CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Q IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges Beatriz Vieira Borges Borges 1 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA INTRODUÇÃO Funcionamento: Aulas Teóricas; Aulas Práticas Aulas de Laboratório Avaliação: Exercícios de 3 em 3 semanas 40% R l tó i dos Relatórios d trab. t b de d laboratório l b tó i + discussão oral 60% Bibliografia: Textos de Apoio Guias de Laboratório Colecção de Problemas Livros Contactos: Beatriz Vieira Borges (responsável) email:[email protected] IST-DEEC – TAGUS PARK 2009 Profª Beatriz Vieira Borges 2 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conteúdo da Disciplina: Disciplina • Introdução • Dispositivos electrónicos de potência, potência (Revisão) • Princípios básicos de rectificação: Rectificador monofásico com cargas g R,, RC,, RL. Condução ç simultânea. • Conversores comutados CC-CC • Modelos de Regime permanente; Modelo da média. média • Compensação do fator de potência. • Conversores comutados CC CC-CA: CA: Inversores monofásicos monofásicos. • Conversores Ressonantes • C Conversores Q Quase R Ressonantes t • Conversores PWM Ressonantes. • Aplicações IST-DEEC 2009 Profª Beatriz Vieira Borges 3 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Con ersor Electrónico Conversor Alimentação CC ou CA CIRCUITO DE POTÊNCIA CARGA Potência de Saída Potência de Entrada comando Alimentação Sinais Dados CIRCUITO DE POTÊNCIA CIRCUITO DE CONTROLO Realimentação CIRCUITO DE CONTROLO E COMANDO - dispositivos semicondutores - dispositivos electrónicos necessários à - filtros de entrada e de saída regulação e comando do conversor - transformador de potência - protecções IST-DEEC 2009 Profª Beatriz Vieira Borges 4 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Alto rendimento Grande densidade de potência [W/cm3] Conversor PI PO electrónico =PO/PI Quando o rendimento é baixo, há grande dissipação térmica no interior do conversor. O calor gerado tem que ser retirado para o exterior IST-DEEC 2009 Profª Beatriz Vieira Borges perda d d de FIABILIDADE GRANDES DIMENSÕES (dissipadores) 5 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Dispositivos electrónicos a funcionar na condução e no corte CONDUÇÃO CORTE VDS=0 ID=0 Componentes não dissipativos VDS PD=ID*VDS=0 lineares comutados X X IST-DEEC 2009 ID Profª Beatriz Vieira Borges 6 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA VI=100V Resistência V I 100V I=100V variável =50% Semicondutor VI=100V linear =50% IST-DEEC 2007 + - + - + - Conversor CC-CC Potência de Perdas=500W Potência de Perdas=500W IO R=5 + VO=50V - IO=10A + R=55 R VO=50V - X IO=10A 10A + R=5 VO=50V O 50V - X Profª Beatriz Vieira Borges 7 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA =100% 100% Conversor comutado iI VI=100V II=10A 10A 1 + 2 - + + vS(t) FILTRO VO R - T 1 VO v S t dt DV I T 0 - VI vS(t) VO=DV T DT IST-DEEC 2007 (1-D)T Profª Beatriz Vieira Borges 8 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA 1 VI + - + 2 L VI C R Conversor comutado VO - iI VI L + + iC C - VO R Realimentação compensador Drive do transistor (t) G(s) MLI v vRef DT T t Tensão de referência v(t) t IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges Circuito de controlo 9 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Classificação de conversores quanto às formas de onda das tensões de entrada e de saída Conversores CA-CC rectificadores Conversores CA CA-CA CA Conversores CC-CC Conversores CC-CA IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges inversores 10 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversores CA-CC Comutação ç natural vO v VO(av) t iO iO CC iI CA vI c a r g a vAK1 vO tt v1 2 sin t iI iO>0 e vO>0 ou < 0 IST-DEEC 2007 t Profª Beatriz Vieira Borges t t t 11 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA iO Conversores CA-CC v1 2 sin t vI Circuitos de Drive iI c a r g a vO Transformadores de impulsos Transformador de amostragem da tensão de entrada Controlador IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 12 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversores CA-CA Comutação ç natural iO vI vO v CA carga VO(av) = 0 t iO vO t CA vAK1 v1 2 sin t t iO>0 ou < 0 e vO>0 ou < 0 IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges t t 13 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA iO Conversores CA-CA Comutação natural CA vI v1 2 sin t carga vO CA Circuitos de “drive” idênticos