UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCOESCOLA POLITÉCNIA DE PERNAMBUCO ELETRÔNICA DE POTÊNCIA PROFº. ANTONIO SAMUEL NETO Eletrônica de Potência ÍNDICE INTRODUÇÃO .........................................................................................................................................4 UM REOSTATO COMO DISPOSITIVO DE CONTROLE................................................................5 UMA CHAVE COMO DISPOSITIVO DE CONTROLE ....................................................................5 CHAVES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA ...............................................................................6 APLICAÇÕES.......................................................................................................................................6 CLASSIFICAÇÃO ................................................................................................................................7 PARÂMETROS PRINCIPAIS DE UM SEMICONDUTOR USADO.....................................................9 COMO CHAVE.........................................................................................................................................9 A CHAVE IDEAL E A CHAVE REAL ...............................................................................................9 CLASSIFICAÇÃO DOS DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA.........................11 CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA............................11 DIODOS ..............................................................................................................................................15 DIODOS DE USO GERAL.................................................................................................................15 DIODOS RÁPIDOS ............................................................................................................................16 DIODOS ULTRA-RÁPIDOS..............................................................................................................16 DIODOS SCHOTTKY ........................................................................................................................16 CIRCUITO EQUIVALENTE..............................................................................................................17 APLICAÇÃO DO DIODO ..................................................................................................................18 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ............................................................................................................18 RESUMO.........................................................................................................................................24 TRANSISTOR BIPOLAR...................................................................................................................25 TENSÕES E CORRENTES NOS TRANSISTORES NPN E PNP ................................................26 CONFIGURAÇÕES BÁSICAS ......................................................................................................28 POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES.........................................................................................30 PONTO DE OPERAÇÃO (QUIESCENTE) ...................................................................................30 CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSISTORES...................................................................................33 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS.................................................................................................34 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ........................................................................................................34 RESUMO.........................................................................................................................................37 TIRISTORES.......................................................................................................................................38 SIMBOLOGIA E PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ..............................................................39 REGIÕES DE OPERAÇÃO............................................................................................................41 CARACTERÍSTICA TENSÃO - CORRENTE ..............................................................................44 MÉTODOS DE CONTROLE DE POTÊNCIA ENTREGUE À CARGA .....................................44 Disparo por CC - Carga CA.............................................................................................................45 Disparo CA - Carga CA - Retificador Controlado Meia Onda.......................................................46 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ............................................................................................................48 RESUMO.........................................................................................................................................54 MOSFETS (METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FET) TIPO DEPLEÇÃO.............................58 MOSFET TIPO CRESCIMENTO...................................................................................................59 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ........................................................................................................61 GTO .....................................................................................................................................................68 IGBT ....................................................................................................................................................70 COMPARAÇÃO ENTRE CHAVES CONTROLADAS ....................................................................73 CARACTERÍSTICAS DOS DISPOSITIVOS ................................................................................73 COMBINAÇÃO TÍPICA DE SEMICONDUTORES.....................................................................73 Profº. Antonio Samuel Neto 2 Eletrônica de Potência EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ............................................................................................................74 Profº. Antonio Samuel Neto 3 Eletrônica de Potência INTRODUÇÃO Eletrônica de Potência trata do processamento de energia. Sendo a eficiência uma das características importante nesse processamento. A diferença entre a energia que entra no sistema e a que sai geralmente é transformada em calor. Mesmo que, o custo da energia desperdiçada gere preocupação, a remoção dessa energia cria transtornos tanto durante o projeto quanto na sua utilização. Atualmente conversores estáticos utilizados para transformar a energia elétrica de uma forma para outra, apresentam eficiência entre 85% e 99% dependendo da aplicação da faixa de potência. Essa eficiência elevada é obtida utilizando semicondutores de potência, que apresentam uma queda de tensão próxima de zero quando em condução, e uma corrente praticamente nula quando em bloqueado. Static Converter Definition by IEEE Std. 100-1996: A unit that employs static rectifier devices such semiconductor rectifiers or thyristors, transistors, electron tubes, or magnetic amplifiers to change ac power to dc power and vice versa. A Eletrônica de Potência trata da aplicação de dispositivos semicondutores de potência, como transistores e tiristores, na conversão e no controle de energia elétrica em níveis altos de potência Essa conversão normalmente é de AC para DC por conta do sistema elétrico ser AC e grande parte do controle ser feito em DC. Porém, a conversão DC para AC também é viável. Os parâmetros controlados são tensão, corrente e frequência. A transferência de potência elétrica de uma fonte para uma carga pode ser controlada pela variação da tensão de alimentação (transformador variável) ou pela inserção de um regulador (reostato, reator variável ou uma chave). As principais características dos dispositivos semicondutores, as quais são responsáveis pela sua grande gama de aplicação e crescente interesse, são descritas a seguir Profº. Antonio Samuel Neto 4 A eficiência é de 100%. uma vez que não passa nenhuma corrente por ela. Pelo exemplo acima. Quando R1 tem zero de resistência. Quando a chave está ligada. que terá de ser removido do sistema para evitar superaquecimento. a potência fornecida pela fonte e a eficiência. a carga recebe toda a potência. A perda de potência na chave é nula. Profº. uma chave é usada para o controle da carga.Eletrônica de Potência UM REOSTATO COMO DISPOSITIVO DE CONTROLE A figura a seguir mostra um exemplo de um reostato controlando uma carga. Determinar a potência entregue a carga. uma preocupação de caráter econômico. não existe potência entregue à carga. Da mesma maneira. Nas aplicações em que a potência a ser controlada é grande. Quando R1 é máxima. a potência entregue à carga é praticamente igual a zero. Quando a chave está desligada. a potência dissipada no reostato. um máximo de potência é transferido para a carga. porque a chave não consome energia em qualquer um dos dois casos. nesse caso não há perda de potência na chave. UMA CHAVE COMO DISPOSITIVO DE CONTROLE Na figura a seguir. uma vez que não há tensão sobre ela. além de gerar calor. Uma eficiência baixa significa grandes perdas. fica claro que quanto maior o valor de R1 menor é a eficiência da transferência de potência da fonte. a eficiência de conversão passa a ser importante. Antonio Samuel Neto 5 . Profº. a queda de