregadosnagerao,transmissoedistribuioda energia. Responsvel pelos circuitos e dispositivos de estado slido, a eletrnica realizaoprocessamentodesinais,demodoaatingirosrequisitosdecontrole desejados. Por fim, o controle cuida das caractersticas dos regimes transitrio e permanente dos sistemas, em malha fechada. Ocupando uma posio importante na tecnologia de ponta, a Eletrnica dePotnciapossuiumaamplafaixadeaplicaes.Algumasdestasaplicaes somostradasaseguir,deixandoclarocomoaEletrnicadePotncia utilizada no dia-a-dia: Aceleradores de partculas; Alarmes; Alta tenso CC (HVDC); Amplificadores de udio; Bombas e compressores; Brinquedos; Caldeiras; Carregadores de bateria; Circuitos defletores de televisores; Compensao de potncia reativa; Computadores; Condicionadores de ar; Contatores de estado slido; Controle de aquecimento; Controle de iluminao; Controle de mquinas eltricas; Controle de sinais de trnsito; Dimmers; Eletrodomsticos; Eletroms; Exaustores; Ferramentas manuais; Fontes de alimentao; Fornos; Fotocpias; Gravaes magnticas; Guindastes e elevadores de cargas; Ignio eletrnica; Jogos; Mquinas de lavar; Minerao; Projetores de filmes; Refrigeradores; Reguladores de tenso; Rels estticos; Secadores eltricos; Servomecanismos; Sistemas de segurana; Solda; Trens; Veculos; Ventiladores. Captulo 1 Introduo Eletrnica de Potncia17 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar AFigura1-21apresentaumarelaoentreasaplicaeseafaixade freqncia dos dispositivos semicondutores de potncia. Figura 1-21 Aplicaes e faixas de freqncia dos dispositivos semicondutores de potncia. 1.8. Projetos de Equipamentos Conforme citado anteriormente, na seo 1.4. Dispositivos Semicondutores de Potncia,estesdispositivos,geralmente,soconsideradosideais,paraefeitode anlise. Alm disso, o comportamento de fontes, cabos, conectores etc., tambm idealizado,desprezandoosefeitosdestasimpednciasadicionaisaocircuito. Destaforma,estesprocedimentosseroadotadosnasanlisesrealizadas,em captulos subseqentes, deste trabalho, a menos que seja informado o contrrio. Noestgioinicialdosprojetos,estaanlisesimplificadabastantetil, permitindo a compreenso dos circuitos e o desenvolvimento de uma estratgia decontrole.Entretanto,naprtica,osdispositivosecircuitosdiferemdessas condiesideais,demodoqueosprojetostambmdeverosofrerdiferenas, emsuasanlisesfinais.Deummodogeral,osprojetosdeequipamentos, usados na Eletrnica de Potncia, podem ser divididos nas seguintes etapas: 1.Elaborar o projeto dos circuitos de potncia; 2.Determinar a proteo dos dispositivos semicondutores de potncia; 3.Criar uma estratgia de controle; 4.Desenvolver o projeto da lgica e dos circuitos de controle; 5.Investigar os efeitos dos parmetros do circuito e dos dispositivos; 6.Construir um prottipo; 7.Realizar baterias de testes; 8.Estimar, mais precisamente, os parmetros do circuito e dos dispositivos; 9.Verificar a validade do projeto; 10.Modificar o projeto, caso necessrio. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia18 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz SalazarCaptulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia 2.1. Introduo Osdispositivossemicondutoresdepotnciatmpassadoporconstantes evoluestecnolgicas e se tornado cada vez mais comuns comercialmente, de maneiraqueextremamenteimportanteentenderocomportamentodesuas camadassemicondutoras(dopagem),modelos,tipos,caractersticasdedisparo echaveamento,circuitosequivalentes,cargaseligaes.NaFigura1-5do Captulo1,podeserobservadaumadistribuiodevaloresprticosparaa tensodebloqueio,acorrentedeconduoeafreqnciadecomutaode alguns dispositivos semicondutores de potncia. Em geral, tais dispositivos so divididos em seis tipos: diodos de potncia; tiristores;transistoresdejunobipolares(BJTs);MOSFETsdepotncia; transistoresbipolares de porta isolada (IGBTs); transistores de induo esttica (SITs).Ostiristoresaindapodemsersubdivididosemvriostipos,taiscomo: controladodesilcio(SCR);induoesttica(SITH);desligamentopelogatilho (GTO);controladoporMOS(MCT);conduoemambosossentidos(TRIAC); controladodesilcioativadoporluz(LASCR);conduoreversa(RCT); desligamento auxiliado pelo gatilho (GATT); controlados por FET (FET-CTHs). 