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4.1. TIPOS DE CONVERSÕES Os conversores estáticos são dispositivos e equipamentos empregados para controlar o fluxo da energia elétrica entre dois ou mais sistemas elétricos. A figura 4.1. mostra os quatro tipos básicos de conversão de energia elétrica. Os círculos indicam o tipo de energia elétrica enquanto que as setas mostram o sentido do fluxo de energia e o nome do equipamento responsável pela conversão. Figura 4.1 4.2. DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA Os dispositivos semicondutores de potência geralmente usados nos conversores podem ser agrupados nos seguintes: • Diodos de potência: Genéricos Alta velocidade ou de recuperação rápida Schottky • Tiristores: SCR (Silicon-Controled Rectifier) GTO (Gate Turn-Off) SITH (Static Induction Thyrstor) MCT (MOS Controled Thyristor) RCT (Reverse Conduction Thyristor) LASCR (Light Atived Silicon Controled Rectifier) TRIAC – Tiristor Triodo Bidirecional • Transistores de Potência: BJT (Bipolar Junction Transistor) Darlington MOSFET (Metal Oxide Semicondutor gated Field-Efect Transistor) IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) SIT (Static Induction Transistor) Estes dispositivos são operados por chaveamento de forma que as perdas são reduzidas e a eficiência da conversão é melhorada. A desvantagem provocada por este modo de operação por chaveamento é a geração de hormônicas em corrente e tensão e a interferência de rádio-freqüência (RFI). Para as finalidades de aplicação desses dispositivos nos acionamento controlados, discutiremos apenas suas características elétricas externas. Não abordaremos os aspectos físicos de operação desses dispositivos e nem seus métodos e tecnologias de fabricação. 4.2.1. O Tiristor SCR O tiristor convencional, também conhecido por retificador controlado de silício - SCR, desenvolvido no final da década de 50, tem sido amplamente usado na indústria para conversão e controle de potência. O SCR tem uma estrutura constituída por quatro camadas p-n-p-n com três terminais, anodo (A), catodo (C) e gate ou gatilho (G) conforme mostrado na figura 4.2. O tiristor opera em dois estados estáveis: ligado (ON) ou desligado (OFF). Figura 4.2 4.2.1.1. Características Estáticas ou Características Volt-Ampere do SCR A figura 4.3 mostra a característica tensão-corrente de um SCR. Quando não existe corrente no gatilho (IG = 0), se uma tensão direta é aplicada no tiristor SCR (anodo positivo em relação ao catodo) as junções J1 e J3 são polarizadas diretamente e a junção J2 permanece polarizada inversamente. Assim a corrente de anodo é desprezível e chamada de corrente de fuga. Se a tensão direta anodo- catodo for aumentando e alcançar um limite crítico, chamada “tensão de ruptura direta” VDRM, o dispositivo é chaveado para a região de alta condução, sendo a corrente limitada pela resistência do circuito no qual o SCR se encontra. Porém, se a corrente no gatilho aumenta, a tensão de ruptura direta é reduzida. Para uma corrente de gatilho suficientemente alta, tal como IG3, a região de bloqueio direto é totalmente removida e o dispositivo comporta-se como um diodo. Quando o SCR está conduzindo, a corrente de gatilho pode ser removida que ele permanece no estado ligado ou em condução. Se a corrente do anodo caia baixo de um limite crítico, chamado de “corrente de manutenção” IH, o tiristor retorna ao seu estado de bloqueio direto. A corrente de manutenção é a mínima corrente de anodo para manter o tiristor em no estado de condução. Se uma tensão reversa é aplicada no SCR (anodo negativo em relação ao catodo) as junções J1 e J3 são polarizadas inversamente e a junção central J2 é polarizada diretamente. Assim, somente uma