Reflexões (J.S. Nobre)
O seu irmão está errado?
 Não o empurre mais para o erro falando mal dele,
espalhando entre outros os seus erros. Edifique-o
com o seu bom exemplo. É a melhor maneira de
fazê-lo enxergar os seus próprios defeitos. Mas faça
isso com caridosa discrição, sem que nem ele
perceba que você o tem em vista.
 Um dia você saberá o bem que praticou, vendo-o
correto e passando ao seu lado com um sorriso de
humildade e de profundo agradecimento.

Eletrônica de Potência
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Introdução
Capítulo 1 pág. 1 à 22 do livro texto;
Aula 3;
Professor: Fernando Soares dos Reis
Sumário
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Capítulo 1
1.1 Aplicações da Eletrônica de Potência;
1.2 História da Eletrônica de Potência;
1.3 Dispositivos Semicondutores de Potência;
1.4 Características de Controle dos Dispositivos de Potência;
1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência;
1.6 Projeto de Equipamentos de Eletrônica de Potência;
1.7 Efeitos Periféricos;
1.8 Módulos de Potência;
1.9 Módulos Inteligentes - Smart Power;
1.10 Periódicos;
Resumo;
1.1 Aplicações da Eletrônica de Potência
 Acionamentos
de Máquinas Elétricas;
 Controladores Industriais;
 Combina: Potência, Eletrônica e Controle;
 Aplicação da Eletrônica de estado sólido para
o controle e conversão de energia elétrica;
 Baseia-se no chaveamento dos semicondutores de potência;
Aplicações da Eletrônica de Potência
 Utiliza
semicondutores de potência e microeletrônica;
 Controle de sistemas de aquecimento;
 Controle de luminosidade;
 Controle de máquinas elétricas;
 Fontes de alimentação;
 Sistemas de propulsão de veículos;
Aplicações da Eletrônica de Potência
 Sistemas
de corrente contínua em alta tensão
(high voltage direct-current HVDC);
Controle Analógico
e/ou Digital
Dispositivos/Circuitos Eletrônicos
Equipamentos de
Potência
Estáticos/Rotativos
1.2 História da Eletrônica de Potência
 Introdução
do retificador a arco de mercúrio,
em 1900;
 Retificador de tanque metálico;
 Retificador em tubo a vácuo de grade
controlada;
 As válvulas Ignitron e Tiratron;
 Foram utilizados seqüencialmente até: 1950;
1.2 História da Eletrônica de Potência
 A primeira
revolução começou em 1948 com a
invenção do transistor de silício, por Bardeen,
Brattain e Schockley da Bell Telephone
Laboratories;
 Em 1956 a Invenção do transistor disparável
PNPN, definido como tiristor ou retificador
controlado de silício ( Silicon Controled
Rectifier), pela Bell Tel. Labs.
1.2 História da Eletrônica de Potência
 A segunda
revolução começou em 1958 com o
desenvolvimento comercial do tiristor, pela
General Electric Company.
 O desenvolvimento dos novos interruptores e
da microeletrônica nos possibilita trabalhar em
elevadas potências com rendimentos cada vez
melhores.
1.2 História da Eletrônica de Potência
 Nos
próximos 30 anos a eletrônica de potência
dará forma e condicionará a eletricidade, em
algum lugar na linha de transmissão, entre sua
geração e todos os seus usuários.
1.2 História da Eletrônica de Potência
O
grande salto desta ciência ocorreu no final
dos anos 80 e início dos 90. Existem hoje no
mundo centenas de pesquisadores trabalhando;
 Aqui na PUCRS existem vários pesquisadores
trabalhando nesta promissora área o Laboratório de Eletrônica de Potência da PUCRS o
LEPUC congrega um grupo de pesquisadores
que trabalham nesta área;
1.2 História da Eletrônica de Potência
1.3 Dispositivos Semicondutores de Potência
 Diodos
de Potência;
 O SCR (primeiro tiristor);
 Transistores de junção bipolar (BJTs);
 MOSFETs de potência;
 Transistores Bipolares de porta isolada
(IGBTs);
 Transistores de indução estática (SITs);
Classificação dos Diodos de Potência
 Genéricos,
de uso geral, são fornecidos em
até 3000 V, 3500 A e tempo de recuperação
reversa trr de 10 ms;
 Alta velocidade ou recuperação rápida, são
fornecidos em até 3000 V, 1000 A e valores
típicos de trr de 0,1 e 5,0 ms;
 Diodos Schottky (very fast) trr da ordem de
nano-segundos ;
Características dos Diodos de Potência
O
diodo conduz quando esta polarizado
diretamente, isto é, quando a tensão do
Ânodo é superior a (tensão) do Cátodo;
 O bloqueio se da quando a corrente que por
ele (diodo) circula se anula;
 A corrente de fuga aumenta com a faixa de
tensão;
Tipos de Encapsulamentos
 Tipo
ROSCA ou rosqueável (do inglês stud
ou stud-mounted);
 Tipo DISCO ou encapsulamento
prensável ou disco de hóquei (do inglês
disk ou press pak ou hockey puck)
Classificação dos tiristores:
 Tiristor
de comutação forçada;
 Tiristor comutado pela rede;
 Tiristor de desligamento pelo gatilho, GTO;
