Eletrônica de Potência

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Prof. Yales Rômulo de Novaes
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
EPO – Eletrônica de Potência
COMPONENTES SEMICONDUTORES EM 
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
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CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
● Introdução
● Classificação dos semicondutores
● Diodos
● Características estáticas reais
● Idealizações
● Características dinâmicas reais
● Idealizações
● Classificação dos diodos
● Cálculo de perdas
● Exemplo
INTRODUÇÃO
● Tiristores
● Características estáticas reais
● Idealizações
● Características dinâmicas reais
● Idealizações
● Classificação dos diodos
● Cálculo de perdas
● Cálculo térmico
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CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
● Eletrônica de Potência:
● “Ciência dedicada ao estudo de conversores estáticos.”
● “É uma ciência aplicada que aborda a conversão e o controle de fluxo de 
energia elétrica entre dois ou mais sistemas distintos, através de 
conversores estáticos de potência”
INTRODUÇÃO
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Conversor Estático:
● Composto por elementos passivos (R, L, C) e interruptores 
(semicondutores), combinados de tal maneira a realizar o tratamento ou 
transformação de energia elétrica.
● Adicionado à carga e/ou fonte forma(m) um sistema.
● Basicamente, utiliza semicondutores operando na região de corte ou 
saturação, evitando perdas excessivas.
● Dispositivos que “controlam” o fluxo de potência: semicondutores
INTRODUÇÃO
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INTRODUÇÃO
Aplicações:
● Controle de motores
● Fontes de alimentação 
(telecomunicações, computadores)
● No-breaks, UPS
● Energia fotovoltaica, eólica, fontes 
alternativas
● Condicionadores de energia
● ...
Retificador
Inversor
Conversor
CC-CC
Conversor direto
de freqüência
(v2, f2)E2
Conversor
indireto
de tensão
Conversor
indireto de
freqüência
Fonte:Rech
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Classificação dos semicondutores (interruptores) em EP
● Não controláveis: diodos (entrada em condução e 
bloqueio espontâneo dependentes do circuito)
● Semi-controláveis: tiristores (entrada em condução 
controlada, bloqueio espontâneo que depende do 
circuito)
● Controláveis: GTO, BJT, MOSFET, IGBT, IGCT (entrada 
em condução e bloqueio controlados) 
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DIODOS – Característica estática real
Em condução (diretamente polarizado), 
possui baixa queda de tensão.
Bloqueado (inversamente polarizado), circula 
somente corrente de fuga, até atingir VRRM.
-
C
F
vF+
A
i
iF
vF
V(TO)
VRRM IR
1
rT
Fi
A
V(TO)
+
C
rT
-vF
Modelo durante condução
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DIODOS – Idealizações
Em condução (diretamente 
polarizado), possui baixa queda de 
tensão.
Bloqueado (inversamente 
polarizado), circula somente corrente 
de fuga, até atingir VRRM.
Interruptor fechado, baixa 
resistência.
Interruptor aberto, alta resistência 
(MΩ)
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DIODOS – Idealizações
-
C
F
vF+
A
i
iF
vF
VF>0, resistência nula (s/ perdas condução)
VF<0, resistência infinita (corrente nula)
Lembrar:
Entra em condução quando polarizado pela 
tensão
Bloqueia-se espontaneamente quando a corrente 
passa por zero
Pode haver corrente negativa durante o bloqueio 
devido a recuperação reversa (dinâmica)
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DIODOS – Características dinâmicas
Entrada em condução: 
recuperação direta, elevada derivada de 
corrente pode provocar sobretensão. 
Normalmente este fenômeno pode ser 
desconsiderado. Tempo de recuperação 
direta.
Bloqueio: a corrente se torna negativa 
por um tempo antes de o diodo se 
bloquear (Silício). Durante esse tempo, os 
portadores de carga são armazenados na 
junção são removidos. Tempo de 
recuperação reversa – tr, trr.
Fonte: Williams2006
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DIODOS – Classificação quanto a velocidade
Convencionais:
comumente utilizados em retificadores, frequências de comutação típicas: 16 2/3 Hz, 50 Hz, 
60 Hz. Tempo de recuperação reversa não especificado, trr: 400ns @ 60 A, 1600V.
Rápidos e ultra-rápidos:
tempo de recuperação direta muitas vezes não especificado, tempo de recuperação reversa 
e carga armazenada normalmente encontrado nos datasheets, trr: 8,5-70ns @ 60 A, 400-
600V
Diodos tipo Schottky:
tempo de recuperação reversa e carga armazenada quase nula, queda de tensão direta 
baixa, tensão de bloqueio baixa (~100V), trr: 20 ns @ 60 A, 45V
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DIODOS – Perdas
Perdas podem ser separadas em:
● Perdas de condução
● Perdas de comutação
● bloqueio
● entrada em condução
Fi
A
V(TO)
+
C
rT
-vF
Pcond=V T0⋅I AVGI RMS
2⋅rT
Perdas de condução
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DIODOS – Perdas
Perdas de comutação:
Poff=Qrr⋅E⋅f
Poff=
1
2
V RRM⋅iRRM⋅t ri⋅f s
Pcom=PonPoff
Bloqueio (idealizado):
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DIODOS – Perdas
Perdas de comutação – entrada em condução
Pon=
1
2
V FP−V F ⋅I o⋅t rf⋅f s
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DIODOS – Perdas
Perdas totais
P tot=PcomPcond
Considerações de acordo com a frequência de operação
● Retificadores 50 , 60Hz
● tipicamente considera-se somente as perdas por condução
● Conversores em geral, (fs > 400 Hz) : 
● No cálculo de perdas em condução pode-se muitas vezes desprezar rT
● cálculo de perdas de comutação pode-se geralmente desprezar entrada em 
condução (fs < 1 kHz)
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DIODOS – exercício
 Retificador meia onda, a 60 Hz (220 RMS, R=10 Ohms)
iDmed=10 A
iDef=15,5 A
 Diodo SKN20/04
V T0=0,85V
rT=11m
Calcule a potência dissipada no diodo, 
considerando-se as perdas de maior 
relevância (condução).
