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Controle de potencia,eletronica Indutrial, de potencia
Tipologia: Notas de estudo
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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
A função da eletrônica de potência é controlar o fluxo de potência, processando a energia das fontes de alimentação disponíveis (rede elétrica, geradores ou baterias) através de dispositivos semicondutores de potência, para alimentar as cargas.
Por exemplo, em um microcomputador é necessário alimentar os chips lógicos com 5 Vcc, através da rede 127 Vac, logo se necessita de um circuito de eletrônica de potência.
A Importância da eletrônica de potência pode ser observada através de uma lista onde aparecem algumas de suas aplicações:
Residencial e comercial: iluminação – reatores eletrônicos; computadores pessoais; equipamentos eletrônicos de entretenimento; elevadores; sistemas ininterruptos de energia (“no- break”); equipamentos de escritório.
Industrial: acionamento de bombas, compressores, ventiladores, máquinas ferramenta e outros motores; iluminação; aquecimento indutivo; soldagem.
Transporte: veículos elétricos; carga de baterias; locomotivas; metrô.
Sistemas Elétricos: transmissão em altas tensões CC; fontes de energia alternativa (vento, solar, etc.); armazenamento de energia.
Aeroespaciais: sistema de alimentação de satélites; sistema de alimentação de naves;
Telecomunicações: carregadores de baterias; fontes de alimentação CC; sistemas ininterruptos de energia (UPS).
Os sistemas de eletrônica de potência consistem em muito mais que um conversor de energia. Como pode ser visto no diagrama de blocos da Fig. 1.1, necessita-se também de filtros para minimizar os ruídos e harmônicos de tensão e corrente gerados pelo circuito de potência, os quais operam em regime chaveado; circuitos de comando para impor ao semicondutor do conversor sua entrada em condução ou bloqueio; e a realimentação e controle que mantém o sistema operando no ponto desejado mesmo com mudanças na entrada (fonte) ou na saída (carga).
O circuito de potência é composto por semicondutores de potência e elementos passivos (indutores, capacitores e resistores), podendo assumir várias configurações em função das características de tensão, corrente e freqüência da fonte de alimentação e da carga. Pelo fato de não haver partes móveis, esses circuitos de potência são chamados de conversores estáticos , os quais podem ser classificados como: Conversores CA – CC ( Retificadores ), Conversores CC – CA ( Inversores ), Conversores CC – CC ( Choppers ) e Conversores CA – CA ( Cicloconversores e Controladores CA ). O diagrama da Fig. 1.2 relaciona cada conversor com a respectiva conversão.
Para entender o funcionamento e as diversas topologias dos conversores estáticos é importante que se conheça bem os dispositivos semicondutores que compõem a parte ativa destes conversores, ou seja, suas características de tensão, corrente, comando e velocidade de comutação.
Em eletrônica de potência, os semicondutores podem ser considerados como chaves, podendo estar no estado fechado ou conduzindo (ON) e aberto ou bloqueado (OFF).
Podem ser divididos em três grupos de acordo com o grau de controlabilidade. Esses grupos são:
Chaves não controladas : estado ON e OFF dependendo do circuito de potência. Ex.: diodos. Chaves semi-controladas : estado ON controlado por um sinal externo e OFF dependendo do circuito de potência. Ex.: SCR, TRIAC. Chaves Controladas – os estados ON e OFF são controlados por sinal externo. Ex.: Transistor (BJT), MOSFET, IGBT, GTO.
Operando como chave, o semicondutor apresenta dois tipos de perdas de energia, as quais geram dissipação de calor sobre o mesmo: as perdas em condução e as perdas em comutação.
A Fig. 2.1 a seguir apresenta as formas de onda de tensão, corrente e potência dissipada sobre um semicondutor que opera como chave.
Quando o semicondutor está em condução, flui através do mesmo uma corrente Ion e aparece sobre ele uma baixa queda de tensão Von, as quais são responsáveis pelas perdas em condução. Quanto maiores forem Ion e Von, maior será a perda de condução, assim, é desejável semicondutores que apresentam baixos valores de tensão quando em condução.
