3 Eletrônica de Potência IFBA Diodo de Potência

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 
- DIODO DE POTÊNCIA - 
Professor Lucas Tenório de Souza Silva 
1 – DIODO DE POTÊNCIA 
1 – DIODO DE POTÊNCIA 
 São similares aos diodos de junção PN de baixa 
potência (condução de corrente em apenas um 
sentido), mas que possuem maior capacidade de 
Potência, Corrente e Tensão. 
 Utilizado na Eletrônica de Potência como: 
 Retificadores não controlados 
 Diodo de retorno, utilizado para desviar corrente em cargas 
indutivas. 
 
 
 
1 – DIODO DE POTÊNCIA 
 Simbologia: 
 Composição do Diodo de Junção: Si e Ge 
 O Funcionamento depende da polarização da junção do 
diodo: 
 Direta: Vanodo (Va) > Vcatodo (Vc) 
 Diodo Conduz; Rdiodo (Rd) Baixíssima; Corrente (Id) limitada pelo 
circuito e Tensão do diodo (Vd) próximo de 0,7V; 
 Reversa: Vanodo < Vcatodo 
 Vfonte > Vrrm (Vz): Diodo Bloqueia; Rd elevada; Corrente 
baixíssima (Ifuga) e tensão do diodo (Vd) igual a da fonte. 
 Vfonte < Vrrm (Vz): Diodo zener regula tensão; Diodo de junção 
PN danifica. Corrente eleva rapidamente e limitada pelo circuito; 
tensão do diodo (Vd) igual a Vz. 
 
1 – DIODO DE POTÊNCIA 
 A Curva Característica do Diodo pode ser usada 
para entender o comportamento do diodo. A mesma é 
dividida em três regiões: 
 Região de Condução (1) 
 Região de Bloqueio (2) 
 Região de Ruptura (3) 
 Parâmetros encontrados: 
 Vd: Tensão direta (sentido) 
 Id: Corrente direta(sentido) 
 Vr: Tensão reversa(sentido) 
 Ir: Corrente inversa(sentido) 
 Vz; Vrrm; VBr: Tensão de ruptura ou breakdown voltage. 
 V ou Vk (Knee:joelho): tensão da barreira de potencial ou 
limiar de condução. 
 
(1) 
(2) 
(3) 
1 – DIODO DE POTÊNCIA 
 A modelagem do diodo é dada pela equação de Shockey 
e é definida da seguinte maneira: 
 Sendo: 
 Is: corrente de saturação reversa (fuga) 
 VD: tensão direta aplicada ao diodo 
 n: fator de idealidade: 
 1: componente integrado 
 2: componente discreto 
 VT: tensão térmica dada por: 
 K: Constante de Boltzmann 
 Tk: Temperatura em Kelvin 
 q : carga do elétron 
 Considerando a polarização: 
)1(  TD nVVSD eII
q
Tk
V KT


Cq
KT
KJk
K
19
23
106,1:
30027273:
/1038,1:





mV
C
CVT 88,25
106,1
3001038,1
)27(
19
23













0:,
0:,0
0:,
DS
D
D
nVV
S
D
VparaI
Vpara
VparaeI
I
TD
1 – DIODO DE POTÊNCIA 
 Exemplo com a formula de Shockey 
 Polarizado diretamente 
 Queda de tensão: 1,2V 
 Corrente de fuga: 21,8 nA 
 Fator: n=2 
 VT= 25,88mV 
 Quanto vale ID? 








