Aula02

UNIVERSIDADE FEDERAL DE

SÃO JOÃO DEL-REI

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

Sumário

1. Introdução

2. O que é eletrônica de potência?

3. Por que eletrônica de potência?

4. Um reostato como dispositivo de controle

5. Um interruptor como dispositivo de controle

6. Interruptores semicondutores de potência

7. Perdas de potência em interruptores não ideais

8. Perda na condução

9. Perda por comutação

10. Exemplos

Introdução

As aplicações da eletrônica de potência de estado sólido no campo da potência elétrica crescem continuamente. O termo

eletrônica de potência vem sendo utilizado desde a década de

60, após a criação do SCR (Silicon Controlled Rectifier – Retificador Controlado de Silício) pela GE.

A eletrônica de potência progrediu com rapidez nos últimos anos, com o desenvolvimento dos dispositivos semicondutores de potência que podem comutar altas correntes, de forma eficiente, em altas tensões.

Introdução

Uma vez que esses dispositivos oferecem alta confiabilidade e são de pequeno porte, a eletrônica de potência expandiu sua abrangência para diversas aplicações, como:

controle de iluminação e de aquecimento, fontes reguladas de energia, acionadores de motores CC ou CA de velocidade variável, compensador estático VAR e sistemas de transmissão CC em alta tensão.

O que é eletrônica de potência?

A engenharia elétrica pode ser dividida, de uma maneira simplificada, em três ramos principais: potência, eletrônica e

controle. A eletrônica de potência trata da aplicação de

dispositivos semicondutores de potência, como tiristores e transistores, na conversão e no controle de energia elétrica em níveis altos de potência.

Essa conversão normalmente é de CA para CC ou vice-versa, enquanto os parâmetros controlados são: tensão, corrente e frequência. A simples retificação de CA para CC, por exemplo, é uma conversão de potência. Mas, caso se aplique

ajuste de nível de tensão na retificação, tanto a conversão

O que é eletrônica de potência?

Portanto, a eletrônica de potência pode ser considerada uma tecnologia interdisciplinar, que envolve três campos básicos: a potência, a eletrônica e o controle, como mostra a Fig. 1.1.

Por que eletrônica de potência?

A transferência de potência elétrica de uma fonte para uma carga pode ser controlada pela variação da tensão de alimentação (com o uso de um transformador variável) ou pela inserção de um regulador (como um reostato, um reator variável ou um interruptor).

Os dispositivos semicondutores utilizados como interruptores têm a vantagem do porte pequeno, do custo baixo, da alta eficiência e da utilização para o controle automático da potência.

Um reostato como dispositivo de controle

A Fig. 1.2 mostra um reostato controlando uma carga. Quando R₁ tem zero de resistência, a carga recebe toda a potência. Quando R₁ é máxima, a potência entregue à carga é praticamente igual a zero.

Nas aplicações em que a potência a ser controlada é grande, a eficiência de conversão passa a ser importante. Uma eficiência baixa significa

grandes perdas, uma preocupação de caráter econômico, além de gerar calor, que terá de ser removido do sistema para evitar superaquecimento.

EXEMPLO

Ex. 1.1) Uma fonte CC de 100 V está fornecendo energia para

uma carga resistiva de 10 Ω. Determine a potência entregue à carga (P_L), a potência dissipada no reostato (P_R), a potência total fornecida pela fonte (P_T) e a eficiência η, se o reostato for ajustado para:

a) 0 Ω; b) 10 Ω; c) 100 Ω.

EXEMPLO

a) R₁ = 0 Ω; 𝐼 = 𝑉 𝑅₁ + 𝑅_𝐿 = 100 0 + 10 = 10𝐴 𝑃_𝐿 = 𝑅_𝐿. 𝐼2 = 10. 102 = 1000𝑊 𝑃_𝑅 = 𝑅₁. 𝐼2 = 0. 102 = 0𝑊 𝑃_𝑇 = 𝑃_𝐿 + 𝑃_𝑅 = 1000 + 0 = 1000𝑊 𝜂 = 𝑃𝐿 𝑃_𝑇 = 1000 1000. 100% = 100%

