Reflex

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Reflexões (J.S. Nobre)

• O seu irmão está errado?
• Não o empurre mais para o erro falando mal dele,
  espalhando entre outros os seus erros. Edifique-o
  com o seu bom exemplo. É a melhor maneira de
  fazê-lo enxergar os seus próprios defeitos. Mas
  faça isso com caridosa discrição, sem que nem ele
  perceba que você o tem em vista.
• Um dia você saberá o bem que praticou, vendo-o
  correto e passando ao seu lado com um sorriso de
  humildade e de profundo agradecimento.

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Eletrônica de Potência

• Introdução
• Capítulo 1 pág. 1 à 22 do livro texto
• Aula 3
• Professor Fernando Soares dos Reis

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Sumário Capítulo 1

• 1.1 Aplicações da Eletrônica de Potência
• 1.2 História da Eletrônica de Potência
• 1.3 Dispositivos Semicondutores de Potência
• 1.4 Características de Controle dos Dispositivos
  de Potência
• 1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
• 1.6 Projeto de Equipamentos de Eletrônica de
  Potência
• 1.7 Efeitos Periféricos
• 1.8 Módulos de Potência
• 1.9 Módulos Inteligentes - Smart Power
• 1.10 Periódicos
• Resumo

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1.1 Aplicações da Eletrônica de Potência

• Acionamentos de Máquinas Elétricas
• Controladores Industriais
• Combina Potência, Eletrônica e Controle
• Aplicação da Eletrônica de estado sólido para o
  controle e conversão de energia elétrica
• Baseia-se no chaveamento dos semiconduto-res de
  potência

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Aplicações da Eletrônica de Potência

• Utiliza semicondutores de potência e
  micro-eletrônica
• Controle de sistemas de aquecimento
• Controle de luminosidade
• Controle de máquinas elétricas
• Fontes de alimentação
• Sistemas de propulsão de veículos

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Aplicações da Eletrônica de Potência

• Sistemas de corrente contínua em alta tensão
  (high voltage direct-current HVDC)

Controle Analógico e/ou Digital
Equipamentos de Potência Estáticos/Rotativos
Dispositivos/Circui-tos Eletrônicos
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1.2 História da Eletrônica de Potência

• Introdução do retificador a arco de mercúrio, em
  1900
• Retificador de tanque metálico
• Retificador em tubo a vácuo de grade controlada
• As válvulas Ignitron e Tiratron
• Foram utilizados seqüencialmente até 1950

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1.2 História da Eletrônica de Potência

• A primeira revolução começou em 1948 com a
  invenção do transistor de silício, por Bardeen,
  Brattain e Schockley da Bell Telephone
  Laboratories
• Em 1956 a Invenção do transistor disparável PNPN,
  definido como tiristor ou retificador controlado
  de silício ( Silicon Controled Rectifier), pela
  Bell Tel. Labs.

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1.2 História da Eletrônica de Potência

• A segunda revolução começou em 1958 com o
  desenvolvimento comercial do tiristor, pela
  General Electric Company.
• O desenvolvimento dos novos interruptores e da
  microeletrônica nos possibilita trabalhar em
  elevadas potências com rendimentos cada vez
  melhores.

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1.2 História da Eletrônica de Potência

• Nos próximos 30 anos a eletrônica de potência
  dará forma e condicionará a eletricidade, em
  algum lugar na linha de transmissão, entre sua
  geração e todos os seus usuários.

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1.2 História da Eletrônica de Potência

• O grande salto desta ciência ocorreu no final dos
  anos 80 e início dos 90. Existem hoje no mundo
  centenas de pesquisadores trabalhando
• Aqui na PUCRS existem vários pesquisadores
  trabalhando nesta promissora área o Laborató-rio
  de Eletrônica de Potência da PUCRS o LEPUC
  congrega um grupo de pesquisadores que trabalham
  nesta área

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1.2 História da Eletrônica de Potência
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1.3 Dispositivos Semicondutores de Potência

• Diodos de Potência
• O SCR (primeiro tiristor)
• Transistores de junção bipolar (BJTs)
• MOSFETs de potência
• Transistores Bipolares de porta isolada (IGBTs)
• Transistores de indução estática (SITs)

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Classificação dos Diodos de Potência

• Genéricos, de uso geral, são fornecidos em até
  3000 V, 3500 A e tempo de recuperação reversa trr
  de 10 ms
• Alta velocidade ou recuperação rápida, são
  fornecidos em até 3000 V, 1000 A e valores
  típicos de trr de 0,1 e 5,0 ms
• Diodos Schottky (very fast) trr da ordem de
  nano-segundos

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Características dos Diodos de Potência

• O diodo conduz quando esta polarizado
  diretamente, isto é, quando a tensão do Ânodo é
  superior a (tensão) do Cátodo
• O bloqueio se da quando a corrente que por ele
  (diodo) circula se anula
• A corrente de fuga aumenta com a faixa de tensão

