Índice

1. Dispositivos de Potência — díodo, tiristor (SCR), TRIAC, MOSFET, IGBT — características, ratings, encapsulamentos
2. Rectificação Controlada — rectificador monofásico com SCR (meia onda, onda completa), ângulo de disparo α
3. Controlo de Potência AC — TRIAC com DIAC, controlo de fase, dimmer, controlo de motor universal
4. Conversores DC-DC — buck (abaixador), boost (elevador), buck-boost — operação, cálculo L e C
5. Inversores — pontes H (full bridge), modulação PWM, driver de porta, dead time
6. Dissipação Térmica — cálculo de temperatura de junção, resistência térmica, pasta térmica, ventilação

Família de Semiconductores de Potência

MOSFET vs. IGBT — Quando Usar Cada Um

MOSFET de potência:

• Controlo por tensão (V_GS): sem corrente de gate em estado estacionário
• R_DS(on) aumenta com a temperatura → auto-limitante
• Excelente para altas frequências (> 100 kHz) — conversores switching
• Aplicação: conversores DC-DC, carregadores, fontes comutadas

IGBT:

• Tensão de condução quase constante com temperatura (0,7–2V)
• Menor V_CE(sat) que MOSFET para correntes elevadas
• Frequência máxima: 20–50 kHz (tempo de desbloqueo t_off)
• Aplicação: inversores de motor (VFDs), UPS, tracção eléctrica

Encapsulamentos comuns:

• TO-247: MOSFET/IGBT discreto (coleções de peças)
• SOT-223, D2PAK: SMD de potência média
• Módulo IPM/IGBT: integração de múltiplos IGBTs com driver

Rectificador Monofásico com SCR

Meia onda controlada:

O SCR só conduz no semiciclo positivo quando o ângulo de gate α é atingido:

Onde V_m é o valor de pico da tensão e α é o ângulo de disparo (0° a 180°)

Rectificador de Onda Completa com 4 SCRs (Ponte de Graetz)

Dois SCRs por semiciclo:

Para α = 0° e V_ef = 230 VAC: V_med = 0,9 × 230 = 207 V DC

Para α = 60°: V_med = 0,9 × 230 × cos(60°) = 207 × 0,5 = 103,5 V DC

Circuito de disparo (trigger circuit):

• Detector de passagem por zero (zero-crossing detector)
• Circuito RC de temporização para gerar o ângulo α
• Circuito de isolamento (optocoupler) entre circuito de trigger (baixa tensão) e gate do SCR (alta tensão)

TRIAC e Controlo de Fase AC

Funcionamento do TRIAC:

• Conduz em ambos os semiciclos (bilateral)
• Disparado pelo DIAC (componente bilateral de limiar)
• Circuito RC determina o ângulo de disparo (fase)

Aplicação — Dimmer de luz:

230V AC ─── R_potênciometro ──── C ──┬──── TRIAC ──── Carga
                                      │
                                    DIAC
                                      │
                                   Gate TRIAC

Ao girar o potenciómetro, o RC altera o ângulo de disparo → mais ou menos potência entregue à lâmpada

Limitação: Dimmers resistivos com TRIAC não funcionam com lâmpadas LED (forma de onda distorcida); usar dimmers específicos para LED.

Conversores DC-DC — Buck (Abaixador)

Princípio de operação:

• Switch ON: corrente cresce no indutor; energia armazenada; V_out < V_in
• Switch OFF: díodo freewheeling conduz; indutor descarrega para a carga

Equações fundamentais:

Onde D é o duty cycle (0 a 1).

Cálculo do indutor (modo contínuo):

Cálculo do condensador de saída:

Conversor Boost (Elevador)

Para D = 0,5: V_out = 2 × V_in
Para D = 0,75: V_out = 4 × V_in

Cuidado: D próximo de 1 → V_out teoricamente infinita (na prática limitada por perdas)

Tabela comparativa:

Inversor Monofásico em Ponte H

Topologia: 4 IGBTs/MOSFETs em configuração de ponte H

V+ ──┬────[S1]────┬────[S3]────┐
     │            │            │
    [S2]        CARGA         [S4]
     │            │            │
V- ──┴────────────┴────────────┘

PWM (Pulse Width Modulation):

• Comparar a forma de onda de referência (seno) com portadora triangular de alta frequência
• Onde seno > triângulo: S1+S4 conduzem; onde seno < triângulo: S2+S3 conduzem
• f_PWM típica: 4–20 kHz (VFDs); 100 kHz+ (audio amplifiers)

Dead time: intervalo de protecção entre o off de um switch e o on do switch oposto no mesmo braço → evita curto-circuito; tipicamente 500 ns a 5 µs

Dissipação Térmica

Cadeia térmica:

Onde:

• T_j = temperatura de junção [°C]
• T_a = temperatura ambiente [°C]
• P_d = potência dissipada [W]
• R_th,jc = resistência térmica junção-cárter [°C/W]
• R_th,cs = resistência térmica cárter-dissipador [°C/W]
• R_th,sa = resistência térmica dissipador-ar [°C/W]

Pasta térmica: preenche as micro-irregularidades entre o componente e o dissipador → R_th,cs diminui de ~1°C/W para ~0,1°C/W

Exemplo: IGBT com P_d=25W, R_th,jc=0,5, R_th,cs=0,2, R_th,sa=1,5 °C/W, T_a=40°C:
T_j = 40 + 25 × (0,5 + 0,2 + 1,5) = 40 + 25 × 2,2 = 95°C (limite típico 150°C → OK)