tensão nela é zero. Retificadores Controlados de Silício – SCR. de modo que proporcione variação de potência. podemos criar o mesmo efeito abrindo e fechando a chave periodicamente. ao contrário do reostato. Antonio Samuel Neto 6 . Transistores Bipolares de Porta Isolada – IGBT. Determine a potência fornecida à carga. No entanto. Quando ligada. APLICAÇÕES · Fontes CC chaveadas e sistemas de energia ininterrupta Fontes para computadores e equipamentos de telecomunicações. Que tenha baixo custo. verifica-se as seguintes condições desejáveis de operação: · · · · · · · · · · · Liga e desliga instantaneamente. Quando esta ligada. a perda de potência na chave e a potência total fornecida pela fonte se a chave estiver: a) b) c) d) fechada aberta fechada 50% do tempo aberta 50% do tempo CHAVES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA Tipos de chaves semicondutoes: · · · · · · · Diodos Transistores Bipolares de Junção – BJT. Não dissipa potência. Exemplo: Uma fonte DC esta fornecendo energia para uma carga resistiva de 10W através de uma chave. a chave não pode ser colocada em posições intermediárias. a corrente que passa por ela é zero. Quando esta desligada. Quando desligada. Do contrário. Os transistores e os SCRs usados como chaves podem abrir e fechar de maneira automática centenas de vezes por segundo. Que seja altamente confiável. que possa suportar altas tensões.Eletrônica de Potência O problema existente nesse método é que. que possa suportar altas correntes. Que seja pequena e leve. Que utilize pouca potência para o controle da operação. a chave eletrônica deve ficar ligada por períodos maiores e desligadas durante a menor parte do tempo. Se precisarmos de mais potência. Triacs Tiristores de desligamentos por porta – GTO Para todos os tipos de chaves apresentadas acima. Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor – MOSFETS. basta deixar a chave desligada por mais tempo. Que não requeira manutenção. Antonio Samuel Neto 7 . · CA Freqüência constante e amplitude variável. Freqüência e amplitude variáveis. · Aplicações relacionadas ao suprimento Transmissão de potência em alta tensão CC. · Transporte Carros elétricos. CLASSIFICAÇÃO Processadores Saída para a carga: · CC Amplitude constante. Amplitude variável. · Controle de processos e automação industrial Acionamento com velocidade controlada em controle de processos. Conversores Profº. · Aplicações em eletrotécnica Equipamentos para soldagem. Sistemas de geração solares e eólicos.Eletrônica de Potência · Conservação da energia Operação de lâmpadas fluorescentes em alta freqüência. Acionamento de bombas e compressores com velocidade controlada. eletrólise e aquecimento indutivo. Profº. · Conversores ressonantes Chaves controladas ligam e/ou desligam com tensão nula e/ou corrente nula. Antonio Samuel Neto 8 .Eletrônica de Potência De acordo com a forma dos dois lados: · CA-CC · CC-CA · CC-CC · CA-CA De acordo com o modo de chaveamento: · Conversores com comutação natural Tensões de suprimento presentes em um lado do conversor facilitam o bloqueio dos dispositivos semicondutores de potência. · Conversores com comutação forçada Chaves controladas no conversor são ligadas e desligadas em freqüências elevadas quando comparadas à freqüência da rede. ela abre ou fecha instantaneamente. Quando aberta sua resistência é infinita. · Dissipa potência ao conduzir. Ela mantém essa característica para qualquer corrente que passe por ela. O tempo que ela leva para se abrir é chamado de trr (tempo de recuperação reversa) e. Para qualquer tensão aplicada. é o mais lento da chave. O tempo que uma chave ideal leva para mudar de estado é nulo. a chave real não é um curto. Quando fechada. A chave real pode diferir bastante deste comportamento. podendo permitir a passagem de uma pequena corrente denominada de corrente de fuga. para os principais dispositivos. ela apresenta uma alta resistência apenas até um certo valor de tensão. Quando fechada sua resistência é nula e. a partir da qual ela danifica-se. ela não apresenta uma resistência infinita quando aberta. a mudança de estado de uma chave real não é instantânea. não há tensão sobre ela. ela mantém essa característica. isto é. Para os semicondutores geralmente ela é chamada de tensão de ruptura. Além disso. em geral. uma chave eletrônica apresenta vantagens e desvantagens. Quando comparada com uma chave mecânica . existe uma máxima corrente que pode passar pela chave.Eletrônica de Potência PARÂMETROS PRINCIPAIS DE UM SEMICONDUTOR USADO COMO CHAVE A CHAVE IDEAL E A CHAVE REAL Uma chave ideal apresenta dois estados: aberta e fechada. estes parâmetros aqui vistos. podendo demorar de nanosegundos a milisegundos. · Não apresenta arco voltaico · Velocidade de comutação muito alta Desvantagens: · Apresenta uma pequena queda de tensão pois tem uma pequena resistência ao conduzir. o campo de aplicação dos principais dispositivos. Genericamente. Vantagens: · Não apresenta desgastes · Dissipa potência ao conduzir. o tempo que a chave leva para mudar de estado é chamado de tempo de chaveamento. chamada de resistência de condução (Ron). A figura 1 mostra. não permitindo a passagem de corrente. A tabela 1 mostra. · Apresenta uma pequena corrente de fuga (nA) quando aberta. Além disso. necessitando de dissipador. Antonio Samuel Neto 9 . Profº. a partir do qual rompe-se a isolação. mas apresenta uma pequena resistência. Esta tensão é chamada de tensão máxima. de acordo com os parâmetros vistos. Primeiramente. Esta resistência é a responsável pela queda de tensão em condução da chave. Finalmente. necessitando de dissipador. portanto. ) Profº.Eletrônica de Potência Tabela 1.Limites de Operação para os principais tipos de semicondutores Figura 1. Inc. Antonio Samuel Neto 10 .Aplicações dos Dispositivos de Potência (Cortesia da Powerex. como pode se verificar na figura abaixo (extraído de Mohan. Um SCR é controlável na entrada em condução.Eletrônica de Potência CLASSIFICAÇÃO DOS DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA. Antonio Samuel Neto 11 . um diodo não é controlável nem na entrada em condução. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA. etc). MOSFETs.). Alguns dispositivos. MOSFETs. aqueles que permitem a passagem de corrente nos dois sentidos (por exemplo. etc). Podemos classificar os dispositivos em bidirecionais. 4) Capacidade de conduzir corrente nos dois sentidos. os tiristores) e os que necessitam de um sinal contínuo para permanecer conduzindo (por exemplo. nem no desligamento. Profº. etc) e outros não (transistores bipolares. sendo. Os dispositivos semicondutores de potência podem ser classificados sob vários aspectos: 1) Controlabilidade da entrada em condução ou desligamento. Cada vez mais tem se desenvolvido dispositivos para processar mais potência. ou seja. Neste caso os dispositivos se dividem em controláveis ou não. 3) Capacidade de bloquear tensões reversas. mas não no desligamento. GTO. Alguns componentes conseguem bloquear altas tensões quando reversamente polarizados (por exemplo. SCRs. em apenas um deles ela é controlável. Esta classificação divide os dispositivos em disparáveis por pulso (por exemplo. o TRIAC) e aqueles unidirecionais (por exemplo. SCR. Um transistor ou um GTO é controlável sob os dois aspectos. etc. como o MOSFET. transistor bipolar. Os principais dispositivos empregados em eletrônica de potência têm evoluído consideravelmente nos últimos anos. 2) Necessidade de sinal contínuo de disparo. considerado unidirecional. 2002). IGBTs. portanto. GTOs. Por exemplo. transistores bipolares. apesar de permitirem a passagem de corrente em ambos os sentidos. Semicondutores de potencia disponíveis no mercado em função da corrente tensão e frequência de operação Figura 3 . Profº. Antonio Samuel Neto 12 .Eletrônica de Potência Figura 2 .Características gerais dos Semicondutores de Potência. Por outro lado. Para obter altas tensões de bloqueio é necessário reduzir a dopagem. Outro desafio é que aqueles dispositivos semicondutores que apresentam altas tensões de bloqueio com baixas quedas diretas resultam tempos de comutação significativos.Características e símbolos de alguns dispositivos de potência O maior desafio no projeto de semicondutores de potência é obter altas tensões de bloqueio com baixas quedas diretas quanto em condução. os MOSFETS e os diodos Schottky. A tensão máxima de bloqueio de uma junção p-n e a sua região de depleção são uma função do grau de dopagem. Assim dispositivos de alta tensão apresentam maiores resistências de condução do que dispositivos de baixa tensão.Eletrônica de Potência Figura 4 . esse efeito é responsável Profº. por exemplo. Antonio Samuel Neto 13 . essa região de alta resistividade contribui significativamente para resistência de condução do diapositivo. e assim aumentar a resistividade. Em dispositivos de portadores majoritários. O estado de condução de qualquer semicondutor é controlado pela presença ou ausência de algumas cargas dentro do dispositivo. dispositivos de portadores minoritários em altas tensões e alta potência. Apresas dos mecanismos de inserção e remoção das cargas de controle dos diferentes dispositivos.GTO e MCT outro fenômeno chamado de modulação de condutividade ocorre. esses apresentam tempos de comutação significativamente maiores que os dispositivos de portadores majoritários. Figura 5 . e dispositivos de portadores minoritários.Semicondutores de potência em diferents aplicações Profº. BJT . devido à maior quantidade de carga dos dispositivos de portadores minoritários. IGBT. MOSFET.Eletrônica de Potência pela dependência da queda direta ou sua resistência de condução com a tensão máxima de bloqueio. Com uma conseqüência dispositivos de portadores majoritários são usualmente utilizados em aplicações