ELPOT_A5_Diodos de Potencia_Alu

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Diodo de Potência 
 
A seguir temos o símbolo do diodo e suas características de operação através da curva v x i. 
 
 
Quando a tensão entre o anodo e o catodo for positiva e maior que VF (em torno de 0,7 V), é dito 
que o diodo está diretamente polarizado e está no estado de condução, ou seja, começa a 
conduzir corrente com uma pequena tensão sobre ele. Quando o diodo é reversamente 
polarizado, ou seja a tensão entre anodo e catodo é negativa, ele está no estado corte, 
bloqueando a passagem de corrente no sentido reverso. 
A entrada em condução de um diodo é considerada ideal, ou seja, rápida o suficiente para não 
afetar o resto do circuito de potência em que está inserido. Entretanto, no diodo real para o 
bloqueio leva-se um tempo adicional, chamado tRR – tempo de recuperação reversa. 
Isso ocorre porque na comutação do estado de condução para o bloqueio, ocorre a descarga da 
capacitância intrínseca da junção. Nesse intervalo de tempo tRR, a corrente no diodo torna-se 
negativa até que toda a carga armazenada na capacitância durante a condução se anule. 
Após a carga ter se anulado o diodo bloqueia. Esta corrente reversa pode, além de comprometer 
o bom funcionamento do circuito, gerar ruídos, sobretensões e perdas adicionais de comutação. 
 
Principais características: 
 
� É um dispositivo não-controlado (comuta espontaneamente se diretamente polarizado) 
� Conduz quando diretamente polarizado (VAK > 0) e bloqueia no sentido direto quando i < 0 . 
� Possui queda de tensão intrínseca quando em condução : VF ~ 1V (forward voltage) 
� Não são facilmente operados em paralelo 
� Pode conduzir reversamente durante um tempo trr (tempo de recuperação reversa - 
especificado pelo fabricante) 
 
 
Região 
Reversa 
Região 
Direta 
 
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A figura a seguir mostra como ocorre a comutação em um diodo. 
 
Comutação de um diodo 
 
A partir dos tempos de recuperação reversa, os diodos podem ser classificados quanto à 
velocidade de comutação (quanto menor for o tempo tRR, mais rápida será a sua comutação). 
Os diodos Schottky apresentam tempos de recuperação reversa muito pequenos, da ordem de 10 
ns, pequena queda de tensão direta e são aplicados em altas freqüências e baixas tensões. 
Já o diodo ultra-rápido tem trr muito pequeno: próprio para tensões em torno de 400V mas pode 
ser usado em tensões superiores a 400V com um acréscimo no tempo de recuperação reversa. 
Os diodos rápidos são usados para maiores potências e menores freqüências. 
Já os diodos de uso geral (standard) são os diodos normalmente utilizados em frequências 
próximas à da rede CA (60Hz). 
A tabela a seguir mostra algumas linhas comerciais de diodos. 
 
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Os diodos de potência são fornecidos em vários tipos diferentes de encapsulamento como 
mostrado na figura a seguir. É através do encapsulamento que o calor gerado na junção do diodo se 
difunde para o ambiente. 
 
 
 
 trr > 1µs 
 
- Baixas tensões 
- Altas freq. 
- Altas tensões 
- Altas freq. 
- Altas Potencias 
- Freq. médias 
 
- Baixas freq. 
trr ≈ 10ns 
 
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Perdas no diodo 
 
 
A perda total em um diodo é a soma das perdas no estado ligado, no estado desligado e no 
chaveamento. 
 