0:,
0:,0
0:,
DS
D
D
nVV
S
D
VparaI
Vpara
VparaeI
I
TD
TD nVV
SD eII   mV
D eI
88,2522,19108,21  AID 33,255)1(  TD nVVSD eII
2 – PRINCIPAIS PARÂMETROS DO DIODO 
 Tensão: 
 VF: queda de tensão polarizado diretamente 
 VBR ou VRRM: valor de máximo de tensão que 
o diodo suporta quando esta polarizado 
reversamente. 
 Corrente 
 IF(AV): corrente média polarizado diretamente. 
 IFSM: pico de corrente não repetitivo máximo. 
 Potência e Tempereatura 
 PDM ou PFM: potência máxima dissipada 
 Tj: temperatura da junção; 
 Tempo: 
 dV/dt: taxa de variação de tensão nos terminais. 
 Trr: Tempo de Recuperação Reversa 
FFDM IVP 
2 – PRINCIPAIS PARÂMETROS ELÉTRICOS 
2 – PRINCIPAIS PARÂMETROS DO DIODO 
 2.1 - Tipo de encapsulamento: 
 Parafuso ou rosca: Possuem quatro 
terminais, sendo que possui dois catodos, um 
para o circuito de potência e outro para o 
circuito de disparo. 
 Disco: formato de disco e permite a conexão 
de dois dissipadores, um de cada lado. 
 Thyodul: geralmente possui mais de um 
componente e utilizado para otimizar a 
construção de conversores 
3 – RECUPERAÇÃO REVERSA 
3 – TEMPO DE RECUPERAÇÃO REVERSA (Trr) 
 O tempo de recuperação reversa (Trr) é tempo que 
leva para o diodo bloquear após transitar do estado de 
condução para não condução. 
 Isto ocorre porque na transição os portadores 
Minoritários permanecem armazenado (efeito 
capacitivo) na junção e no corpo do material 
semicondutor e levam um tempo para recombinarem e 
serem neutralizados. 
 O tempo Trr da maioria dos diodos é na faixa de nano 
a micro segundos, mas em chaveamento de alta 
velocidade, este tempo pode chega a centenas de 
picosegundos. 
3 – RECUPERAÇÃO REVERSA 
 Existem dois tipos de recuperação: suave (a) - mais 
comum - e abrupta (b). 
 O tempo de recuperação reversa é dado pela soma do: 
 Tempo Ta (Ts): resultante pelo armazenamento de cargas 
na região de depleção da junção. 
 Tempo Tb (Tt): resultante da carga armazenada no corpo do 
material semicondutor 
#Curva fora de escala: Ta é maior que Tb 
(a) (b) 
4 – PROTEÇÃO DO DIODO 
4 – CUIDADOS COM DIODO 
 O diodo de potência deve ser protegido contra: 
 Sobretensão: o problema com sobretensão ocorre quando o 
mesmo é polarizado reversamente, em que VD=Vfonte. 
Para evitar danos ao circuito e ao diodo, este deve ser 
especificado com o valor nominal da tensão reversa (VRRM) 
pelo menos 1,2 vez maior que a tensão que é submetido 
(tensão de pico inversa - PIV) 
 Sobrecorrente: problemas com sobrecorrente são evitados 
dimensionando correntemente a corrente de condução 
(ID < IF) do diodo e com a colocação de fusível. Corrente 
elevadas provocam aumento de temperatura da junção e 
deve ser evitado para não danificar o diodo. 
4 – PROTEÇÃO DO DIODO 
 Transitório: problema com transitório pode elevar a 
tensão nos terminais do diodo e danificá-lo. Para evitar 
utiliza-se um circuito RC, conhecido como circuito 
snubber, para amortecer a ação do transitório. 
 Dimensionamento do circuito depende da: 
 Corrente Máxima; 
 Taxa de variação de tensão; 
 Frequência do circuito 
 
 
 
 
 # Uma das formas de dimensionar: 
http://www.daycounter.com/Calculators/Snubbers/Snubber-Design-Calculator.phtml 
dt
dV
I
C
C
Pico
Cf
R


20
1
fVCP  2
2
1
5 – DIODO DE POTÊNCIA 
5 – DIODO DE POTÊNCIA 
 Dependendo das características de recuperação reversa 
e técnicas de fabricação, os diodos podem ser 
classificados em três tipos: 
 Diodo-padrão (uso geral) 
 Diodo de recuperação rápida; 
 Diodo Schottky 
 5.1 – Diodo-Padrão 
 Disponível até 6000V e 4500A 
 Tempo de recuperação baixo ( 25s), por isso utilizado em 
aplicações de baixa velocidade (<1kHz) 
 Podem ser fabricados por difusão (geralmente) ou por 
junção fundida (mais resistentes) 
 
5 – DIODO DE POTÊNCIA 
 Tipicamente encontrado com encapsulamento tipo: 
 Rosca (rosqueável); 
 Disco (prensável); 
 5.2 – Diodo de recuperação Rápida 
 Disponível até 6000V e 1100A 
 Tempo de recuperação baixo (< 5s) 
 Utilizados em circuitos conversores aplicações de alta 
frequência. 
 Podem ser fabricados por difusão (geralmente) e o tempo de 
recuperação é controlado por difusão de platina e de ouro. 
 