de baixas tensões e alta freqüência. (BJT. A quantidade total de cargas que controlam o estado de condução de dispositivos de portadores minoritários é muito maior que as cargas necessárias para controlar um dispositivo equivalente de portadores majoritários. Deve ser salientado. Quando um dispositivo de portadores minoritários encontra-se em condução portadores minoritários são injetados na região de baixa dopagem através da junção que está diretamente polarizada. Devido a esse fenômeno os dispositivos de portadores minoritários apresentam uma menor resistência se comprado com os dispositivos de portadores majoritários. é verdade que. Por outro lado. IGBT. que a vantagem dos dispositivos de portadores minoritários de reduzir a resistência de condução traz junto a desvantagem de aumentar os tempos de comutação. DIODO. Antonio Samuel Neto 14 . SCR. A figura abaixo descreve as diferentes semicondutores e as suas aplicações típicas. e os tempos de entrada em condução e bloqueio são uma função do tempo necessário para colocar ou remover essas cargas. A elevada concentração de portadores minoritários na região de alta resistividade reduz a resistência aparente da junção p-n durante a condução.) serem diferentes. diodo de difusão. etc. Apresenta as seguintes características: · · · · · É um dispositivo não-controlado (comuta somente espontaneamente). a partir da qual o diodo entra em avalanche. conduzido ou bloqueado é determinado pela tensão ou pela corrente do circuito onde ele esta conectado.Eletrônica de Potência DIODOS O diodo é um semicondutor não controlável. Pode conduzir reversamente durante um tempo trr. e também são conhecidos com line-frequency diodes ou standard recovery diodes. e não por qualquer ação que possamos tomar. um díodo irá conduzir corrente no sentido definido pela seta no símbolo e age como circuito aberto para qualquer tentativa de estabelecer corrente no sentido oposto. Antonio Samuel Neto 15 . devido aos seus coeficientes térmicos de condução serem negativos. pois o seu estado. São os diodos que foram desenvolvidos para operar em Profº. Não são facilmente operados em paralelo. que é especificado pelo fabricante. Conduz quando diretamente polarizado (Vak>0) e bloqueia quando i<0. Simbologia do diodo Curva característica ideal Curva característica real Observa-se que existe uma tensão máxima reversa de bloqueio Vrated. o qual leva o componente à sua distruição. Estados de (a) condução – polarização direta e (b) não-condução – polarização reversa do diodo ideal determinados pela polarização aplicada DIODOS DE USO GERAL Estes diodos são os mais comuns no mercado. Idealmente. Ou seja. Possui uma queda de tensão intrínseca quando em condução (VF ~ 1V). quanto maior temperatura menor a queda direta. Os diodos rápidos são dispositivos projetados para o uso em aplicações envolvendo alta freqüência. DIODOS ULTRA-RÁPIDOS É uma família melhorada dos diodos rápidos. mostramos os diferentes comportamentos dos diodos durante as comutações: DIODOS SCHOTTKY São dispositivos basicamente de portadores majoritários. A fim de minimizar este fenômeno foram desenvolvidos os diodos soft-recovery. os diodos rápidos possuem trr de poucos microssegundos ou até ns. Como recuperação ocorre de forma suave.Eletrônica de Potência freqüências muito baixas. é uma fonte importante de sobretensões produzidas por indutâncias parasitas associadas aos componentes por onde circula tal corrente. Antonio Samuel Neto 16 . Entretanto. Estes diodos possuem uma queda de tensão em condução muito baixa. sua queda em condução é pequena. reduzindo os picos de tensão gerados. desta forma estes diodos estão aptos para operar até vários kV de tensão e kA de corrente. Sendo um dispositivo de portadores minoritários. porém possuem menor tempo de recuperação. usados quando é necessária uma queda de condução direta pequena em circuitos com baixa tensão de saída. São semelhantes aos diodos rápidos em termos de queda em condução. podendo operar em altas freqüências. de tal forma que pode ser aplicado em altas tensões de bloqueio. Como o tempo de recuperação desses dispositivos é elevado (dezenas ou centenas de micro-segundos). após o bloqueio. poucos microsegundos. sendo difícil de serem encontrados diodos Schottky para tensões reversas maiores que 45V. nos quais esta variação de corrente é suavizada. Além disso.3V. geralmente menor que 1kHz. Em elevados níveis de potência. É muito empregado em fontes chaveadas de alta freqüência de alta eficiência. DIODOS RÁPIDOS Diodos rápidos possuem tempos de recuperação trr da ordem de. Para ilustrar. as correntes de fuga Profº. tipicamente de 0. além disso. estes dispositivos não são indicados para operarem em altas freqüências. a máxima tensão suportável por estes diodos é de cerca de 100V. nos quais se incluem aqueles que operaram com comutação ZVS e ZCS. Possuem baixa queda em condução.. o diodo já estar desligado. enquanto nos diodos normais é de dezenas ou centenas de micro-segundos. no máximo. é possível reduzir ou mesmo eliminar o uso de snubbers na maioria das aplicações. esta classe de diodo possui baixa queda em condução direta. Possuem baixos tempos de recuperação. devido à sua elevada derivada e ao fato de. neste momento. O retorno da corrente a zero. onde um pequeno tempo de recuperação é necessário. resulta em um maior rendimento e menores dissipadores. o que indica que esse dispositivo não possui portadores minoritários. a resistência rav é suficientemente pequena para ser desprezada em comparação aos outros elementos do circuito. A queda de tensão menor dos diodos Schottky. Talvez não menos importante. diferentemente dos diodos convencionais (mostrado em uma figura anterior).Eletrônica de Potência reversas são altas se comparáveis aos diodos por junção P-N. CIRCUITO EQUIVALENTE Para a maioria das aplicações. assim que a corrente se inverte a tensão começa a crescer. fazendo com que os circuitos Snubbers sejam menores e menos dissipativos ou mesmo desnecessários. As duas características do diodo Schottky que fazem ele ser um ganhador no mercado se comparado com retificadores de junção PN em aplicações de fontes chaveadas é a sua queda direta baixa e ausência de recuperação reversa devido a portadores minoritários. é o as oscilações de tensão quando do bloqueio que são menores se comparadas com aquelas dos diodos de junção PN. se comparadas com as dos diodos de Junção PN. Circuito equivalente simplificado para o diodo semicondutor de silício Profº. nas quais as quedas sobre os retificadores são significativas. Antonio Samuel Neto 17 . A aplicação deste dos diodos do tipo Schottky ocorre principalmente em fontes de baixa tensão. A ausência de portadores minoritários significa uma redução significativa das perdas de comutação. Note que. As fontes são desenhadas. e o sentdio da corrente é indicado. a condução será estabelecida através do diodo. O diodo esta conduzindo. Se a direção resultante esta no mesmo sentido que a seta do símbolo do diodo. Em seguida. e a notação utilizada é incluída para indicar este estado. e o dispositivo esta no estado ligado. substitua mentalmente os diodos por elementos resistivos e note a direção resultante da corrente como sendo resultado das tensões aplicadas. EXERCÍCIOS RESOLVIDOS Exemplo1: Determinar I. V1.7V para o silício VD > 0. substitua-o por seu modelo equivalente. V2 e V0 para a configuração abaixo. Antonio Samuel Neto 18 . Quando a corrente torna-se negativa o diodo bloqueia-se. Profº. Para cada configuração. comportando-se como circuito aberto. um diodo esta “ligado” se a corrente estabelecida pelas fontes é tal que sua direção esta no mesmo sentido que a seta do símbolo do diodo e VD > 0.Eletrônica de Potência APLICAÇÃO DO DIODO Em geral.3V para o germânico. caso ele esteja conduzindo. I2 e ID2. Considere que os parâmetros da Tabela I Profº. bem como as principais formas de ondas do circuito. Exemplo 3 Seja o circuito da Figura 0. para o circuito abaixo.Eletrônica de Potência Notação Exemplo 2: Determinar I1. determine os etapas de operação. Antonio Samuel Neto 19 .10. torna-se negativa. vak.Eletrônica de Potência V R VB U O circuito apresenta duas etapas de operação que são definidas a partir do estado do diodo. devido a v tornase menor que vB. Antonio Samuel Neto 20 . Duração q1 <wt< q2: Em wt=q1 a tensão sobre o diodo. Duração q2 <wt< 2 p+q1. As principais equações que descrevem o comportamento do circuito nessa etapa são: vak = 0 V iD =(v-vB )/ R vR = v O ângulo q1 pode ser obtido a partir do instante que a tensão sobre o diodo torna-se zero Por outro lado ângulos q2 pode ser obtido do instante que a corrente sobre o diodo passa por zero. conduzindo e bloqueado. Etapa 1 . : Em wt =q2 a corrente no diodo . iD. levando o diodo entrar em bloqueio. As principais equações que descrevem o comportamento do circuito nessa etapa são: vak = v-vB iD =0 vR = vB Profº. ou seja: Etapa 2 . tornasse positiva levando o diodo entrar em condução. 