PT = PON + POFF + PSW 
 PSW = PSWON + PSWOFF 
Onde: 
 
PON = VF . IF . ton / T 
POFF = VR . IR . toff / T 
PSWON = (1/6) . VR . IF . tF / T PSW = [1/(6T)] . VR . IF . (tF + tR) 
PSWOFF = (1/6) . VR . IF . tR / T 
 
VF = tensão direta ton = tempo de condução do diodo 
IF = corrente direta toff = tempo de desligamento do diodo 
VR = tensão reversa tF = tempo de descida ou fall time 
IR = corrente de fuga reversa tR = tempo de subida ou rise time 
 
 
Exercicio 1 
 
No circuito abaixo Vin = 400V, f = 10KHz, d = 20% e IF = 30A. Se o diodo tem as 
características abaixo descritas, determine a perda total de potência no diodo. 
 
 
 
 
Solução: 
 
 
T = 1 / f = 1 / 10K = 100µs 
 
d = ton / T � 0,2 = ton / T � ton ≈ 0,2 .T toff / ton = 0,8.T / 0,2.T � toff = 4 . ton 
Isso implica que : � toff ≈ 0,8 .T 
 
T = ton + tF + toff + tR 
100µ = ton + 1µ + 4 . ton + 0,1µ � ton = 19,78µs ���� toff = 79,12µs 
 
PON = VF . IF . ton/T = 1,1 . 30 . 19,78µ / 100µ = 6,53W � PON = 6,53W 
POFF = VR . IR . toff/T = 400 . 0,3m . 79,12µ / 100µ = 0,095W � POFF = 0,095W 
PSW = [1/(6T)] . VR . IF . (tF + tR) = [1 / (6 . 100µ)] . 400 . 30 . (1µ + 0,1µ) = 22W � PSW = 22W 
PT = PON + POFF + PSW = 6,53 + 0,095 + 22 = 28,62W � PT = 28,62W 
 
*** Perceba que pela fórmula de PSW = (1/6) . VR . IF . f . (tF + tR) , se aumentarmos a frequência 10x , a 
perda de potência no chaveamento (PSW) aumentará em 10x, enquanto as perdas por condução (Pon e 
Poff) permanecem praticamente inalteradas (razão cíclica d não foi alterada). 
 
 
Dados: 
 
VF = 1,1V 
IR = 0,3mA 
tF = 1µs 
tR = 0,1µs 
 
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Para comprovar isso, vamos aplicar ao exercicio anterior f = 100KHz, e refazer os cálculos: 
 
Assim, temos: 
 
T = 1 / f = 1 / 100K = 10µs 
 
d = ton / T � 0,2 = ton / T � ton ≈ 0,2 .T toff / ton = 0,8.T / 0,2.T � toff = 4 . ton 
Isso implica que : � toff ≈ 0,8 .T 
 
T = ton + tF + toff + tR 
10µ = ton + 1µ + 4 . ton + 0,1µ � ton = 1,78µs ���� toff = 7,12µs 
 
PON = VF . IF . ton/T = 1,1 . 30 . 1,78µ / 10µ = 5,87W � PON = 5,87W 
POFF = VR . IR . toff/T = 400 . 0,3m . 7,12µ / 10µ = 0,085W � POFF = 0,085W 
PSW = [1/(6T)] . VR . IF . (tF + tR) = [1 / (6 . 10µ)] . 400 . 30 . (1µ + 0,1µ) = 220W � PSW = 220W 
PT = PON + POFF + PSW = 5,87 + 0,085 + 220 = 226W � PT = 226W 
 
Conclusão: 
 
Comparando os resultados, com o aumento da frequencia de 10KHz para 100KHz: 
 
� PSW aumentou 10x 
� Pon e Poff praticamente não se alteraram 
� PT aumentou aproximadamente 8x ( = 226 / 28,62 ) 
 
** Portanto, neste caso, não vale a pena operar em 100KHz. 
 
 
Exercicio 2 (proposto) 
 
 
Na figura abaixo, Vin = 500V , f = 50KHz, d = 80% e IF = 20A. Para as características de diodo 
a seguir, determine a perda total de potência no diodo. 
 