2.2. Diodos de Potncia 2.2.1.Generalidades Osdiodossemicondutoresdepotncia(VerFigura1-6)atuamcomo chaves, nas aplicaes da Eletrnica de Potncia, desenvolvendo vrios tipos de funes, tais como: a.Chaveamento nos retificadores; b.Comutao em reguladores chaveados (Free-Wheeling); c.Inverso de carga de capacitores; d. Isolao de tenses; e.Transferncia de energia entre componentes do circuito; f.Recuperao de energia da carga para a fonte. Apesar de considerados como chaves ideais, na maioria destas aplicaes, osdiodosdepotnciareaistmcertascaractersticasdiferentesdasideais, possuindolimitaesprticas.Comrelaoaosdiodosdesinais,osdiodosde potnciaguardamalgumassemelhanas.Contudo,possuemmaiores capacidades de potncia e velocidades de chaveamento bem menores. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia19 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar2.2.2.Aspectos Construtivos Osdiodossemicondutoresdepotnciasodispositivosdedoisterminais comumajunopn,formada,comumente,porfuso,difusoecrescimento epitaxial, que, dentro de seus limites de tenso e corrente, permitem a passagem decorrenteeltricaemumnicosentidodeconduo.Emgeral,detalhesde funcionamentodesprezadosparaosdiodosdesinal,podemsersignificativos nosdiodosdepotncia.AFigura2-1mostraummodelosimplificadoda estrutura interna e o smbolo de um diodo de potncia. Figura 2-1 Estrutura interna e smbolo de um diodo de potncia. Devidomaiorconcentraodeportadores,aresistnciadaregiode transio(juno)dosemicondutorbemmaiorqueadorestantedo dispositivo.Destamaneira,aoaplicarumatensoentreasregiesPeN,a diferenadepotencialapareceratravsdajuno.Naverdade,aestrutura internadeumdiododepotnciaumpoucodiferentedaapresentada, existindouma regio N intermediria de baixa dopagem, cuja funo permitir tensesmaiselevadas,atravsdoalargamentodaregiodejuno,que mantm o equilbrio da carga, diminuindo o campo eltrico. J, as camadas dos contatosexternosdosdiodosdepotnciasoaltamentedopadas,tornandoos contatoscomcaractersticashmicasenosemicondutoras.Htambmum contornoarredondado,entreasregiesdeanodoecatodo,comafunode eliminar o efeito de pontas, criando campos eltricos mais suaves. 2.2.3.Caractersticas de Operao Quandoopotencialdocatodopositivo,emrelaoaodoanodo,diz-se que o diodo est reversamente polarizado e, nestas condies, mais portadores positivos(lacunas)migramparaoladoNevice-versa,aumentandoalargura dajuno.Pordifusoouefeitotrmico,umadadaquantidadedeportadores minoritriospenetranajuno,sendoacelerados,pelocampoeltrico,ata outraregiodocomponente.Estapequenacorrentereversa, tambm chamada decorrentedefuga,aumentacoma temperatura e com a amplitude da tenso reversa,atatingiratensoZeneroudeavalanche.Nestatenso,h um campo eltricomuitointenso,fazendoosportadoresematingirgrandesvelocidades, demodoque,aosechocaremcomtomosdaestrutura,estesportadores produzirooutros,que,tambmacelerados,daroorigemaochamadoefeito avalanche. Com isso, a corrente aumenta sem reduo significativa da tenso na juno, produzindo um pico de potncia que destri o dispositivo. