Universidade Federal do ABC Eng. De Instrumentação, Automação e Robótica Eletrônica de Potência I Prof. José Azcue, Dr. Eng. Introdução Semicondutores de Potência 1
Introdução O que é eletrônica de potência? A eletrônica de potência pode ser definida como a aplicação da eletrônica de estado solido para o controle e conversão da energia elétrica. 2
Introdução Objetivo? O principal objetivo da eletrônica de potência é processar e controlar o fluxo da energia elétrica, proporcionando tensões e correntes da forma mais adequada possível para a carga. 3
Introdução Diagrama de blocos do sistema de eletrônica de potência 4
Introdução Os requerimentos para a conversão da energia elétrica de uma forma para outra, desde a fonte de alimentação para a carga são: Alta eficiência Alta confiabilidade Baixo custo Tamanho reduzido Peso reduzido 5
Exemplo: regulador CC A partir de uma fonte de 100V, deseja-se alimentar uma resistência com 50V. Conversor CC/CC 6
Exemplo: regulador CC Solução 1: divisor de tensão Só a metade da potência é dissipada na carga. Eficiência = 50% 7
Exemplo: regulador CC Solução 2: regulador CC chaveado + V = 1 T T V(t)dt 0 V g = 100V 5Ω V - V = 1 T T/2 100dt + 0 1 T T T/2 0dt V = 50V 100V V T 2 T t Chave ideal, toda a potência é dissipada na carga. Eficiência = 100% 8
Tipos de Conversores e Símbolos 9
Exemplos de Aplicação Acionamento de máquinas elétricas [6] PMSM Load ezdsp 10
Exemplos de Aplicação Aplicação da PMSM [6] 11
Exemplos de Aplicação Sistema de geração fotovoltaica Neosolar[7] 12
Exemplos de Aplicação Fonte de tensão CC Sistemas de transmissão HVDC 13
Resumo Em resumo, a eletrônica de potência nos permite processar e controlar as tensões e correntes de acordo com os requerimentos da carga. 14
Dispositivos semicondutores de potência 15
Dispositivos Eletrônicos de Potência Basicamente os dispositivos semicondutores de potência devem permitir ou bloquear a passagem de corrente. 16
Dispositivos Eletrônicos de Potência Características de uma chave ideal são as seguintes: 1. No estado ligado, quando a chave está fechada, ela deve ter a) a capacidade de transportar uma grande corrente direta I F, tendendo a infinito; b) uma baixa queda de tensão direta V ON, tendendo a zero; e c) uma baixa resistência de condução R ON, tendendo a zero. 17
Dispositivos Eletrônicos de Potência 2. No estado desligado, quando a chave está aberta, ela deve ter a) a capacidade de suportar uma alta tensão direta ou reversa V BR, tendendo a infinito; b) uma baixa corrente de fuga no estado desligado I OFF, tendendo a zero; e c) uma alta resistência R OFF, tendendo a infinito. 3. Durante o processo de comutação, ela deve ser completamente ligada e desligada instantaneamente para que o dispositivo possa ser operado em altas frequências. 18
Dispositivos Eletrônicos de Potência 4. Para ligar e desligar, ela deve requerer a) uma baixa potência do sinal de comando P G, tendendo a zero; b) uma baixa tensão de comando V G, tendendo a zero; e c) uma baixa corrente de comando I G, tendendo a zero. 5. Tanto o fechamento quanto a abertura devem ser controláveis. 6. Para ligar e desligar, ela deve requerer apenas um sinal de pulso, ou seja, um pequeno pulso com largura t w muito pequena, tendendo a zero. 7. Ela deve ter uma dv/dt elevada, tendendo a infinito. 19
Dispositivos Eletrônicos de Potência 8. Ela deve ter uma di/dt elevada, tendendo a infinito. 9. Ela deve requerer uma impedância térmica muito baixa desde a junção interna até o ambiente R IA, tendendo a zero, de modo que ela possa transmitir calor para o ambiente facilmente. 10. O preço baixo é uma consideração muito importante para a redução do custo do equipamento de eletrônica de potência. 20
Dispositivos Eletrônicos de Potência Características de dispositivos práticos Diferentemente de uma chave ideal, sem perdas, uma chave semicondutora prática dissipa alguma energia na condução e na comutação. A queda de tensão em um dispositivo de potência em condução é pelo menos da ordem de 1 V, mas muitas vezes pode ser maior, chegando a vários volts. O objetivo de qualquer dispositivo novo é melhorar as limitações impostas pelos parâmetros de comutação. 21
Dispositivos Eletrônicos de Potência Perdas no chaveamento (comutação) 22
Classificação dos semicondutores de potência 23
Faixa de potência de alguns dispositivos Faixa de potência dos semicondutores de energia disponíveis comercialmente: 24
Aplicações de dispositivos de potência (Powerex, Inc.) 25
Próxima Aula 1. Retificadores com diodos (retificador não controlado) 26
Referências Bibliográficas 1. RASHID, M.H. Eletrônica de Potência - Circuitos, Dispositivos e Aplicações. Ed. São Paulo: Makron Books, 1999. 2. Erickson, R.W.; Fundamentals of power electronics, 2 Ed. Kluwer Academic Publisher, 2001. 3. MOHAN, N.; UNDELAND, T.M.; ROBBINS, W.P. Power Electronics: Converters Applications and Design 2. Ed. New York: Editora John Wiley & Sons, 1995. 4. Pomilio, J.A.; Apostilas da disciplina de Eletrônica de Potência, http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/ 5. Module 15 : C28x Digital Motor Control 6. Página web, https://www.neosolar.com.br/aprenda/saibamais/sistemas-de-energia-solar-fotovoltaica-e-seuscomponentes, acesso em 30/05/2017 27