Eletrónica de potência: introdução
Manuel Costa ATEC – Academia de Formação
Apesar de já existirem equipamentos de funcionamento eletromecânico ou manual para a comutação dos mesmos revelam condicionamentos que limitam a sua utilização, tais como: › Baixas velocidades de comutação; › Perdas superiores por efeito de Joule; › Desgaste superior devido aos elementos mecânicos associados ao equipamento. Estas limitações tornam este tipo de equipamentos completamente inadequados para o controlo e conversão de potências, estando o seu papel praticamente resumido a interruptores on-off com baixa cadência de comutação. Devido às caraterísticas dos semicondutores de potência como: Superior velocidade de comutação; › Menor dimensão e custo associado por VA; › Maior eficiência; › Menor desgaste por operação; › De fácil controlo a partir de microcontroladores e integração com sistemas embebidos. Os mesmos são utilizados para os diversos tipos de circuitos de controlo de potência, permitindo variar a tensão, a corrente e a frequência. Sendo assim, os mais típicos circuitos baseados em eletrónica de potência, são os seguintes: › Conversor CA-CC, mais conhecidos como retificadores, permitem converter uma Corrente Alternada numa Corrente Contínua;
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Conversor CC-CC, mais conhecidos como choppers, permitem converter uma tensão contínua fixa numa tensão contínua variável; Conversor CC-CA, mais conhecidos como inversores, permitem converter uma tensão contínua fixa numa tensão alternada fixa ou variável com uma frequência fixa ou variável; Conversor CA-CA permite converter uma tensão alternada fixa com frequência fixa numa tensão alternada variável com frequência variável; Além dos conversores, os semicondutores de potência podem funcionar como comutadores de potência, ou seja, interruptores on-off.
Potência Controlável [kVA]
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Por sua vez, estes conversores são utilizados em equipamentos de potência como: › Fontes de alimentação; › Controlo de potência; › Controlo de motores, como variadores de frequência, soft-starters, entre outros; › Associados a sistemas de energia renovável. A abordagem mais específica a cada um destes tipos de conversores será feita em artigos posteriores. Em eletrónica de potência são utilizados diversos componentes, com caraterísticas e comportamentos próprios que os adequam a funções específicas. Os semicondutores de potência mais utlizados são os SCR, GTO, IGBT, Mosfet, Tirístor e os Transístores de Potência. Como foi referido anteriormente, todos têm caraterísticas específicas que os habilitam para determinadas funções mediante a necessidade de potência a comutar e/ou controlar, frequência de comutação e método de controlo do semicondutor. Na Figura 1 podemos ver a relação entre a potência comutável e a frequên-
SCR
104
GTO MCT
103
SI Thy
IGBT
2
10
SCR:
Silicon Controlled Rectifier
GTO:
Gate Turn-off Thyristor
MCT:
MOS Controlled Thyristor
SI Thy:
Static Induction Thyristor
BPT:
Bipolar Power Transistor
IGBT:
Insulated Gate Bipolar Transistor
MOSFET: MOS Field-Effect Transistor
BPT 101 MOSFET
≈
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),&+$ 35ò7,&$ GH (/(75ù1,&$
A eletrónica de potência surgiu da necessidade de criar dispositivos que permitissem otimizar a comutação e controlo de potência elétrica. Já que os métodos e tecnologias utilizadas, até então, se tinham revelado pouco fiáveis, pouco eficientes e desadequados a operações que necessitassem de velocidades rápidas de comutação, de maior eficiência energética e de maior fiabilidade. Em termos gerais, os componentes utilizados em eletrónica de potência são semicondutores desenhados para operarem em regime de comutação, ou seja, mediante as condições de controlo do semicondutor, o componente ora está em condução ou ao corte.
10-1 10-1
100
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Frequência de Operação [kHz]
Figura 1. Relação Potência-Frequência de comutação dos semicondutores de Potência.