pequena corrente de fuga flui do anodo em direção ao catodo. Se a tensão reversa é aumentada para um nível crítico de ruptura, conhecido como “tensão reversa de ruptura” VRRM, uma avalanche ocorrerá nas junções J1 e J3 e a corrente aumentará a nível perigoso que queimará o dispositivo. Figura 4.3: Característica Volt-Ampère do SCR 4.2.1.2. Características Dinâmicas ou de Chaveamento Se um tiristor SCR é polarizado diretamente e um pulso no gatilho lhe é aplicado, ele é ligado. Entretanto, uma vez iniciada a condução uma corrente apreciável flui de anodo para catodo e o gatilho não tem mais nenhum controle sobre o dispositivo. A corrente de anodo é limitada pela resistência da carga Rcarga, conforme mostrado na figura 4.4b. Para que o tiristor seja desligado ou bloqueado é necessário que a corrente de anodo seja reduzida a zero. As características dinâmicas de um tiristor SCR são ilustradas na figura 4.4. Figura 4.4a Característica Dinâmica do SCR Figura 4.4b Circuitos de disparo e bloqueio do SCR a) Processo de ligação: O tiristor SCR é ligado por um pulso de corrente no gatilho IG, conforme ilustrado pela figura 4.4a. No instante T1, quando é aplicado o pulso no gatilho, a corrente de anodo para catodo IA cresce e a tensão no tiristor (VAC = VT) cai. Quando o dispositivo está totalmente ligado, isto é, em plena condução, a tensão sobre ele é bastante pequena, tipicamente de 0,5V a 2,5V, e para os propósitos práticos o tiristor comporta-se como um curto- circuito. O tiristor é ligado muito rapidamente, ou seja, o tempo de ligação ton é tipicamente de Iµs a 3µs. A largura do pulso de gatilho é tipicamente de 10µs a 50us e a sua amplitude é de 20mA a 200mA. b) Processo de desligamento: Para que o tiristor SCR comute do estado de condução (ligado) para o estado de bloqueio (desligado) é necessário que sua corrente de anodo seja reduzida para um valor abaixo da corrente de manutenção e que ele seja polarizado inversamente, ou seja, potencial do catodo mais positivo que o do anodo (VAC é negativo). A figura 4.4 refere-se a um processo de comutação ou desligamento do tiristor chamada de comutação forçada, cujo conceito será descrito em seguida. O desligamento do tiristor SCR tem início no instante t2, quando a sua corrente de anodo começa a cair e ele é polarizado inversamente. A maioria dos circuitos de comutação utiliza um capacitor carregado que é momentaneamente ligado nos terminais do tiristor polarizando-o inversamente, conforme ilustrado na figura 4.4b. Se o dispositivo é polarizado inversamente, sua corrente cai, torna-se zero no instante t3, inverte seu sentido e torna-se zero no instante t4. No instante t5, o dispositivo é capaz de bloquear uma tensão direta que casualmente lhe seja aplicado. Entretanto, se uma tensão direta lhe for aplicada imediatamente após a corrente de anodo ser reduzida a zero, o tiristor SCR não bloqueará a tensão direta e iniciará a condução novamente apesar de não haver um pulso no gatilho. Por isso, é necessário manter o dispositivo polarizado inversamente por um certo tempo antes que uma nova tensão direta lhe seja aplicada. Este tempo que corresponde ao intervalo de tempo de t3 a t5 é conhecido como tempo de desligamento toff do tiristor. O tempo toff é definido como o mínimo intervalo de tempo entre o instante em que a corrente de anodo torna-se zero e o instante em que o tiristor é capaz de bloquear a tensão direta. Quanto ao processo de comutação dos tiristores SCR, ele pode ocorrer naturalmente ou se dar de forma forçada. A comutação natural ocorre nos circuitos onde a tensão é alternada e dessa forma, a corrente do tiristor passa naturalmente por zero e uma tensão reversa é aplicada naturalmente nos seus terminais fazendo