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia20 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz SalazarOdiodoestdiretamentepolarizado,quandoopotencialdoanodo positivo,emrelaoaodocatodo.Nestasituao,ocorreumestreitamentoda regiodetransioe,seatensoaplicadasuperarovalornaturalparaa conduo,chamadodebarreiradepotencialoutensodelimiar(V ),os portadores negativos do lado N sero atrados pelo potencial positivo do anodo evice-versa,levandoocomponenteconduo.Conduzindo,odiodopossui umaquedadetenso(V ),nosentidodireto,relativamentepequena,cuja amplitude, em torno de 1V, depende da fabricao e da temperatura da juno. Odiodopodesermodeladopordiversoscircuitosequivalentes,sendo,o mais comum,aquelequeorepresentapelaassociaoemsriedeumdiodoideal, uma fonte de tenso (V ) e um resistor (RD). A Figura 2-2 apresenta este modelo e as curvas caractersticas v-i, ideal e real, para um diodo de potncia. Figura 2-2 Modelos e curvas caractersticas v-i, ideais e reais, de um diodo de potncia. Nomodeloequivalentedodiodo,afonteresponsvelpelabarreirade potencial conduo e pela queda de tenso direta, quando j conduzindo, e o resistorrepresentaaresistnciahmicadodispositivo,dissipandocalor,por efeitojoule.J,odiodoidealfuncionaapenas como chave, dando o sentido de conduodacorrenteeltrica.Acurvarealouprticadodiodo,mostradana Figura2-2podeserexpressapelaequaododiodoSchockley,apresentadana Equao 2-1, onde: ID e VD so a corrente e a tenso no diodo, Is a corrente de fuga,nocoeficientedeemissoe VTatensotrmica,sendokaconstante de Boltzmann, T a temperatura absoluta e q a carga do eltron. ( (( ( ) )) ) 1 e I IT DV /n Vs D = == = ,qT kVT = == = [2-1] comum dividir a curva real do diodo em trs regies, a saber: Regiodepolarizaodireta:Nestaregio,atensosobreodiodo(VD) positiva.CasoVDsejamenorqueV ,acorrentenodiodo(ID)sermuito pequena. O diodo s conduzir plenamente se VD for maior que V . Regio de polarizao reversa: Aqui, VD negativa. Para VD negativo e com mdulo bem maior que VT, ID ser constante, no sentido reverso e igual a Is. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia21 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz SalazarRegioderupturareversa:Nestaregio,atensoreversamuitoalta, excedendoumatensoespecfica,denominadatensoderupturareversa (VBR).Comisso,acorrentereversaaumentarapidamente,parapequenas variaesnatensoreversa.Aoperaonaregioderupturareversano ser destrutiva, se a potncia dissipada for limitada, pelo controle da corrente reversa, dentro dos nveis especificados nas folhas de dados dos fabricantes. No caso real, no estado de bloqueio, a juno do diodo pode ser analisada como um capacitor, cuja carga aquela presente na prpria a regio da juno. J, no estado de conduo, no existe tal carga. Todavia, devido alta dopagem da camada P, existe uma penetrao de lacunas na regio N por difuso. Alm disso,medidaquecresceacorrente,maislacunassoinjetadasnaregioN intermediria, que possui baixa densidade, atraindo eltrons da extremidade da regioNdemaiorconcentrao,paramanteraneutralidadedacarga.Desta forma,cria-seumacargaespacialnocatodo,queterdeserremovida,por recombinao, para permitir a passagem para o estado de bloqueio. Na realidade, o comportamento dinmico de um diodo de potncia bem diferente daquele de uma chave ideal, conforme se pode observar na Figura 2-3, ondeumatensodegraudeentrada(vi)aplicadaaumacargaresistiva, atravs de um diodo (outros tipos de cargas podem alterar as formas de onda). Figura 2-3 Curvas caractersticas de chaveamento de um diodo de potncia. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia22 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz SalazarAcorrente,naregiodajunodiretamentepolarizada,devidaaos portadoresmajoritrioseminoritrios.Duranteointervalodetempot1, remove-seacargaacumuladanajuno.Nestemomento,aindanohouve injeosignificativadeportadores,demaneiraquearesistnciadaparte intermediriadaregioNelevada,produzindoumpicodetensodireta (Vpd). Indutncias parasitas do componente e das conexes tambm colaboram comestasobretenso.Durantet2,tem-seachegadadosportadoreseatenso reduz bastante, para cerca de 1V (Von).