EXEMPLO

b) R₁ = 10 Ω; 𝐼 = 𝑉 𝑅₁ + 𝑅_𝐿 = 100 10 + 10 = 5𝐴 𝑃_𝐿 = 𝑅_𝐿. 𝐼2 = 10. 52 = 250𝑊 𝑃_𝑅 = 𝑅₁. 𝐼2 = 10. 52 = 250𝑊 𝑃_𝑇 = 𝑃_𝐿 + 𝑃_𝑅 = 250 + 250 = 500𝑊 𝜂 = 𝑃𝐿 𝑃_𝑇 = 250 500. 100% = 50%

EXEMPLO

c) R₁ = 100 Ω. 𝐼 = 𝑉 𝑅₁ + 𝑅_𝐿 = 100 100 + 10 = 0,909𝐴 𝑃_𝐿 = 𝑅_𝐿. 𝐼2 = 10. 0,9092 = 8,262𝑊 𝑃_𝑅 = 𝑅₁. 𝐼2 _{= 100. 0,909}2 _{= 82,628𝑊} 𝑃_𝑇 = 𝑃_𝐿 + 𝑃_𝑅 = 8,262 + 82,628 = 90,890𝑊 𝜂 = 𝑃𝐿 𝑃_𝑇 = 8,262 90,890. 100% = 9,09%

Um interruptor como dispositivo de

controle

Um interruptor como dispositivo de controle

Na Fig. 1.3, um interruptor é utilizado para o controle da carga. Quando o interruptor está ligado, o máximo de potência é transferido para a carga. A perda de potência no interruptor é nula, uma vez que não há tensão

sobre ele. Quando o interruptor está desligado, não existe potência entregue à carga. Neste caso, não há perda de potência no interruptor, uma vez que

não passa nenhuma corrente por ele. A eficiência é de 100%, porque o interruptor não consome energia em qualquer um dos dois casos.

O problema existente nesse método é que, ao contrário do reostato, o interruptor não pode ser colocado em posições intermediárias, de modo que proporcione variação de potência. No entanto, podemos criar o mesmo efeito abrindo e fechando

o interruptor periodicamente.

Os transistores e os SCRs usados como interruptores podem abrir e fechar de maneira automática centenas ou

milhares de vezes por segundo. Se precisarmos de mais potência, o interruptor eletrônico deve ficar ligado por períodos maiores e desligado durante menor parte do tempo. Do contrário, basta deixar o interruptor desligado por mais tempo.

EXEMPLO

Ex. 1.2) Uma fonte CC de 100 V está fornecendo energia para uma

carga resistiva R_L de 10 Ω através de um interruptor. Determine a potência média fornecida à carga (P_O(med)), a perda de potência no interruptor (P_S) e a potência total fornecida pela fonte (P_T) se o interruptor estiver:

a) Fechado; b) Aberto;

c) Fechado 50% do tempo; d) Fechado 20% do tempo.

EXEMPLO

a) Interruptor fechado; 𝐼_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} = 𝑉 𝑅_𝐿 . 𝑑 = 100 10 . 100% = 10𝐴 𝑃_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} = 𝑅_𝐿. 𝐼_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)}2 = 10. 102 = 1000𝑊 𝑃_𝑆 = 𝑉_𝑆. 𝐼_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} = 0. 10 = 0𝑊 𝑃_𝑇 = 𝑃_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} + 𝑃_𝑆 = 1000 + 0 = 1000𝑊 𝜂 = 𝑃𝑜(𝑚𝑒𝑑) 𝑃 = 1000 1000 . 100% = 100%

EXEMPLO

b) Interruptor aberto; 𝐼_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} = 𝑉 𝑅_𝐿 . 𝑑 = 100 10 . 0% = 0𝐴 𝑃_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} = 𝑅_𝐿. 𝐼_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)}2 = 10. 02 = 0𝑊 𝑃_𝑆 = 𝑉_𝑆. 𝐼_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} = 0. 0 = 0𝑊 𝑃_𝑇 = 𝑃_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} + 𝑃_𝑆 = 0 + 0 = 0𝑊 𝜂 = 𝑃𝑜(𝑚𝑒𝑑) 𝑃_𝑇 = 0 0. 100% = 0%

EXEMPLO

c) Interruptor fechado 50% do tempo;

𝐼_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} = 𝑉 𝑅_𝐿 . 𝑑 = 100 10 . 50% = 5𝐴 𝑃_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} = 𝑅_𝐿. 𝐼_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)}2 = 10. 52 = 250𝑊 𝑃_𝑆 = 𝑉_𝑆. 𝐼_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} = 0. 5 = 0𝑊 𝑃_𝑇 = 𝑃_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} + 𝑃_𝑆 = 250 + 0 = 250𝑊 𝜂 = 𝑃𝑜(𝑚𝑒𝑑) 𝑃 = 250 250. 100% = 100%

EXEMPLO

d) Interruptor fechado 20% do tempo.