aos dos rectificadores IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 14 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversores CC-CC Comutação forçada CC CC iO vI vO c a r g a iO ton t T t vO v1 VI IST-DEEC 2007 T ton Profª Beatriz Vieira Borges 15 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversores CC-CC Comutação ç forçada ç Circuito de potência iO v1 VI vI vO c a r g a Circuito de controlo IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 16 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversores CC-CA Comutação forçada v1 VI iO CC iO vI CA carga vO T/2 T vI vO -v vI t t T/2 T iO e vO > ou < 0 IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 17 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversores CC-CA iO vI R T S e vO > ou < 0 Circuito deiO ppotência Circuito de controlo IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 18 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversores Especiais iI VI L iL + + n:1 vL - S vO(t) R ideal - CC + iC D CA CC C - Circuito de potência F Fonte comutada de alta frequência CC-CAhf-CC Freq. [100kHz] Pot<100W <85% Circuito de controlo IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 19 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversores Especiais Fonte comutada com correcção do factor de potência CA-CC- CC-CAhf-CC CC vI iI L iL iI t n:1 + vL CC D - R C S v1 2 sin t + iC id l ideal vI t iIav( t) CC vO(t) - CA CA IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 20 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversores Especiais VI iI L iL + n:1 + - vL vO(t) R ideal S + iC D - LS Fonte Quase Ressonante CS C - Ci i de Circuito d potência ê i ZVS S “Zero Voltage Switching” CC-CAhf-CC q Frequência: [1MHz] Circuito de controlo IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges Pot<50W <95% 21 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversores Especiais Fonte com comutação Ressonante Circuito de potência “Zero Voltage Switching witching” CC-CAhf-CC q Frequência: [250kHz] Circuito de controlo IST-DEEC 2007 Pot<1kW =97% Profª Beatriz Vieira Borges 22 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversores Especiais A lifi d Amplificador Audio Comutado Com tado CA CC CAhf-CA CA-CC-CA CA Circuito de potência Frequência: F ê i [132 kHz] Circuito de controlo IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges Pot<2kW <80% 23 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversores Especiais CA-CC-CA CA CC CAhf-CA CA p Amplificador Audio Comutado [132 kH kHz]] Pot<2kW P t<2kW <80% <80% IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 24 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Processos de comutação: comutação natural: Quando num circuito estão criadas as condições, por via da fonte de alimentação ou da carga, ou por entrada de outro dispositivo do circuito por forma que a corrente num dispositivo se anule, passando este ao estado de corte, sem actuação exterior. comutação pela fonte comutação pela carga iT iT iT iT t iG t IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges iG t t 25 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA comutação forçada: Quando é necessário actuar no terminal de controlo do dispositivo, ou num circuito auxiliar, para passar o dispositivo do estado de condução ao estado de corte corte. R V iT L iG t t linha natural t l carga forçada IST-DEEC 2007 (comutam devido à forma das tensões de entrada) “line frequency converters” (a carga que provoca o anulamento de corrente). “load commutated converters” - conversores comutados “switching converters” Profª Beatriz Vieira Borges 26 + CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversor CA-CC P n 1 n 1 vO VO a n cos n t bn sin n t v I 2VI sin t + N vI vO Ideall Id vO=VO vI vO N P Conversor CC-CA P Filtragem - vI + vO - vI n 1 n 1 vO a n cos n t bn sin n t v I VI N vO Ideal vO=2 VO sin t N Filtragem P IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 27 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Procedimentos básicos em electrónica de potência: Não ligar em série geradores de correntes diferentes. Não ligar em paralelo fontes de tensão C diferentes. Não abrir circuitos indutivos. Não curto-circuitar circuitos capacitivos. Se a alimentação é uma fonte de tensão a carga tem características de fonte de corrente (bobine em série com a carga). Se a alimentação é uma fonte de corrente a carga tem características de fonte de tensão (condensador em paralelo com a carga). Eliminação de incompatibilidades por introdução de elementos reactivos de adaptação: V introdução de C para abrir b i circuito i it indutivo i d ti introdução de L para ligar duas fontes de tensão diferentes IST-DEEC 2007 L L V R V R C Profª Beatriz Vieira Borges R abrir fechar V L R C 28 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA: 1. diodo A K K A 2. tiristor - (SCR) “silicon controlled rectifier”. G B G C E 4. transistor bipolar - (TJB). K A 3. tiristor de corte comandado (GTO) - “gate turn off thyristor”. B D D E C 5 transistor de efeito de campo de potência (MOSFET). 