com que ele seja automaticamente desligado. Este tipo de comutação também é conhecido como comutação pela rede ou pela linha e será analisada no estudado dos retificadores ou conversores CA-CC. A comutação forçada ocorre nos circuitosonde a tensão é contínua. Dessa forma, é necessária a presença de circuitos adicionais, chamados de circuitos de comutação, que forçam a passagem de uma corrente inversa através do SCR por um curto tempo reduzindo a corrente resultante de anodo a zero e que mantém o SCR polarizado inversamente até que a passagem para o estado desligado seja completada. Este tipo de comutação será analisado no estudado dos inversores ou conversores CC-CA. Nas aplicações práticas, o tempo de desligamento tq a ser fornecido ao SCR pelo circuito, deve ser maior que o tempo de desligamento do dispositivo SCR por uma margem de segurança adequada, garantindo que o mesmo não venha a conduzir num instante indesejado conhecido como “falha de comutação”. Os tiristores que tem grande tempo de desligamento toff (50us a 100us) são chamados de tiristores “lentos”, “baixo chaveamento” ou tipo “controle de fase”, e aqueles com pequeno tempo de desligamento toff (10us a 50us) são chamados de tiristores “rápidos”, “chaveamento rápido” ou do “tipo inversor”. Em aplicações de alta freqüência, o tempo de desligamento do circuito tq torna uma parte apreciável do tempo total do ciclo e por isso os tiristores rápidos devem ser usados. Note que durante a ligação do tiristor (ton), se a tensão é alta, a corrente é baixa e vice-versa. Por isso a perda é baixa. Durante o desligamento, se a corrente reversa é baixa a perda é baixa. A baixa perda no chaveamento em um tiristor é uma vantagem significativa, particularmente para aplicações em altas freqüências. A tabela 4.1 resume os dados para dois tipos de tiristores. Tiristores com valores nominais de 4000V – 2000A – 20µs a 100µs ou 3000V – 2000A – 10µs a 20µs são atualmente usados na indústria. 4.2.1.3. Proteção do SCR a) Sobrecorrentes: A proteção do tiristor contra curto-circuito deve ser feita com fusíveis ultra- rápidos (figura 4.5) cuja capacidade térmica deve I2t deve ser menor que a do tiristor. A proteção contra sobrecargas, ou sobrecorrentes na faixa de tempo maior que uma meia-onda é feita através de fusíveis, reguladores de corrente, chave com rele bimetálico ou disparador magnético de sobrecorrente e disjuntor extra-rápido. b) Sobretensões: Um tiristor pode entrar em condução se a tensão direta que lhe for aplicada crescer muito rapidamente. Ela é conhecida como dv/dt de ligação e pode levar o circuito a uma operação indevida. Um circuito R.C. ligado em paralelo com o tiristor (figura 4.5) é usado para limitar a taxa de crescimento dv/dt da tensão aplicada sobre o tiristor. A proteção dos tiristor surtos de tensões é feita ligando-se em paralelo com ele supressores de surto. Um exemplo é o varistor de óxido metálico, cuja resistência varia inversamente com a tensão. Quando a tensão é normal sua resistência é muito elevada, e quando a tensão aumenta demasiadamente, ele funciona como um curto circuito protegendo o tiristor (figura 4.5). c) Crescimento da Corrente: Se a corrente no tiristor aumenta numa taxa muito rápida, isto é, di/dt elevado, o dispositivo pode ser destruído devido a alta elevação da temperatura nas junções. Para limitar a taxa de crescimento da corrente a um valor menor que o especificado pelo fabricante do tiristor, alguma indutância deve estar presente no circuito. Caso a indutância do transformador ou dos cabos elétricos de alimentação não for suficiente, será necessária a instalação de reatores ou indutores de comutação na saída da rede ou em série com cada tiristor. (figura 4.5) TIRISTORES