ELETRÔNICA DE POTÊNCIA: ELETRÔNICA DE POTÊNCIA: CONCEITOS IMPORTANTES CONCEITOS IMPORTANTES

1/106

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA:ELETRÔNICA DE POTÊNCIA:

CONCEITOS IMPORTANTESCONCEITOS IMPORTANTES

FERNANDO LESSA FERNANDO LESSA TOFOLITOFOLI, DR. ENG., DR. ENG.

2/106

PARTE 1:PARTE 1:

INTRODUINTRODUÇÇÃO ÃO ÀÀ ELETRÔNICA DE POTÊNCIAELETRÔNICA DE POTÊNCIA

3/106

INTRODUÇÃO GERAL DEFINIÇÕES

Eletrônica de Potência: ciência que se dedica a processar e controlar o fluxo de energia elétrica por meio do uso dos conversores estáticos de potência.

Eletrônica de Potência é

a tecnologia associada com conversão eficiente, controle e condicionamento de potência elétrica através de interruptores estáticos a partir de uma fonte disponível na entrada para uma saída desejada.

4/106

INTRODUÇÃO GERAL

Eletrônica de Potência Máquinas Elétricas e Acionamentos

Qualidade da Energia Elétrica

Sistemas de Controle

Sistemas de Potência

Física de Semicondutores

Eletrônica Analógica e Digital

A eletrônica de potência é

uma área de atuação interdisciplinar. Para projetar com propriedade um conversor estático, deve-se possuir um conhecimento adequado de várias subáreas do conhecimento da Engenharia Elétrica.

DEFINIÇÕES

5/106

INTRODUÇÃO GERAL IMPORTÂNCIA DA ELETRÔNICADE POTÊNCIA

“A eletrônica de potência desenvolve atualmente um impacto relevante em nossa sociedade, o qual, em minha opinião, é

tão grande quanto (senão

maior) que aquele da tecnologia da informação. Em essência, a roda da civilização industrial é

movida pela eletrônica de potência. A produtividade e

qualidade da produção das indústrias modernas dependem da eletrônica de potência, que possibilita a existência de sistemas energéticos ultraeficientes, que são tão vitais para nossas indústrias. O problema do aquecimento global que ameaça a civilização humana pode ser solucionado ou mitigado com a ajuda da eletrônica de potência. A maior parte das fontes de energias limpas e renováveis, que têm sido intensamente exploradas, dependem unicamente da eletrônica de potência para seu aproveitamento e utilização. Nossos veículos elétricos e híbridos são baseados na eletrônica de potência. A eficiência energética de aparelhos elétricos e eletrônicos, a qual tem sido enfaticamente destacada, é

altamente dependente da eletrônica de potência. À

medida em

que o custo da energia elétrica tender a aumentar sensivelmente em um futuro próximo, o impacto da eletrônica de potência se tornará

mais visível.”

(Dr. Bimal

K. Bose, IEEE Industrial Electronics Magazine, Junho de 2009).

6/106

Interruptor Ideal (“Chave”)

Dispositivos Semicondutores

- Sinal

- Potência

Semicondutores Controlados

- Tiristores

- Transistores Bipolares

- Transistores MOS

- Transistores Híbridos

- Diodos

- Tiristores

- Interruptores totalmente controlados

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA CLASSIFICAÇÃO

7/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA ESPECIFICAÇÕES TÍPICAS

Componente Tensão(V)

Corrente(A)

Freqüência(kHz)

Potência(kVA)

Tiristor 10.000 5.000 2 10.000

Transistor Bipolar 1.000 300 20 200

MOSFET 1.000 100 50 50

IGBT 3.000 1.000 20 3.000

Potência

tensão Potência

freqüência

8/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA APLICAÇÕES TÍPICAS

9/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA APLICAÇÕES TÍPICAS

10/106

PARTE 2:PARTE 2:

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIASEMICONDUTORES DE POTÊNCIA

11/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA JUNÇÕES PN

Cristal tipo N (-) Cristal tipo P (+)