5. (MOSFET) G C G S S G 6. IGBT - “insulated gate bipolar transistor”. E A 7. MCT - “MOS controlled thyristor”. G K IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 29 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Diodo A K Conduz se a tensão vAK se tornar positiva positiva. Bloqueia se a corrente IF se tornar negativa Característica ideal IF VAK IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 30 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Ti i t Tiristor K A Semi-controlado G Conduz se vAK for positivo e se existir um impulso de corrente na “gate” de curta duração. Controlo apenas na passagem a ON + VAK A Bloqueia se a corrente IF se tornar negativa K IAK G iG Característica ideal vO v IF bloqueio VO(av) vAK disparo iG VAK IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges t t 31 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA MOSFET D G Totalmente controlado. Conduz se vGS for positiva. S Bloqueia se vGS se tornar nula ou negativa Característica C ce s c ideal ID VDS IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 32 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA IGBT C Freq. [20 kHz] G E Totalmente controlado. Conduz se vGE for positiva. positiva Bloqueia se vGE se tornar nula ou negativa Característica id l ideal IC VCE IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 33 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Transformadores de Alta Frequência ideal v1 v2 Núcleo de ferrite v1 i1 + v1 N1 v2 N 2 IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges i2 + - v2 i2 N 1 i1 N 2 34 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Transformadores de Alta Frequência E Esquema equivalente i l ii’1 + v1 - IST-DEEC 2007 Ll1 i L i1 i2 + + - - N1 :N N2 Profª Beatriz Vieira Borges i’2 Ll2 + v2 - 35 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 36 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 37 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Transformadores de Alta Frequência ii’2 i1 i2 i’ 1 + Ll1 v1 - IST-DEEC 2007 + + - - N1 :N N2 Ll2 N2 L N1 2 + v2 - L = infinita (indutância de magnetização) Ll1 (i d â i de (indutâncias d dispersão) di ã ) e Ll2 = 0 Profª Beatriz Vieira Borges 38 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA (área multidisciplinar) Estudo dos conversores electrónicos: topologias, dispositivos semicondutores, técnicas de modelação, processos de controlo e sua caracterização, técnicas de filtragem g e supressão de harmónicas, etc. TOPOLOGIAS PROJECTO O C O AJUDADO POR COMPUTADOR ELECTRÓNICA ANALÓGICA E DIGITAL CONTROLO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA REGULAÇÃO E CONTROLO CIRCUITOS INTEGRADOS VLSI IST-DEEC 2007 COMPUTADORES PROCESSADORES Profª Beatriz Vieira Borges 39 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Principais campos de aplicação / áreas emergentes Equipamento Informático Sistemas aeroespaciais e de satélites Máquinas Má i eléctricas Telecomunicações fontes de alimentação Balastros electrónicos Controlo intensidade luminosa Iluminação Conversores f Ignição e injecção electrónica Energias alternativas Indústria automóvel IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges Prof. Pedro Santos 40 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Áreas tecnológicas de aplicação / áreas emergentes Semicondutores de potência Módulos de Potência PIC Power Management Módulos DC/DC Componentes passivos Materiais magnéticos / núcleos HVDC Protecções Distribuição de energia Thermal Management Encapsulamento CEM (EMC) Simulação e modelização Regulação / Controlo Topologias de conversores IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges Prof. Pedro Santos 41 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Produtos e sistemas envolvidos na Electrónica de Potência