 5.3 – Diodo de Schottky 
 Disponível até 100V e 400A 
 Tempo de recuperação baixíssimo (nanosegundos) 
 A corrente de fuga é maior, comparado com o de junção; 
 Em condução, possui baixa queda de tensão (0,6V); 
 É um diodo fabricado sem junção, apenas com um 
contato entre um metal e um semicondutor para ter o efeito 
da “barreira de potencial”. O fluxo de corrente é dado por 
apena um tipo de portador. 
  São utilizados em fontes de 
alimentação de alta corrente e 
baixa tensão. 
5 – DIODO DE POTÊNCIA6 – DIODO DE CARBETO DE SILÍCIO 
6 – DIODO DE CARBETO DE SILÍCIO 
 O Carbeto de silício (SiC) é um novo material para 
eletrônica de potência. 
 Grandes vantagens em relação ao diodo de silício: 
 Perda de Potencia Ultrabaixas 
 Alta confiabilidade 
 Não possui tempo de recuperação reversa; 
 Chaveamento Ultrarápido, se interferência da temperatura; 
 Utilizado em fontes de alimentação, conversão de energia 
solar, transportes e outros; 
 
 
7 – MODELO DO DIODO DE POTÊNCIA 
7 – MODELO DO DIODO DE POTÊNCIA 
 O diodo é um componente não linear (visto por sua 
curva característica), então para facilitar a análise dos 
circuitos geralmente o diodo é modelado de três formas, 
quando esta em condução: 
 Modelo de Ideal (a) 
 Modelo Linearizado (b) 
 Modelo de Queda de Tensão Constante (c) 
 Em todos os modelo, a região de ruptura é 
desconsiderada e o diodo só permite fluxo de corrente em 
uma única direção. 
 
 
 (a) (b) (c) 
7 – MODELO DO DIODO DE POTÊNCIA 
 Na eletrônica de Potência, pelo fato de lidar com 
valores de tensão, corrente e potência elevados, 
algumas características do diodo podem ser desprezadas. 
 Por conta disto, o modelo Ideal do diodo geralmente é 
utilizado para analisar os circuitos. 
 
 
 
8 – ANÁLISE DE CIRCUITOS COM DIODO 
8 – ANÁLISE DE CIRUITOS COM DIODO 
 O diodo pode ser utilizado em circuito de corrente AC 
ou DC. 
 8.1 - Diodo Conectado em Série: 
 Diodos em Série são utilizado em aplicações com alta tensão 
(linha de transmissão de corrente contínua - HVDC), em 
que um único diodo não suporta a tensão aplicada 
reversamente. 
 Os diodos possuem a mesma corrente de fuga, mas são 
submetidos a tensões reversas diferentes. 
 
 
8 – ANÁLISE DE CIRCUITOS COM DIODO 
 Apesar de serem Diodos do mesmo tipo, na prática, 
apresentarão valores de tensões reversas diferentes. 
 Uma solução simples é colocar resistores em paralelo com 
diodos, de forma a criar um divisões de tensão equilibrando 
as tensões. 
 Esses resistores devem ter valores elevado para evitar o 
consumo excessivo de potência e suficiente para que a 
corrente no resistor seja maior do que a corrente de fuga 
do diodo. 
 Em alguns casos, um capacitor também pode ser conectado 
em paralelo para evitar a tensão reversa excessiva por 
conta do tempo de recuperação reversa. 2211 RSRSS IIIII  2
2
2
1
1
1
R
V
I
R
V
I DS
D
S 
8 – ANÁLISE DE CIRCUITOS COM DIODO 
 Exemplo circuitos de diodo em série: 
 Tensão Vs (reversa):5kV 
 Corrente de Fuga: IS1:30mA IS2:35mA 
 a) Encontrar a tensão Vd1 e Vd2, para R1=R2=100k 
 b) Encontrar a relação das resistências quando Vd1=Vd2=Vs/2; 
2
2
2
1
1
1
R
V
I
R
V
I DS
D
S 





k
VkV
mA
k
V
mA DD
100
5
35
100
30 11


 k
kV
mA
k
VD
100
5
5
100
2 1
VVD 27501  VVD 2250275050002  21
5,2
35
5,2
30
R
kV
mA
R
kV
mA 
21
5,2
5
5,2
R
kV
mA
R
kV

1
1
2
005,02500
2500
R
R
R


 kR 1001  kR 1252
8 – ANÁLISE DE CIRCUITOS COM DIODO 
 8.2 - Diodo Conectado em Paralelo: 
 Diodos em Paralelo são utilizado em aplicações com alta 
tensão para aumenta a capacidade de condução de 
corrente. 
 Os diodos possuirão a mesma queda de tensões e valores 
diferentes de corrente direta, o que pode implicar no 
superaquecimento de um dos diodos. 
 Pode-se conseguir o equilíbrio das correntes utilizando 
resistores com baixo valor. O resultado é eficaz, mas a 
perda de potência é elevada. 
 A divisão de corrente em condições dinâmica pode ser 
realizada pela conexão de indutores acoplados. 
 
