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Acionamentos Elétricos – ACIJ6

3.a Aula: Eletrônica de Potência

31/01/2018 Eletrônica de Potência 1

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

A eletrônica de potência combina potência, eletrônica e controle.

❖ O controle trata das características dinâmicas e de regime

permanente dos sistemas de malha fechada.

❖ A potência cuida de equipamentos de potência rotativos e

estáticos para a geração, transmissão e distribuição de energia

elétrica.

❖ A eletrônica trata dos dispositivos e circuitos de estado sólido

para o processamento de sinais que permitam alcançar os

objetivos de controle desejados.

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

❖ A eletrônica trata dos dispositivos e circuitos de estado sólido

para o processamento de sinais que permitam alcançar os

objetivos de controle desejados.

❖ A eletrônica de potência pode ser definida como a aplicação da

eletrônica de estado sólido para o controle e conversão da

energia elétrica. O inter-relacionamento da eletrônica de

potência com a energia, a eletrônica e o controle é mostrado na

Figura 1.1.

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

Figura 1.131/01/2018 Eletrônica de Potência 4

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Eletrônica de Potência

▪ A eletrônica de potência trata das aplicações de dispositivos

semicondutores de potência, como tiristores e transistores, na

conversão e no controle de energia elétrica em níveis altos de

potência aplicados à indústria.

• Essa conversão é normalmente de AC para DC ou vice-versa,

enquanto os parâmetros controlados são tensão, corrente e frequência.

▪ Portanto, a eletrônica de potência pode ser considerada uma

tecnologia interdisciplinar que envolve três campos básicos: a

potência, a eletrônica e o controle.

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Chaves semicondutoras de potência

• As chaves semicondutoras de potência são os elementos

mais importantes em circuitos de eletrônica de potência.

▪ Os principais tipos de dispositivos semicondutores

usados como chaves em circuitos de eletrônica de

potência são:

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Chaves semicondutoras de potência

▪ Diodos;

▪ Transistores bipolares de junção (BJTs);

▪ Transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor

(MOSFETs);

▪Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs);

▪ Retificadores controlados de silício (SCRs);

▪ Triacs.

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Tipos de circuitos de eletrônica de

potência

▪ Os circuitos de eletrônica de potência (ou conversores, como são

usualmente chamados) podem ser divididos nas seguintes categorias:

1. Retificadores não controlados (AC para DC) – converte uma tensão

monofásica ou trifásica em uma tensão DC e são usados diodos como

elementos de retificação.

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5. Conversores cíclicos (AC para AC) – converte uma

tensão e frequência AC fixa em uma tensão e frequência

AC variável.

6. Chaves estáticas (AC ou DC) – o dispositivo de potência

(SCR ou triac) pode ser operado como uma chave AC ou

DC, substituindo, dessa maneira, as chaves mecânicas e

eletromagnéticas tradicionais.

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Chaves estáticas

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Aplicações da 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

uma chave).

▪ Os dispositivos semicondutores utilizados como chaves têm a

vantagem do porte pequeno, do custo baixo, da eficiência e da

utilização para o controle automático da potência.

▪ Os dispositivos como diodo de potência, transistor de potência, SCR,

TRIAC, IGBT etc, são usados como elementos de chaveamento e

controle de fornecimento de energia de máquinas e motores elétricos.

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▪ Dentre as aplicações cotidianas mais comuns se destaca

o controle microprocessado de potência.

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▪ Os equipamentos de informática, tais como a fonte de

alimentação chaveada do PC, o estabilizador, o no-break,

etc, utilizam como elementos principais dispositivos

semicondutores chaveadores (Mosfets, IGBTs, TJBs, etc).

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Dispositivos de potência: características e

funcionamento

1. Diodos de potência

▪ O diodo mostrado abaixo é formado pela junção dos materiais dos tipos N e P.