 Tiristor de condução reversa, RCT;
 Tiristor de indução estática, SITH;
Tiristor de desligamento pelo gatilho, GTO
Classificação dos tiristores:
 Tiristor
de desligamento auxiliado pelo
gatilho, GATT;
 Retificador controlado de silício, controlado
por luz, LASCR;
 Tiristores controlados por MOS, MCTs;
Classificação dos tiristores:
 Os
tiristores de comutação natural ou pela
rede podem operar até 6000 V e 3500 A;
 Os tiristores de alta velocidade, neste caso
apresentam tempos de desligamento da
ordem de 10 a 20 ms e valores de tensão de
1200 V e corrente de 2000 A;
Classificação dos tiristores:
 Os
tiristores de condução reversa RCT e de
desligamento auxiliado pelo gatilho GATTs
são amplamente utilizados para chaveamento em alta velocidade, em especial em aplicações de tração. Um RCT pode ser considerado como um SCR com um diodo em antiparalelo, 2500 V, 1000 A (400 A em condução reversa) e apresentam tempos de chaveamento da ordem de 40 ms.
Classificação dos tiristores:
 Os
GATTs são fornecidos em até 1200 V e 400
A, com uma velocidade de chaveamento de 8 ms;
 Os LASCR, retificadores controlados de silício
controlados por luz são fornecidos em até 6000
V e 1500 A , com uma velocidade de chaveamento de 200 a 400 ms, são apropriados para
sistemas de alta potência HVDC;
Classificação dos tiristores:
 Os
TRIACs são amplamente utilizados no
controle de cargas CA de baixa potência;
 Os GTOs e os tiristores de indução estática
SITHs são tiristores autodesligáveis. São
ligados e desligados pela aplicação de um
curto pulso positivo e negativo respectivamente. Os GTOs são fornecidos em até
4000V e 3000 A;
Classificação dos tiristores:
 Os
SITHs, cujos valores nominais podem ser tão
altos, como 1200V e 300 A, têm expectativa de
aplicação em conversores de média potência,
com uma freqüência de várias centenas de quilohertz e além da faixa de freqüência dos GTOs;
 Os MCTs podem ser ligados por um pequeno
pulso de tensão negativa na porta MOS e viceversa em relação ao seu ânodo, fornecidos em
até 1000 V e 100 A, é como um GTO pero ...
Características dos Transistores
 Os
BJTs, apresentam três terminais cbe sendo
normalmente operados como interruptores na
configuração emissor comum devido as suas
características é normalmente utilizado em
conversores que operam até 1200 V, 400 A e
10 kHz;
 Os MOSFETs, são utilizados em potências
relativamente baixas, na faixa de 1000 V, 50
A e dezenas de quilohertz;
Características dos Transistores
 Os
IGBTs, são transistores de potência
controlados por tensão. Eles são
inerentemente mais rápidos que os BJTs,
mas não tão rápidos quanto os
MOSFETs sento fornecidos em até 1200
V, 400 A podendo operar em freqüências de até 20 kHz;
Características dos Transistores
O
Transistor de indução estática SITs é
similar a um JFET. Possui baixo ruído,
baixa distorção e capacidade de potência
em altas freqüências de áudio. Sento
fornecidos em até 1200 V, 300 A podendo
operar em freqüências de até 100 kHz;
Usados em áudio, VHF/UHF e
microondas;
Principais Características dos Dispositivos de Potência
Principais Aplicações dos Dispositivos de Potência
Características e
Simbologia dos
Dispositivos de
Potência
1.4 Características de Controle dos
Dispositivos de Potência
 Disparo
e desligamento não-controlado diodos;
 Disparo controlado e desligamento não-controlado
SCR;
 Disparo e desligamento controlado BJT, MOSFET,
GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT;
 Necessidade de sinal contínuo de porta BJT,
MOSFET, IGBT, SIT;
 Necessidade de pulso de gatilho GTO, SCR, MCT;
1.4 Características de Controle dos
Dispositivos de Potência
 Capacidade
de suportar tensão bipolar SCR, GTO;
 Capacidade de suportar tensão unipolar BJT,
MOSFET, IGBT, MCT;
 Capacidade de corrente bidirecional TRIAC, RCT;
 Capacidade de corrente unidirecional SCR, GTO,
BJT, MOSFET, MCT, IGBT, SITH, SIT, diodo;
Características de
Controle dos
Dispositivos de
Potência
1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Os circuitos de eletrônica de potência podem ser:
 Retificadores
com diodos;
 Conversores CA-CC (retificadores controlados);
 Conversores CA-CA (controladores de tensão CA);
 Conversores CC-CC (choppers);
 Conversores CC-CA (inversores);
 Chaves estáticas;
1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Retificadores
 Um
circuito retificador converte tensão CA em uma
tensão CC fixa;
1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Conversores CA - CC
O
valor médio da tensão pode ser controlado
variando-se o tempo de condução dos tiristores
ou o atraso do ângulo de disparo, .