00E+000.00E+00 0.Eletrônica de Potência Tensão da fonte 350 [V] 175 0 -175 -350 0 5 10 15 20 25 30 [ms] 35 20 25 30 [ms] 35 25 30 [ms] 35 (f ile Circuito_com_diodo_01. bem como as principais formas de ondas do circuito. x-v ar t) v :V Tensão no diodo 50 [V] -50 -150 -250 -350 -450 0 5 (f ile Circuito_com_diodo_01. x-v ar t) v :VR v :VB -VR factors: 1 1 -1 offsets: 0. x-v ar t) v :V 10 15 -VR Tensão Vr+Vb (vermelho) e Tensão no resistor (verde) 400 [V] 300 200 100 0 -100 0 5 10 15 20 (f ile Circuito_com_diodo_01. V v =V sin(wt) R L Profº. Antonio Samuel Neto 21 .pl4.pl4.00E+00 Exemplo 2: Seja o circuito da Figura abaixo.pl4. determine os etapas de operação. torna-se positiva levando o diodo entrar em condução. Logo q1 pode ser obtido da solução da seguinte equação para q1 Solucionando numericamente a equação acima temos Profº. Antonio Samuel Neto 22 . Duração 0 <wt< q1: Em wt = 0 a tensão sobre o diodo. vak.Eletrônica de Potência Vamos assumir inicialmente quer o circuito apresente um comportamento periódico e que a corrente no indutor em t = 0 seja nula. Logo o circuito apresenta duas etapas de operação dependendo do estado de condução do diodo. O circuito equivalente dessa etapa da mostrado na Figura (a) a seguir. As equações que descrevem o comportamento do circuito nessa etapa são: O final dessa etapa ocorre em wt= q1 quando a corrente torna-se zero. Etapa 1 . A seguir são mostrados resultados de simulação para ilustrar o comportamento do circuito 35.1 1 offsets: 0. por outro lado quando a carga torna-se mais resistiva a®¥ a duração da primeira etapa aproxima-se do final do semi-ciclo positivo da rede.00E+00 0.00E+00 Tensão da rede. Profº.06 21. Etapa 1 .0 -17. e corrente de carga (verde). x-v ar t) v :VR c:VL factors: 1 0. Duração q1 <wt< 2pi: Nesta etapa o diodo encontra-se bloqueado.00E+00 0.5 0.00 (f ile circuito_com_diodo_02.02 [ms] 35.0 0 5 10 15 20 25 30 [ms] 35 (f ile circuito_com_diodo_02.1 1 offsets: 0. v/10.Eletrônica de Potência Pode der observado que na medida que a carga torna-se mais indutiva a®0 a duração da etapa 1 estendemse no semi-ciclo negativo da rede.(vermelho) e corrente na carga (A) (verde) 50 25 0 -25 -50 0. x-v ar t) v :V c:VL factors: 1 0.04 28.5 -35.00E+00 Tensão na Carga / 10 (vermelho).10 7.0 17.00E+000.pl4. Antonio Samuel Neto 23 .00E+00 0. a corrente no circuito é zero.pl4.08 14. 04 28. RESUMO t A corrente no diodo reverte por um tempo de recuperação reversa rr .00E+00 14. Em muitos circuitos.3V) e baixa tensão reversa de bloqueio (100V). Tensão reversa de bloqueio de vários kV e corrente nominal de vários kA.00E+00 0.pl4.Eletrônica de Potência 20 6 -8 -22 -36 -50 0.02 [ms] 35. Tipos de diodos · Schottky Baixa queda de tensão (0.00E+00 Tensão sobre diodo vak /10 (vermelho) e corrente no diodo (verde).00 c:V -VR 1 0. x-v ar t) v :V -VR factors: 1 0. · De rápida recuperação Pequeno · t rr (poucos ms na faixa de centenas de volts e centenas de ampères). De freqüência da rede Baixa queda de tensão e grande t rr . a corrente de recuperação reversa não afeta a característica do conversor e o diodo pode ser considerado ideal.08 (f ile circuito_com_diodo_02. Antonio Samuel Neto 24 .06 21.1 offsets: 0.10 7. Profº. 7 Volt). Polarizando diretamente a junção base-emissor e inversamente a junção base-coletor.Eletrônica de Potência TRANSISTOR BIPOLAR O princípio do transistor é poder controlar a corrente. Profº. a corrente de coletor IC passa a ser controlada pela corrente de base IB. É constituído por duas junções PN (junção base-emissor e junção base-colector) de material semicondutor (silício ou germânio) e por três terminais designados por Emissor (E). Antonio Samuel Neto 25 . Base (B) e Colector (C) N – Material semicondutor com excesso de electrões livres P – Material semicondutor com excesso de lacunas A seta do símbolo define o sentido de condução da corrente. caso contrário não haverá passagem de corrente entre o Emissor e o Colector. Para que o transístor bipolar conduza é necessário que seja aplicada na Base uma corrente mínima (VBE ≥ 0. Se aplicarmos uma pequena corrente na base o transístor conduz e pode amplificar a corrente que passa do emissor para o colector. · O fato do transistor possibilitar a amplificação de um sinal faz com que ele seja considerado um dispositivo ativo. denominado ganho de corrente pode ser expresso matematicamente pela relação entre a variação de corrente do coletor e a variação da corrente de base . isto significa que a variação de corrente de coletor é um reflexo amplificado da variação da corrente na base. uma pequena variação de IB provoca uma grande variação de IC. Este efeito de amplificação. isto é: TENSÕES E CORRENTES NOS TRANSISTORES NPN E PNP Profº.Eletrônica de Potência · Um aumento na corrente de base IB provoca um aumento na corrente de colector IC e vice-versa. Antonio Samuel Neto 26 . · A corrente de base sendo bem menor que a corrente de coletor. emissor VBE – Tensão base – emissor VCB – Tensão colector .Eletrônica de Potência VCE – Tensão colector . Antonio Samuel Neto 27 .base IC – Corrente de colector IB – Corrente de base IE – Corrente de emissor VRE – Tensão na resistência de emissor VRC – Tensão na resistência de colector + Rc Rb IB IC Considerando o sentido convencional da corrente e aplicando a lei dos nós obtemos a seguinte relação das correntes num transístor bipolar IE = I C + I B IE Símbolo Característica Idealizada Característica i x v Profº. Configuração BC · Ganho de corrente menor que 1 · Ganho de potência intermediário · Impedância de entrada baixa · Impedância de saída alta · Não ocorre inversão de fase Configuração CC · Ganho de tensão menor que 1 · Ganho de corrente elevado. resultando num gráfico com o seguinte aspecto. Por isso. Esta configuração é a mais utilizada em circuitos transistorizados. e Coletor comum (CC). Profº. Nesta curva. os diversos parâmetros dos transistores fornecidos pelos manuais técnicos têm como referência a configuração emissor comum.Eletrônica de Potência CONFIGURAÇÕES BÁSICAS Os transistores podem ser utilizados em três configurações básicas: Base Comum (BC). Configuração EC · Ganho de tensão elevado · Ganho de corrente elevado · Ganho de potência elevado · Impedância de entrada baixa · Impedância de saída alta · Ocorre a inversão de fase. O termo comum significa que o terminal é comum a entrada e a saída do circuito. variando-se a tensão de entrada VBE. · Ganho de potência intermediário · Impedância de entrada alta · Impedância de saída baixa · Não ocorre a inversão de fase. obtém-se uma corrente de entrada IB. Antonio Samuel Neto 28 . para cada valor constante de VCE. Emissor comum (EC). Podemos trabalhar com a chamada curva característica de entrada. valores típicos são de 50 a 900. cujo gráfico tem o seguinte aspecto. o CORTE.Eletrônica de Potência Observa-se que é possível controlar a corrente de base. Através desta curva. a SATURAÇÃO e a DATIVA · CORTE: IC = 0 · SATURAÇÃO: VCE = 0 · ACTIVA: Região entre o corte e a saturação. variando-se a tensão entre a base e o emissor. obtém-se uma corrente de saída IC. Para cada constante de corrente de entrada IB. podemos definir três estados do transistor. Para a configuração EC a relação entre a corrente de saída e a corrente de entrada determina o ganho de corrente denominado de b ou hFE (forward current transfer ratio). Profº. O ganho de corrente b não é constante. variando-se a tensão de saída VCE. Antonio Samuel Neto 29 . QA: Região ativa QB: Região de saturação QC: Região de corte Profº. como amplificador ou como oscilador tem que estar devidamente polarizado através de uma fonte DC. este ponto de operação (ou quiescente) pode estar localizado nas regiões de corte. ou como elementos de controle ON-OFF. Tanto para estas como para outras aplicações. QB e QC da figura a seguir caracterizam as três regiões citadas. O Colector é polarizado com polaridade contrária à do semicondutor que o constitui. Emissor Base Colector Emissor Base Colector P N P N P N + - - - + + + _ Rc Rc Rb – Resistência de polarização de base Rb Rc – Resistência de colector ou resistência de carga Rb _ + PONTO DE OPERAÇÃO (QUIESCENTE) Os transistores são utilizados como elementos de amplificação de corrente e tensão. A Base é polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui. Os pontos QA. Também chamado de polarização DC. saturação ou altiva da curva característica de saída. Regra prática: O Emissor é polarizado com a mesma polaridade que o semicondutor que o constitui. dentro de suas curvas características.Eletrônica de Potência POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES Para o transístor bipolar poder ser utilizado com interruptor. o transistor deve estar polarizado corretamente. Para o transístor estar correctamente polarizado a junção PN base – emissor deve ser polarizada directamente e a junção base – colector deve ser polarizada inversamente. Polarizar um transistor é fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua. Antonio Samuel Neto 30 . a corrente de coletor é diretamente proporcional à corrente de base. A figura a seguir mostra um transistor polarizado no corte e o modelo equivalente simplificado (chave aberta). Profº. isto é. Na região de corte todas as correntes são aproximadamente nulas (nA para transistor de Sí e mA para transistor de Ge) e o transistor comportará como uma chave aberta. Antonio Samuel Neto 31 . Desta forma. isto é . sendo que o seu valor não é o mesmo para um determinado tipo de transistor podendo variar numa razão de 1:5 para um mesmo tipo de transistor. Podemos defini-la a partir de dois pontos conhecidos. se IB dobrar de valor IC também dobra. Para cortar um transistor basta fazer VBE £ 0 para transistor de Sí ou VBE£ -0. existe linearidade entre as suas correntes valendo a seguinte relação IC = b.Eletrônica de Potência A reta de carga é o lugar geométrico de todos os pontos de operação possíveis para uma determinada polarização.4V para transistor de Ge (caso orientação em contrário neste livro usaremos sempre transistor de Sí ).IB. quando operando na região ativa ou região de amplificação o transistor opera como amplificador. A constante de proporcionalidade b (beta) é um dos parâmetros do transistor muitas vezes encontrado nos manuais como hFE. IB. Antonio Samuel Neto 32 . Para saturar um transistor a corrente de base deve ser maior ou pelo menos igual à um determinado valor especificado pelas curvas características de coletor. Aumentando VBB. A figura abaixo mostra um transistor saturado e o circuito equivalente (chave fechada). e nestas condições VCE = VCC o transistor se comportará como