A comutação pode ser de dois tipos: OFF para ON (entrada em condução) ou de ON para OFF (bloqueio). No primeiro caso, quando o semicondutor entra em condução sua tensão cai até próximo de zero (Von) e a corrente cresce. Enquanto estes valores não se estabilizam aparecem as perdas por comutação. Tais perdas ocorrem também durante o bloqueio, onde a corrente cai até zero enquanto a tensão no semicondutor cresce atingindo o valor Voff. Quanto maiores forem a tensão Voff, a corrente Ion, a duração da comutação (toff/on e ton/off) e a freqüência de comutação, maior será a perda de comutação. Assim, é desejável que o semicondutor apresente comutações rápidas para diminuir as perdas de comutação.
Ion
comutaçãooff/on
Voff
Ioff = 0
condução^ comutaçãoon/off bloqueio
Von t off/on ton ton/off toff
T = período de comutação
Perdas
Fig. 2.1 - Comutação nos semicondutores de potência.
A Fig. 2.2 mostra o símbolo do diodo e suas características de operação através da curva v x i.
Fig. 2.2 - Diodo: símbolo e característica de operação.
Quando a tensão entre o anodo e o catodo for positiva e maior que VF (em torno de 0,7 V), é dito que o diodo está diretamente polarizado e está no estado de condução , ou seja, começa a conduzir corrente com uma pequena tensão sobre ele. Quando o diodo é reversamente polarizado , ou seja a tensão entre anodo e catodo é negativa, ele esta no estado corte , bloqueando a passagem de corrente no sentido reverso.
A entrada em condução de um diodo é considerada ideal, ou seja, rápida o suficiente para não afetar o resto do circuito de potência em que está inserido. Entretanto, para o bloqueio leva-se um tempo adicional, chamado tRR – tempo de recuperação reversa. Na comutação do estado de condução para o bloqueio, ocorre a descarga da capacitância intrínseca da junção. Nesse
iD
A - anodo
K - catodo
Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. 20 1N5817^35 MBR1035^20 MBR3520^50 MUR105^50 MUR1505^50 MUR 40 1N5819^45 MBR1045^35 MBR3535^200 MUR120^200 MUR1520^100 MUR 60 MBR160^60 MBR1060^45 MBR3545^400 MUR140^400 MUR1540^200 MUR 80 MBR180^80 MBR1080^600 MUR160^600 MUR 100 MBR1100^100 MBR10100^1000 MUR IFSM 25 A IFSM 150 A IFSM 600 A IFSM 35 A IFSM 200 A IFSM 600 A VF 0,6 V VF 0,57 V VF 0,55 V trr 50 ns trr 35 ns trr 50 ns
Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. 50 1N4933^50 1N3899^600 R23F6A^50 1N4001^50 MUR1505^50 MUR 200 1N4935^200 1N3901^1000 R32F10A^200 1N4003^200 MUR1520^200 MUR 400 1N4936^400 1N3903^1400 R23F14A^400 1N4004^400 MUR1540^400 MUR 600 1N4937^600 1N1386^600 1N4005^600 MUR1560^600 MUR IFSM 30 A IFSM 250 A IFSM 5000 A IFSM 30 A IFSM 400 A IFSM 400 A trr 0,2 μs trr 0,2 μs trr 0,2 μs
Na tabela constam alguns parâmetros importantes para a especificação de um diodo, onde:
VR - tensão reversa;
IFAVG - corrente média direta;
VF – queda de tensão direta ;
IFSM - corrente se surto não repetitiva máxima ;
trr - tempo de recuperação reversa.
Além destes, existem outros parâmetros como:
IFRMS - corrente direta eficaz;
IFRM - corrente direta repetitiva máxima;
IRRM - valor de pico da corrente de recuperação reversa.
O termo tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores que operam em regime chaveado, tendo em comum uma estrutura de 4 camadas semicondutoras numa sequência p-n-p- n, apresentando um funcionamento biestável. O tiristor de uso mais difundido é o SCR (Retificador Controlado de Silício), usualmente chamado simplesmente de tiristor. Outros componentes, no entanto, possuem basicamente uma mesma estrutura: LASCR (SCR ativado por luz), também chamado de LTT (Light Triggered Thyristor), TRIAC (tiristor triodo bidirecional), DIAC (tiristor diodo bidirecional), GTO (tiristor comutável pela porta), MCT (Tiristor controlado por MOS).
A Fig. 2.5 mostra o símbolo do SCR e suas características de operação através da curva v x i.
Fig. 2.5 – Tiristor: símbolo e característica de operação do SCR.