1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Conversores CA - CA
 São
usados para que se possa obter uma tensão
CA variável a partir de uma tensão CA fixa.
Através do controle do ângulo de disparo, ;
1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Conversores CC - CC
 Também
conhecido como chopper ou regulador
chaveado. A tensão média de saída é controlada
pela variação do tempo de condução do transistor,
tON. Se T é o período de operação do conversor,
então tON=DT. Onde D é chamado ciclo de
trabalho do conversor;
1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Conversores CC - CC
1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Conversores CC - CA
 Também
conhecido como inversor;
1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Chaves Estáticas
 Como
os dispositivos de potência podem ser
operados como chaves estáticas, relês, contatores
ou até circuitos de proteção como disjuntores
eletrônicos, a alimentação para essas chaves pode
ser tanto CA quanto CC e as chaves são chamadas
chaves estáticas CA ou chaves CC;
1.6 Projeto de Equipamentos
de Eletrônica de Potência
Pode ser dividido em quatro partes:
 Projeto
dos circuitos de potência;
 Proteção dos dispositivos de potência;
 Determinação da estratégia de controle;
 Projetos dos circuitos lógico e de controle;
1.6 Projeto de Equipamentos
de Eletrônica de Potência
 Na
análise e projeto os dispositivos de potência são
considerados ideais, os efeitos parasitas dos diversos
elementos, tais como: indutância de dispersão,
capacitâncias parasitas, resistências de condução dos
interruptores de potência e os respectivos tempos de
comutação são desprezados;
 Na construção do circuito real todos estas características devem ser levadas em conta;
1.7 Efeitos Periféricos
 Os
conversores introduzem correntes e tensões harmônicas no sistema de alimentação e na sua saída. Isso
pode causar problemas de distorção da tensão de saída,
geração de harmônicos no sistema de alimentação
(rede) e interferências eletromagnéticas em sistemas
de comunicação, PC, instrumentação, TV, sinalização..
 Estes problemas podem ser minimizados através da
utilização de filtros, blindagens e do projeto adequado
de todo o circuito de potência, topologia, placa de CI,
controle...
1.7 Efeitos Periféricos
Fonte de
Alimentação
Filtro de
Entrada
Conversor
de Potência
Filtro de
Saída
Gerador de Sinal de Controle
de Chaveamento
Saída
1.8 Módulos de Potência
 Oferecidos
com dois, quatro ou seis dispositivos;
 Os módulos oferecem as vantagens de perdas mais
baixas no estado de condução, características de
chaveamento de altas tensões e correntes, e velocidades maiores que as dos dispositivos convencionais;
 Alguns módulos ainda incluem proteção contra
transientes e ao circuito de excitação da porta ou
gatilho;
1.9 Módulos Inteligentes - Smart Power
 São
o estado da arte em eletrônica de
potência, integrando o módulo de
potência e o circuito periférico;
 O circuito periférico consiste de uma isolação
entrada-saída e interface do sinal com o sistema de
alta tensão, um circuito de excitação, um (circuito)
de diagnóstico e proteção;
 Os usuários necessitam apenas conectar as fontes
de alimentação;
1.10 Periódicos
 Existem
vários periódicos (revistas) disponíveis na
Biblioteca Central da PUCRS;
 IEEE Transactions on Industrial Electronics;
 IEEE Transactions on Industry Applications;
 IEEE Transactions on Power Electronics;
 No LEPUC também estão disponíveis vários Anais de
Conferências da área;
Resumo
À
medida que a tecnologia para dispositivos
semicondutores de potência e circuitos integrados se
desenvolve, o potencial para aplicações da eletrônica
de potência torna-se mais amplo.
 Existem muitos dispositivos semicondutores de
potência que são fornecidos comercialmente;
entretanto, o desenvolvimento neste sentido é
contínuo.
Resumo
 Os
conversores de energia podem ser classificados
como: retificadores, conversores CA-CC, conversores
CA-CA, conversores CC-CC, conversores CC-CA e
chaves estáticas;
 O projeto de circuitos de eletrônica de potência requer
o desenvolvimento dos circuitos de potência e
controle;
 As tensões e correntes harmônicas geradas pelos
conversores de energia são reduzidos com uma escolha
adequada da estratégia de controle;
Estudo Dirigido
Em
grupos vamos agora responder as
questões de revisão propostas;
Boa Sorte!