uma chave aberta. onde IC = b.Eletrônica de Potência Quando saturado o transistor simula um chave fechada. Se IB aumentar.VBE)/RB @ VBB/RB o transistor estará cortado. caso o transistor seja de Sí. Para compreenderemos melhor como um transistor passa do corte para a saturação ou viceversa. A corrente de coletor é constante valendo a seguinte relação entre IC e IB em um transistor saturado: IC £ b. existirá apenas uma pequena corrente de fuga da ordem de nA. isto é. aumentaremos IB ( não esqueça IB = VBB/RB) e o transistor entra na região ativa. consideremos a configuração emissor comum e as curvas características de coletor mostradas na figura a seguir. IC aumenta na mesma proporção. Inicialmente com VBB = 0 e como IB = (VBB .IB. IB= 0 e IC = 0 o ponto de operação estará localizado abaixo da reta de carga. porém existe um valor de IB para o qual um Profº. Como já foi dito. dizemos que o transistor saturou. Frequência de transição em 1. CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSISTORES Uso Geral Potência RF Pequenos Sinais Baixas Frequências Correntes IC entre 20 e 500mA Tensão máxima entre 10 e 80 V Frequência de transição entre 1 Hz e 200 MHz Correntes elevadas Baixas frequências Correntes IC inferior a 15A Frequência de transição entre Uso de radiadores de calor Pequenos sinais Frequência elevada Correntes IC inferior a 200mA Tensão máxima entre 10 e 30V. portanto caracterizada por IC £ b. para garantir a saturação do transistor devemos usar o bmin. onde IC =VCC/RC é a corrente de coletor na saturação (estamos admitindo que VCE = 0). Para saturar deve ser observada a condição B ³IC/b=VCC/b.RC.. de um mínimo (bmin) até um máximo (bMáx).5 GHz Profº.Eletrônica de Potência aumento adicional em IB não provocará aumento em IC. o valor de b pode variar muito de transistor para transistor. na prática.IB. Antonio Samuel Neto 33 . A saturação é. fT Frequência de transição (frequência para a qual o ganho do transístor é 1 ou seja. EXERCÍCIOS RESOLVIDOS Exemplo 1: Dada a curva característica do dispositivo. o transístor não amplifica mais a corrente). VCBO Tensão máxima colector – base com o emissor aberto. IC É a máxima corrente de colector que o transístor pode suportar. tem-se: Profº. determinar VCC. RB e RC para a configuração indicada Da reta de carga. Antonio Samuel Neto 34 .Eletrônica de Potência CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Utilizando o código alfanumérico do transístor podem-se obter as suas características técnicas por consulta de um data book ou de um data sheet do fabricante. Se este parâmetro for excedido o componente poderá queimar. hFE = IC : IB Pd Potência máxima de dissipação. VEBO Tensão máxima emissor – base com o colector aberto. VCEO Tensão máxima colector – emissor com a base aberta. hFE ou b Ganho ou factor de amplificação do transístor. 4kW Utilizando os valores comerciais resulta em: IB = 41. Antonio Samuel Neto 35 .Eletrônica de Potência Valores comerciais de resistores: RC = 2.4kW RB = 2. determine R1 e RC para o circuito abaixo Profº.1 µA (que esta dentro da faixa de tolerância de 5% do valor especificado) Exemplo 2: Dada que ICQ = 2mA e VCEQ = 10V. Dados: Relê 12V/40mA VBesat= 0. Entretanto.7V.2mA e como R4 = (VBB . Solução: ICsat = 10mA =VCC/RC logo R3 =12V/10mA =1K2 Para saturar IB ³ ICsat / bmin = 10mA /100 = 0.7V e VCesat = 0.5K adotamos o valor comercial imediatamente abaixo (aumenta mais ainda a garantia se saturação ) no caso R4 = 18K. utilizando a combinação série dos valores comerciais 82kW e 4.7kW = 86.7)/0. Considerar transistor de Si com bmin = 100 . Exemplo 3: calcular R4 e R3 no circuito para que o transistor sature com IC = 10mA.4mA. VBesat = 0. Solução: ICsat = 40mA bmin =100 para saturar o transistor IB³ ICsat/ bmin = 40mA/100 = 0.2mA = 21. Antonio Samuel Neto 36 .7kW resulta em um valor muito próximo ao valor de projeto. Profº.VBE)/IB = (5 – 0. Exemplo 2: Dimensionar R2 para o transistor acionar o relê .1mA adotando IB = 0.Eletrônica de Potência Os valores comerciais mais próximos a R1 são 82kW e 91 kW. Obs: a finalidade do diodo em paralelo com a bobina do diodo é eliminar a fcem gerada na bobina quando o transistor corta.Eletrônica de Potência Por outro lado R2 £ (12 – 0.7)/0.25K e para dar uma garantia adicional adotamos R2 = 15K.4 = 11.3V/0. RESUMO · Corrente de base necessária para condução plena IB > IC hFE onde hFE é o ganho de corrente CC do dispositivo O ganho de corrente CC é usualmente de 5 a 10 em transistores de potência Profº.4mA = 28. Antonio Samuel Neto 37 . isto é. abre ou fecha um circuito através da aplicação de uma pequena tensão num dos seus terminais. Antonio Samuel Neto 38 .4kV · Coeficiente de temperatura da resistência de condução negativo TIRISTORES O tiristor conhecido também como SCR ( silicon-controlled rectifier ) é um retificador de silício que funciona essencialmente como um interruptor estático unidireccional. não possuindo por isso qualquer contato mecânico.Eletrônica de Potência Configuração Darlington Características · Tempo de chaveamento típico na faixa de poucas centenas de ns · Correntes de centenas de ampères. Permite não só retificar uma corrente alternada mas também controlar a corrente que passa por ele e pela carga ligada em série com ele. Profº. quer em circuitos de corrente contínua quer de corrente alternada. tensões de bloqueio de até 1. o que tem como vantagem um grande aumento do seu tempo de vida útil. Utiliza-se fundamentalmente no controlo de potência. Eletrônica de Potência SIMBOLOGIA E PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Como pode ser visto. mas apenas quando lhe aplicamos um sinal de tensão no terminal chamado GATE. o SCR assemelha-se a um diodo com um terminal de controle. só conduz corrente no sentido do ânodo para o cátodo. Antonio Samuel Neto 39 . diodo com duas camadas e usado para altas freqüências). Profº. Como um díodo. Na figura seguinte podemos ver um esquema que representa o seu circuito equivalente. o diodo de quatro camadas ou diodo Shockley ( não confundir com o diodo Schottky. O estudo dos tiristores deve começar pelo dispositivo que origina toda a familia. As figuras a seguir mostram a estrutura e curva característica. (a) Símbolo e (b) Característica ideal de um tiristor O ânodo deverá estar positivo em relação ao cátodo. que é governada pelo circuito externo. IC2) fará com que exista corrente na base de T1 mantendo-o em condução.Eletrônica de Potência Com polarização reversa o diodo se comporta como um diodo comum. Se não enviarmos qualquer sinal de GATE ao SCR. Se a tensão reversa exceder a tensão de breakdown (UBK) o diodo será destruído. Profº. Uma vez em condução. torna-se negativa é que o tiristor retorna ao estado bloqueado. Por sua vez a condução de T2 (corrente no coletor. Somente quando a corrente IA. Acima deste valor o dispositivo dispara passando a conduzir. Com polarização direta o diodo apresenta alta resistência enquanto a tensão for menor do que um valor chamado de tensão de breakover (UBO). UH (IH). apresentando altíssima resistência. Qualquer mecanismo que provoque um aumento interno de corrente pode disparar a estrutura de 4 camadas. Neste estado o tiristor comporta-se como um diodo. este permanecerá bloqueado pois nenhum dos transistores estará em condução. Enviando um curto impulso de tensão entre a GATE e o CÁTODO o transistor T1 receberá na sua base uma corrente que será amplificada β vezes no coletor. ele continua em condução mesmo que corrente de gate seja removida. Antonio Samuel Neto 40 . Esta corrente de coletor colocará o transistor T2 em condução. dentre eles temos: · · · · Aumento de temperatura Incidencia de radiação luminosa (LASCR) Taxa de variação de tensão (dv/dt) Injeção de corrente O tiristor pode mudar de estado de condução com aplicação de um pulso de corrente na porta (gate) quando a tensão vak for positiva. somente voltando a cortar quando a tensão (corrente) de anodo cair abaixo de um valor chamado de tensão (corrente) de manutenção. Se a tensão reversa aumentar além da da tensão de breakdown (UBK ). com IG = 0 : Bloqueio Reverso: O anodo é negativo em relação ao catodo. REGIÕES DE OPERAÇÃO Um SCR é basicamente um diodo de 4 camadas unilateral no qual foi colocado um terceiro eletrodo chamado de gate (G) ou porta usado para controlar o disparo do diodo por injeção de corrente. Antonio Samuel Neto 41 . nessas condições o SCR se comporta exatamente como um diodo comum. o SCR será destruído pelo efeito avalanche.Eletrônica de Potência De notar que se o SCR estiver inversamente polarizado. consideradas a seguir. não entrará em condução de forma alguma pois a corrente não poderá contrariar o sentido das correntes dos transistores. O SCR tem três regiões de operação. Profº. 