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Tiristores – característica estática real
PolarizaPolarizaçção reversa ão reversa →→ bloqueiobloqueio
PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ bloqueiobloqueio
1
2
3 PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ curtocurto--circuito (disparo)circuito (disparo)
4 PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ curtocurto--circuitocircuito
A C
G
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Tiristores – característica estática real
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Tiristores – idealização da característica estática
PolarizaPolarizaçção reversa ão reversa →→ circuito abertocircuito aberto
PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ circuito aberto (sem disparo)circuito aberto (sem disparo)
1
2
3 PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ circuito fechado (disparo)circuito fechado (disparo)
ik
vk
bloqueia bloqueia
co
nd
uz
com.esp.
esp.
1 2
3
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Tiristores – características dinâmicas
A
C G
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Tiristores – características dinâmicas
Bloqueio
tq: mínimo intervalo de tempo em que a 
tensão deva ser mantida reversa sobre o 
tiristor garantindo assim o bloqueio
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Tiristores – datasheet (folha de dados)
Fonte:Michels
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Tiristores – datasheet (folha de dados)
Latching current (IL) ou corrente de retenção: para que o tiristor permaneça 
no estado de condução depois que o sinal de gatilho é removido, é necessário 
que a corrente principal (anodo) esteja acima do valor de IL determinado pelo 
fabricante.
Holding current (IH) ou corrente de manutenção: para que o tiristor possa 
bloquear, a corrente principal deve estar abaixo do valor da corrente de 
Latching (IL). O nível de corrente em que o tiristor bloqueia é chamado Holding 
current. Este nível de corrente é afetado pela temperatura e impedância de 
gate.
Valores negativos de tensão de gate aumentam significativamente os valores 
de IL e IH
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Tiristores – perdas
Perdas podem ser separadas em:
● Perdas de condução
● Perdas de comutação
● bloqueio
● entrada em condução
Fi
A
V(TO)
+
C
rT
-vF
Perdas de condução
Pcond=V T0⋅I AVGI RMS
2⋅rT
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Tiristores – perdas
Assim como para os diodos, em conversores 
comutados pela linha (50-60 Hz), as perdas de 
comutação podem ser desprezadas.
Nos casos em que as perdas de comutação devam 
ser consideradas, as equações são as mesmas 
obtidas para os diodos de silício.
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Cálculo térmico
A corrente que circula no componente provoca perdas que geram calor. O calor 
gerado deve ser transferido para o ambiente. A temperatura de junção não pode 
se elevar acima dos limites máximo permitidos pois provocaria a inutilização do 
componente.
Por isso a determinação correta das perdas e o dimensionamento do dissipador de 
calor são de importância prática fundamental.
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Cálculo térmico
Exemplos de encapsulamentos
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Cálculo térmico
Modelo para regime permanente
P
R jc Rcd Rda
TaTdTcTj
Tj
Tc
Td
Ta
Junção (semicondutor)
Case (Encapsulamento)
Dissipador (Alumínio/
Cobre/Água/etc)
Ambiente
Fonte: Heldwein2009
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Cálculo térmico
Procedimento:
1. Calcular as perdas (P) através das características do componente e do circuito 
no qual está inserido.
2. Tj – máximo valor é fornecido pelo fabricante do componente. 
3. Ta – valor adotado pelo projetista.
4. Calcular Rja.
5. Determinar a resistência térmica do dissipador.
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Cálculo térmico
Exercício:
A partir das perdas de condução calculadas no exercício anterior e utilizando-se 
dos parâmetros abaixo informados, calcular a temperatura na junção 
considerando-se a utilização de um dissipador comercial com resistência térmica 
de 8 0C/W.
P
R jc Rcd Rda
TaTdTcTj
Ta=40oC
Rthda=80C
Rthjc=20C
Rthcd=10C
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Cálculo térmico
Exercício:
Considere um sistema de resfriamento com dois componentes distintos 
montados sobre o mesmo dissipador de calor. Calcule a máxima resistência 
térmica do dissipador a fim de manter a temperatura na junção em ambos 
componentes dentro de valores aceitáveis. Considere a temperatura ambiente Ta 
= 40 oC.
P1=10W
Rthjc=10C
Rthcd=0,50C
Tjmax=150
0C
Componente 1 Componente 2
P 2=14W
Rthjc=1,50C
Rthcd=0,50C
Tjmax=125
0C
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Referências
Algumas das figuras/texto têm como fonte as seguintes referências:
Barbi, I.do autor, E. (Ed.), 2001. Projetos de Fontes Chaveadas.
Barbi, I., 2006. Eletrônica de Potência, 6 ed.. Edição do Autor.
Heldwein, M. L. (2009). Apresentação em powerpoint (parte de minicurso 
COBEP2009).
Michels, L. Apresentação em powerpoint da disciplina EPO I (UDESC).
Rech, C. Apresentação em powerpoint da disciplina EPO II (UDESC).
Williams, B. W.Williams, B. W. (Ed.), 2006. Principles and Elements of 
Power Electronics. Barry W. Williams, ISBN 978-0-9553384-0-3.
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