𝐼_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} = 𝑉 𝑅_𝐿 . 𝑑 = 100 10 . 20% = 2𝐴 𝑃_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} = 𝑅_𝐿. 𝐼_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)}2 = 10. 22 = 40𝑊 𝑃_𝑆 = 𝑉_𝑆. 𝐼_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} = 0. 5 = 0𝑊 𝑃_𝑇 = 𝑃_{𝑜(𝑚𝑒𝑑)} + 𝑃_𝑆 = 40 + 0 = 40𝑊 𝜂 = 𝑃𝑜(𝑚𝑒𝑑) 𝑃_𝑇 = 40 40. 100% = 100%

Interruptores semicondutores de potência

Os interruptores semicondutores de potência são os elementos mais importantes em circuitos de eletrônica de potência. Os principais tipos de dispositivos semicondutores utilizados como interruptores são:

 Diodos;

 Transistores bipolares de junção (TBJs);

 Transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFETs);

 Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs);

 Retificadores controlados de silício (SCRs);

 TRIACS;

Em eletrônica de potência, esses dispositivos são

operados no modo de comutação (ou chaveamento). Os interruptores podem funcionar em alta frequência, a fim de converter e controlar a energia elétrica com alta eficiência e alta resolução. A perda de potência no interruptor, em si, é muito

pequena, uma vez que ou a tensão é quase igual a zero quando o interruptor está ligado ou a corrente é quase nula quando o interruptor está desligado.

Para ser ideal, um interruptor deve satisfazer as seguintes condições:

 Ligar e desligar instantaneamente;

 Quando ligado, a queda de tensão deve ser zero;

 Quando desligado, a corrente que passa por ele é nula;

Além disso, as seguintes condições são desejáveis:

 Quando ligado, que possa suportar correntes altas;

 Quando desligado, que possa suportar tensões altas;

 Utilize pouca potência para o controle da operação;

 Seja altamente confiável;

 Seja pequeno e leve;

 Tenha baixo custo;

Perdas de potência em interruptores não

ideais

Perdas de potência em interruptores não ideais

A Fig. 1.4 mostra um interruptor ideal. A perda de potência atribuída ao interruptor é o produto da corrente

Perdas de potência em interruptores não ideais

Quando o interruptor estiver aberto, nele não passará corrente

(embora sobre ele exista uma tensão V_s) e, portanto, não haverá dissipação de potência. Quando o interruptor estiver ligado, passará

por ele uma corrente (V_s/R_L), mas não haverá queda de tensão; portanto, também nesse caso, não haverá dissipação de potência.

Suponhamos também que, para um interruptor ideal, o tempo

de subida e de descida seja zero. Isto é, o interruptor passaria do

estado desligado para o ligado (e vice-versa) instantaneamente. A

perda de potência durante a comutação seria, portanto, igual a zero.

Ao contrário do que ocorre com um interruptor ideal, um interruptor real, assim como um transistor bipolar de junção, tem duas grandes fontes de perda de potência: perda na condução e perda por comutação.

Perda na condução

Quando o transistor da Fig. 1.5a estiver desligado, por ele passará uma corrente de fuga (I_LEAK). A perda de potência associada a essa corrente de fuga é P_OFF=V_S.I_LEAK.

Perda na condução

Entretanto, uma vez que a corrente de fuga é muito pequena e não varia de maneira significativa com a tensão, costuma ser

desprezada. Assim, a perda devida à corrente de fuga no transistor é

essencialmente igual a zero.

Quando o transistor estiver ligado, como na Fig. 1.5b, ocorre uma pequena queda de tensão sobre ele. Essa tensão é chamada de

tensão de saturação (V_CEsat). A dissipação de potência no transistor ou

a perda na condução devido à tensão de saturação é:

onde

(1.1)

Perda na condução

A equação (1.1) fornece o valor da perda de potência

devido à condução se o interruptor permanecer ligado (fechado)

indefinidamente.

