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) Prof. Clóvis Antônio Petry. Florianópolis, fevereiro de 2010.

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. Características gerais e aplicações.

5 Revisão sobre fontes 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. Rs 12 V RL 12 V RL Fonte de tensão ideal 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 5 A Rs RL Fonte de corrente ideal 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 S cos S V I watts, W Fator de potência: FP cos P S P FP cos 0 1 S

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

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

12 Revisão sobre fator de potência Fator de potência: FP cos P S P 0 FP cos 90 0 S S

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

14 Revisão sobre fator de potência Fator de potência: FP cos P S P 0 FP cos 90 0 S S

15 Revisão sobre fator de potência

16 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

17 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.

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

19 Conversores CA-CC Número de fases Monofásico Trifásico

20 Conversores CA-CC Direcionalidade Energia Unidirecional Bidirecional vds Energia T 1 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

21 Conversores CA-CC Controle Não-controlado Controlado

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

23 Conversores CA-CC Isolamento Isolado Não-isolado

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

25 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

26 Parte 2 Semicondutores de potência (diodos)

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

28 Nesta aula Semicondutores aplicados a conversores CA-CC (diodos): 1. Introdução; 2. Características dos componentes ideais; 3. Características dos componentes reais; 4. Perdas no diodo; 5. Diodos comerciais.

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 Semicondutores para eletrônica de potência

33 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

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

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

36 Comutação Características dinâmicas Bloqueio

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

38 Comutação Características dinâmicas

39 Comutação Características dinâmicas

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

41 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.

42 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).

43 Características de diodos comerciais

44 Características de diodos comerciais

45 Características de diodos comerciais

46 Características de diodos comerciais

47 Características de diodos comerciais

48 Características de diodos comerciais

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

50 Parte 3 Semicondutores de potência (tiristores)

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

52 Nesta parte da aula Semicondutores aplicados a conversores CA-CC (tiristores): 1. Introdução; 2. Características dos componentes ideais; 3. Características dos componentes reais; 4. Perdas no tiristor; 5. Tiristores comerciais.

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

54 Funcionamento do tiristor

55 Funcionamento do tiristor Estrutura interna e analogia com BJT

56 Funcionamento do tiristor Curva característica V x I

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

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

59 Comutação Características dinâmicas Disparo

60 Comutação Características dinâmicas Disparo t on tempo de fechamento; t d tempo de retardo; t r tempo de descida da tensão anodo-catodo. t t t on d r Influência da corrente de gatilho no tempo de retardo

61 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.

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

63 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.

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

65 Características de tiristores comerciais

66 Características de tiristores comerciais

67 Características de tiristores comerciais

68 Características de tiristores comerciais

69 Características de tiristores comerciais

70 Acionamento de tiristores

71 Acionamento de tiristores

72 Acionamento de tiristores

73 Acionamento de tiristores

74 Acionamento de tiristores

75 Acionamento de tiristores

76 Acionamento de tiristores

77 Acionamento de tiristores

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

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