Desta forma, só há passagem de corrente elétrica quando for imposto um

potencial maior no lado P do que no lado N. Devido a uma barreira de potencial

formada nesta junção, é necessária uma d.d.p. com valor acima de 0,6V (em

diodos de sinal) para que haja a condução. Em diodos de potência, esta tensão

necessária gira em torno de 1 a 2V.

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1. Diodos de potência

▪ Na figura 05 vemos o aspecto físico de um diodo de potência

caracterizado pelo anodo rosqueado.

Figura 05 – Aspecto físico do diodo de potência31/01/2018 Eletrônica de Potência 18

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1. Diodos de potência

▪ Principais valores nominais para os diodos:

▪ O valor nominal da tensão de pico inversa (peak inverse voltage –

PIV) é a tensão inversa máxima que pode ser ligada nos terminais do

diodo sem ruptura.

▪ Se for excedido a PIV nominal, o diodo começa a conduzir na direção

inversa e pode ser danificado no mesmo instante.

▪ Os valores nominais da PIV são de dezenas a milhares de volts,

dependendo do tipo do diodo. Os valores nominais da PIV são também

chamados de tensão de pico reversa (PRV) ou tensão de ruptura (VBR).

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1. Diodos de potência

▪ Corrente direta média máxima If (avg) Max

▪ A corrente direta média máxima é a corrente máxima

que um diodo pode aguentar com segurança quando

estiver diretamente polarizado.

▪ Os diodos de potência estão disponíveis com valores

nominais que vão desde alguns poucos a centenas de

ampères.

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2. Transistor bipolar de junção (TJB)

▪ Um transistor bipolar é um dispositivo de três camadas

P e N (P-N-P ou N-P-N), cujos símbolos são mostrados

na figura 07.

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2. Transistor bipolar de junção (TJB)

▪ De modo geral, o TJB de potência segue os mesmos parâmetros do transistor

de sinal. Algumas características são próprias devido aos níveis de correntes e

tensões que o dispositivo trabalha, por exemplo:

❖ O ganho varia entre 15 e 100;

❖ Operação como chave, variando entre os estados de corte e

saturação;

❖ Tensão e corrente máximas de coletor de 700V e 800A,

respectivamente;

❖ Tensão de saturação é de 1,1V para um transistor de silício.

❖ Tensão de bloqueio reverso entre coletor e emissor em torno de 20V,

de modo que o impede de trabalhar em AC. 31/01/2018 Eletrônica de Potência 22

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3. Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor

(MOSFET)

▪ O transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido

metálico (MOSFET) de potência é um dispositivo para uso

como chave em níveis de potência.

▪ Os terminais principais são o dreno e a fonte, com a

corrente fluindo do dreno para a fonte e sendo controlada

pela tensão entre a porta e a fonte.

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3. Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor

(MOSFET)

▪ Abaixo é mostrado o símbolo do MOSFET:

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3. Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor

(MOSFET)

▪ O MOSFET é um transistor de chaveamento rápido,

caracterizado por uma alta impedância de entrada,

apropriado para potências baixas (até alguns quilowatts) e

para aplicações de alta frequência (até 100kHz).

▪ O MOSFET infelizmente sozinho não consegue bloquear

uma tensão reversa entre dreno e fonte.

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3. Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor

(MOSFET)

▪ Isto de deve a um diodo

acoplado internamente a sua

estrutura em antiparalelo.

▪ Este diodo é chamado de

diodo de corpo e serve para

permitir um caminho de

retorno para a corrente para

a maioria das aplicações de

chaveamento. Este diodo é

mostrado na figura ao lado.

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4. Transistor bipolar de porta isolada (IGBT)

▪ O transistor bipolar de porta isolada (IGBT) mescla as

características de baixa queda de tensão de saturação do

TJB, com as excelentes características de chaveamento e

simplicidade dos circuitos de controle da porta do MOSFET.

Figura 11 – Símbolo do IGBT31/01/2018 Eletrônica de Potência 27

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4. Transistor bipolar de porta isolada (IGBT)

▪ Os IGBTs substituiram os MOSFETS em aplicações de

alta tensão, nas quais as perdas na condução precisam ser

mantidas em valores baixos.