Entretanto, para haver controle da potência para uma certa aplicação, o interruptor deve ser ligado e desligado de maneira periódica. Portanto, para determinar a potência média, devemos considerar o ciclo de trabalho:

Perda na condução

De modo semelhante,

Aqui, o ciclo de trabalho d é definido como o percentual

do ciclo no qual o interruptor está ligado:

(1.4)

EXEMPLO

Ex. 1.3) Na figura abaixo, V_S = 50 V, R_L = 5 Ω e o interruptor é ideal, sem perdas por comutação. Se a queda de tensão no estado ligado for de 1,5 V e a corrente de fuga for de 1,5 mA, calcule a perda de potência no interruptor quando o mesmo estiver:

a) Ligado; b) Desligado.

EXEMPLO

Para

condições normais de carga

, a

dissipação

de potência durante o

estado desligado

pode ser

desprezada

, em comparação com a perda de potência

EXEMPLO

Ex. 1.4) Calcule a perda média de potência para o interruptor do Ex. 1.3

se a frequência de comutação for de 500 Hz com um ciclo de trabalho de 50% (V_S = 50 V, R_L = 5 Ω, V_D(SAT) = 1,5 V, I_FUGA = 1,5 mA).

Perda por comutação

Além da perda na condução, um interruptor não ideal também tem perdas em virtude da comutação, porque não pode passar de um estado para outro, de ligado para desligado (e vice-versa), de modo instantâneo.

Um interruptor não ideal leva certo tempo finito t_SW(ON)

para ligar e certo tempo finito t_SW(OFF) para desligar. Esses períodos não apenas introduzem dissipação de potência, como também limitam a máxima frequência de comutação possível.

Os tempos de transição t_SW(ON) e t_SW(OFF) para interruptores não ideais não são, em geral, iguais; t_SW(ON) é, em

Perda por comutação

Entretanto, vamos supor que t_SW(ON) seja igual a t_SW(OFF). A Fig. 1.7 mostra as formas de onda de comutação para: a) a tensão

no interruptor e b) a corrente que passa por ele.

Quando o interruptor estiver desligado, a tensão nele será

igual à fonte de tensão. Durante o fechamento, que leva um tempo finito, a tensão no interruptor cai a zero. No mesmo período, a corrente através do interruptor aumenta de zero a I_C. Durante a comutação, uma corrente passa pelo transistor e há tensão em seus terminais; portanto, existe perda de potência.

Para encontrar a potência dissipada em um transistor

durante o intervalo de comutação, multiplicamos o valor instantâneo de I_C pelo valor correspondente de V_CE. A curva de potência instantânea é mostrada na Fig. 1.7c.

A energia dissipada no interruptor é igual à área sob a curva da forma de onda de potência. Observe que a potência máxima é dissipada quando, tanto a tensão como a corrente, estão passando por seus pontos médios na curva. Portanto, a perda máxima de potência, na passagem do estado desligado para o ligado, é:

É interessante observar que a curva de potência assemelha-se a uma onda senoidal retificada, motivo pelo qual pode-se utilizar a seguinte relação na determinação da potência média de fechamento:

ou

Perda por comutação

Valor da integral da onda senoidal

𝑃 = 1 𝑉 𝐼

𝑃_{𝑆𝑊−𝑂𝑁 (𝑚𝑎𝑥)} = 0,5 𝑉_{𝐶𝐸(max)} . 0,5 𝐼_𝐶(max)

Perda por comutação

𝑃_{𝑆𝑊−𝑂𝑁} = 1 𝑇. ₀ 𝑇 𝑝 𝜔𝑡 . 𝑑𝜔𝑡 = 1 𝜋. ₀ 𝜋 𝑃_𝑚𝑎𝑥. 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 . 𝑑𝜔𝑡 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝜋 . −𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑡 0𝜋 π 2π 3π P P_max 𝑃_{𝑆𝑊−𝑂𝑁} = 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝜋 . − −1 + 1 = 0,5 𝑉_{𝐶𝐸(max)}. 0,5 𝐼_𝐶(max). [2] 𝜋 = 0,5 𝑉_{𝐶𝐸(max)} . 𝐼_𝐶(max) 𝜋

Perda por comutação

A perda de energia (potência x tempo) durante o fechamento

será P_SW-ON(avg).t_SW(ON).