 
 
Respostas: 
 
ton = 4 . toff � toff = 3,67µs e ton = 14,64µs 
 
PON = 29,3W 
POFF = 0,03W 
PSW = 141,6W 
PT ≈ 171W 
 
Dados: 
 
VF = 2V 
IR = 0,3mA 
tF = 1,5µs 
tR = 0,2µs 
DESAFIO: 
 
1) Para qual valor de frequência de 
chaveamento teremos Pon = Psw/2 ? 
 
2) Para qual valor de razão cíclica d
teremos Pon = Psw , se f = 30KHz ? 
 
 
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Principais parâmetros dos diodos de potência 
 
 
� PIV (Tensão de pico inversa) = Tensão inversa máxima que pode ser aplicada nos terminais 
do diodo sem ruptura. 
 
 
Se a PIV nominal for excedida,o diodo começará a cunduzir no sentido inverso (período >> µs), 
e poderá ser danificado neste instante. 
 
A PIV é também chamada de PRV (Peak Reverse Voltage) ou tensão de ruptura. 
 
� IF(AVG)MAX (Corrente Direta Média Máxima) = Corrente máxima que o diodo pode suportar 
com segurança quando estiver diretamente polarizado. 
 
Está na faixa de alguns poucos a centenas de ampéres. 
 
� tRR (Tempo de Recuperação Reverso) = Intervalo de tempo em que a corrente reversa flui 
pelo diodo. 
 
É uma das características mais importantes no chaveamento em altas velocidades, pois influi 
diretamente na dissipação térmica do diodo. 
 
No diodo real, a passagem do estado ligado para desligado não é instantânea. Antes de desligar, 
uma corrente inversa flui por um breve período (período até ns) e o diodo não desliga até que a 
corrente inversa caia a zero. 
 
Esse tempo varia de centenas de ns a µs. 
 
Os diodos com tRR baixo são usados em aplicações de alta frequência, como inversores, fontes 
chaveadas, choppers (conversores DC-DC), etc. 
 
 
� TJmax (Temperatura Máxima de Junção) = Temperatura máxima que o diodo pode 
suportar sem apresentar defeito. 
 
 
As temperaturas nominais em diodos de silicio variam de – 40ºC a +180ºC. A operação em 
temperaturas mais baixas resulta em melhor desempenho e aumento de vida útil. 
 
Os diodos são em geral montados em dissipadores de calor para que haja melhora nas condições 
nominais de temperatura. 
 
� IFSM (Corrente Máxima de Surto) = Corrente máxima que o diodo pode suportar durante 
um eventual defeito ou transitório no circuito. 
 
Obsevar a máxima corrente de pico no diodo: IFSM > IPICO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Proteções dos diodos 
 
 
� Sobretensão 
 
Quando o diodo está diretamente polarizado, a tensão em seus terminais é baixa, não ocorrendo 
problemas. Entretanto, um diodo inversamente polarizado atua como circuito aberto. 
 
Se a tensão reversa nos terminais exceder a PIV, a corrente reversa dispara. 
 
Como resultado da corrente alta e da tensão alta, é bem provável que a dissipação de calor na 
junção exceda o seu valor máximo, danificando o diodo. Por segurança, na prática, utilizamos: 
 
PIV > 1,2 . VRmáx (operação reversa) 
 
� Sobrecorrente 
 
O fabricante especifica o valor nominal de corrente máxima com base nas temperaturas máximas 
de junção. 
 
Recomenda-se que a corrente no circuito seja mantida abaixo desse valor. A proteção contra 
sobrecorrente é proporcionada pela utilização de fusível. 
 
� Transitórios 
 
Transitórios ou transientes são picos de tensão de curta duração que surgem durante a 
comutação (ou também devido a fatores externos: descargas elétricas atmosféricas, por 
exemplo), podendo ultrapassar a tensão máxima reversa suportável pelo diodo. 
 
A proteção contra transientes é feita com circutios RC série conectados em paralelo com o diodo. 
 
Esse artificio anula ou reduz a taxa de variação de tensão dv/dt e é denominado circuito 
SNUBBER.