ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

Prof. Edvan Carneiro Almeida

FACULDADE SANTO AGOSTINHO - FSA

ENGENHARIA ELÉTRICA

Eletrônica de potência

Por que eletrônica de potência?

A transferência de potência elétrica de uma fonte para uma carga pode ser

controlada pela variação de tensão de alimentação (transformador variável) ou

pela inserção de um regulador (reostato, reator variável ou uma chave)

Reostato como dispositivo de controle

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:

Uma fonte DC de 100 V está fornecendo energia

para uma carga resistiva de 10 Ω. Determine a

potência entregue a carga (PL), a potência dissipada

no reostato (PR), a potência total fornecida pela fonte

(PT) e a eficiência η, se o reostato for ajustado para:

a) 0 Ω b) 10 Ω c) 100 Ω

Eletrônica de potência

Chave como dispositivo de controle

Exemplo:

Uma fonte DC de 100 V está fornecendo energia para uma carga resistiva de 10

Ω através de uma chave. Determine a tensão na carga (VL) a potência entregue a

carga (PL), a potência dissipada no reostato (PS), a potência total fornecida pela

fonte (PT) se a chave estiver:

a) Fechada

b) Aberta

c) Fechada 50% do tempo

d) Fechada 20% do tempo

Eletrônica de potência

Chaves semicondutoras de potência

Principais tipos:

- diodos;

- transistores bipolar de junção (BJTs);

- transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFETs);

- transistores bipolar de porta isolada (IGBTs);

- retificadores controlados de silício (SCRs);

- triacs;

- tiristores de desligamento por porta (GTO);

- tiristores controlados MOS (MCT).

Esses dispositivos são operados no modo de chaveamento. As chaves podem

ser operadas em alta frequência, a fim de converter e controlar a energia elétrica

com alta eficiência e alta resolução. A perda de potência na chave, em si, é muito

pequena.

Eletrônica de potência

Uma chave ideal satisfaz às seguintes condições:

1. Liga e desliga instantaneamente.

2. Quando está ligada, a queda de tensão nela é zero.

3. Quando está desligada, a corrente que passa por ela é zero.

4. Não dissipa potência.

Além disso, as seguintes condições são desejáveis:

5. Quando ligada, que possa suportar correntes altas.

6. Quando desligada, que possa suportar tensões altas.

7. Que utilize pouca potência para o controle da operação.

8. Que seja altamente confiável.

9. Que seja pequena e leve.

10.Que tenha baixo custo.

11.Que não requeira manutenção.

Eletrônica de potência

Perdas de potência em chaves não ideais

Ao contrário do que ocorre em uma chave ideal, uma chave real, assim como um

transistor bipolar de junção, tem duas grandes fontes de perda de potência: perda

na condução e perda por chaveamento.

Perda na condução

Quando o transistor abaixo estiver desligado, por ele passará uma corrente de

fuga (Ileak). A perda de potência associada a essa corrente de fuga é POFF = VS .

ILEAK. Uma vez que a corrente de fuga é muito pequena e não varia de maneira

significativamente com a tensão, costuma ser desprezada.

Quando o transistor estiver

ligado, ocorre uma pequena

queda de tensão sobre ele.

Essa tensão é chamada de

de tensão de saturação

(VCE(sat)).

Eletrônica de potência

A dissipação de potência no transistor ou a perda na condução devido a tensão de

saturação é:

VS – VCE(sat) VS

PON = VCE(sat) . IC onde IC = ----------------------- ≈ ------

RL RL

Quando do chaveamento:

PON(avg) = VCE(sat) . IC . tON = VCE(sat) . IC . d

T

De modo semelhante:

POFF(avg) = VS . ILEAK . tOFF

T

Ciclo de trabalho d é definido como o percentual do ciclo, no qual a chave está

ligada:

d = tON /(tON + tOFF) = tON

T

Potência se a chave permanecer ligada indefinitivamente.

Eletrônica de potência

Perda por chaveamento Passar do estado ligado para o desligado (e vice-versa), nas chaves não ideais

não ocorre de modo instantâneo. Ela leva um certo tempo finito tSW(ON) para ligar

e certo tempo finito tSW(OFF) para desligar. Esses períodos não apenas introduzem

dissipação de potência, como também limitam a máxima frequência de

chaveamento possível. Tempos diferentes para ligar e para desligar.

Eletrônica de potência

A perda máxima de potência, na passagem do estado desligado para o ligado é:

PSW-ON(max) = 0,5 VCE(max) . 0,5 IC(max)

Onda senoidal retificada. O valor médio dessa forma de onda é

PSW-ON(avg) = 0,637 PSW-ON(max)

PSW-ON(avg) = 0,167 . VCE(max) . IC(max)

PSW-ON(avg) = 1/6 . VCE(max) . IC(max)

A perda de energia (potência x tempo) durante o fecham será PSW-ON(avg) . tSW-(ON).

WSW-ON = 1/6 . VCE(max) . IC(max) . tSW-(ON) (joules)

e durante o desligamento.

WSW-OFF = 1/6 . VCE(max) . IC(max) . tSW-(OFF) (joules)

Perda total de energia.

WSW = WSW-ON + WSW-OFF = 1/6 . VCE(max) . IC(max) . [tSW-(ON) + tSW-(OFF) ]

Eletrônica de potência

A dissipação média de potência na chave será:

PSW = WSW /T = WSW . f

PSW = 1/6 . VCE(max) . IC(max) . [tSW-(ON) + tSW-(OFF) ] . f

PT = PON(avg) + POFF(avg) + PSW

PSW = VCE(sat) . IC . d + 1/3 . VCE(max) . IC(max) . tSW . f

Onde: tSW = tSW-(ON) = tSW-(OFF)

Eletrônica de potência

Exemplo:

Na figura VS = 50 V, RL = 5 Ω e a chave é ideal sem perdas no chaveamento. 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 na chave quando estiver:

a) ligada b) desligada

R. a) 14,55 W e b) 75 mW

Eletrônica de potência

Exemplo:

Calcule as perdas máximas e médias de potência para a chave do exemplo

anterior se a frequência de chaveamento for de 500 Hz com um ciclo de trabalho

de a) 50% e b) 20%.

R. a) b)

Perda média de potência ligado – 7,27 W - 2,91 W

Perda média de potência desligado – 0,037 W - 60 mW

Perda média de potência por ciclo – 7,3 W - 2,97 W

Dissipação máxima de potência – 14,55 W - 14,55 W

Eletrônica de potência

Exemplo:

Na figura VS = 120 V, RL = 6 Ω e a transistor é ideal sem perdas na condução. Se

tSW-(ON) = tSW-(OFF) = 1,5 µs, calcule a perda de potência média de chaveamento a

uma frequência de chaveamento de 1 kHz.

R. a)

Perda média de potência SW(ON) – 400 W

Perda média de potência SW(OFF) – 400 W

Perda de energia SW(ON) – 0,6 mJ

Perda de energia SW(OFF) – 0,6 mJ

Dissipação média de potência no chaveamento – 1,2 W

Eletrônica de potência

R.

Eletrônica de potência

R.

Referências Bibliográficas

Ahmed, A; Eletrônica de potência, Prentice Hall, São Paulo, 2000.