5mA enquanto o TIC116 tem IH @ 15mA. Se adicionarmos um terceiro eletrodo. mas a tensão não é suficiente para disparar o SCR. poderemos injetar corrente nesse eletrodo disparando a estrutura de 4 camadas para valores de tensão menores do que UBO. Condução (Disparo): Quando a tensão de anodo atingir o valor UBO.5V a 1. UH (IH) cujo valor depende do tipo de SCR (Por exemplo o TIC106 tem IH@ 0. Se UA for menor do que UBO o SCR continuará cortado.5V a 2V). um diodo de 4 camadas pode ser representado por dois transistores ligados com realimentação de um para o outro. o SCR dispara. A tensão de anodo cai para um valor baixo ( 0.Eletrônica de Potência Bloqueio Direto: O anodo é positivo em relação ao catodo. Para disparar o SCR com o gate aberto (IG = 0 ) é necessário que a tensão de anodo atinja um valor chamado de tensão de breakover (UBO ). Antonio Samuel Neto 42 . o SCR passa da condição de alta resistência para baixa resistência. a corrente de anodo passa bruscamente de zero para um valor determinado pela resistência em série com o SCR. O SCR só volta a cortar quando a tensão (corrente) cair abaixo de um valor chamado de tensão (corrente) de manutenção. a porta. Na realidade quanto maior for a corrente injetada menor a tensão de anodo Profº. Fig6: SCR polarizado diretamente após o disparo Após disparar. isto é.5V ). Como vimos anteriormente. A tensão no SCR cai para um valor baixo (0. será possível disparar o SCR com tensões de anodo bem menores do que UBO.200V MCR 106 –4 – 200V TIC 106 C .300V MCR 106 – 5 . Os valores de corrente também devem ser conhecidos.100V TIC 106 B . Profº. menor a tensão de anodo necessária para disparar o SCR. Após o disparo o gate perde o controle o sobre o SCR. tipicamente é da mesma ordem de VDRM. daí o nome de Diodo controlado para esse dispositivo. A tensão máxima que pode ser aplicada entre anodo e catodo no sentido direto com IG = 0 como vimos é chamada de UBO. isto é. Quanto maior a corrente de porta injetada. é a máxima corrente que o SCR pode manipular e pode ser especificada em termos de valor continuo ou eficaz (RMS) e depende da temperatura e do ângulo de condução (qF). O SCR só volta ao corte quando a corrente de anodo cair abaixo da corrente de manutenção. após o disparo o gate pode ser aberto ou curto circuitado ao catodo que o SCR continua conduzindo. Antonio Samuel Neto 43 . é designada por VRRM.60V TIC 106 A .100V MCR 106-3 .30V MCR 106-1 . Se for injetado uma corrente na porta (gate).Eletrônica de Potência necessária para disparar a estrutura de 4 camadas. IT.50V MCR 106-2 . mas muitas vezes é designada de VDRM esta informação muitas vezes vem codificada no corpo do SCR. A corrente de gate necessária para disparar o SCR é designada IGT e pode ser da ordem de mA no caso do TIC 106.300V TIC 106 D – 400V MCR 106 – 6 . Por exempo. por exemplo : TIC 106 Y . dai o nome diodo controlado.30V TIC 106 F . o TIC 106 pode conduzir uma corrente continua de até 5A.400V Outra informação importante é a máxima tensão reversa que pode ser aplicada sem que ocorra breakdown. O impulso na gate (ou porta) controla o período de condução do tirístor. quando a tensão ânodo – cátodo está a zero (daí disparo a tensão nula). limitada apenas pela resistência de carga. Se na porta se aplicarem impulsos positivos de corrente que coincidam com o início de cada semicíclo positivo. conforme se vê no gráfico. IL é a corrente mínima necessária que se estabelece no circuito no instante que o SCR vai passar de bloqueado a condutor. não passe ao estado de bloqueio. Só quando alcança um determinado valor de VD é que o SCR entra em condução e observamos então que circula uma corrente ID elevada. estando em condução. Assim vamos analisar a característica U/I do SCR dividida em duas: CARACTERÍSTICA DIRETA VAK ≥ 0 V CARACTERÍSTICA INVERSA VAK < 0 V Com o interruptor do circuito da gate aberto.Eletrônica de Potência CARACTERÍSTICA TENSÃO . Esta corrente é normalmente superior a IH. Ao valor da tensão que colocou o SCR em condução sem necessitar de impulso de gate chama-se TENSÃO DE RUPTURA NO SENTIDO DIRECTO e designa-se por VBO Podemos ainda observar que para um grande aumento de ID o valor de VD aumenta ligeiramente. A tensão aos terminais do SCR cai para valores muito baixos. MÉTODOS DE CONTROLE DE POTÊNCIA ENTREGUE À CARGA Disparo síncrono ou disparo a tensão nula O disparo do tiristor produz-se neste sistema de controle de potência entregue à carga. ID. relação ao cátodo e na porta (ou gate) se aplica um impulso positivo de corrente. a corrente ID mantém-se praticamente constante. designadas por VD. chamada corrente de fugas. para baixas tensões ânodo-cátodo. o SCR conduz apenas uma pequena corrente. RS. O SCR tanto pode estar diretamente como inversamente polarizado. mantendo-se baixo (cerca de 1.4 V). o tirístor conduzirá todos os semicíclos positivos Profº.CORRENTE A característica U/I de um SCR traça-se dando valores de tensão entre o ânodo e o cátodo e registrando a evolução dos valores da corrente que atravessam o SCR. A carga e o tirístor estão ligados em série com a alimentação da corrente alternada e só pode passar corrente na carga durante os semicíclos em que o ânodo é positivo em. verifica-se que. Antonio Samuel Neto 44 . sendo o seu comportamento completamente distinto numa e noutra situação. IH é a mínima corrente necessária que deve circular no SCR para que este. Continuando a aumentar o valor de VF. Carga CA Como foi visto anteriormente. Disparo por CC . Quando o disparo é por corrente contínua (CC) mas a carga é CA. quando o disparo é em CC com carga CC . Antonio Samuel Neto 45 . O ângulo a para o qual se inicia a condução designa-se por ângulo de disparo.Eletrônica de Potência Controlo de fase Enquanto que no disparo síncrono os impulsos de corrente aplicados na porta coincidem com o início de todos ou de alguns dos semicíclos positivos. no controlo de fase os impulsos da corrente de disparo têm lugar dentro de cada semiciclo positivo da tensão de alimentação. enquanto o ângulo q durante o qual o tirístor se encontra à condução denomina-se de ângulo de condução. para manter o SCR conduzindo é necessário Profº. é necessário circuito de reset para cortar o SCR. ao mesmo tempo não é necessário manter corrente no gate. ao fechar a chave o SCR só disparará se a tensão de anodo for positiva. chamado de ângulo de disparo. que consideraremos desprezível face à tensão de pico da rede.A figura (b) a seguir mostra as principais formas de onda. Para evitar isso é que existem circuitos que só disparam o SCR quando a tensão da rede for próxima de zero. Se a carga for resistiva podem ocorrer picos de corrente excessivamente altos os quais podem destruir o SCR e/ou a carga. A partir desse instante toda a tensão da rede cairá sobre a carga e a tensão no SCR será de aproximadamente 1V. UH. O controle de disparo é feito controlando-se o instante (ou o ângulo de disparo) em que o SCR é gatilhado no semi-ciclo positivo. Disparo CA . pois se o sinal de gate for retirado. Para melhor compreensão vamos supor que o SCR da figura abaixo entra em condução no instante que a tensão de entrada estiver passando por um angulo de fase qF.Carga CA . Profº. (a) (b) No circuito da figura (a) podemos observar que. A figura (a) abaixo mostra um circuito com disparo CC e carga CA e a figura (b) a forma de onda na carga quando a chave CH é fechada num instante t1 e aberta em t2. VM. o SCR cortará quando a tensão de anodo passar por zero.Eletrônica de Potência manter sinal no gate. A condução começa nesse ponto e termina quando a tensão de anodo cair abaixo da tensão de manutenção.Retificador Controlado Meia Onda No disparo por CA a alimentação de anodo e de gate é obtida da mesma fonte senoidal. Antonio Samuel Neto 46 . chamados de ZVS ( Zero Voltage Switch ). Eletrônica de Potência (a) (b) A tensão na carga tem um valor médio (V DC) e um valor eficaz (V RMS) que podem ser calculados usando o calculo diferencial e integral. Profº. Antonio Samuel Neto 47 . Por exemplo se qF = 0º resulta VDC= e a forma de onda corresponde à forma de onda de um retificador meia onda com diodo comum. Através do cálculo diferencial e integral pode-se demonstrar que a tensão média (contínua ) na carga é calculada por : VDC = = tensão média (contínua ) na carga Fica como exercício para o aluno a demonstração. Obs: A tensão média é a tensão que será medida por um voltímetro CC. 25W EXERCÍCIOS RESOLVIDOS Exemplo 1 Determine os etapas de operação. bem como as principais formas de ondas do circuito.37A .Eletrônica de Potência Se qF = 180º resulta VDC = 0. Antonio Samuel Neto 48 . Calcular : a) Tensão e corrente contínua na carga b) Potência dissipada na carga Dados : ve =110. Solução: a) cos60º = 0. = 75V = 56. Se qF = 180º VRMS = 0 Obs: A tensão eficaz está relacionada à potência dissipada na carga Exercício Resolvido Considere que no circuito da figura (a) acima o ângulo de disparo é 60º e que RL=100W. senwt(V IDC = 37V/100W =0. Por cálculo integral também obtém-se a expressão que dá a tem eficaz (VEF ou VRMS) na carga: VRMS = = tensão eficaz na carga Por exemplo se qF = 0º que é igual ao mesmo valor da tensão VRMS = do retificador de meia onda.5 logo = PD = = VM =110. senwt(V) qF = 60º. isto é . Profº. não existe tensão na carga. Etapa 1 . Baixo: Pulsos para gerar a corrente de gate do Tiristor 2.pl4. torna-se positiva. Como possivelmente essa hipótese poderá ser violada. Antonio Samuel Neto 49 .000 -0. Tensão da fonte (azul).750 -2.00E+00 Vamos assumir inicialmente quer o circuito apresente um comportamento periódico e que a corrente no indutor em wt = a seja nula.500 0 5 10 15 20 25 30 [ms] 35 (file Circuito_com_SCR.875 0. Pulso 1(vermelho).750 0.00E+00 0. Topo: Tensão da Rede. Esta etapa finaliza em wt=a com a entrada em condução de T1.01 offsets: 0. O circuito equivalente é mostrado na Figura abaixo. vamos chamar desse modo de operação de MODO 1.625 -3. Em wt = 0 a tensão sobre o tiristor T1.500 2. apresenta duas etapas de operação dependendo do estado de condução dos tiristores. Profº.00E+00 0.625 1.00E+00 0. vak1.Eletrônica de Potência No circuito v =V sin(wt) e os pulsos de corrente de gate para is tiristores T1 e T2 estão em sincronismos com a rede como mostrado na figura abaixo. x-var t) t: SCR1 t: SCR2 v:V factors: 1 1 1 0.875 -1. Duração 0 <wt< a. Meio: Pulsos para gerar a corrente de gate do Tiristor 1. Logo o circuito. Entretanto como não há pulso de corrente no gate o tiristor opera com um circuito aberto. no Modo 1. Pulso 2(verde) 3. vak1.Eletrônica de Potência Etapa 2 . é positiva e este recebe um pulos de corrente no gate. Em wt = a a tensão sobre o tiristor T1. Duração a <wt< q1. Antonio Samuel Neto 50 . entrando assim em condução. Profº. O circuito equivalente é mostrado na Figura abaixo. Eletrônica de Potência Profº. Antonio Samuel