Introdução aos Conversores CA-CC Semicondutores de Potência (diodos e tiristores)

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1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Eletrônica Eletrônica de Potência Introdução aos Conversores CA-CC Semicondutores de Potência (diodos e tiristores) Florianópolis, outubro de Prof. Clóvis Antônio Petry.

2 Parte 1 Introdução aos conversores CA-CC v f + V out + 0 t 0 t + v f + V out +

3 Bibliografia para esta parte aula Capítulo 5: Retificadores monofásicos não-controlados 1. Introdução.

4 Nesta parte da aula Conversores CA-CC: 1. Revisão de alguns conceitos importantes; 2. Características gerais e aplicações; 3. Semicondutores aplicados a conversores CA-CC.

5 Parte 1 Introdução a CA-CC Fonte de tensão: Uma fonte de tensão ideal fornece na sua saída uma tensão que independe da carga, ou seja, da corrente solicitada da fonte. 12 V RL Fonte de tensão ideal Rs 12 V RL Fonte de tensão real

6 Revisão sobre fontes Fonte de corrente: Uma fonte de corrente ideal fornece na sua saída uma corrente que independe da tensão nos seus terminais e da carga na saída da mesma. 5 A RL Fonte de corrente ideal 5 A Rs RL Fonte de corrente real

7 Revisão sobre fontes Lembrando que: O que é permitido:

8 Revisão sobre fontes O que é não é permitido:

9 Revisão sobre fator de potência Potência média a partir da potência aparente: P P ( ) = V I cos θ S = S cos θ = V I ( ) ( watts, W) Fator de potência: FP ( θ ) = cos = P S P FP = cos ( 0) = = 1 S

10 Revisão sobre fator de potência Potência média: Resistores Vm I m 2 P V I I R = = = = 2 V R 2 ( watts, W) Energia num resistor: WR W WR = P t ( ) = V I T1 joules, J R V I = f 1 ( joules, J)

11 Revisão sobre fator de potência Potência reativa: Indutores Q Q = V I sen θ = S sen θ ( ) ( volt-ampère reativo, VAr ) S = V I ( ) ( volt-ampère reativo, VAr ) Considerando que (apenas para indutores puros): θ = 90 o QL = S 2 QL = I XL ( volt-ampère reativo, VAr ) Q L = V X 2 L

12 Revisão sobre fator de potência Indutores Fator de potência: FP ( θ ) = cos = P S FP = P 0 cos ( 90) = 0 S = S =

13 Revisão sobre fator de potência Potência reativa: Capacitores Q Q = V I sen θ = S sen θ ( ) ( volt-ampère reativo, VAr ) S = V I ( ) ( volt-ampère reativo, VAr ) Considerando que (apenas para capacitores puros): θ = 90 o QC = S 2 QC = I XC ( volt-ampère reativo, VAr ) Q C = V X 2 C

14 Revisão sobre fator de potência Capacitores Fator de potência: FP ( θ ) = cos = P S FP = P 0 cos ( 90) = 0 S = S =

15 Revisão sobre fator de potência

16 Revisão sobre fator de potência

17 Divisão da eletrônica de potência E ( v,f ) 1 Retificador 1 1 Conversor CC-CC Conversor indireto de tensão Conversor indireto de freqüência E ( v,f ) 2 Inversor 2 2

18 Conversores CA-CC Conversores CA-CC: Denominados de retificadores: convertem a tensão alternada da rede de energia elétrica em uma tensão contínua; Podem ser monofásicos, trifásicos ou n-fásicos; Unidirecionais ou bidirecionais; Controlados ou não-controlados; Com ou sem correção de fator de potência; Podem ser isolados ou não-isolados; Um pulso ou múltiplos pulsos.

19 Conversores CA-CC Princípio geral v f + V out + 0 t 0 t + v f + V out +

20 Conversores CA-CC Número de fases Monofásico Trifásico

21 Conversores CA-CC Direcionalidade Energia Unidirecional Energia Bidirecional vds T S 1 Re tificador S 3 + S 5 L o S 7 C o i o + v i S 2 S 4 v r S 6 a S 8 b i Lo v o Inversor

22 Conversores CA-CC Controle Não-controlado Controlado

23 Conversores CA-CC Fator de potência Sem correção Com correção

24 Conversores CA-CC Isolamento Isolado Não-isolado

25 Conversores CA-CC Número de pulsos 2 pulsos 12 pulsos

26 Aplicações dos retificadores Algumas aplicações: Processos eletroquímicos, tais como: anodização, produção de gases, refinamento de metais, eletrodeposição, etc.; Soldagem elétrica; Acionamentos a velocidade ajustável; Sistemas HVDC; Fontes de uso geral e ininterruptas; Interfaceamento de sistemas de energia alternativa com a rede de energia elétrica; Reatores eletrônicos e todos os outros circuitos que utilizam processamento indireto de energia. + v ri Retificador Inversor L o C o v dp + ( d, v ) r vri vr vdp