LENTOS GE Série C150 TIRISTORES RÁPIDOS GE Série C158 Tensões de pico repetitivas direta e reversa (2 a 2,5Vmáx) 500 (C150E) 800 (C150N) 1000 (C1 50P) 500 (C150E) 800 (C150N) 1000 (C150P) Corrente de fuga reversa e direta 10 – 20 mA 10 – 15A Corrente de manutenção 20 mA 100 mA Corrente eficaz 100 A 110 A Queda de tensão direta 1,2 – 2 V 1,2 – 2 V Pico de surto num ciclo (60 Hz) 1500 A 1600A I2t capacidade térmica de fusão 7000 A2S 5200 A2S dv/dt 200 – 500 V / us 200 – 500 V / us di/dt 500 A / µs 500 A /µs Tensão de disparo no gatilho 1,5 – 3 V 3 – 5 V Corrente de disparo no gatilho 50 – 200 mA 80 – 300 mA Tempo de ligação ton (1 – 5 us) 3 µs 2 µs Tempo de desligamento toff (10us- 200us) 100 µs 20 µs Tabela 4.1: Valores típicos de SCR Figura 4.5: Proteção SCR 4.2.2. Tiristor GTO (Gate-Turn-Off) O tiristor GTO pode ser ligado (entrar em condução) quando um pulso positivo de corrente é aplicado no gatilho, como no caso do tiristor SCR, e pode ser desligado (entrar em bloqueio) quando um pulso negativo de corrente é aplicado no gatilho. Ambos os estados de operação, condução e bloqueio, são controlados pela corrente de gatilho. O símbolo do tiristor GTO é mostrado na figura 4.6. As características de chaveamento são mostradas na figura 4.7. Figura 4.6: Símbolo do GTO 4.2.2.1. Características Dinâmicas ou de Chaveamento a) Processo de ligação: O processo de ligação do GTO é o mesmo que no tiristor SCR. b) Processo de desligamento: O processo de desligamento do GTO (bloqueio) difere um pouco do SCR. Quando uma tensão negativa é aplicada entre o gatilho e o catodo, a corrente de gatilho aumenta. Quando ela atinge seu valor máximo (IGP), a corrente de anodo começa a cair e a tensão através do dispositivo (VAC) começa a crescer. O tempo de decaimento da corrente é abrupto, tipicamente menor que 1µs. Depois disto a corrente de anodo varia lentamente, conhecida como “causa da corrente” de anodo. Figura 4.7: Característica dinâmica do GTO A relação IA/IGP (corrente de anodo durante a condução para a corrente de pico negativa do gatilho) está entre 3 e 5, tipicamente. Isto significa que a corrente de gatilho necessária para iniciar o bloqueio do GTO é relativamente alta (34% a 20% da corrente de anodo). Por exemplo, um GTO de 2500 V e 1000 A requer uma corrente negativa de pico de 250 A no gatilho para bloqueia-lo. Durante o bloqueio do GTO tanto a tensão como a corrente são altas. Por isso, as perdas no chaveamento são maiores no tiristor GTO quando comparadas com o SCR. As perdas dinâmicas nos GTO´s durante as transições de chaveamento limitam sua freqüência de operação abaixo de 1 kHz. Se a tensão de pico VP é alta o dispositivo pode ser destruído. A perda de potência no circuito de disparo também é maior que no SCR. Entretanto, desde que não é necessário um circuito de comutação para os GTO´s, a eficiência geral do conversor é melhor. A eliminação de circuitos de comutação também resulta em um conversor menor e menos caro. 4.2.2.2. Proteção dos GTO´s Os GTO´s podem não ter capacidade para bloquear tensão reversa, senão menor que 20% da tensão de ruptura direta. Novos dispositivos estão sendo desenvolvidos tendo maior capacidade de bloqueio de tensão reversa. Por isso, um diodo reverso deve ser usado, conforme mostrado na figura 4.8, se existe a possibilidade uma tensão reversa apreciável surgir sobre o dispositivo. Os GTO´s tem grandes tempos de transições no chaveamento. Eles geralmente são sensíveis as rápidas variações da corrente de carga na ligação e as rápidas mudanças da tensão no desligamento. Isto torna obrigatório o uso de circuitos de proteção para limitar os valores de di/dt e dv/dt. Um circuito de amortecimento constituído por diodo, capacitor e resistor (figura 4.8) é usado para os seguintes propósitos: a) Durante o tempo de queda no processo de desligamento (bloqueio) a corrente é desviada para o capacitor, carregando-o. b) O circuito amortecedor e o circuito de controle aumentam o custo do sistema. O circuito de amortecimento e o circuito de controle aumentam o custo do sistema. Atualmente, o mercado dispõede GTO´s com capacidade de 8000 V de tensão e corrente de 6000 A Por exemplo, podemos citar: a) 4.500 V/ 2.000 A / 5.10 µs b) 4.500 V / 6.000 A / 300 Hz Os GTO´s tem-se tornado bastante popular em equipamento de controle de potência e substituem os SCR´s onde a comutação forçada é necessária, como em inversores e choppers. Figura 4.8: Circuito de proteção do GTO 4.2.3. Transistor de Potência (BJT) O transistor BJT é um dispositivo semicondutor por três camadas p-n-o ou n- p-n e duas junções. Sua estrutura e seu símbolo são mostrados na figura 4.9. Figura 4.9: Transistor de Junção Bipolar BJT Os terminais do coletor e emissor são ligados ao circuito de potência e o terminal da base é ligado ao sinal de controle. O transistor também opera no modo chaveado. Quando a corrente de base IB é zero, o transistor está ligado e comporta-se como uma chave aberta. Por outro lado, quando a corrente de base é suficiente para saturar o transistor, ele comporta- se como uma chave fechada, como mostrado na figura 4.9. O transistor é um dispositivo acionado a corrente. A corrente de base IB determina se ele está conduzindo (ligado) ou bloqueado (desligado). Para manter o dispositivo no estado de condução deve existir suficiente corrente de base. Os transistores de altas correntes e tensões são conhecidas como “transistores de potência”. O ganho de corrente (IC / IB) de um transistor de potência é mais elevado que um tiristor GTO. Um baixo ganho para um transistor de potência é da ordem de 10. Isto significa que uma corrente de coletor IC de 100 A requer uma corrente de base IB de 10 A. Dois transistores ligados apropriadamente, como na figura 4.10, chamado de “transistor Darlington” apresenta alto ganho de corrente. Esta configuração pode ser obtida pela ligação física de dois transistores ou da fabricação em um único chip. O ganho de corrente de um transistor Darlington é de centenas de vezes. A freqüência de chaveamento (ligar/desligar) de um transistor de potência é muito maior que nos tiristores. Eles podem ser ligados num tempo menor que 1µs e desligados num tempo menor que 2µs. Assim eles podem ser usados em aplicações onde a freqüência é tão alta quanto 100 KHz. Porém, estes dispositivos são bastantes delicados (frágeis), pois falham sob condições de altas correntes e altas tensões. Eles devem ser operados dentro dos limites de segurança (SOA) especificados conforme a figura 4.11. Limites de AOS a-b: Limite de corrente de pico b-c: Limite de dissipação de potência c-d: Limite de ruptura secundária d-e: Limite de tensão de pico Figura 4.11: Área típica de operação segura de transistor de potência Se altas correntes com altas tensões ocorrem simultaneamente durante o desligamento, pontos quentes são formados e o dispositivo falha pela dissipação térmica, fenômeno conhecido como “secundary breakdown” ou “ruptura secundária”. Circuitos amortecedores polarizados são usados com os transistores de potência para evitar a ocorrência simultânea de pico de corrente. A figura 4.12 mostra, o circuito amortecedor ligado ao transistor de potência bem como seu efeito sobre as características de desligamento (bloqueio). O circuito da figura trata-se de um chopper alimentando uma carga indutiva. Figura 4.12: Efeitos do capacitor de amortecimento sobre as características de desligamento de um transistor de potência Se nenhum circuito