Umavezqueodiodoestejaemconduoesuacorrentesejareduzidaa zero, em funo de um comportamento do prprio circuito ou pela aplicao de umatensoreversa,odiodocontinuarconduzindo,devidoaosportadores minoritrios, que permanecem armazenados nos semicondutores e na juno. A reduo de Von se deve diminuio da queda hmica. O bloqueio do diodo iniciadoquandoacorrentereversaatingeseupiconegativo(Irr),causadopela retirada do excesso de portadores. A taxa de variao da corrente, associada s indutncias do circuito, provoca uma sobretenso negativa (Vpr). Desta forma, no desligamento, antes de reiniciar a formao da barreira de potencialdajuno,acargaespacialpresentedeveserremovida,pela neutralizao dos portadores minoritrios, atravs da sua recombinao com as cargasopostas.Esteprocessorequerumcertotempo,denominadotempode recuperaoreversa(trr),medidoapartirdocruzamentoinicialdacorrentedo diodocomozero(mododeconduoparamododebloqueio),at25%da correntereversa mxima e dependente da temperatura da juno, da taxa de decaimento da corrente direta e do valor desta corrente, antes do chaveamento. O trr formado por dois componentes, a saber: t4 o tempo entre o cruzamento com o zero e o Irr, sendo originado pelo armazenamento de cargas na regio da juno;t5otempocorridodeIrra0,25 Irr,causadopeloarmazenamentode cargas no material semicondutor.

A soma, que representa o trr, dada por: 5 4 rrt t t + ++ + = == = [2-2] A relao entre t5 e t4 conhecida como fator de suavidade, a saber:

54ttS = == = [2-3] Observando a taxa de variao da corrente reversa, na Figura 2-3, tem-se: r a rridtdt I = == = [2-4] Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia23 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz SalazarDas Equaes 2-2, 2-3 e 2-4, observa-se:

rrrrridtd1 StI + ++ += == = [2-5] Acargaderecuperaoreversaarmazenada(Qrr)aquantidadede portadoresdecargasquefluempelodiodo,nosentidoreverso,devido mudana do modo de conduo para o modo de bloqueio, sendo dada pela rea abrangida pela corrente de recuperao (regio cinza na Figura 2-3): 2rr rrrrI tQ [2-6] Substituindo a Equao 2-5 na Equao 2-6, obtm-se: ( (( ( ) )) )r2rrrridtd1 S 2tQ + ++ + = == =[2-7] Naprtica,necessrioconhecerasexpressesdetrreIrr,demodoque, usando as Equaes 2-5 e 2-7, tem-se: ( (( ( ) )) )rrrrridtdS 1 Q 2t+ ++ + = == = [2-8] 1 SidtdQ 2Ir rrrr+ ++ + = == = [2-9] ApartirdasEquaes2-8e2-9,nota-sequeotempoderecuperao reversa (trr) e o pico de corrente de recuperao reversa (trr) dependem da carga armazenada(Qrr)edataxadevariaodacorrentereversa(dir/dt).Jacarga armazenadadependedatemperaturadajunoedacorrentediretadodiodo (Id),antesdochaveamento(maisespecificamente,dataxadedecaimentoda correntedireta(did/dt)edovalordestacorrente).ParmetroscomoIrr,QrreS sodegrandeimportncianosprojetos,sendo,normalmente,includosnas folhas de dados dos diodos. Alm disso, deve-se notar que, se um diodo estiver nomodoreverso,aaplicaodeumatensodiretaforariaumacorrenteno sentidodireto.Todavia,precisoumcertotempo,denominadotempode recuperaodireta(trf)outempolimitedereligamento,antesqueosportadores majoritrios,distribudosnajuno,possamcontribuirnofluxodecorrente. Casoataxadecrescimentodestacorrentediretasejaelevada,odiodopode falhar.Assim,otempoderecuperaodiretalimitaavelocidadede chaveamento dos diodos. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia24 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz SalazarOs tempos de recuperao reversa e direta so extremamente importantes, vistoquedeterminamocomportamentodosdiodosdepotnciae, conseqentemente,oscircuitoseaplicaes,emquesoempregados.Um exemplo claro da influncia destes tempos, sobre o funcionamento dos circuitos comdiodos,mostradonaFigura2-4,aqualdestacaasformasdeonda observadas,duranteaoperaodeliga/ desligadachave(CH),considerando, ou no, o uso do indutor de limitao (LS). Figura 2-4 Efeitos dos tempos de recuperao, nos circuitos com diodos. Inicialmente(t=0),achaveligada,porumtemposuficiente,para estabelecerumregimepermanente,nocircuito.Comisso,acorrentenominal (IN=VS/R)flui,atravsdacarga,eodiododecomutaoouFree-Wheeling (Dm)reversamentepolarizado.Emseguida(t=t1),chavedesligadaeDm conduzir IN; pois, devido ao comportamento indutivo da carga e aos intervalos detempoconsideradosseremmuitocurtos,acorrentedacargapodeser consideradaconstante(fontedecorrente).Porfim(t=t2),achavenovamente ligada e Dm, que estava em conduo, se comporta como um curto-circuito. Caso LS no seja utilizado, as taxas de crescimento, para D1, e decaimento, paraDm,dacorrentediretaseriambastanteelevadas,tendendoaoinfinito. Assim, de acordo com a Equao 2-9, o pico da corrente reversa (Irr) de Dm seria muito alto, podendo danificar os dois diodos. Este problema pode ser resolvido usandoLS.Naprtica,tambmdeveserconsideradootempoderecuperao direta dos diodos, controlando a taxa de variao da corrente direta. ConsiderandoqueataxadecrescimentodacorrentedeD1igualde decaimento de Dm, observando a malha fechada VS-CH-D1-Dm, tem-se: DmSSD1 S Dm S SidtdLVidtdL idtdL V = == = = == = = == = [2-10] Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia25 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz SalazarComotrrotempoderecuperaoreversadodiodoDmeobservandoa Equao 2-10, tem-se que sua corrente de pico reversa (Irr) :

SS rrDm rr rrLV tidtdt I = == = = == = [2-11] A corrente de pico (IP), atravs do indutor de limitao (LS), : SS rrN P rr N PLV tI I I I I + ++ + = == = + ++ + = == = [2-12] ConsiderandoumarecuperaoabruptadeDm,eledesligado subitamente, ao ser atingido o valor de pico (IP) da corrente i1, interrompendo o fluxo de corrente. No entanto, a corrente de carga no muda instantaneamente de IN para IP, devido ao carter indutivo da carga empregada. Com isso, ocorre umexcessodeenergiaarmazenadaemLS,queinduzumaelevadatenso reversa em Dm, a qual pode danific-lo. Esta energia excedente dada por: ( (( ( ) )) ) [ [[ [ ] ]] ]2N2rr N S RI I I L21W + ++ + = == =[2-13] Esteexcessodeenergiapodeserdrenadopeloramodocircuitodisposto paralelamenteaDm,quecontmumcapacitor(CS)emsriecomumresistor (RS). A funo de RS amortecer eventuais oscilaes transitrias. Sendo Vadm a tenso reversa admissvel do diodo e desconsiderando os efeitos de LS e RS, nos perodos transitrios, o valor de CS pode ser obtido, aproximadamente, por: 2admRS2adm S RVW 2C V C21W = == = = == = [2-14] 2.2.4.Tipos Emmuitasaplicaes,aformaderecuperaoeastcnicasdefabricao dosdiodosdepotnciadeterminamsediodosmaisbaratospodemser utilizados.Assim,deacordocomascaractersticasdeoperaoeaslimitaes prticas, os diodos de potncia podem ser classificados em trs tipos, a saber: a.Genricos:Estesdiodosso,geralmente,fabricadospordifuso,sendo fornecidos com faixas que podem ir de menos de 1 A at 5 kA e de 50 V a 5 kA, alm de um tempo de recuperao reversa elevado, da ordem de 100 s. Sendo assim, so utilizados em aplicaes de baixa velocidade, onde o tempo dechaveamentonocrtico,taiscomo:retificadoreseconversorescom freqncia de entrada de at 1 kHz e conversores comutados pela rede. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia26 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazarb. Altavelocidade:Seutempoderecuperaobaixo,0,1a5s,sendo,por isso,chamados,tambm,dediodosderecuperaorpida.Possuemfaixas de menos de 1 A at 1 kA e de 50 V a 3 kV. So essenciais no chaveamento de conversoresCC-CCeCC-CA.Emespecificaesacimade400V,estes dispositivos so feitos por difuso. J, abaixo de 400 V, so fabricados diodos epitaxiais, com velocidades de chaveamento bem superiores. c.Schottky:Nestescomponentes,oproblemadoarmazenamentodecargana junoPNeliminadosimulandoocomportamentodajunoporuma barreiradepotencial,criadapelocontatodeumacamadametlica(anodo) depositadaemumafinacamadaepitaxialdesilciotipoN(catodo).A retificaodependeapenasdosportadoresmajoritrios,nohavendo recombinaodoexcessodeminoritrios.Assim,acargarecuperadabem menor,poisarecuperaodevida,somente,capacitnciaprpriada junosemicondutora,sendoindependentedataxadecorrentereversa.Os valoresnominaissolimitadosa100V,60A,otempoderecuperao bastante pequeno e h uma baixa queda de tenso, em sentido direto, sendo queacorrentedefugaaumentacomafaixadetensoevice-versa.So comuns em fontes CC de altas correntes e baixas tenses. 