Ficha de Trabalho 1 — UC02955

Rectificadores Controlados e Dimensionamento de Dispositivos de Potência

Duração: 90 minutos | Consulta: Sebenta, tabelas de semicondutores | Calculadora: Obrigatória

Grupo I — Verdadeiro / Falso (20 pontos)

O SCR (tiristor) pode ser desligado aplicando um pulso negativo no terminal gate. ___
O TRIAC conduz corrente nos dois sentidos e é comummente usado em dimmers de luz e controlo de temperatura doméstico. ___
Para um rectificador monofásico de meia onda com SCR, a tensão média de saída é máxima quando o ângulo de disparo α = 90°. ___
O IGBT tem corrente de gate quasi-nula em estado estacionário (como o MOSFET) mas V_CE(sat) mais baixa que um MOSFET equivalente para correntes elevadas. ___
O díodo Schottky tem uma tensão de condução directa (V_F) mais baixa que um díodo PN convencional de silício. ___
O MOSFET de canal N tem R_DS(on) que aumenta com a temperatura de junção, o que pode tornar o paralelo de MOSFETs automaticamente estável. ___
A resistência de gate R_G no driver de um IGBT tem influência directa nas perdas de comutação (switching losses). ___
Para rectificadores controlados trifásicos, a tensão máxima de saída (com α=0°) é aproximadamente 1,35 × a tensão de linha da rede de alimentação. ___
O dead time num inversor em ponte H tem como função garantir que os dois switches do mesmo braço nunca conduzam simultaneamente. ___
Num conversor DC-DC buck, o duty cycle D é calculado pela razão V_out/V_in. ___

Grupo II — Cálculo de Ângulo de Disparo SCR (40 pontos)

Problema 1 — Rectificador Monofásico com SCR

Um rectificador monofásico de onda completa com 4 SCRs (ponte de Graetz controlada) é alimentado por 230 V AC eficaz (50 Hz). A carga é uma resistência de 10 Ω.

a) Calcule o valor de pico da tensão de alimentação.

b) Para α = 0°, calcule a tensão média de saída usando: $$V_{med} = 0,9 \times V_{ef} \times \cos\alpha$$

c) Para obter uma tensão média de 150 V DC, calcule o ângulo de disparo α necessário.

d) Para α = 60°, calcule: - A tensão média de saída - A corrente média de carga - A potência entregue à carga

e) O utilizador quer ajustar α = 45°. Numa rede de disparo com condensador C = 100 nF e frequência de 50 Hz, calcule o valor de R necessário para obter α = 45°. Use: α ≈ arctan(1/(ωRC)) × 180°/π

Grupo III — Dimensionamento de IGBT para Carga Indutiva (40 pontos)

Problema 2 — Selecção e Dimensionamento de IGBT

Um inversor trifásico vai accionar um motor de 15 kW, 400V AC, cos φ = 0,87. O bus DC é de 560V. A frequência de comutação é 8 kHz. Temperatura ambiente máxima: 50°C.

Dados IGBT (IRGP50B60PD1 — 600V/50A): - V_CE(sat) = 2,0 V a 25°C, I_C = 50A - R_th,jc = 0,35 °C/W - R_th,cs (com pasta) = 0,10 °C/W - E_on = 2,0 mJ; E_off = 3,5 mJ (a 300V, 50A, 25°C) - T_j max = 150°C - Dissipador disponível: R_th,sa = 1,0 °C/W

a) Calcule a corrente de fase do motor (corrente nominal).

b) Calcule as perdas de condução de um IGBT (para o pico de corrente = √2 × I_fase, duty cycle = 50%).

c) Calcule as perdas de comutação (E_sw = E_on + E_off por ciclo).

d) Calcule a temperatura de junção e verifique se está dentro dos limites.

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