A seguir são apresentadas as formas de disparo de um SCR.
comutação depende da característica da própria carga, a comutação é definida como comutação pela carga.
É utilizada em circuitos CC onde não é possível a reversão da corrente de anodo. Sendo assim, deve-se oferecer um caminho alternativo para a corrente, enquanto se aplica uma tensão reversa sobre o SCR. Normalmente é utilizado um capacitor carregado previamente com uma tensão reversa, em relação aos terminais do SCR. No instante desejado para o corte, coloca-se o capacitor em paralelo com o SCR aplicando sobre ele uma tensão reversa. Um exemplo deste tipo de comutação será visto durante o estudo dos inversores, num capítulo futuro.
A tabela abaixo mostra as características principais de alguns SCR’s encontrados comercialmente.
V (^) Cod. V Cod. V Cod. V Cod. 50 2N6237 50 2N682 50 2N1910 200 ST330C02L 200 2N6238 200 2N685 200 2N1913 600 ST330C06L 400 2N6239 400 2N688 400 2N1916 1200 ST330C12L 600 2N6240 600 2N690 600 2N1806 1600 ST330C162L 800 2N6241 800 2N692 700 2N ITSM 15 A ITSM 150 ITSM 100 A ITSM 7925 A VGT 3 V VGT 2 V VGT 2,5 VGT 3 V IGT 10 mA IGT 40 mA IGT 110 mA IGT 200 mA Entre os parâmetros importantes a serem especificados em um SCR, têm-se:
ITAV – Corrente direta média; ITRMS – Corrente direta eficaz; ITSM – Surto máximo de c orrente; VDRM e VRRM – Máximos valores de tensão direta e reversa; VGT e IGT – tensão e corrente de gate; IL e IH – corrente de “latching” e de manutenção.
O TRIAC é um tiristor que permite a condução de corrente nos dois sentidos, entrando em condução e bloqueando de modo análogo ao SCR. Uma visão simplificada do TRIAC, é a de uma associação de dois SCR’s conectados em antiparalelo. Entretanto, note que no caso de dois SCR’s é necessário dois terminais de gatilho. A Figura 2.7 mostra o símbolo do Triac e a comparação com dois SCR’s. Como é bidirecional, os termos anodo e catodo ficam sem sentido, assim, os terminais do TRIAC são chamados anodo 1 (A1), anodo 2 (A2) e gatilho (G).
Além de conduzir nos dois sentidos, o TRIAC pode ser disparado tanto com pulso positivo como por pulso negativo de corrente aplicado entre o gate(G) e o anodo1(A1).
Fig. 2.7 – Símbolo do Triac e comparação com dois SCR’s em antiparalelo.
O TRIAC é um dispositivo utilizado em baixos níveis de potência quando comparado com o SCR. Um exemplo de aplicação é o controle do fluxo de corrente alternada. Este controle pode ser feito de duas formas: (A) Controle por ciclos inteiros e (B) Controle do ângulo de fase. Conforme mostra a Figura 2.8.
Fig. 2.8 – Controle do fluxo de potência por Triac’s. (A) Controle por ciclos inteiros, (B) Controle do ângulo de fase.
Tensão de entrada
Tensão de saída
Pulso de gate
Para saturar o transistor bipolar é necessário uma corrente de base IB > ICsat/β, onde β é o ganho de corrente que está em torno de 10 para transistores de baixa tensão e 5 para transistores de alta tensão. Para o bloqueio do dispositivo, é necessário reduzir a corrente de base até zero.
Dá-se o nome de transistor “par darlington” quando se associam dois transistores em um único encapsulamento de forma a aumentar o seu ganho, entretanto isso aumenta a queda de tensão e perdas de condução e comutação.
A partir do exposto acima, pode-se concluir que além das perdas de comutação já mencionadas, a complexidade dos circuitos de comando e sua potência requerida são grandes fatores limitantes destes dispositivos.
A tabela a seguir é uma reduzida amostra de transistores bipolares de potência comerciais da Motorola Semiconductors , mostrando algumas de suas principais características. Ressalta-se que existem outras opções de tensão, corrente e tipo de encapsulamento.
Entre os parâmetros para especificação de um BJT, têm-se:
Onde: td – “delay time”; tR – “rise time”; tS – “storage time”; tF – “fall time”.