Semicondutores de potência Módulos Darlington Sistemas de alimentação Componentes passivos Transformadores L fontes DC e AC C Conversores de Frequência R UPS Transformadores (isolamento, HF, ...) Estabilizadores Baterias Relés estáticos núcleos, ferrites, materiais magnéticos Converter IC enrolamentos Módulos Diodo/tiristor (hibridos) Módulos IGBT Smart Power IC e PICs Diodes potência Módulos MOSFET Motor Drivers Fontes de laboratório sistemas de Power Management módulos/conversores DC/DC Application-oriented ICs Th Thermal l management Ferramentas CAD / CAE Sensores e Microsistemas Dissipadores Software de desenvolvimento Sensores de parâmetros eléctricos e magnéticos Radiadores R di d e refrigeradores Software de simulação Sensores de temperatura Ventoinhas Micro-actuadores Elementos de Peltier Software para aplicações específicas Opto-Semiconductor Components IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges Software de teste Prof. Pedro Santos 42 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA APLICAÇÕES INDUSTRIAIS: REDES DE ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA: Bombas;Compressores;Ventoinhas Máquinas ferramentas (Robots) Fornos de indução Iluminação “Lasers” Lasers Máquinas de soldadura Processos electroquímicos. Transmissão em corrente contínua e alta tensão (HVDC) Sistemas VAR estáticos Fontes de energia de recurso Sistemas de armazenamento de energia. INDUSTRIA AERONÁUTICA E ESPACIAL: COMERCIAIS: Aquecimento, ventilação e ar condicionado Aparelhagem de frio Iluminação Computadores e equipamento de escritório ç ininterruptíveis p ((UPS)) Fontes de alimentação Elevadores. Sistemas de alimentação de potência de naves espaciais Sistemas de alimentação de potência de satélites Si t Sistemas d alimentação de li t ã de d aviões. iõ TELECOMUNICAÇÕES: Carregadores de baterias Fontes de alimentação Fontes de alimentação ininterruptíveis. TRANSPORTES: APLICAÇÕES DOMÉSTICAS: Controlo e accionam. de veículos eléctricos de tracção Carregadores de baterias Locomotivas eléctricas Metropolitano Carros eléctricos,, automóveis,, etc. Refrigeração e congelação; Aquecimento; Fornos; Electrónica de uso doméstico; Iluminação. IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 43 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO Circuito d de potência Circuito de controlo IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 44 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO Circuito de potência Circuito de controlo IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 45 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA AMPLIFICADOR ÁUDIO COMUTADO Circuito de potência Circuito de controlo I t International ti l Rectifier R tifi (comercial) ( i l) IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 46 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Conversor Ressonante para transmissão de energia sem contacto Circuito de controlo transmissor receptor transmissor Circuito de potência receptor IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 47 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Circuito de potência Circuito de controlo Fonte de alimentação com comutada IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 48 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Circuito de potência Circuito de controlo Fonte de alimentação quasi-ressonante IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 49 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Fonte de alimentação com comutação ressonante IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 50 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Fonte de Alimentação comercial i l IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 51 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Fonte de alimentação ç com comutada Ci i de Circuito d potência ê i Circuito de controlo IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges Philips comercial 52 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Fonte de alimentação ç comutada alta densidade de potência p Bobines integradas Circuito de controlo Philips comercial IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 53 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Aplicação em energias renováveis IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 54 CONVERSORES ELECTRÓNICOS DE POTÊNCIA A ALTA FREQUÊNCIA Aplicação em satélites IST-DEEC 2007 Profª Beatriz Vieira Borges 55