Uma análise semelhante fornece a perda de energia durante o

desligamento (abertura) do interruptor : 𝑊_{𝑆𝑊−𝑂𝑁} = 1

2𝜋 𝑉𝐶𝐸(max)𝐼𝐶(max)𝑡𝑆𝑊(𝑂𝑁)

𝑊_{𝑆𝑊−𝑂𝐹𝐹} = 1

Perda por comutação

A perda total de energia, em um ciclo, devido à comutação, é dada por:

A dissipação média de potência no interruptor será:

Onde T é o período de comutação e f é a frequência de 𝑊_𝑆𝑊 = 𝑊_{𝑆𝑊−𝑂𝑁} + 𝑊_{𝑆𝑊−𝑂𝐹𝐹} = 1 2𝜋 𝑉𝐶𝐸(max) 𝐼𝐶(max) 𝑡𝑆𝑊(𝑂𝑁) + 𝑡𝑆𝑊(𝑂𝐹𝐹) 𝑃_{𝑆𝑊(𝑎𝑣𝑔)} = 1 2𝜋 𝑉𝐶𝐸(max) 𝐼𝐶(max) 𝑡𝑆𝑊(𝑂𝑁) + 𝑡𝑆𝑊(𝑂𝐹𝐹) . 𝑓 𝑃_{𝑆𝑊(𝑎𝑣𝑔)} = 𝑊𝑆𝑊 𝑇 = 𝑊𝑆𝑊. 𝑓

Perda por comutação

Observe que: Se definirmos então, 𝑃_{𝑆𝑊(𝑎𝑣𝑔)} = 1 2𝜋 𝑉𝐶𝐸(max) 𝐼𝐶(max)(2𝑡𝑆𝑊). 𝑓

Perda por comutação

A perda total de potência no interruptor é:

𝑃_𝑇 = 𝑃_{𝑂𝑁(𝑎𝑣𝑔)} + 𝑃_{𝑂𝐹𝐹(𝑎𝑣𝑔)} + 𝑃_{𝑆𝑊(𝑎𝑣𝑔)} 𝑃_𝑇 ≈ 𝑃_{𝑂𝑁(𝑎𝑣𝑔)} + 𝑃_{𝑆𝑊(𝑎𝑣𝑔)}

𝑃_𝑇 = 𝑑. 𝑉_{𝐶𝐸(𝑠𝑎𝑡)}. 𝐼_𝐶 + 1

EXEMPLO

Ex. 1.6) Um interruptor transistorizado, com as seguintes características,

controla a potência para uma carga de 25 kW. A fonte de tensão V_S= 500 V e R_L= 10 Ω. Se a frequência de comutação for de 100 Hz com um ciclo de trabalho de 50%, determine:

a) A perda de potência no estado ligado; b) A perda de potência no estado desligado;

c) A perda máxima de potência durante a ligação do interruptor; d) A perda de energia durante a ligação do interruptor;

e) A perda de energia durante o desligamento do interruptor; f) A perda de energia durante o estado ligado;

g) A perda de energia durante o estado desligado; h) A perda total de energia;

I_RATED = 50 A V_RATED = 500 V I_LEAKAGE = 1 mA V_CE(sat)= 1,5 V 𝑃_{𝑆𝑊(𝑎𝑣𝑔)} = 1 2𝜋𝑉𝐶𝐸(max)𝐼𝐶(max) 𝑡𝑆𝑊(𝑂𝑁) + 𝑡𝑆𝑊(𝑂𝐹𝐹) . 𝑓

EXEMPLO

Ex. 1.7) Resolva os itens de d) a i) do Exemplo 1.6, para o caso em que

a frequência de comutação é modificada para 100 kHz com ciclo de trabalho de 50%.

d) A perda de energia durante a ligação da interruptor;

e) A perda de energia durante o desligamento da interruptor; f) A perda de energia durante o estado ligado;

g) A perda de energia durante o estado desligado; h) A perda total de energia;

EXEMPLO

Esses exemplos mostram com clareza que, em frequências baixas de comutação, as perdas de potência no estado ligado predominam no cômputo das perdas totais.

À medida que aumentamos a frequência de comutação, as perdas de potência por comutação passam a predominar. Nas frequências mais altas, a dissipação média de potência se torna também mais alta (1895 W). É claro que o transistor de 50 A não pode dissipar o calor gerado e sofrerá superaquecimento.

Portanto, a frequência máxima na qual o interruptor pode operar depende não somente da dissipação de potência no interruptor, mas também da velocidade de comutação. O valor de corrente permitido para o interruptor deve também ser elevado em frequências mais altas.

Bibliografia

1. Ashfaq Ahmed, Eletrônica de Potência, Prentice Hall, 1ª edição, 2000. – Capítulo 1

UNIVERSIDADE FEDERAL DE

SÃO JOÃO DEL-REI

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA