Avaliação técnico-económica de interruptores eletrónicos bidirecionais de potência

Abstract

Devido à crescente utilização dos relés e dos contactores de estado sólido, torna-se importante realizar um estudo que incida sobre as características dos comutadores bidirecionais que são a base dos relés e dos contactores de estado sólido.Nesta dissertação é então apresentado um estudo relativo aos comutadores bidirecionais, que são constituídos por semicondutores. De notar que os relés e os contactores de estado sólido não possuem controlo de fase intermédio, ou seja, a condução dos semicondutores, constituintes do comutador bidirecional, ocorre ao longo de toda a escala possível para os mesmos. Deste modo, no estudo realizado não foi feita qualquer referência às perdas por comutação. Também não foi feita referência às perdas por bloqueio, pelo facto de que, para os níveis de correntes usados neste estudo (15 A), essas perdas serem desprezáveis. O objetivo desta tese, passa por avaliar vários tipos de comutadores bidirecionais, usando vários tipos de semicondutores. Após a definição dos comutadores, o objetivo é determinar as características intrínsecas a cada um, e fazer uma comparação entre os mesmos, relativamente a um conjunto diferenciado de características.Numa primeira fase deste projeto, foram feitas simulações em software SIMULINK de todos os comutadores bidirecionais abordados. Esta simulação teve como base, características diretas dos semicondutores, e outras retiradas indiretamente, através da aplicação de algumas metodologias e procedimentos baseados, em parte, nos ensaios laboratoriais realizados.Em paralelo com a simulação, foram feitas montagens laboratoriais e testados experimentalmente, todos os comutadores bidirecionais estudados. De referir, que também foi feita uma análise comparativa, entre os dados provenientes dos ensaios laboratoriais e os dados de simulação.Com base no estudo realizado, é possível concluir que, o comutador bidirecional que apresenta menores perdas por condução é o comutador constituído por 2 tirístores em antiparalelo. O comutador bidirecional, triac, apresenta perdas por condução muito semelhantes.Relativamente aos níveis máximos de corrente e tensão, o semicondutor com maior alcançe (ou seja, que pode operar numa escala de tensão ou corrente maior), no que diz respeito ao nível de corrente é o IGBT e no que diz respeito ao nível de tensão é o díodo schottky.O comutador bidirecional mais volumoso é o triac e o mais caro é o comutador constituído por 2 IGBTs e 2 díodos schottky.

Due to the increasing use of relays and solid state contactors, it is important to conduct a study that focuses on the characteristics of bidirectional switches, that are the basis of relays and solid state contactors.In this thesis it is presented a study related with bidirectional switches, that are composed by semiconductors.Relays and solid state contactors don´t have shift phase control, in other words, the conduction of semiconductors, that are part of bidirectional switches, occurs along the whole possible scale. Thus this study, don´t have any reference to switching losses. No reference was also made to blocking losses, because the current levels used on this study (15 A), are despicable.The purpose of this thesis is to evaluate different types of bidirectional switches, using several types of semiconductors. After the definition of switches, the main goal is the determination of intrinsic characteristics of each one, and make a comparation between them, related to a different types of characteristics.In the first step of this project, were made software simulations on SIMULINK, of all bidirectional switches studied. This simulation was based on direct characteristics of semiconductors, and other ones, indirectly, through the application of some methodologies and procedures based in part on the laboratory tests.At the same time of simulation, were made laboratory assemblies, and experimentally tested, all bidirectional switches studied. Were made too, a comparative analysis, between the data from laboratory tests and simulation.Based on the study carried out, it is possible to conclude, that the bidirectional switch with the lowest conduction losses is the bidirection switch that have to thyristors in antiparalell. The bidirectional switch, triac has very similar conduction losses.With regard to maximum current and voltage levels, the semiconductor with highest reach (i.e. that can operate on a larger voltage or current scale) with regard to current level is IGBT, and with regard to voltage level is schottky diode.The largest bidirectional switch is triac, and the more expensive is the switch that have 2 IGBTs and 2 schottky diodes.