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Tipos de Encapsulamentos

• Tipo ROSCA ou rosqueável (do inglês stud ou
  stud-mounted)
• Tipo DISCO ou encapsulamento prensável ou disco
  de hóquei (do inglês disk ou press pak ou hockey
  puck)

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Classificação dos tiristores

• Tiristor de comutação forçada
• Tiristor comutado pela rede
• Tiristor de desligamento pelo gatilho, GTO
• Tiristor de condução reversa, RCT
• Tiristor de indução estática, SITH

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Tiristor de desligamento pelo gatilho, GTO
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Classificação dos tiristores

• Tiristor de desligamento auxiliado pelo gatilho,
  GATT
• Retificador controlado de silício, controlado por
  luz, LASCR
• Tiristores controlados por MOS, MCTs

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Classificação dos tiristores

• Os tiristores de comutação natural ou pela rede
  podem operar até 6000 V e 3500 A
• Os tiristores de alta velocidade, neste caso
  apresentam tempos de desligamento da ordem de 10
  a 20 ?s e valores de tensão de 1200 V e corrente
  de 2000 A

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Classificação dos tiristores

• Os tiristores de condução reversa RCT e de
  desligamento auxiliado pelo gatilho GATTs são
  amplamente utilizados para chaveamen-to em alta
  velocidade, em especial em apli-cações de tração.
  Um RCT pode ser conside-rado como um SCR com um
  diodo em anti-paralelo, 2500 V, 1000 A (400 A em
  condu-ção reversa) e apresentam tempos de
  cha-veamento da ordem de 40 ?s.

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Classificação dos tiristores

• Os GATTs são fornecidos em até 1200 V e 400 A,
  com uma velocidade de chaveamento de 8 ?s
• Os LASCR, retificadores controlados de silício
  controlados por luz são fornecidos em até 6000 V
  e 1500 A , com uma velocidade de chavea-mento de
  200 a 400 ?s, são apropriados para sistemas de
  alta potência HVDC

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Classificação dos tiristores

• Os TRIACs são amplamente utilizados no controle
  de cargas CA de baixa potência
• Os GTOs e os tiristores de indução estática SITHs
  são tiristores autodesligáveis. São ligados e
  desligados pela aplicação de um curto pulso
  positivo e negativo respectiva-mente. Os GTOs são
  fornecidos em até 4000V e 3000 A

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Classificação dos tiristores

• Os SITHs, cujos valores nominais podem ser tão
  altos, como 1200V e 300 A, têm expectativa de
  aplicação em conversores de média potência, com
  uma freqüência de várias centenas de qui-lohertz
  e além da faixa de freqüência dos GTOs
• Os MCTs podem ser ligados por um pequeno pulso de
  tensão negativa na porta MOS e vice-versa em
  relação ao seu ânodo, fornecidos em até 1000 V e
  100 A, é como um GTO pero ...

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Características dos Transistores

• Os BJTs, apresentam três terminais cbe sendo
  normalmente operados como interruptores na
  configuração emissor comum devido as suas
  características é normalmente utilizado em
  conversores que operam até 1200 V, 400 A e 10
  kHz
• Os MOSFETs, são utilizados em potências
  relativamente baixas, na faixa de 1000 V, 50 A e
  dezenas de quilohertz

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Características dos Transistores

• Os IGBTs, são transistores de potência
  controlados por tensão. Eles são inerentemente
  mais rápidos que os BJTs, mas não tão rápidos
  quanto os MOSFETs sento fornecidos em até 1200 V,
  400 A podendo operar em freqüên-cias de até 20
  kHz

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Características dos Transistores

• O Transistor de indução estática SITs é similar a
  um JFET. Possui baixo ruído, baixa distorção e
  capacidade de potência em altas freqüências de
  áudio. Sento fornecidos em até 1200 V, 300 A
  podendo operar em freqüências de até 100 kHz
  Usados em áudio, VHF/UHF e microondas

28
Principais Características dos Dispositivos de
Potência
29
Principais Aplicações dos Dispositivos de Potência
30
Características e Simbologia dos Dispositivos de
Potência
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1.4 Características de Controle dos Dispositivos
de Potência

• Disparo e desligamento não-controlado diodos
• Disparo controlado e desligamento não-controlado
  SCR
• Disparo e desligamento controlado BJT, MOSFET,
  GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT
• Necessidade de sinal contínuo de porta BJT,
  MOSFET, IGBT, SIT
• Necessidade de pulso de gatilho GTO, SCR, MCT

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1.4 Características de Controle dos Dispositivos
de Potência

• Capacidade de suportar tensão bipolar SCR, GTO
• Capacidade de suportar tensão unipolar BJT,
  MOSFET, IGBT, MCT
• Capacidade de corrente bidirecional TRIAC, RCT
• Capacidade de corrente unidirecional SCR, GTO,
  BJT, MOSFET, MCT, IGBT, SITH, SIT, diodo

33
Características de Controle dos Dispositivos de
Potência
34
1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Os circuitos de eletrônica de potência podem ser

• Retificadores com diodos
• Conversores CA-CC (retificadores controlados)
• Conversores CA-CA (controladores de tensão CA)
• Conversores CC-CC (choppers)
• Conversores CC-CA (inversores)
• Chaves estáticas

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1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Retificadores

• Um circuito retificador converte tensão CA em uma
  tensão CC fixa

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1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Conversores CA - CC

• O valor médio da tensão pode ser controlado
  variando-se o tempo de condução dos tiristores ou
  o atraso do ângulo de disparo, ?.