12/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA JUNÇÕES PN

Polarização direta Polarização reversa

E

13/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA DIODOS DE POTÊNCIA

Característica IV Formas de onda

t1

Polarização direta

t2

Injeção de portadores em N-

t3

Polarização reversa

t4

Camada de depleção

t5

Não há portadores majoritários

Dopagem leve

Absorve a camada de depleção

14/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA DIODOS DE POTÊNCIA

70A 600V

100A 600V US$90

15/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM DIODO

16/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM DIODO

17/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA TRANSISTOR BIPOLAR

Região de arrasto

18/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA TRANSISTOR BIPOLAR

300A 600V US$187

19/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM BJT

20/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM BJT

21/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA TIRISTOR

Característica IV Formas de onda

22/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA TIRISTOR

200A 1200V US$180

1500A 6500V

23/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM TIRISTOR

24/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM TIRISTOR

25/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA MOSFET

Característica IV Acionamento

26/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA MOSFET

8A 1000V

36A 1000V

27/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM MOSFET

28/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM MOSFET

29/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA IGBT

Característica IV

Parâmetro de controle

30/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA IGBT

1200A 3300V

31/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM IGBT

32/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM IGBT

33/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA OUTROS DISPOSITIVOS

(+) Altos gradientes de tensão (+) Menor queda de tensão (-) Alto custo

- Altas potências - Acionamento por tensão

34/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA OUTROS DISPOSITIVOS

MCT (Tiristor Controlado MOS)

- Três terminais (anodo, catodo e gatilho);

- Baixa queda de tensão;

- Ótima capacidade de condução de corrente;

- Possui dimensões menores;

- Podem ser encontrados em valores de tensão até 10 kV;

- Suporta somente tensão positiva, ou somente tensão negativa.

“MOS-Controlled Thyristors -A New Class of Power Devices”, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED- 33, No. 10, Oct. 1986, Victor A. K. Temple, pp. 1609-1618.

35/106

SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA MECANISMO DE PERDAS

Perdas em Diodos:

-

No diodo de potência, a região N intermediária com baixa dopagem, responsável por alargar a região de depleção e diminuir seu campo elétrico, permite que o diodo suporte maiores tensões reversas sem entrar em ruptura.

-

Por outro lado, essa região intermediária levemente dopada aumentará

a característica resistiva do diodo quando este estiver em condução, aumentando, portanto, as perdas por condução.

-

Durante t1 , a região de depleção ainda não foi anulada, portanto o diodo ainda oferece uma grande resistência à

passagem de corrente direta o que, juntamente com as indutâncias parasitas

do componente e das conexões, causa uma sobretensão. Simultaneamente, a corrente cresce até atingir o valor da corrente que deve ser suprida à

carga.

36/106


Perdas em Diodos:

-

Durante t2 , com a anulação da região de depleção, a tensão cai até

atingir o valor de operação do diodo (> 0,7 V). Estes tempos são, tipicamente, da ordem de centenas de ns

e podem ser

obtidos nos datasheets dos componentes.

-

No desligamento, continuará

a circular corrente até

que a região de depleção seja restabelecida, o que só

ocorre no pico de corrente na fronteira entre t4 e t5 . A queda de tensão que ocorre nos

intervalos t3 e t4 se deve a diminuição da queda ôhmica. Em t4 , a taxa de variação da corrente, associada às indutâncias parasitas, provoca uma sobretensão negativa.

-

O tempo de recuperação reversa trr é

um parâmetro importante e determina quão rápido um diodo passa do estado de condução para o estado de bloqueio.

37/106


Perdas em Diodos:

-

As perdas por condução podem ser obtidas por:

VF queda de tensão existente no diodo durante a condução [V];IF(méd.) corrente média no diodo [A];rd resistência intrínseca do diodo [Ω];IF(ef.)

corrente eficaz no diodo [A].

-

As perdas por comutação dividem-se em perdas no momento em que o diodo entra em condução (Pturnon ) e perdas no momento em que o mesmo bloqueia (Pturnoff ), sendo definidas por:

t1 tempo necessário para o diodo entrar em condução [s];VFP tensão máxima durante o tempo t1 [V];Qrr carga armazenada na capacitância intrínseca do diodo [C];Vr tensão reversa no diodo [V].-

As perdas totais em um diodo são:

2

. .F dcond diodo F méd F efP V I r I

112 FP F F sturnon diodoP V V I t f rr r sturnoff diodoP Q V f

comut diodo turnon diodo turnoff diodoP P P

totais diodo cond diodo comut diodoP P P

38/106


As perdas por comutação são dadas por:

2

( ) .DS oncond MOSFET D efP r I

Entrada em Condução Bloqueio

( )12turnon MOS CC D r sP V I t f

VCC tensão máxima de bloqueio do MOSFET

[V];

ID corrente no momento em que o MOSFET

está

conduzindo [A];

tr tempo necessário para o MOSFET

entrar em condução [s];

tf

tempo necessário para o MOSFET

entrar em bloqueio [s].