▪ Embora as velocidades de chaveamento dos IGBTs sejam

maiores (até 50 kHz) do que as dos TJBs, são menores que

as dos MOSFETs.

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4. Transistor bipolar de porta isolada (IGBT)

▪ Portanto, as frequências máximas de chaveamento

possíveis com IGBT ficam entre as dos TJBs e as dos

MOSFETs.

▪ Ao contrário do que ocorre no MOSFET, o IGBT não tem

qualquer diodo reverso interno. Assim, sua capacidade de

bloqueio para tensões inversas é muito ruim. A tensão

inversa máxima que ele pode suportar é de menos de 10 V.

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5. Retificador controlado de silício (SCR)

▪ O SCR é um dispositivo de três terminais, chamados de

anodo (A), catodo (K) e gatilho (G), como mostra a figura a

seguir:

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5. Retificador controlado de silício (SCR)

▪ Pode-se considerar o SCR um diodo controlado pelo

terminal de gatilho. No SCR, apesar da tensão ser positiva,

o mesmo ainda permanece bloqueado (corrente nula).

▪ Só quando for aplicado um pulso de gatilho, é que o

SCR passará a conduzir corrente, comportando-se como

um curto-circuito.

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Características Básicas do SCR

• Análogo a um diodo com um 3º terminal (gatilho).

• Para conduzir, além de estar polarizado diretamente,

deve receber um pulso de corrente no gatilho.

• São chaves estáticas biestáveis, ou seja, trabalham em

dois estados: não condução e condução, com a

possibilidade de controle.

• Em muitas aplicações podem ser considerados chaves

ideais, mas há limitações a serem consideradas na

prática.31/01/2018 Eletrônica de Potência 32

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Características do SCR

• Apresentam alta velocidade de comutação e elevada

vida útil;

• Possuem resistência elétrica variável com a

temperatura, portanto, dependem da potência que

estiverem conduzindo;

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Aplicações do SCR

• Controles de relés e motores;

• Fontes de tensão reguladas;

• Choppers (variadores de tensão CC);

• Inversores CC-CA;

• Ciclo conversores (variadores de frequência);

• Carregadores de bateria;

• Controles de iluminação;

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Polarização Direta de um SCR

• J1 e J3 polarizados diretamente

• J2 polarizado reversamente: apresenta maior barreira de potencial

• Flui pequena corrente de fuga direta do ânodo para o cátodo, IF

• Bloqueio direto –DESLIGADO

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Polarização Reversa de um SCR

• J2 diretamente polarizada

• J1 e J3 reversamente polarizadas: apresentam maiores barreiras de potencial

• Flui pequena corrente de fuga reversa do cátodo para o ânodo, IR

• Bloqueio reverso -DESLIGADO

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Características Dinâmicas dos Tiristores

• Entrada em condução (chave

fechada em t0)

– Para que o SCR entre em

condução há um tempo para

que IG provoque o decaimento

de VAK e o aumento de IA;

– Tempo de retardo (td)

depende da amplitude de IG e

sua velocidade de

crescimento;

– tr depende das características

do componente.

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Características Dinâmicas dos Tiristores

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Características Dinâmicas dos Tiristores

• Bloqueio do Tiristor (chave Ch2 fechada em t0)

– Em t1, Ch2 é fechada novamente - SCR bloqueado;

– Após tempo de recuperação (trr) deve-se manter tensão reversa por um tempo maior ou igual a tq para que seja alcançado o equilíbrio térmico e o SCR permanecer bloqueado.

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Características Dinâmicas dos Tiristores

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Problemas Operacionais dos Tiristores

• Efeito di/dt

Quando se inicia o processo de ignição de um tiristor, a

região de condução se restringe a uma pequena área

próxima ao gatilho. Esta área de condução cresce com uma

determinada taxa, assim como a corrente direta. Se a taxa de

crescimento da corrente for muito maior que a taxa de

crescimento da área de condução, ocorrerá um aquecimento

que poderá destruir o dispositivo.

