Electronica de Potencia 1

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Teoría electrónica de potencia

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  • IST-DEEC2003

    Prof Beatriz Vieira Borges

    DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTNCIA

    ELECTRNICA DE POTNCIA

    DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTNCIA:

    1. diodo

    2. tiristor - (SCR) silicon controlled rectifier.

    3. tiristor de corte comandado (GTO) - gate turn off thyristor.

    4. transistor bipolar - (TJB).

    5. transistor de efeito de campo de potncia (MOSFET).

    6. IGBT - insulated gate bipolar transistor.

    7. MCT - MOS controlled thyristor.

    A K

    A K

    G

    A K

    G

    C

    CEB

    E

    BD

    SG

    S

    D

    G

    C

    GE

    A

    GK

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    DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTNCIA

    ELECTRNICA DE POTNCIA

    DIODO 5000 V, 10000A

    TIRISTOR lentos: 5000V, 5000A, tq=100srpidos: 2000V, 200A, tq=20s

    GTO 4500V, 1000A9000V, 9000A (mdulos)

    TRANSISTOR 2000V, 2 a 10ABIPOLAR 1000V, 100A

    MOSFET 100V, 30A1000V, 6A

    IGBT 3500V, 300A

    A K

    A K

    G

    C

    CEB

    E

    B

    C

    GE

    D

    SG

    S

    D

    G

    A K

    G

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    DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTNCIA

    ELECTRNICA DE POTNCIA

    IF

    VAK

    Diodo A K

    Conduz se a tenso vAK se tornar positiva.

    Bloqueia se a corrente IF se tornar negativa

    Caracterstica ideal

    Caracterstica ideal

    Caracterstica realCaracterstica real

    Potncia dissipada:

    PF=VFIF=VjIFav + RjIFef2

    Esquema equivalente do diodo em conduo

    VjRj

    Resistncia trmica do dissipador:

    Tjmax - Ta = Rth j-a PFVAK

    IF

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    DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTNCIA

    ELECTRNICA DE POTNCIA

    Limites de operaLimites de operao:o:

    VRRM - tenso inversa mxima de pico repetitivoIFRMS - mximo valor eficaz da corrente directaIFAV - mximo valor mdio da corrente directaIFRM - mximo valor de pico rep. da corrente directaIFSM - mximo valor de pico no rep. da

    corrente directaI2t - caracterstica de choque trmico

    valor mdio da corrente directa

    valor eficaz da corrente directa

    I t i dtDt

    2 2

    0=

    IT

    i dtF RMS Dt

    ( ) = 1 20

    IT

    i dtF av Dt

    ( ) = 10

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    DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTNCIA

    ELECTRNICA DE POTNCIA

    trr tempo de recuperao inversa;intervalo de tempo entre a inverso da corrente e a interseco da tangente no incio da subida com o eixo t

    t

    i mx

    t rr

    I RMQ rr

    t a

    Qrr carga de recuperao inversa (C);Carga elctrica removida da juno durante a transio ON-OFF

    ta tempo de armazenamento;Intervalo desde que se inverte at comear a subir exponencialmente

    Caracterstica dinmicaCaracterstica dinmicaCaracterstica dinmica

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    ELECTRNICA DE POTNCIA

    Carga de capacidade

    Potncia dissipada

    Circuito de proteco para evitar oscilaes:

    Problemas quando a frequncia aumenta

    Passagem ao cortePassagem ao corte

    Passagem conduoPassagem conduo

    vAK

    IF

    t

    t

    com RC

    t

    tvAK

    IF

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    ELECTRNICA DE POTNCIA

    Classificao de dodosClassificao de dodosClassificao de dodos

    SchottkySchottky Recuperao rpida(fast recovery)Recuperao rpida

    (fast recovery) RectificadoresRectificadores

    Von = 0.3 Vmx < 150V

    trr baixo ( kV Imx > kA

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    ELECTRNICA DE POTNCIA

    SchottkySchottkyMx. tenso de bloqueio

    Mx. Corrente directa valor mdio

    Tenso de conduo

    Corrente de fuga no corte

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    ELECTRNICA DE POTNCIA

    Recuperao rpidaRecuperao rpida

    Mx. tenso de bloqueio no corte

    Tempo de recuperao

    Corrente fuga no corte

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    ELECTRNICA DE POTNCIA

    RectificadoresRectificadores

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    DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTNCIA

    ELECTRNICA DE POTNCIA

    Dodos em paralelo (repartir correntes directas)Dodos em paralelo (repartir correntes directas)

    Dodos em srie (repartir tenses inversas)Dodos em srie (repartir tenses inversas)

    Equalizao por dispositivoSeleco de dodos com caractersticas muito semelhantes

    Equalizao por acomplamento magnticoS para correntes de kA; processo caro e complexo; mais peso, mais volume.