( )12turnoff MOS CC D f sP V I t f

Perdas em Transistores MOSFET:

-

As perdas por condução podem ser obtidas por:

rDS(on)

resistência de condução do MOSFET

[];ID(ef.) corrente de dreno eficaz no MOSFET

[A].

39/106


Perdas em Transistores MOSFET:

-

As perdas totais em um MOSFET

podem ser obtidas por:

( ) ( )turnon MOS turnoff MOScomut MOSP P P

totais MOS cond MOS comut MOSP P P

Exemplo: Conversor Boost CC-CC

-

O rendimento do conversor é

dado por:

100 100o i totais

i i

P P PP P

totais totais diodo totais MOSP P P

40/106

PARTE 3:PARTE 3:

CONVERSORES CACONVERSORES CA--CCCC

41/106

CLASSIFICAÇÃO DOS CONVERSORES ESTÁTICOS

42/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Monofásico de Meia Onda a Diodo com Carga Resistiva

Vi –

valor eficaz da tensão de entrada ou de alimentação senoidal [V];Vo –

valor da tensão na carga.

Vi

Vo

43/106

Retificador Monofásico de Meia Onda a Diodo com Carga Resistiva

CONVERSORES CA-CC

44/106

Retificador Monofásico de Meia Onda a Diodo com Carga Indutiva

CONVERSORES CA-CC

45/106


CONVERSORES CA-CC

46/106


CONVERSORES CA-CC

47/106


CONVERSORES CA-CC

48/106


CONVERSORES CA-CC

49/106


CONVERSORES CA-CC

50/106

Retificador Monofásico de Meia Onda a Diodo com Carga Indutiva e Diodo de “Roda Livre”

CONVERSORES CA-CC

51/106


CONVERSORES CA-CC

52/106


CONVERSORES CA-CC

53/106

Uso do Transformador em Retificadores

CONVERSORES CA-CC

Funções do Transformador:

-

adaptação da tensão da fonte;- isolamento galvânico entre a rede e a carga.

Considerações de Análise:

-

a corrente de carga é

livre de harmônicas (indutância infinita);-

o transformador possui relação de transformação unitária.

54/106


CONVERSORES CA-CC

-

A componente I2CC não apresenta reflexos no primário, mas pode ocasionar a saturação do transformador.

-

A aplicação desta topologia é

restrita para pequenas potências.

55/106


CONVERSORES CA-CC

56/106


CONVERSORES CA-CC

Constata-se o mau aproveitamento do transformador.

Topologia restrita à

utilização em baixas potências;

Principais vantagens: simplicidade e custo reduzido.

57/106

CONVERSORES CA-CCRetificador Monofásico de Onda Completa a Diodos com Ponto Médio (Carga R)

58/106


59/106


60/106

Retificador Monofásico de Onda Completa a Diodos com Ponto Médio (Carga RL)

CONVERSORES CA-CC

61/106


CONVERSORES CA-CC

62/106


CONVERSORES CA-CC

63/106

Retificador Monofásico de Onda Completa a Diodos com Ponto Médio – Estudo do Comportamento do Transformador

CONVERSORES CA-CC

64/106

Retificador Monofásico de Onda Completa a Diodos com Ponto Médio – Estudo do Comportamento do Transformador

CONVERSORES CA-CC

65/106

Retificador Monofásico de Onda Completa a Diodos em Ponte (Carga R)

CONVERSORES CA-CC

66/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Monofásico de Onda Completa a Diodos em Ponte (Carga R)

-

Para carga RL, tem-se as mesmas etapas de funcionamento válidas para carga R. As formas de onda da corrente e da tensão de carga são idênticas àquelas válidas para o retificador com ponto médio.