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1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Conversores CA - CA

• São usados para que se possa obter uma tensão CA
  variável a partir de uma tensão CA fixa. Através
  do controle do ângulo de disparo, ?

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1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Conversores CC - CC

• Também conhecido como chopper ou regulador
  chaveado. A tensão média de saída é controlada
  pela variação do tempo de condução do
  transistor, tON. Se T é o período de operação do
  conversor, então tONDT. Onde D é chamado ciclo
  de trabalho do conversor

39
1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Conversores CC - CC
40
1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Conversores CC - CA

• Também conhecido como inversor

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1.5 Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência
Chaves Estáticas

• Como os dispositivos de potência podem ser
  operados como chaves estáticas, relês, contatores
  ou até circuitos de proteção como disjuntores
  eletrônicos, a alimentação para essas chaves pode
  ser tanto CA quanto CC e as chaves são chamadas
  chaves estáticas CA ou chaves CC

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1.6 Projeto de Equipamentos de Eletrônica de
Potência
Pode ser dividido em quatro partes

• Projeto dos circuitos de potência
• Proteção dos dispositivos de potência
• Determinação da estratégia de controle
• Projetos dos circuitos lógico e de controle

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1.6 Projeto de Equipamentos de Eletrônica de
Potência

• Na análise e projeto os dispositivos de potência
  são considerados ideais, os efeitos parasitas dos
  diversos elementos, tais como indutância de
  dispersão, capacitâncias parasitas, resistências
  de condução dos interruptores de potência e os
  respectivos tempos de comutação são desprezados
• Na construção do circuito real todos estas
  caracterís-ticas devem ser levadas em conta

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1.7 Efeitos Periféricos

• Os conversores introduzem correntes e tensões
  harmô-nicas no sistema de alimentação e na sua
  saída. Isso pode causar problemas de distorção da
  tensão de saída, geração de harmônicos no sistema
  de alimentação (rede) e interferências
  eletromagnéticas em sistemas de comunicação, PC,
  instrumentação, TV, sinalização..
• Estes problemas podem ser minimizados através da
  utilização de filtros, blindagens e do projeto
  adequado de todo o circuito de potência,
  topologia, placa de CI, controle...

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1.7 Efeitos Periféricos
Fonte de Alimentação
Saída
Filtro de Entrada
Conversor de Potência
Filtro de Saída
Gerador de Sinal de Controle de Chaveamento
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1.8 Módulos de Potência

• Oferecidos com dois, quatro ou seis dispositivos
• Os módulos oferecem as vantagens de perdas mais
  baixas no estado de condução, características de
  chaveamento de altas tensões e correntes, e
  velocida-des maiores que as dos dispositivos
  convencionais
• Alguns módulos ainda incluem proteção contra
  transientes e ao circuito de excitação da porta
  ou gatilho

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1.9 Módulos Inteligentes - Smart Power

• São o estado da arte em eletrônica de
  potência, integrando o módulo de
  potência e o circuito periférico
• O circuito periférico consiste de uma isolação
  entrada-saída e interface do sinal com o sistema
  de alta tensão, um circuito de excitação, um
  (circuito) de diagnóstico e proteção
• Os usuários necessitam apenas conectar as fontes
  de alimentação

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1.10 Periódicos

• Existem vários periódicos (revistas) disponíveis
  na Biblioteca Central da PUCRS
• IEEE Transactions on Industrial Electronics
• IEEE Transactions on Industry Applications
• IEEE Transactions on Power Electronics
• No LEPUC também estão disponíveis vários Anais de
  Conferências da área

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Resumo

• À medida que a tecnologia para dispositivos
  semicondutores de potência e circuitos integrados
  se desenvolve, o potencial para aplicações da
  eletrônica de potência torna-se mais amplo.
• Existem muitos dispositivos semicondutores de
  potência que são fornecidos comercialmente
  entretanto, o desenvolvimento neste sentido é
  contínuo.

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Resumo

• Os conversores de energia podem ser classificados
  como retificadores, conversores CA-CC,
  conversores CA-CA, conversores CC-CC, conversores
  CC-CA e chaves estáticas
• O projeto de circuitos de eletrônica de potência
  requer o desenvolvimento dos circuitos de
  potência e controle
• As tensões e correntes harmônicas geradas pelos
  conversores de energia são reduzidos com uma
  escolha adequada da estratégia de controle

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Estudo Dirigido

• Em grupos vamos agora responder as questões de
  revisão propostas
• Boa Sorte!