2.2.5.Ligaes Deacordocomasaplicaes,podesernecessrioaumentaracapacidade de operao dos diodos de potncia, tanto com relao tenso, quanto no que sereferecorrente.Estamaiorcapacidadedeoperaodosdiodosobtida atravs de ligaes, srie ou paralelo, destes componentes, no circuito. Em aplicaes de alta tenso, como HVDC, diodos comerciais podem no atender as especificaes de tenso de bloqueio reverso, sendo preciso conect-losemsrie,demodoadividirsobreelesatensoreversaaplicada.Todavia, estaligaonopodeserefetuadasomentepelaconexodediodos,comona Figura 2-5, pois, na prtica, mesmo que os diodos sejam de um s tipo, as suas curvasv-i(Figura2-5)serodiferentes,emvirtudedastolernciasde fabricao.Assim,polarizadosdiretamente,osdiodosconduzemamesma correnteepossuemumaquedadetensodireta,praticamente,idntica;j, reversamentepolarizados,comotmdeconduziramesmacorrentedefuga (IS), apresentam tenses reversas (VD1 e VD2) bastante distintas. Figura 2-5 Diodos ligados em srie e suas curvas caractersticas v-i. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia27 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz SalazarUmaformasimplesdesolucionaresseproblemainserirumaredede resistores,aocircuitodaFigura2-5,demaneiraquehajaumamesmatenso (VD1 = VD2 = VS / 2), sobre os diodos, o que d origem a diferentes correntes de fuga(Figura2-6).Acorrentedefugatotal(IST)divididaporumdiodoeseu resistor.Devidoaeventuaisdesconformidades,nascurvasv-idosdiodos empregados,atensessobreosmesmospodemserumpoucodiferentes. ObservandoaleideOhmparaacorrentedecadaresistor(IRX=VDX/RX)e considerandovaloresiguaisparaosresistores(R1= R2 = R), tais tenses sobre os diodos so encontradas a partir do sistema de equaes abaixo: S D2 D1V V V = == = + ++ + [2-15] ) I (I R V VS1 S2 D2 D1 = == = [2-16] importanteobservarqueoarederesistiva,inseridaaocircuitodos diodosemsrie,responsvelapenaspeladivisodetensoemregime permanente.Sobcondiesdinmicas,comoemchaveamentodecargas,alm dosresistoresdarede,necessrioconectar,tambmemparalelocomos diodos,umaassociaosriedeumcapacitor(CS)comumresistor(RS), conforme indica a parte tracejada do circuito da Figura 2-6. Figura 2-6 Diodos ligados em srie com rede de diviso de tenso. Emaltapotncia,osdiodosnecessitamdeumamaiorcapacidadede conduodecorrente,demodoquesoconectadosemparalelo.Comisso,a correntesedividedeacordocomaquedadetensodireta(V )sobrecada diodo,sendocomumempregardiodosdemesmotipoouquepossuamum mesmo V . Para obter uma diviso de corrente uniforme, tambm so utilizados indutores e/ ou resistores, conectados em srie com os diodos. Os resistores no so muito aconselhveis, devido s perdas de potncia que introduzem. Assimcomo no caso dos diodos ligados em srie, o uso de resistores s responsvel pelo regime permanente. Sob condies transitrias, so utilizados indutoresacoplados,dispostosemsrie com os resistores e diodos de cada ramo (Figura2-7).AumentandoacorrentesobreD1,atensosobreL1(L1di/ dt) tambmaumenta,induzindooutratenso,masdepolaridadeoposta,emL2. Isto acarreta uma baixa impedncia no ramo de D2, deslocando a corrente para esteramo.Ograndeproblemadestetipodearranjoofatodosindutores gerarem picos de tenso, que os tornam grandes e caros. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia28 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Figura 2-7 Diodos ligados em paralelo com rede de diviso de corrente. 2.3. Tiristores Usado em baixas freqncias (< 1khz) e alta potncia (> 10MVA). Caractersticas do tiristor: Figura 2-8 Estrutura do tiristor Figura 2-9 Curva de resposta esttica do tiristor. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia29 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz SalazarModelo do tiristor com dois transistores: Figura 2-10 Modelo do tiristor com dois transistores Ganho de corrente do transistores:111ECii= == = ; 222ECii= == = Ico a corrente de fuga, gerada termicamente. Corrente que passa pelo SCR: iA = iC1 + iC2 + ICO = iE1+ iE2 +ICO Mas: iA = iE1 = iE2 iA = ( 1 +2)iA +ICO ( (( ( ) )) )2 11 + ++ + = == =COAIi Existem vrias formas de fazer com que 1 + 2 1, a saber: 2.3.1 Formas de disparo do tiristor: 1.Disparo devido tenso VAK: Figura 2-11 Curva de resposta do DIAC. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia30 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar2.Disparo devido taxa de variao de tenso (dV/ dt): Figura 2-12 Efeito de disparo do capacitor interno do tiristor Se a tenso Anodo-Catodo variar a corrente no capacitor ser: dtdVC iAKC= == = A capacidade da juno J2 funo da tenso aplicada, isto : dtdCVdtdVC iACAKC+ ++ + = == = Para que VAC aumente, dC/ dt tem de ser negativo.Mas, se dVAK/ dt for muito grande, pode ser que se produza uma corrente tal que 1 + 2 1. Proteo contra disparo por dV/ dt: a)RC entre gate-catodo; b) Circuito Snubber - RC entre Anodo-catodo. 3.Disparo por temperatura: OaumentomuitoacentuadodatemperaturafazcrescerICO,emudao pontodeoperao,comotambmsefaz1+21.Deve-seusarproteo utilizando os dissipadores trmicos. 4.Disparo por injeo de corrente de base (Gate): o mtodo mais eficaz de disparo.A injeo de corrente no gate fora o 1 + 2 1. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia31 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Figura 2-13 Famlia de curvas do tiristor para diferentes correntes de gate. Onde: IH = corrente mnima, em que o tiristor mantm o estado de conduo. Caractersticas de TURN-ON: Figura 2-14 Resposta dinmica do disparo do tiristor. Consideraes no projeto do circuito do Gate: O sinal do gate deve ser removido depois que o ton; Enquanto VAK < 0, iG = 0, pois, se iG 0, a corrente de fuga aumenta; A largura do pulso do gate tG > ton. 5.Disparo por luz ou laser: LAS (Light Activated Switch) LASCR ( Light Activated Controller Rectifier) Figura 2-15 Disparo do tiristor por efeito luminoso. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia32 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar2.3.2 Limitao de di/dt: Figura 2-16 Efeito de limitaes de di/ dt. 2.3.4 Proteo contra dV/dt: Figura 2-17 Efeito de dv/ dt por maniobra. dV/ dt devido tenso aplicada. Ex.: v =VwdtdVwtMAX2 sen 2 = == = dV/ dt devido manobra. Existem duas formas de proteo contra dV/ dt: a)Sem a utilizao do SNUBBER: Figura 2-18 Formas de proteo contra dv/ dt. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia33 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazarb) Com a utilizao do SNUBBER: Figura 2-19 Exemplo de disparo por maniobra. Resolvendo o circuito: = == = tAKe V V 1 2 , onde:AKRL= == = tAK AKVeLRdtdV = == = 2 , sendo: MAXAKdtdV, em t = 0, igual a: VLRdtdVAKMAXAK2 = == =Para os valores dados:s VdtdVMAXAK / 10 4 , 2 40010 510 30663 = == = = == = Com o aumento de L:mH L s VdtdVtpi40 / 300cos= == = = == = OutrapossibilidadediminuirRAK,notransitrio,colocandoum capacitor no circuito SNUBBER: Figura 2-20 Circuito de proteo Snubber. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia34 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar2.3.5 Circuito de disparo do tiristor: Figura 2-21 Famlia de curvas para diferentes temperaturas Figura 2-22 Circuito de disparo de gate. Circuito de acoplamento: Figura 2-23 Diferentes alternativas de disparo de tiristores. 2.4. Transistores Os transistores em geral podem ser classificados em: Transistor de Juno Bipolar; Transistor de Efeito de Campo; IGBT. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia35 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar2.4.1.Transistor de Juno Bipolar Transistor NPN. Transistor PNP. Figura 2-24 Circuito de Polarizao. Figura 2-25 - Regioes de trabalho do transistor bipolar Das Figuras acima, temos: IE = IC + IB = hFE = IC/IB IC = IB + ICEO IE = IB (1 + ) + ICEO, onde: ICEO 0 IE (1 + ) IB Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia36 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar1 I11 I IC C E+ ++ += == = + ++ + C EI I = == = Modelo do transistor NPN, para grandes sinais em operao CC: Figura 2-26 - Modelo do transistor NPN Usando o circuito em emissor comum: BBE BBRV VI = == = ( (( ( ) )) )BE BBCCC C C CC CE CV VRR V R I V V V = == = = == = = == = Com o transistor es na regio ativa, tem-se: BE CEV V Quando VCB = 0 e VBE = VCE, a mxima corrente de coletor acontece: CBE CCCCE CCCMRV VRV VI = == = = == = IICMBM = == = BE CE CE C BE BM BV V ; V ; I ; V I I < > >> >> >> O transistor satura quando VCE = 0,4 a 0,5 V, ento: CCE(sat) CCCSRV VI = == = Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia37 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz SalazarIBS = ICS/ O fator de saturao (FS) dado por: FS = IB / IBS A potncia de perda do transistor (PT): PT = VBE IB + VCE IC Caractersticas de chaveamento: Figura 2-27 Modelo dinmico do transistor Figura 2-28 Diagrama de tempos da resposta de um transistor a um pulso. Dos grficos acima, tem-se: td: Tempo de retardo ou de carga do capacitor de juno BE; tr: Tempo de subida ou necessrio para ic em atingir ICS; ts: Tempo de estocagem ou necessrio para IB retirar as cargas da juno BE; tf: Tempo de queda ou decorrido at IC cair de ICS para zero. ton = td+tr toff = ts+tf Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia38 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz SalazarO controle da corrente de base pode ser feito aumentando a velocidade de chaveamento (diminuindo o ton e toff): Figura 2-29 Alternativa de melhorar a resposta do transistor. 1 12 11 2 112 1BE 1BS1BE 1B15 tR RC R RR RV VIRV VI + ++ += == = + ++ + = == = = == = 2 2 2 2 25 t C R = == = A freqncia mxima de chaveamento : 2 1 2 1s 0.2t t1T1f+ ++ += == =+ ++ += == = = == = Controle de anti-saturao: Figura 2-30 Forma de evitar a saturao do transistor. B L CBBE D1 B1 BI I IRV V VI I = == = = == = = == = = == = Assim que D2 passa ao estado on, tem-se: VCE = VBE - VD1 - VD2 CD2 D1 BE CCCCE CCLRV V V VRV VI+ ++ + = == = = == = IC = IB = (I1 - IC + IL) ( (( ( ) )) )L 1 CI I 1I + ++ ++ ++ += == =Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia39 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar2.4.2.Mosfet de Potncia umdispositivocontroladoportenso,combaixotempodecomutao (daordemdenanossegundos)eutilizadoemaplicaesdebaixapotnciae altas freqncias. Mosfet tipo depleo (Canal N): Mosfet tipo Enhancement (Canal N): Figura 2-31 Tipos de transistores Mosfets Caractersticas de estado esttico: Figura 2-32 Caractersticas de estado esttico As regies de operao, mostradas na figura anterior, so: Corte: Vgs < Vt; Ativa: Vds Vgs Vt; Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia36 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz SalazarSaturao ou hmica: VDS VGS VT. Modelo do mosfet: Figura 2-33 Modelo esttico do transistor mosfet. Considerando VDS constante: GSmVIg = == = O valor de ro : DDSoIVr = == = Onde: ro M na regio de corte; ro m na regio de saturao. Caractersticas de chaveamento: Figura 2-34 Modelo dinmico do mosfets. Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia41 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Figura 2-35 Resposta dinmica do transistor ao chavemento Projeto do circuito atuador de gate do transistor mosfet: Figura 2-36 Circuito acionamento com comparador um circuito atuador para baixas freqncias (velocidades de chaveamento); R1 e projetado para limitar a corrente do coletor do LM311; A resposta da chave depende de R1 (R1 grande, resposta lenta). Atuador de gate com sada na configurao TOTEM POLE: Figura 2-36 Atuador de gate com sada na configurao TOTEM POLE Circuito de gate com isolamento eltrico: Captulo 2 Dispositivos Semicondutores de Potncia42 Eletrnica de PotnciaAndrs Ortiz Salazar Figura 2-37 Circuito de gate com isolamento eltrico: Isolamento usando um simples transformador (para 0