27 Parte 2 Semicondutores de potência (diodos)

28 Bibliografia para esta parte da aula Capítulo 2: Diodos de potência 1. Semicondutores aplicados aos conversores CA-CC (diodos)

29 Quadrantes de condução de semicondutores

30 Semicondutores para eletrônica de potência Semicondutores utilizados em eletrônica de potência:

31 Semicondutores para eletrônica de potência

32 Diodo ideal e real Exemplo: Diodo SKN20/08 V RRM = 800 V; V (TO) = 0,85 V; r T = 11 mω; I Dmed = 20 A; I R = 0,15 ma. Característica estática

33 Diodo ideal e real Demo Demo: Curva de diodos: Diodo zener; Diodo de sinal; Diodo de potência.

34 Comutação Características dinâmicas Bloqueio Circuito para estudo da comutação Primeira etapa de comutação Segunda etapa de comutação

35 Comutação Características dinâmicas Bloqueio

36 Comutação Características dinâmicas Diodos de carbeto de sílicio (silicon carbide): Diminuem acentuadamente o fenômeno da recuperação reversa.

37 Comutação Características dinâmicas

38 Comutação Características dinâmicas

39 Perdas nos diodos Classificação das perdas: 1. Condução; P= V I + r I ( TO) Dmed T Def 2 2. Comutação: Entrada em condução; Simulação Bloqueio. Simulação

40 Características importantes Principais características: 1. Tensão de pico reversa; 2. Queda de tensão direta; 3. Corrente de pico; 4. Corrente média; 5. Corrente eficaz; 6. Tempo de recuperação reversa.

41 Características de diodos comerciais Tipos de diodos de potência: 1. Standard and fast recovery; 2. Ultrafast rectifiers; 3. Ultrasoft rectifers; 4. Silicon carbide (zero recovery).

42 Características de diodos comerciais

43 Características de diodos comerciais

44 Características de diodos comerciais

45 Características de diodos comerciais

46 Teste de diodos Demo Demo: Teste de diodos com multímetro.

47 Parte 3 Semicondutores de potência (tiristores)

48 Parte 3 Semicondutores de potência (tiristores)

49 Bibliografia para esta parte da aula Capítulo 4: Dispositivos tiristores 1. Semicondutores aplicados aos conversores CA-CC (tiristores)

50 Tiristor ideal e real Curvas 1 e 2 sem corrente de gatilho Curvas 1 e 3 com corrente de gatilho Característica estática

51 Funcionamento do tiristor

52 Funcionamento do tiristor Estrutura interna e analogia com BJT

53 Funcionamento do tiristor Curva característica V x I

54 Funcionamento do tiristor Circuitos para auxiliar na proteção de tiristores e evitar disparos intempestivos

55 Curva característica de tiristores Demo Demo: Curva de tiristores: Sem corrente de gatilho; Com corrente de gatilho.

56 Comutação Características dinâmicas Disparo

57 Comutação Características dinâmicas Disparo t on tempo de fechamento; t d tempo de retardo; t r tempo de descida da tensão anodo-catodo. ton = td + tr Influência da corrente de gatilho no tempo de retardo

58 Comutação Características dinâmicas Bloqueio t q tempo de aplicação da tensão reversa para bloquear o tiristor; Para tiristores rápidos é da ordem de 10 µs à 200 µs.

59 Perdas nos tiristores Classificação das perdas: 1. Condução; P= V I + r I ( TO) Tmed T Tef 2 2. Comutação: Entrada em condução; Simulação Bloqueio. Simulação

60 Características importantes Principais características: 1. Tensão de pico reversa; 2. Queda de tensão direta; 3. Corrente de pico; 4. Corrente média; 5. Corrente eficaz; 6. Tempo de recuperação reversa.

61 Características de tiristores comerciais Tipos de tiristores de potência: 1. SCR; 2. Triac; 3. Sidac; 4. Para proteção, etc.

62 Características de tiristores comerciais

63 Características de tiristores comerciais

64 Características de tiristores comerciais

65 Características de tiristores comerciais

66 Acionamento de tiristores

67 Acionamento de tiristores

68 Acionamento de tiristores

69 Teste de tiristores Demo Demo: Teste de tiristores com multímetro.

70 Próxima aula Conversores CA-CC: Dimensionamento e especificação de semicondutores.