ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

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1 SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA: 1. diodo A K 2. irisor - (SCR) silicon conrolled recifier. A K 3. irisor de core comandado (TO) - gae urn off hyrisor. A K E C 4. ransisor bipolar - (TJB). B B C E 5. ransisor de efeio de campo de poência (MOSFET). C D S D S 6. IBT - insulaed gae bipolar ransisor. A E 7. MCT - MOS conrolled hyrisor. K

2 DIODO A K 5000 V, 10000A TIRISTOR A K lenos: 5000V, 5000A, q=100µs rápidos: 2000V, 200A, q=20µs TO A K 4500V, 1000A 9000V, 9000A (módulos) TRANSISTOR BIPOLAR MOSFET IBT D S C E B E C B C E 2000V, 2 a 10A 1000V, 100A 100V, 30A 1000V, 6A 3500V, 300A D S

3 Diodo A K Conduz se a ensão v AK se ornar posiiva. Bloqueia se a correne I F se ornar negaiva Esquema equivalene do diodo em condução Caracerísica ideal Caracerísica real V j R j Poência dissipada: I F I F P F =V F I F =V j I Fav + R j I Fef 2 V AK V AK Resisência érmica do dissipador: T jmax -T a = R h j-a P F

4 Limies de operação: V RRM - ensão inversa máxima de pico repeiivo I FRMS - máximo valor eficaz da correne direca I FAV - máximo valor médio da correne direca I - FRM máximo valor de pico rep. da correne direca I FSM - máximo valor de pico não rep. da correne direca I caracerísica de choque érmico I= id d valor médio da correne direca valor eficaz da correne direca I I ( ) = 1 T i F av F RMS 1 2 D 0 ( ) = T i 0 D d d 0

5 Caracerísica dinâmica i máx rr empo de recuperação inversa; inervalo de empo enre a inversão da correne e a inersecção da angene no início da subida com o eixo Q rr rr Q rr carga de recuperação inversa (C); Carga elécrica removida da junção durane a ransição ON-OFF a I RM a empo de armazenameno; Inervalo desde que se invere aé começar a subir exponencialmene

6 Passagem à condução Passagem à condução I F v AK Carga de capacidade Poência dissipada Passagem ao core Passagem ao core Circuio de proecção para eviar oscilações: Problemas quando a frequência aumena I F v AK com RC

7 Classificação de díodos Schoky Recuperação rápida (fas recovery) Recificadores Von = 0.3 Vmáx < 150V rr baixo (<µs) V máx < kv I máx < ka rr elevado V máx > kv I máx > ka

8 Schoky Máx. ensão de bloqueio Máx. Correne direca valor médio Tensão de condução Correne de fuga no core

9 Recuperação rápida Máx. ensão de bloqueio no core Correne fuga no core Tempo de recuperação

10 Recificadores

11 Díodos em série (reparir ensões inversas) Díodos em série (reparir ensões inversas) Díodos em paralelo (reparir correnes direcas) Díodos em paralelo (reparir correnes direcas) Equalização por disposiivo Selecção de díodos com caracerísicas muio semelhanes Equalização por acomplameno magnéico Só para correnes de ka; processo caro e complexo; mais peso, mais volume. Equalização por resisências Só para correnes mais baixas

12 Tirisor SCR I F bloqueio disparo A K Conduz se v AK for posiivo e se exisir um impulso de correne na gae, de cura Conrolo apenas na passagem a ON + V AK - duração. Bloqueia se a correne I F se anular. A K Caracerísica ideal Caracerísica real Caracerísica real I I F i 1 >i 2 >i 3 i 1 > i 2 > i 3 Semi-conrolado I AK i Transição OFF-ON v K = V KT > 0, i = i T > 0 durane um inervalo de empo mínimo V RRM Transição ON-OFF V AK V AK V DRM DRM inversão de ensão I AK < I H (correne de manuenção)

13 Limies de operação: V RRM - V DRM - ensão inversa máxima de pico repeiivo ensão direca máxima de pico repeiivo com o irisor no core I TRMS - máximo valor eficaz da correne direca I TAV - máximo valor médio da correne direca I TRM - máximo valor de pico rep. da correne direca I TSM - máximo valor de pico não rep. da correne direca I 2 - caracerísica de choque érmico (di/d) max - (dv AK /d) max - máxima axa de crescimeno da correne direca máxima axa de crescimeno da ensão ânodo cáodo I H - correne de manuenção ( holding curren ) (1% I TAV ) I L - correne de lançameno ( laching curren ) (> I H ) d - empo de passagem à condução 0,1µs - 10µs q - empo de passagem ao core 1µs - 110µs

14 Caracerísicas de de ATE V M M máximo máximo valor valor da da ensão ensão gae - gae - cáodo cáodo P M M máximo máximo valor valor da da poência poência na na gae gae P av av máximo máximo valor valor da da poência poência média média na na gae gae I I M M máximo máximo valor valor da da correne correne de de gae gae d - empo de disparo (diminui com o aumeno de energia fornecida à gae ) I I M P M =v K I K v K(MIN) v M v K o impulso de gae Correnes de fuga: I f ITav 10 4 Req off V I RRM f Correnes de lançameno e manuenção: I L 2%I Tav No disparo I T >I L I H V AK Na condução I T >I H

