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Introdução aos Conversores CA-CC Semicondutores de Potência
(diodos e tiristores)
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Eletrônica
Eletrônica de Potência
Florianópolis, outubro de 2012.
Prof. Clóvis Antônio Petry.
Bibliografia para esta parte aula
Capítulo 5: Retificadores monofásicos não-controlados 1. Introdução.
www.ProfessorPetry.com.br
Conversores CA-CC: 1. Revisão de alguns conceitos importantes; 2. Características gerais e aplicações; 3. Semicondutores aplicados a conversores CA-CC.
Nesta parte da aula
Uma fonte de tensão ideal fornece na sua saída uma tensão que independe da carga, ou seja, da corrente solicitada da fonte.
12 VRL
12 VRL
RsFonte de tensão ideal
Fonte de tensão real
Fonte de tensão:
Parte 1 – Introdução a CA-CC
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.
Fonte de corrente ideal
Fonte de corrente real
5 ARL
5 ARL
Rs
Revisão sobre fontes
Revisão sobre fator de potência
Potência média a partir da potência aparente:
( )P V I cos θ= ⋅ ⋅
S V I= ⋅
( ) ( )watts, WP S cos θ= ⋅
Fator de potência:
( ) PFP cosS
θ= =
( )0 1PFP cosS
= = =
Potência média:
( )2
2mI watts, W2
mV VP V I I RR
⋅= ⋅ = = ⋅ =
Energia num resistor:
RW P t= ⋅
( )1 joules, JRW V I T= ⋅ ⋅
( )1
joules, JRV IWf⋅=
Resistores
Revisão sobre fator de potência
Potência reativa:
( ) ( )volt-ampère reativo, VArQ V I sen θ= ⋅ ⋅
S V I= ⋅
( ) ( )volt-ampère reativo, VArQ S sen θ= ⋅
Considerando que (apenas para indutores puros):
90oθ =
( )volt-ampère reativo, VArLQ S=
2L LQ I X= ⋅
2
LL
VQX
=
Indutores
Revisão sobre fator de potência
Fator de potência:
( ) PFP cosS
θ= =
( ) 090 0PFP cosS S
= = = =
Indutores
Revisão sobre fator de potência
Potência reativa:
( ) ( )volt-ampère reativo, VArQ V I sen θ= ⋅ ⋅
S V I= ⋅
( ) ( )volt-ampère reativo, VArQ S sen θ= ⋅
Considerando que (apenas para capacitores puros):
90oθ = −
( )volt-ampère reativo, VArCQ S= −
2C CQ I X= ⋅
2
CC
VQX
=
Capacitores
Revisão sobre fator de potência
Fator de potência:
( ) PFP cosS
θ= =
( ) 090 0PFP cosS S
= − = = =
Capacitores
Revisão sobre fator de potência
Divisão da eletrônica de potência
1E ( )1 1v ,f
2E ( )2 2v ,f
ConversorCC-CC
Retificador
Inversor
Conversorindireto de
tensão
Conversorindireto defreqüência
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.
Conversores CA-CC – Direcionalidade
Bidirecional
1S
iv
+
−
ov
+
−2S
3S
4S
5S
6S
7S
8S
oL
oC
1T
a b
+− dsv
Loi
oi
rv
+
−
Re tificador
Inversor
Unidirecional
Energia
Energia
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.
Retificador Inversorriv+
−( ),dp rv d v+
−
oL
oC
riv rv dpv
Bibliografia para esta parte da aula
Capítulo 2: Diodos de potência 1. Semicondutores aplicados aos conversores CA-CC (diodos).
http://www.dee.feis.unesp.br/gradua/elepot/principal.html
http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/
www.ProfessorPetry.com.br
Diodo ideal e real
Exemplo: Diodo SKN20/08 • VRRM = 800 V; • V(TO) = 0,85 V; • rT = 11 mΩ; • IDmed = 20 A; • IR = 0,15 mA.
Característica estática
Diodo ideal e real
Demo
Demo: • Curva de diodos:
• Diodo zener; • Diodo de sinal; • Diodo de potência.
Comutação – Características dinâmicas
Primeira etapa de comutação Segunda etapa de comutação
Circuito para estudo da comutação
Bloqueio
Diodos de carbeto de sílicio (silicon carbide): Diminuem acentuadamente o fenômeno da recuperação reversa.
http://www.infineon.com
http://www.cree.com
Comutação – Características dinâmicas
http://powerelec.ece.utk.edu/pubs/pels_letters_SiC_june_2003.pdf
Comutação – Características dinâmicas
Perdas nos diodos
Classificação das perdas: 1. Condução;
2. Comutação: • Entrada em condução;
• Bloqueio.
2( )TO Dmed T DefP V I r I= ⋅ + ⋅
Simulação
Simulação
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.
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).
http://www.onsemi.com
Bibliografia para esta parte da aula
Capítulo 4: Dispositivos tiristores 1. Semicondutores aplicados aos conversores CA-CC
(tiristores).
http://www.dee.feis.unesp.br/gradua/elepot/principal.html
http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/
www.florianopolis.ifsc.edu.br/petry
Tiristor ideal e real
Característica estática
Curvas 1 e 2 – sem corrente de gatilho Curvas 1 e 3 – com corrente de gatilho
Circuitos para auxiliar na proteção de tiristores e evitar disparos intempestivos
Funcionamento do tiristor
Curva característica de tiristores
Demo
Demo: • Curva de tiristores:
• Sem corrente de gatilho; • Com corrente de gatilho.
Disparo
• ton – tempo de fechamento; • td – tempo de retardo; • tr – tempo de descida da tensão anodo-catodo.
on d rt t t= +
Influência da corrente de gatilho no tempo de retardo
Comutação – Características dinâmicas
Bloqueio
• tq – tempo de aplicação da tensão reversa para bloquear o tiristor; • Para tiristores rápidos é da ordem de 10 µs à 200 µs.
Comutação – Características dinâmicas
Perdas nos tiristores
Classificação das perdas: 1. Condução;
2. Comutação: • Entrada em condução;
• Bloqueio.
2( )TO Tmed T TefP V I r I= ⋅ + ⋅
Simulação
Simulação
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.
Características de tiristores comerciais
Tipos de tiristores de potência: 1. SCR; 2. Triac; 3. Sidac; 4. Para proteção, etc.
http://www.onsemi.com