 
2211 RDRDS VVVVV 
222111 RIVRIV RDRD 
8 – ANÁLISE DE CIRCUITOS COM DIODO 
 8.3 - Diodo com Carga RC em circuito DC: 
 Para facilita a análise, o Diodo pode ser substituído por 
uma chave (aberta ou fechada) dependente da polarização. 
 Após substituir a o diodo pela chave, a análise do circuito 
pode ser feita com qualquer técnica de análise. 
 É um circuito de primeira ordem 
 
 
 Usando transformada de laplace: 
 
 
 Solução da Transformada Inversa: 
 
 Corrente: 
S
C
SR V
dt
dv
RCvVvvCarrega  CC: sRCRCs
V
V S


1
C
)1()( CR
t
S eVtv

C
CR
t
SC
C e
R
V
dt
dv
Ci


CR
8 – ANÁLISE DE CIRCUITOS COM DIODO 
 8.4 - Diodo com Carga RL em circuito DC: 
 Novamente, o Diodo é substituído por uma chave (aberta ou 
fechada) dependente da polarização e a análise é feita: 
 É um circuito de primeira ordem 
 
 
 Usando transformada de laplace: 
 
 
 Solução da Transformada Inversa: 
 
 
 Tensão: 
 LRsLs
V
I S

L )1()( L
Rt
S e
R
V
ti

L L
Rt
S
L
L eV
dt
di
Lv


SSR VtRi
dt
tdi
LVVVCarrega  )(
)(
: L
RL
8 – ANÁLISE DE CIRCUITOS COM DIODO 
 8.5 - Diodo em Circuito AC: 
 O Diodo é substituído por uma chave (aberta ou fechada) 
dependente da polarização. 
 Como a tensão da fonte alterna de polaridade o diodo 
poderá também alternar de polaridade. Assim o circuito 
deve ser analisado para cada semi-ciclo. 
9 – PERDAS NO DIODO 
9 – PERDAS NO DIODO 
 A perda do diodo é dada pela soma das perdas de: 
 
 Condução: 
 
 Bloqueio: 
 
 Chaveamento: 
 
 Total: 
T
t
IVP ONDDON 
OFFON
ON
tt
t
d


T
t
IVP OFFfugareversaOFF  fttIVP dsDreversatransição   ][
6
1
maxmax
ochaveamentbloqueioconduçãoisperdastota PPPP 
9 – PERDAS NO DIODO 
 Exemplo de Perdas 
 Considerando: 
 Circuito: Vs=300V ; f=20kHz ; d=60% ; ID=30A 
 Diodo: Vf=1,1V ; Ir=0,3mA ; ts=1s ; td=0,1s 
 A perda do diodo é dada pela soma das perdas de: 
 Condução: 
T
t
IVP ONDDON 
OFFON
ON
tt
t
d

 s
kHz
T 50
20
1

sttttT dsOFFON 50 ssstt OFFON  9,481,150  sstON  34,299,486,0  stOFF 56,1934,299,48  Ws
s
PON 36,19
50
34,29
301,1  

9 – PERDAS NO DIODO 
 Bloqueio: 
 
 
 Chaveamento: 
 
 
 Total: 
T
t
IVP OFFfugareversaOFF 
WkHzssPtransição 75,2415]1,01[30300
6
1
 
ochaveamentbloqueioconduçãoisperdastota PPPP 
mW
s
s
POFF 21,35
50
56,19
103,0300 3   

fttIVP dsDreversatransição   ][
6
1
maxmax WWWWP isperdastota 15,4475,2403521,036,19 
10 – EXERCÍCIOS 
 AHMED, Ahsfaq. Eletrônica De Potência. Pearson 
Education do Brasil Ltda, 2002. 
 Capitulo 2: Estão aptos a fazer todos exercícios 
 Preferencialmente: 10, 11, 12, 13, 14 e 15 
 
10 – EXERCÍCIOS 
 RASHID, Muhammad H.; Eletrônica de Potência: 
Dispositivos, Circuitos e Aplicações; PEARSON; Makron 
Books 
 Capitulo 2 
 
10 – EXERCÍCIOS 
 
10 – EXERCÍCIOS