    Equalizao por resistnciasS para correntes mais baixas

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    ELECTRNICA DE POTNCIA

    TiristorSCR

    A K

    G

    disparobloqueio

    IF

    VAK

    Conduz se vAK for positivo e se existir um impulso de corrente na gate, de curta durao. Bloqueia se a corrente IF se anular. A K

    + VAK -

    GiG

    IAK

    Semi-controladoSemi-controlado

    Controlo apenas na passagem a ONON

    Caracterstica idealCaracterstica ideal

    Caracterstica realCaracterstica real

    Transio OFF-ON vGK = VGKT > 0, iG = iGT > 0durante um intervalo de tempomnimo

    Transio ON-OFF inverso de tenso IAK < IH (corrente de manuteno)

    VDRM

    iG1>iG2>iG3

    IF

    VAK

    I

    VRRM

    iG1 > iG2 > iG3

    VDRM

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    ELECTRNICA DE POTNCIA

    VRRM - tenso inversa mxima de pico repetitivo

    VDRM - tenso directa mxima de pico repetitivo com o tiristor no corte

    ITRMS - mximo valor eficaz da corrente directa

    ITAV - mximo valor mdio da corrente directa

    ITRM - mximo valor de pico rep. da corrente directa

    ITSM - mximo valor de pico no rep. da corrente directa

    I2t - caracterstica de choque trmico

    (di/dt)max - mxima taxa de crescimento da corrente directa

    (dvAK/dt)max - mxima taxa de crescimento da tenso nodo ctodo

    IH - corrente de manuteno (holding current) (1% ITAV)

    IL - corrente de lanamento (latching current) (> IH)

    td - tempo de passagem conduo 0,1s - 10stq - tempo de passagem ao corte 1s - 110s

    Limites de Limites de operaoperao:o:

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    ELECTRNICA DE POTNCIA

    Caractersticas de GATEVGM ------ mximo valor da tenso gate- ctodo

    PGM ------ mximo valor da potncia na gate

    PGav ----- mximo valor da potncia mdia na gate

    IGM ------- mximo valor da corrente de gate

    Caractersticas de GATEVGM ------ mximo valor da tenso gate- ctodo

    PGM ------ mximo valor da potncia na gate

    PGav ----- mximo valor da potncia mdia na gate

    IGM ------- mximo valor da corrente de gate

    PGM=vGKIGK

    vGK(MIN) vGM vGK

    IGM

    IG

    td - tempo de disparo (diminui com o aumento de energia fornecida gate)

    o impulso de gate

    Correntes de fuga: I If Tav 104 ReqV

    IoffRRM

    f

    Correntes de lanamento e manuteno:

    No disparo IT>IL

    Na conduo IT>IH

    IL

    IH

    2%ITav

    VAK

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    Caracterstica dinmica

    t

    t

    iA

    vAK

    trr

    tq

    tq tempo de recuperao outempo de passagem ao corte

    tq tempo de recuperao outempo de passagem ao corte

    necessrio assegurar uma tensonegativa durante um tempo superior a tqpara que o tiristor corte; caso contrrioconduz logo que polarizado directamente, mesmo sem impulso de gate.

    Outras limitaesdos tiristoresOutras limitaesdos tiristores

    Taxa mxima de variao da corrente diA / dt

    Taxa mxima de variao da tenso dvAK / dt

    A K+ VAK -

    GiG

    IAK

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    ELECTRNICA DE POTNCIA

    tr

    tdiT

    vAK

    ATENO a:Potncia dissipadadi/dt mximotr (depende do circuitoexterior)

    ATENO a:Potncia dissipadadvAK/dt mximo1s

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    DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTNCIA

    ELECTRNICA DE POTNCIA

    concentrao de corrente numa rea muito pequena dissipao de potncia elevadaque pode levar destruio do tiristor

    (di/dt)mx - 200A/s lentos (di/dt)mx -2000A/s rpidos

    Para proteger o tiristor contra di/dt

    utiliza-se uma bobineem srie

    Proteces contra di/dt e dvAK/dt excessivosdi/dt

    RiTv

    L

    iG

    iT

    t

    t

    v

    t

    2

    iG

    iT

    t

    t

    v

    t

    2d id t

    =

    circuito de rectificao semproteco contra di/dt

    circuito de rectificaocomproteco contra di/dt

    RiTv

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    DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTNCIA

    ELECTRNICA DE POTNCIA

    DimensionamentoDimensionamento dada bobinebobine de de protecprotecoo::

    v Ri L didt

    = + ( )i t = =0 0 (existncia da bobine)em t = 0v L di

    dt=

    didt

    vL

    didt

    = < max

    L vdidt

    >

    max

    Exemplo:

    didt

    A s =max /200

    L H> =2220200

    156.

    v(max) --- = 90 v = 2220

    R=10