O crescimento da corrente pode ser limitado com a inclusão

de um indutor em série com o tiristor.

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Problemas Operacionais dos Tiristores

• Efeito dv/dt

Este efeito causa o disparo do tiristor em

tensões abaixo da definida pela corrente no

gatilho, isto é, disparos aleatórios.

O efeito dv/dt pode ser controlado com a

inclusão de um circuito RC (circuito Snubber)

em paralelo com o tiristor.

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Problemas Operacionais dos Tiristores

• Sobretensões

As sobretensões estão, normalmente, relacionadas a um cortebrusco de corrente e o aparecimento de uma tensão (L.di/dt). Ascausas mais prováveis de sobretensões são:

❖ O processo de chaveamento do próprio tiristor;

❖ Tensões transitórias transmitidas pelas redes industriais, devido achaveamentos de circuitos indutivos.

A proteção mais utilizada é um circuito RC (Snubber) em paralelocom o tiristor.

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Problemas Operacionais dos Tiristores

• Sobrecorrentes

As principais causas do aparecimento de sobrecorrentes são:

❖ Partida de motores;

❖ Equipamentos de soldagem elétrica;

❖ Presença de curto-circuito.

Para proteção:

❖ Disjuntores de ação rápida (correntes não muito elevadas)

❖ Fusíveis ultra-rápidos (correntes muito elevadas).

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Problemas Operacionais dos Tiristores

• Problemas térmicos

A junção do semicondutor - região crítica sob o aspecto da

temperatura - está diretamente submetida ao fluxo da corrente de

carga, como consequência há uma resposta muito rápida às

variações de corrente.

Para evitar esses problemas é necessário o projeto de dissipadores

para transferir o calor para o ambiente.

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6. TRIAC

▪ Para se evitar a necessidade de utilização de dois SCRs

em antiparalelo, foi desenvolvido o TRIAC.

▪TRI (triodo ou dispositivo de três terminais) e AC (corrente

alternada) formam o nome deste elemento, cuja principal

característica é permitir o controle de passagem de corrente

alternada.

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6. TRIAC

▪ As condições de disparo são

análogas ao do SCR. Podendo ser

disparado com corrente de gatilho

positiva ou negativa.

▪Em condução, apresenta-se

quase como um curto-circuito

com queda de tensão entre 1V e

2V.

▪ Os terminais são chamados de

anodo 1 (A1 ou MT1), anodo 2

(A2 ou MT2) e gatilho (G)

Figura 23 – Símbolo do triac

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6. TRIAC

▪ O TRIAC pode ser disparado em qualquer polaridade de

tensão e sentido de corrente, desta forma ele opera nos

quatro quadrantes, tomando-se o terminal A1 como

referência.

Quadrantes de polarização do triac

31/01/2018 Eletrônica de Potência 52

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6. TRIAC

▪ A sensibilidade ao disparo varia conforme o quadrante, em função das

diferenças nos ganhos de amplificação, em cada caso. Normalmente, o

primeiro quadrante é o de maior sensibilidade ao disparo e o quarto, o de

menor.

▪ Os circuitos a seguir mostram, como exemplo, aplicações simples do

TRIAC em corrente alternada:

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6. TRIAC

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7. DIAC

▪ Quando o TRIAC é usado como dispositivo de controle, é

frequentemente utilizado um DIAC como dispositivo de disparo,

conforme pode ser visto na figura 28.

▪ O DIAC (Diode Alternative Currente) é uma chave bidirecional disparada por

tensão. Normalmente, a tensão de disparo dos DIACs ocorre entre 20 e 40V.

A sua curva característica está mostrada a seguir, junto com seus símbolos

mais utilizados .31/01/2018 Eletrônica de Potência 55

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7. DIAC

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