O Mosfet (Transistor de Efeito de Campo), cujo símbolo e curva característica são mostrados na Figura 2.11, é comandado por tensão aplicada entre os terminais Gate (G) e Fonte (S).
Este dispositivo se aproxima de uma chave fechada (região ôhmica) quando a tensão VGS é adequada, tipicamente de 9 a 15V. E está bloqueado quando esta tensão for inferior ao limite VGSth (4V, típico). Quando em condução, o dispositivo necessita de permanente aplicação da tensão VGS (tensão entre gate e fonte), entretanto não flui corrente no gate, exceto durante as transições ON – OFF e OFF – ON, quando a capacitância de gate é carregada e descarregada.
Fig. 2.11 – Mosfet: símbolo e característica de operação.
Operando na região ôhmica, o Mosfet se comporta como uma resistência de valor relativamente baixo entre dreno e fonte (RDS ON), sendo assim, é a região de interesse para operação como chave.
Os tempos de comutação são curtos (da ordem de dezenas de ns), e sua a resistência de condução RDS ON cresce com o aumento da tensão do dispositivo, logo este dispositivo possui poucas perdas em aplicações de altas freqüências e baixas tensões (até 300V e acima de 50k Hz).
Como o dispositivo é comandado por tensão, seu circuito de gate é simples e consome pouca energia, como mostra o esquema e as formas de onda da Figura 2.12 a seguir.
Fig. 2.12 – Comando de gate do Mosfet e principais formas de onda.
vGS
vGS
vGS
vGS
vGS
Região ôhmica
vGS
iD
D
G S
iD
VDS
VGS
D - Dreno G - Gate S - Fonte
O IGBT ( Isolated Gate Bipolar Transistor ) associa a característica de comando dos MOSFET com a característica de condução dos BJT. Nos últimos anos, vem tendo considerável evolução, com o crescimento de sua velocidade de comutação.
A Figura 2.13 mostra o símbolo e a curva característica do IGBT, onde se nota que o componente apresenta os terminais coletor e emissor (como no BJT) e gate (como no Mosfet).
O IGBT apresenta a vantagem de ser comandado por tensão requerendo baixa quantidade de energia do circuito de comando, e em condução tem a vantagem do BJT de baixas tensões VCE on, podendo conduzir elevadas correntes com baixas perdas.
O tempo de entrada em condução é maior que o do MOSFET, na ordem de décimos de μs, e no bloqueio surge o fenômeno da corrente de cauda que provoca elevadas perdas de comutação em altas freqüências. A Figura 2.14 mostra o esquema simplificado do comando com suas principais formas de onda. Tipicamente, VGE entre 12V e 20V resulta em VCE ON reduzida, diminuindo as perdas de condução.
Fig. 2.14 – Comando de gate do IGBT e principais formas de onda
C
G E 15 V
VGE
IG
IC
corrente de cauda
C
G E
C- Coletor G- Gate E- Emissor
C
VGE V (^) GE V (^) GE VGE VGE VGE0 (^) V (^) CE
V (^) CE
I (^) C
VGE
I
Fig. 2.13 – Símbolo e curva característica do IGBT
A tabela abaixo mostra as características principais de uma linha comercial de IGBT’s da International Rectifiers Semiconductors e seus parâmetros importantes a serem especificados e aplicações típicas.
Aplicações: UPS e acionamento
Aplicações: Industrial, UPS de altas tensões e acionamento
Aplicações: Robótica e acionamento
Ic (^) COD. Perdas^ Ic (25º) (^) COD. Perdas^ Ic (25º) (^) COD. Perdas
Os principais parâmetros a serem especificados em um IGBT são:
VCES – tensão máxima suportável entre coletor e emissor; IC - corrente de coletor; ICM – pulso de corrente de coletor; VCE ON – tensão entre coletor e emissor na região de saturação; tON = td (on) + tR; tOFF = td (off) + tF - Tempos relacionados às comutações; Onde: td – “delay time”; tR – “rise time”; tF – “fall time”.
Os semicondutores de potência podem aparecer já associados em módulos, reduzindo o tamanho dos conversores e facilitando a montagem, entretanto podem encarecer a manutenção. Como por exemplo, mostramos abaixo: 1. Ponte monofásica de diodos, 2. ponte trifásica de diodos, 3. ponte monofásica de tiristores, 4. ponte completa trifásica de IGBT’s ou MOSFET’s