15 Caracerísica dinâmica i A rr q q empo empo de de recuperação recuperaçãoou ou empo empo de de passagem passagemao aocore A I AK + V AK - i K v AK q É necessário assegurar uma ensão negaiva durane um empo superior a q para que o irisor core; caso conrário conduz logo que polarizado direcamene, mesmo sem impulso de gae. Ouras limiações dos irisores Taxa máxima de variação da correne di A / d Taxa máxima de variação da ensão dv AK / d

16 enrada em condução d + r empo de passagem à condução d i T v AK ATENÇÃO a: Poência dissipada di/d máximo r (depende do circuio exerior) passagem ao core r q empo de passagem ao core (depende da emperaura) i T q ATENÇÃO a: Poência dissipada dv AK /d máximo 1µs< q <110µs proecções v AK RC snuber" não deve ser aplicada ensão direca ao irisor enquano não decorrer q, caso conrário o irisor reoma a condução.

17 Proecções conra di/d e dv AK /d excessivos di/d concenração de correne numa área muio pequena dissipação de poência elevada que pode levar à desruição do irisor Para proeger o irisor conra di/d uiliza-se uma bobine em série (di/d) máx - 200A/µs lenos (di/d) máx -2000A/µs rápidos v i T R v i T 2π di d = v i T L R v i T 2π i i circuio de recificação sem proecção conra di/d α circuio de recificação com proecção conra di/d α

18 Dimensionameno da bobine de proecção ão: = + i( ) v Ri L di d v = L di d di d = v di L < d max ω = 0 = 0 em = 0 (exisência da bobine) L v > di d max Exemplo: di = d max 200 A/ µ s v(max) --- α = 90º v = 2220 R=10Ω L 2220 > = 200 L=2µH 156. µ H (não afeca as caracerísicas do circuio) (ωl=.6mω para f=50hz e R=10Ω)

19 dv dv AK /d AK /d surge surge quando quando se se esabelece esabelece o circuio circuio na na comuação comuação de de cargas cargas induivas induivas na na passagem passagem ao ao core core ou ou à condução condução de de ouro ouro irisor irisor as cargas elécricas armazenadas na região espacial de um irisor bloqueado equivalem a uma capacidade C se dv AK /d é excessivo a correne i = Cdv AK /d pode ser suficiene para lançar o disposiivo na condução, inempesivamene Para proeger o irisor conra dv AK /d uiliza-se uma malha capaciiva RC em paralelo com o irisor Recificador com proecções conra dv AK /d e di/d R S C S v i T L R

20 Esquema equivalene com o irisor no core sem proecção conra dv AK /d. v R AK v AK L R=10Ω v = R i L di AK + d di d = V AK = R AK i v L R AK >>>R R AK =50KΩ dv d AK = R AK di d dv d AK = R AK V L max Se dv AK /d = 300V/µs e di/d = 200A/µs 50x220x 2 L = x10 3 = 52mH 300 valor muio elevado ωl=16ω f=50hz R=10Ω

21 Dimensionameno da malha capaciiva: Esquema equivalene com o irisor no core com proecção conra dv AK /d. v C S dv d AK v AK = R S R AK RAK L R=10Ω L V L max A resisência oal medida aos erminais do irisor fica diminuida quando se põe, em paralelo, a resisência Rs. Assim para R S <<<R AK em-se: dv d AK = R S V L max 50x220x 2 6 = x10 = 52µ H valor aceiável 300 L RSv > dvak d R S pode baixar mas ficará limiado pelo valor da correne que percorre o circuio com o ransisor bloqueado. S pode baixar mas ficará limiado pelo valor da correne que percorre o circuio com o ransisor bloqueado. C S =0,1µF valor ípico S >>> Coff=1nF S =0,1µF valor ípico C S >>> Coff=1nF A correne correne que que precorre precorre o o irisor irisor no no core core aproximadamene aproximadamene 10mA 10mA Z Z C =32KΩ f=50hz Z C =1/ωC C =32KΩ f=50hz Z C =1/ωC max max

22 Supressão de ransiórios I 1KA curva curva caracerísica de de um um varisor varisor -V S V S V DRM Proecção conra sobre-inensidades FUS Fusíveis rápidos ou ulra rápidos i) Vmax FUS > Vmax ii) I 2 FUS > I 2 irisor

23 Circuios de disparo de irisores drives 1 - Isolameno galvânico com ransformador de impulso: V CC 1:1 Sinal de disparo RC 1nF BUFFER R B Inibição Oscilador auónomo 2 - Isolameno galvânico com ligação ópica: Alimenação e Lógica Foo irisores Foo acopulador