amortecedor é usado, e a corrente de base IB é removida, para desligar (bloquear) o transistor, a tensão sobre o dispositivo (VCE) aumenta e quando ela alcança o valor da tensão da fonte (Vd) é que a corrente de coletor (IC) cai. Daí a potência (P) ser alta durante o processo de bloqueio, levando o transistor à falha de ruptura secundária. As formas de ondas na figura 4.12 são idealizadas. Se o circuito amortecedor é usado e a corrente de base é removida, a corrente de coletor é desviada para o capacitor. Por isso, a corrente de coletor diminui quando a tensão de coletor-emissor (VCE) aumenta evitando a ocorrência simultânea dos picos de tensão e corrente. Os transistores não tem capacidade de bloqueio reverso, e eles são ligados antiparalelo com diodos em circuitos de corrente alternada. Pelo fato dos transistores necessitarem de corrente de base para mantê-los em condução, a perda de potência no circuito de comando de base pode ser apreciável. Comercialmente, encontram-se transistores de potência com as seguintes especificações: 1.2000 V / 500 A / 10 KHz. 4.2.4. MOSFET de Potência É um transistor de chaveamento muito rápido e que se tem mostrado muito eficiente em aplicações envolvendo altas freqüências (até 1MHZ) e baixas potências (até poucos KW). O circuito simbólico do MOSFET é mostrado na Figura 4.13. Ele possui três terminais chamados de dreno (D), fonte (S) e gatilho (G). O fluxo de corrente é do dreno para a fonte. Ele não possui capacidade de bloqueio de tensão reversa e integrado a ele sempre está presente um diodo reverso. Figura 4.13 Diferentemente do transistor bipolar (BJT), o qual um é dispositivo acionado a corrente, o MOSFET é um dispositivo de portadores majoritários controlado em tensão. Quando uma tensão positiva é aplicada ao gatilho (VGS>o) o transistor é ligado. O gatilho é isolado por uma camada de dióxido de silício (SiO2) e por isso a impedância de entrada do circuito de gatilho é extremamente alta (109e). Esta característica permite que um MOSFET tenha seu gatilho acionado diretamente por um circuito lógico CMOS ou TTL. Portanto a corrente de comando do gatilho é muito pequena (menor que 1mA). O MOSFET tem um coeficiente de temperatura positivo para resistência e a possibilidade de avalanche secundária (secundary breakdown) é quase que inexistente. Se aquecimento local ocorre, o efeito do coeficiente de temperatura positivo da resistência faz as concentrações locais de correntes serem distribuídas sobre a área evitando a criação de pontos quentes localizados. A área de operação segura (SOA) de um MOSFET é mostrada na figura 4.14. Ela é restrita por três linhas limites: limite de corrente (ab), limite de dissipação de potência (bc) e limite de tensão (cd). A SOA pode se expandida quando o dispositivo opera com pulsos, como mostrado pela linha pontilhada. As características estáticas do MOSFET são similares às do BJT, como mostrado na figura 4.15. Entretanto o MOSFET liga e desliga muito rápido, em menos que 50 ns. Devido ao fato dos MOSFET´s comutarem sob alta tensão e corrente (sem perigo de avalanche) não é necessário circuito de amortecimento de corrente, durante o bloqueio. Entretanto, estes dispositivos são muito sensíveis a picos de tensões e circuitos amortecedores devem ser necessários para suprimir picos de tensões. Figura 4.14: SOA do MOSFET Figura 4.15 Como os MOSFET´s comutam muito rápido as perdas de comutação são quase que desprezíveis. Entretanto, em estado de condução a queda de tensão é alta e por isso a perda na condução é alta. Por exemplo, a queda de tensão de um MOSFET de 400V é de 4V para uma corrente de 10A e esta queda aumenta com a temperatura e a corrente.
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