Eletronica de Potencia UDESC 1 1

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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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 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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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
 ...
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cc-cc ca-ca
Retificador
Inversor
cc-cc
Indireta
ca-ca
Indireta
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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.
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
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: Williams, 2006
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DIODOS – Classificação quanto a velocidade
Convencionais: comumente utilizados em retificadores, frequências de 
comutação típicas: 16.66Hz, 50 Hz, 60 Hz. Tempo de recuperação reversa 
não especificado, trr: 400ns em 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 em 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 em 60 A, 45V
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DIODOS – Perdas
Perdas podem ser separadas em:
 Perdas de condução
 Perdas de comutação
◦ Bloqueio
◦ Entrada em condução
Perdas de condução
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑉𝑇0 ⋅ 𝐼𝐴𝑉𝐺 + 𝐼𝑅𝑀𝑆
2 ⋅ 𝑟𝑇
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DIODOS – Perdas
𝑃𝑜𝑓𝑓 = 𝑄𝑟𝑟 ⋅ 𝐸 ⋅ 𝑓𝑠 𝑃𝑜𝑓𝑓 =
1
2
𝑉𝑅𝑅𝑀 ⋅ 𝑖𝑅𝑅𝑀 ⋅ 𝑡𝑟𝑖 ⋅ 𝑓𝑠
𝑃𝑐𝑜𝑚 = 𝑃𝑜𝑛 + 𝑃𝑜𝑓𝑓
Bloqueio (idealizado):
Perdas de comutação:
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DIODOS – Perdas
Perdas de comutação
𝑃𝑜𝑛 =
1
2
𝑉𝐹𝑃 − 𝑉𝐹 ⋅ 𝐼𝑜 ⋅ 𝑡𝑟𝑓 ⋅ 𝑓𝑠
Entrada em condução
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DIODOS – Perdas
Perdas totais
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)
𝑃𝑡𝑜𝑡 = 𝑃𝑐𝑜𝑚 + 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑
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DIODOS – Exercício
Retificador meia onda, a 60 Hz (220 RMS, R=10 Ohms)
𝑖𝐷𝑚𝑒𝑑 = 10𝐴
𝑖𝐷𝑒𝑓 = 15,5𝐴
Diodo SKN20/04
𝑉𝑇0 = 0,85𝑉
𝑟𝑇 = 11𝑚Ω
Calcule a potência dissipada no diodo, considerando-se as 
perdas de maior relevância (condução).
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TIRISTORES – Característica estática real
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TIRISTORES – Característica estática real
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TIRISTORES – Idealização da característica estática
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TIRISTORES – Características dinâmicas
Bloqueio
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TIRISTORES – Características dinâmicas
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: Prof. Leandro Michels - UFSM
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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
Perdas de condução
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑉𝑇0 ⋅ 𝐼𝐴𝑉𝐺 + 𝐼𝑅𝑀𝑆
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
Fonte: Heldwein, 2009
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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. 𝑇𝑎 = 40𝑜𝐶
𝑅𝑡ℎ𝑑𝑎 = 80 Τ𝐶 𝑊
𝑅𝑡ℎ𝑗𝑐 = 20 Τ𝐶 𝑊
𝑅𝑡ℎ𝑐𝑑 = 10 Τ𝐶 𝑊
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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.
Componente 1 Componente 2
𝑃1 = 10𝑊
𝑅𝑡ℎ𝑗𝑐 = 10𝐶
𝑅𝑡ℎ𝑐𝑑 = 0,50𝐶
𝑇𝑗𝑚𝑎𝑥 = 150
0𝐶
𝑃2 = 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.