24 Classificação de Tirisores Tirisores Lenos (Conrolo de fase) I máx : 4 ka V máx : 5-7 kv V on : 1,5V (@1kV); 3V (@5-7kV) Aplicações rede 1φ, 3φ, Hz Tirisores rápidos (Inversores) q baixos, µs Freqs: 1-2 khz V máx : 2,5 kv, I máx : 1,5 ka V on mais baixos Inversorescom circuios de comuação forçada Foo-Tirisores (HVDC) LTT Ligh riggered T LASCR Ligh Acivaed T disparados por impulso luminoso (fibra ópica) poência no disparo: mw V máx : 8 kv, I máx : 3,5 ka V on : 2-3 ka HVDC

25 Ouros Tirisores ATT ae-assised urn-off Tirisor (T de core assisido pela gae) (Elecrónica eral) TRIAC, DIAC, QUADRAC (1200V, 300A) A K 230V 50Hz carga 68n 4,7k 470k 47 10µ QUADRAC TO ae-urn-off Tirisor

26 TO I A I A ae-turn-off Tirisor + V C - K V RWM V AK Principais campos de aplicação: comboios de ala velocidade ranspore HVDC* V on V máx I máx q f c 2-3 V 9 kv 3 ka µs < 10 khz * ranspore de energia elécrica em cc a muio ala ensão

27 OFF- ON semelhane ao irisor convencional (1<V T <2 V; I T ) mas a correne de gae em que se maner durane oda a condução ON-OFF Aplicação de uma ensão negaiva V C -20V < V C < -7V i < 0A di /d ~ A/µs cerca de 30% de I A Duração de alguns µs superiores a q I A exemplo i = 1000 A, 10 µs Poência de Conrolo!!! + V C - K Circuios de drive Complexos e caros!!!

28 Ouro problema dos TOs máximo de 1-2 kv/µs Muio sensível a dv AK /d elevados especialmene de OFF-ON Circuios de proecção Problemáico para circuios induivos solução + I V C - A K

29 Transisor de junção bipolar TJB I C I B3 I B2 I B1 V CEsa baixos h FE 5 < h FE < 10 considerável empo de araso na passagem ao core décimas µs < empos de comuação < alguns µs 1400 V, cenenas de A coeficiene negaivo de T (embalameno érmico)

30 Soluções para h FE maior monolihic Darlingon C Darlingon riplo C B B E E desvanagens maior V CEsa menos rápidos a comuar

31 Transisor de efeio de campo de poência MOSFET I D V S3 V S2 V S1 V DS dissipação na na condução dependene de de R ON ON compeiivos com TJB para < 300/400V e >100kHz dezenas ns ns < empos de de comuação < décimas µs µs 1000 V, V, < 100 A conrolo menos complexo coeficiene posiivo de de T (auo (auo proecção)

32 limies de operação: Circuios de proecção: V DS - V D - I D - V S - P D - Máxima ensão Dreno Fone Máxima ensão Dreno ae Máxima correne de Dreno Máxima ensão gae Fone Poência Máxima dissipada P cond =r DS(on) I Def 2 r DS(on) - Resisência em condução (limia a escolha do FET) Tempos de condução da ordem dos 50 a 300ns Sendo os empos de comuação muio baixos há necessidade de proeger o MOSFET conra sobreensões na comuação. Durane a comuação o disposiivo requer correnes elevadas na gae (carga descarga de capacidade) V DS sem proecção I D

33 proecção com zenner proecção com snubber snubber V DS V DS I D I D diodo de subsraco (diodo parasia) pode ser uilizado como diodo de roda livre (diodo leno) circuios de disparo: D Acopulador ópico Transfomador de impulsos D Alimenação e Lógica S V V S Foo acopulador

34 Transisor de gae isolada IBT C E I C V S2 V S1 V CE Insulaed ae Bipolar Transisor gae isolada como no no MOSFET V on em de (2-3V IBT de 1000V) on baixos mesmo em disposiivos de HV (2-3V IBT de 1000V) empos de de comuação > µs µs 3 kv, 1200 A

35 Comparação dos Disposiivos semiconduores (Misubishi) semiconduor Capacidade em poência Velocidade comuação TBJ / MD média média MOSFET baixa ala TO ala baixa IBT média média Tirisor ala baixa

36 Criérios de escolha de semiconduores de poência poência do do disposiivo (correnes e ensões máximas no no circuio) frequência de de comuação (empos de de comuação) perdas de de condução (ensões de de condução ou ou resisência de de condução) complexidade e poência dos dos circuios de de drive cuso do do semiconduor

37 Semiconduores em comuação REAL IDEAL Perdas nulas na condução (v=0 quando fechado) correne nula ao core (i=0 quando abero) empos de comuação nulos (aberura e core insanâneos) poência de conrolo nula I 0 + v T - ideal i T V d

38 c(on) = ri + fv c(off) = rv + fi Perdas na condução P on on = V on on I 0 on on // T C Perdas na comuação P c c = ½ V d I 0 f c c ( ( c(on) c(on) + c(off) c(off) ) Perdas oais P T = P on + P c