67/106

Retificador Monofásico de Onda Completa a Diodos em Ponte – Estudo do Transformador

CONVERSORES CA-CC

68/106

Retificador Monofásico de Onda Completa a Diodos em Ponte – Estudo do Transformador

CONVERSORES CA-CC

69/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico a Diodos com Ponto Médio (Carga R)

1

2

3

2 sen

2 sen 120

2 sen 120

onde é o valor eficaz das tensões fase-neutro equilibradas.

a i

b i

c i

i

v t v t V t

v t v t V t

v t v t V t

V

70/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico a Diodos com Ponto Médio (Carga R)

1

2

3

2 sen

2 sen 120

2 sen 120

a i

b i

c i

v t v t V t

v t v t V t

v t v t V t

1 max 2 max 1 max

1 max 2 120 0

D

i iD

V V V

V V V

1 max 2 3 150iDV V

71/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico a Diodos com Ponto Médio (Carga RL)

72/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico a Diodos com Ponto Médio (Carga RL)

73/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico de Onda Completa a Diodos (Carga R) – Ponte de Graetz

1

2

3

2 sen

2 sen 120

2 sen 120

onde é o valor eficaz das tensões fase-neutro equilibradas.

a i

b i

c i

i

v t v t V t

v t v t V t

v t v t V t

V

74/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico de Onda Completa a Diodos (Carga R)

vab vac vbc vba vca vcb

75/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico de Onda Completa a Diodos (Carga RL)

76/106

CONVERSORES CA-CC


77/106

CONVERSORES CA-CC


78/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Monofásico de Meia Onda a Tiristor com Carga Resistiva

79/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Monofásico de Meia Onda a Tiristor com Carga Indutiva

80/106

CONVERSORES CA-CC


81/106

CONVERSORES CA-CC


82/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Monofásico de Meia Onda a Tiristor com Carga LE

83/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Monofásico de Meia Onda a Tiristor com Carga Indutiva e Diodo de Roda Livre

84/106

CONVERSORES CA-CC

Retificadores Monofásicos de Onda Completa a Tiristores

Estrutura Semi- Controlada Simétrica

Estrutura com Ponto Médio

Estrutura Totalmente Controlada

Estrutura Semi- Controlada Assimétrica

85/106

CONVERSORES CA-CC

Retificadores Monofásicos de Onda Completa a Tiristores: Carga Resistiva

Para todas as estruturas anteriores:

86/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Monofásico de Onda Completa a Tiristores: Carga Indutiva

Para a estrutura totalmente controlada:

87/106

CONVERSORES CA-CC


88/106

CONVERSORES CA-CC


válido para =crít.

(Equação Geral)

89/106

CONVERSORES CA-CC


- No limite da condução contínua (crítica):

0, 45 cos cos

0, 45 cos cos cos sen sen

0, 45 cos cos 1 sen 0

0,9 cos

io méd

io méd

io méd

io méd

V V

V V

V V

V V

- Em condução descontínua: 0, 45 cos cos

O ângulo , por sua vez,dependerá da condição de carga.

io médV V

90/106

CONVERSORES CA-CC


91/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Monofásico de Onda Completa a Tiristores: Carga RLE

92/106

CONVERSORES CA-CC


93/106

CONVERSORES CA-CC


94/106

CONVERSORES CA-CC


95/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Monofásico de Onda Completa em Ponte Mista: Carga RL

96/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico de Meia Onda a Tiristores: Carga Resistiva

97/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico de Meia Onda a Tiristores: Carga Resistiva

98/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico de Meia Onda a Tiristores: Carga Indutiva

99/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico de Onda Completa a Tiristores: Carga Resistiva

100/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico de Onda Completa a Tiristores: Carga Resistiva

101/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico de Onda Completa a Tiristores: Carga Indutiva

102/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico de Onda Completa Semicontrolado: Carga Resistiva

103/106

CONVERSORES CA-CC

Retificador Trifásico de Onda Completa Semicontrolado: Carga Resistiva

104/106

CONVERSORES CA-CC

Ábaco de Puschlowski:

105/106

CONVERSORES CA-CC


106/106

CONVERSORES CA-CC


ELETRÔNICA DE POTÊNCIA: ELETRÔNICA DE POTÊNCIA: CONCEITOS IMPORTANTES CONCEITOS IMPORTANTES

Documents

Transcript of ELETRÔNICA DE POTÊNCIA: ELETRÔNICA DE POTÊNCIA: CONCEITOS IMPORTANTES CONCEITOS IMPORTANTES