Neto 51 . aqui denominado de Modo 2 de operação. Neste caso. Profº. Antonio Samuel Neto 52 . o circuito passa a operar em um outro modo de operação.Eletrônica de Potência Note que se q'1 for maior que 180º a hipótese inicial que a corrente no indutor é nula em wt = a não é mais válida. L = 100mH. e d = 0. w=377 rad/s. Antonio Samuel Neto 53 . (a) Tensão da rede. e corrente na carga (A). (b) Tensão na Carga / 10 . e corrente de carga. v/10. V=311 V. R =10 W.265 Profº. (c) Tensão sobre diodo vak /10 e corrente no diodo.Eletrônica de Potência Formas de onda do gradador. Antonio Samuel Neto 54 .Eletrônica de Potência RESUMO Profº. Em polarização reversa. · Condução Queda de tensão de 1 a 3V (depende da tensão de bloqueio). Uma vez conduzindo. · Bloqueio O tiristor não pode ser desligado pelo gatilho (conduz como um diodo). Exemplo Profº. Antonio Samuel Neto 55 . a corrente de gatilho pode ser removida.Eletrônica de Potência · Disparo O tiristor é ligado por aplicação de corrente de gatilho positiva. apenas uma corrente desprezível flui no tiristor. ele pode ligar. ela se torna zero imediatamente. Profº. Antonio Samuel Neto 56 . · Tiristores ativados por luz Ligados por um pulso de luz guiado por fibra óptica. tensões de bloqueio de até 2. · Tiristores para inversor Correntes de até 1.5kA. Tempo t q : passagem por zero da corrente até a passagem por zero da tensão. Queda de tensão de 2V e potência do circuito de gatilho de 5mW.5kV. Se uma tensão direta é aplicada ao tiristor durante t q . Correntes de até 4kA.5V (dispositivo de 1kV) a 3V (dispositivo de 7kV). Tempo t q de até 100ms (depende da tensão de bloqueio e da queda de tensão).Eletrônica de Potência · Tiristor ideal Quando a corrente no tiristor tenta reverter. Queda de tensão de 1. Tipos de tiristores · Tiristores para controle de fase. · Tiristor real A corrente no tiristor reverte antes de se tornar zero. tensões de bloqueio de até 7kV. tensões de bloqueio de até 4kV. Correntes de até 3kA. Nenhuma corrente circula pelo gate. as principais diferenças estão no tamanho da pastilha de material semicondutor de silício e no processo de fabricação. Como o dispositivo praticamente não têm resistência ao conduzir. solenoides e outras cargas de alta potência. as perdas durante o chaveamento podem sem bem pequenas.Eletrônica de Potência MOSFET Power FETs ou Power MOSFETS são FETs especiais projetados para conduzir altas correntes sob regime de altas tensões. Na figura abaixo temos os símbolos adotados para representar os dois principais tipos de MOSFETs de potência assim como os aspectos. variando de cerca de dezenas de nanossegundos até centenas de nanossegundos. Esse fato permite que ele controle correntes muito intensas praticamente sem dissipar calor. dependendo do dispositivo. O tempo de mudança de estados são muito rápidos. Esses FETs são encontrados em muitas aplicações modernas no controle de motores. exceto durante bloqueio ou disparo · Tempos de chaveamento típico na faixa de dezenas de ns: baixas perdas · A resistência de condução cresce com a tensão de bloqueio o o BVDSS 2. como indicado na curva característica i – v apresentada acima. MOSFETs de potência comuns podem controlar correntes de dezenas e até centenas de ampères dissipando um mínimo de calor. O MOSFET é um dispositivo controlado pela tensão. Profº. VGS(th). A seguir apresnetamos as principais características dos MOSFET · Dispositivo controlado por tensão · Aplicação contínua de sinal de gatilho para se manter conduzindo · Corrente de gatilho nula. exceto durante a transição d condição de ligado para desligado ou vice-versa quado as capacitâncias estão carregadas ou descarregadas. Antonio Samuel Neto 57 . Devido a rápida velocidade de chaveamento.2. a quantidade de calor que ele dissipa é mínima. 5 . quando conduzindo eles apresentam uma resistência extremamente baixa entre o dreno e a fonte (chamada Rds). O dispositivo é totalmente ligado e se aproxima de uma chave fechada quando a tensão gate-fonte é menor que o valor de referência. Assim. A estrutura e o princípio de funcionamento do mosfet de potência é a mesma dos MOSTFETs comuns exceto pela sua alta capacidade de controle. 7 rDS ( on ) = kBVDSS onde k é uma constante que depende da geometria do dispositivo. A principal vantagem encontrada no emprego dos MOSFETs em muitas aplicações está no fato de que. O MOSFET necessita uma aplicação contínua de uma tensão gate-fonte em um valor apropriado para manter o dispositivo ligado. o MOSFET entra em condução. e quando em estado bloqueado. (a) Símbolo e (b) Característica ideal de um MOSFET. A característica estática de um MOSFET ideal é mostrada na figura abaixo.Eletrônica de Potência · · · MOSFETs de 300-400V competem com BJTs se a freqüência de chaveamento for superior a 30kHz Disponíveis para 1000V (baixa corrente) ou até 100A (baixa tensão) Coeficiente de temperatura da resistência de condução positivo MOSFETS (METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FET) TIPO DEPLEÇÃO O MOFET. Um MOSFET pode ser de dois tipos: depleção ou crescimento. suporta somente tensões positivas. a junção que caracteriza aquele. caminho que liga o source ao dreno. não tendo. Apenas as polaridades são invertidas bem como o sentido das correntes. Um transistor MOSFET (FET com gate a metal-óxido-semicondutor) é parecido com um JFET. O substrato é geralmente ligado ao source de modo a polarizar a junção drenosubstrato reversamente. ou seja. razão de seu nome. é um semicondutor totalmente controlado. Com a remoção da tensão vGS o MOSFET volta ao estado bloqueado. id>0 e vDS>0. O MOSFET pode conduzir corrente somente em uma direção. Antonio Samuel Neto 58 . é constituído de cristal tipo N. Quando uma tensão adequada é aplicada entre os termais da porta e fonte. porém seu terminal de gate é isolado do semicondutor por um óxido. Ele recebe este nome porque o canal. Assim explicaremos apenas o funcionamento para o transistor canal N. como os BJT. uma vez que a tensão no dreno é positiva em relação ao source. vGS. Observe que fazendo Profº. O funcionamento é o mesmo para os dois transistores. tanto de canal N como de canal P. A figura abaixo mostra a estrutura e o símbolo de um MOSFET tipo depleção. portanto. independentemente do canal. Antonio Samuel Neto 59 . diminuindo sua condutividade. Profº. no entanto. Repare que ela é muito parecida com as de um JFET. maior é a condutividade do canal e. Quanto maior a tensão aplicada ao gate. devido ao óxido (que é um isolante) a resistência da gate de um MOSFET é ainda maior do que a de um JFET. Isso significa que quando polarizado reversamente (dreno negativo em relação ao source) o MOSFET conduz. aumentando sua condutividade. da mesma forma que para um JFET. A figura abaixo mostra as curvas características de um MOSFET tipo depleção canal N. Assim foi desenvolvido um segundo tipo de MOSFET. Se fizermos isso. menor a resistência drenosource. com a diferença de que. Se aumentarmos a tensão no gate. chega um ponto em que todo o canal foi extinto e o transistor deixa de conduzir. sendo sua corrente de gate perfeitamente desprezível. podendo. chamado de tipo crescimento. um diodo. trabalhar com Vgs positivo. é criado um campo elétrico no gate. Aliás todo o comportamento descrito até aqui é similar ao de um JFET. elétrons serão atraídos para o canal. Entretanto. conectado reversamente entre dreno e source. portanto. Supondo o MOSFET canal N polarizado diretamente (dreno positivo em relação ao source). A figura abaixo mostra a estrutura e o símbolo para um MOSFET tipo crescimento tanto para um canal N como para um canal P. tensões positivas podem ser aplicadas ao gate em relação ao source. que repele os elétrons do canal. se aplicarmos uma tensão negativa no gate em relação ao source. já que não existe mais a junção do gate. diferentemente de um JFET. ou seja. Esta tensão é chamada de Vp (tensão de pinch-off). devido a complementaridade do funcionamento. já que o sinal em seu gate teria de ter valores positivos e negativos. Novamente. MOSFET TIPO CRESCIMENTO O fato do MOSFET tipo depleção conduzir com Vgs=0 (sem tensão entre gatesource) é indesejável quando se deseja que o mesmo trabalhe como uma chave.Eletrônica de Potência isso temos uma junção. explicações serão dadas apenas para o MOSFET canal N. aumentando a resistência dreno-source. e aplicarmos uma tensão nula para que ele entre no corte. normalmente é aplicada uma tensão Vgs negativa para levá-lo a não condução. A partir deste valor. e a necessidade de um maior cuidado em seu manuseio. elétrons são atraídos para a região próxima ao gate.Eletrônica de Potência Primeiramente notamos que o canal agora não mais é formado por um cristal N. se nenhuma tensão ou se uma tensão negativa é aplicada ao gate em relação ao source. Antonio Samuel Neto 60 . Este comportamento é mostrado na figura a seguir. mas sim por um acumulo de elétrons dentro do próprio substrato P. enquanto esta tensão não for maior que um determinado valor. devido a sua maior velocidade. chamado de tensão de limiar (Vt. já existem hoje famílias de dispositivos com baixa resistência de condução e bem mais resistentes ao rompimento de seu óxido. ou seja. o canal ainda não consegue ligar o cristal N do dreno ao cristal N do source e o MOSFET não conduz. tensão de threshold). pois facilmente a sua camada de óxido pode se romper. a resistência dreno-source é muito alta. Profº. MOSFETS de potência são geralmente do tipo crescimento e canal N. Aliás. o MOSFET não conduz. As principais desvantagens dos MOSFETS são sua resistência quando em condução. Entretanto. o canal já está formado e apenas aumenta a medida que Vgs aumenta. Para que um MOSFET trabalhe como uma chave. basta aplicarmos uma tensão suficientemente alta entre gate e source. isto é. para apressar a descarga de sua capacitância de gate e. Porém. Se aplicarmos agora uma tensão positiva no gate em relação ao source. quando desejarmos que ele conduza. portanto. maior que a dos transistores bipolares e dos tiristores. acelerar seu desligamento. Entretanto. a rapidez dos MOSFETs é sua principal vantagem em relação aos outros componentes. O nome crescimento vem do fato do canal sempre crescer a medida que polarizamos seu gate. não há a formação do canal e a resistência drenosource é muito grande. diminuindo cada vez mais a resistência dreno-source. Assim. dando início à formação da canal. a princípio. o circuito básico para acionamento de um MOSFET é mostrado na figura abaixo. não necessitam de corrente em seus gates. Quando isso não ocorre. EXERCÍCIOS RESOLVIDOS Exemplo 3 determine as etapas de operação. Porém. A tensão Ve pode apresentar uma tensão negativa em lugar de uma tensão nula para que mais rapidamente o MOSFET deixe de conduzir. Antonio Samuel Neto 61 . assumindo que: Profº. O resistor R1 tem a função de limitar a corrente no gate e seu valor é normalmente pequeno (algumas dezenas de ohm) para que a constante de tempo de carga e descarga da capacitância de gate seja pequena. inicialmente uma corrente deve ser fornecida de modo a carregar esta capacitância (para entrar em condução) ou descarregá-la (para deixar de conduzir). devido a capacitância entre o terminal de gate e o semicondutor. normalmente é colocado um diodo em paralelo com R1 para acelerar a descarga da capacitância de gate.Eletrônica de Potência MOSFETs. bem como as principais formas de ondas do circuito. Assim. o MOSFET conduz e o diodo é bloqueado. e esta etapa será chamada de Etapa 1.Eletrônica de Potência O objetivo desse exemplo é determinar quais as restrições que devem ser satisfeitas para o circuito opere como as hipóteses realizadas. uma vez que vin >0. quando vgs =10 V. vgs . Profº. Ainda. Antonio Samuel Neto 62 . É razoável assumir que o circuito apresente uma freqüência de operação constante devido a natureza da tensão de gate-source. O circuito equivalente é o mostrado abaixo. Eletrônica de Potência Profº. Antonio Samuel Neto 63 . Eletrônica de Potência Profº. Antonio Samuel Neto 64 . Antonio Samuel Neto 65 .Eletrônica de Potência Profº. Antonio Samuel Neto 66 .Eletrônica de Potência Profº. Antonio Samuel Neto 67 .Eletrônica de Potência Profº. de forma que toda a junção gate-catodo pode ser reversamente polarizada durante a transição de bloqueio. o que exige circuitos especiais de desligamento em certos casos. é similar ao SCR.Eletrônica de Potência GTO O símbolo e as características i – v em regime permanente para o GTO são mostrados na figura abaixo. Antonio Samuel Neto 68 . Todos os tiristores só se desligam quando a corrente cai abaixo da corrente de manutenção. causando assim um fluxo considerável de corrente negativa ao gate. o GTO pode ser desligado aplicando uma tensão negativa entre o gate-catodo. O GTO permite ser desligado por impulso negativo de alta corrente na gate. se aplicarmos um impulso negativo na gate o tirístor deixa de conduzir. o que exige em certos casos circuitos especiais para desligar. o GTO pode ser ligado por um pulso de corrente ao gate de curta duração. em geral produzido através da descarga de um condensadorEstruturalmente. Assim como o tiristor. Entretanto. mas a dopagem e a geometria da camada do gate permite minimizar o sobre-aquecimento durante o desligamento (o que destruiria um SCR). O GTO permite o desligamento pelo gate. mas tem que tem que ter uma grande magnitude. é um dispositivo moderno que pode ser desligado pelo gate. O contato de gate e do catodo são interdigitados. O GTO. daí o nome (Gate Turn Off. Profº. Gate Turn Off Thyristors. Todos os tirístores só se desligam quando a corrente cai abaixo da corrente mínima de manutenção (IH). diferente do tiristor. O ganho de desligamento do GTO é a razão entre a corrente negativa de gate e a corrente necessária para levar o dispositivo ao bloqueio. Valores típicos de ganho são de 2 a 5. o GTO pode ficar sem nenhuma corrente ao gate. Esta corrente negativa ao gate necessita circular apenas por uns poucos microssegundos. e uma vez ligado. A figura abaixo mostra formas de onda típicas de um GTO. Isto significa que várias centenas de ampares de corrente de gate negativa são necessários para bloquear um GTO de 1000 A. por pulso negativo de alta corrente. O desligamento é feito em geral através de descarga de um capacitor. Se aplicarmos um impulso positivo na gate o tirístor conduz. desligamento pelo gate). não podem desligar correntes indutivas sem um circuito snubber Profº. o sinal de disparo pode ser retirado · Pode ser desligado pela aplicação de tensão gatilho-catodo negativa · Corrente negativa necessária dura poucos ms. mas deve ter alto valor · Capacidade de bloqueio de tensão reversa · Devido à baixa suportabilidade a dv/dt. Antonio Samuel Neto 69 .Eletrônica de Potência A seguir apresentamos as principais características dos GTO: · Gatilho por pulso de corrente de curta duração · Uma vez conduzindo. O IGBT possui baixa resistência de condução. tensões nominais de até 4. Antonio Samuel Neto 70 . como um transistor bipolar.Eletrônica de Potência · Queda de tensão típica sob condução 2 a 3V · Tempo de chaveamento típico 25ms · Correntes nominais de poucos kA. Possui alta velocidade e facilidade de acionamento.5kV · Altas tensões e grandes correntes em freqüências de até 10kHz IGBT O símbolo e as características i – v para o IGBT são apresentadas a seguir: Um IGBT (transistor bipolar de gate isolado) é um componente que junta as principais vantagens de um transistor bipolar. um MOSFET e um tiristor. como um Profº. Quando uma tensão adequada é aplicada entre os termais da porta e fonte. Com a remoção da tensão vge o IGBT volta ao estado bloqueado. O IGBT tem alta impedância de gate. suporta somente tensões positivas. que permite a construção de IGBTs de alta tensão de bloqueio apresentar queda de tensão direta aceitáveis. O IGBT funciona como um MOSFET de canal n conectado a um transistor pnp. o IGBT entra em condução. E pode suportar grandes tensões reversas. a qual requer apenas uma pequena quantidade de energia para chavear o dispositivo. e quando em estado bloqueado. que são muito menor do que as de MOSFETs com a mesma área do semicondutor. Quando o IGBT conduz a junção pn. Pode-se notar que o IGBT é muito parecido com o MOSFET com relação ao tipo construtivo. ou seja id>0 e vce>0.é polarizada diretamente e portadores minoritários são injetados na região n.quando o dispositivo opera na região de condução. Antonio Samuel Neto 71 . Isto reduz a resistência ON da região n-. Em 1999 IGBTs de 600 V a 3300V eram disponíveis com quedas diretas entre 2 a 4 V.Eletrônica de Potência MOSFET. O IGBT pode conduzir corrente somente em uma direção. vge. O IGBT é um dispositivo semicondutor moderno de quatro camadas de gate isolado. Profº. A diferença fundamental é a região p conectada ao coletor do IGBT. A função da camada p é de injetar portadores minoritários na região n. A característica estática ideal de um IGBT é semelhante à de um MOSFET. como um tiristor.e a resistência é reduzida pelo efeito de modulação de condutividade. Eletrônica de Potência O preço pago por reduzir a tensão do IGBT é o aumento dos tempos de comutação, especialmente os tempos de desligamentos. Os IGBT tem um tempo de condução e de bloqueio da ordem de 1 ms e estão disponíveis em módulos tão grande quanto 1700V 1200A. As tensões nominasi de projeto são 2 – 3 kV. As principais característica do IGBT são: · Disparo por sinal de tensão · Devido à alta impedância, requer pouca energia no circuito de disparo · Baixa queda de tensão sob condução: 2V em um dispositivo de 1000V · Pode bloquear tensões negativas · t on e t off da ordem de 1ms · Correntes de 1200A, tensões de bloqueio de até 3kV Profº. Antonio Samuel Neto 72 Eletrônica de Potência COMPARAÇÃO ENTRE CHAVES CONTROLADAS Dispositivo Potência BJT Média MOSFET Baixa GTO Alta IGBT Média Velocidade de chaveamento Média Rápida Lenta Média CARACTERÍSTICAS DOS DISPOSITIVOS · Tensão e resistência de condução definem as perdas de condução · Tempos de chaveamento definem as perdas de chaveamento e a máxima freqüência de operação possível · Tensões e correntes nominais determinam a máxima potência da chave · Potência do circuito de disparo/bloqueio determina a facilidade de controle · Coeficiente de temperatura da resistência de condução determina a facilidade de conectar as chaves em paralelo · Custo do dispositivo é um fator em sua seleção COMBINAÇÃO TÍPICA DE SEMICONDUTORES As combinações típicas de semicondutores encontrados em conversores estáticos são: Tiristores em antiparalelo Tiristores com diodo em Antiparalelo BJT com Diodo em Antiparalelo MOSFET com Diodo em Antiparalelo IGBT com Diodo em Antiparalelo IGBT com Diodo Serie Profº. Antonio Samuel Neto 73 Eletrônica de Potência EXERCÍCIOS RESOLVIDOS Exemplo 4 O circuito da Figura 0.34 é um conversor CC-CC que se caracteriza por operar com freqüência de comutação variável. Este conversor apresenta como vantagem a comutação em entrada em condução e bloqueio do IGBT com corrente nula. Aqui este conversor será utilizado para exemplificar a solução de circuitos comutados de segunda ordem. As seguintes hipóteses são assumidas para a análise do circuito: Profº. Antonio Samuel Neto 74 Eletrônica de Potência Profº. Antonio Samuel Neto 75 Eletrônica de Potência Profº. Antonio Samuel Neto 76 . Antonio Samuel Neto 77 .Eletrônica de Potência Profº. Antonio Samuel Neto 78 .Eletrônica de Potência Profº. Antonio Samuel Neto 79 .Eletrônica de Potência Profº. Antonio Samuel Neto 80 .Eletrônica de Potência Profº. Eletrônica de Potência Profº. Antonio Samuel Neto 81 .