ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA

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1 Funcionamento: Aulas Teóricas Aulas de Laboratório Avaliação: Exercícios de 3 em 3 semanas 40% Relatórios dos trab. de laboratório 20% Exame Final 40% Bibliografia: Contactos: Textos de Apoio Guias de Laboratório Colecção de Problemas Livros Beatriz Vieira Borges (responsável) bborges@lx.it.pt

2 Conteúdo da Disciplina: 1. Introdução à Electrónica de Potência 2. Dispositivos electrónicos 3. Circuitos com interruptores e diodos 4. Regimes transitórios, recuperação de energia. 5. Conversores CA/CC (rectificadores monofásicos): Rectificadores não controlados Rectificadores controlados Condução simultânea 6. Conversores CC/CC: Topologias básicas Princípios de operação Fontes de alimentação de comutada c. isolam. galvânico Modelização de conversores 7. Transformadores e bobines de alta frequência 8. Conversores CC/CA: Princípios de operação e técnicas de modulação 9. Amplificadores audio comutados 10. Técnicas de comutação ressonante

3 Conversor Electrónico Potência de Entrada Alimentação CC ou CA CIRCUITO DE POTÊNCIA comando CARGA Potência de Saída Alimentação Sinais Dados CIRCUITO DE CONTROLO Realimentação CIRCUITO DE POTÊNCIA dispositivos semicondutores filtros de entrada e de saída transformador de potência protecções CIRCUITO DE CONTROLO E COMANDO dispositivos electrónicos necessários à regulação e comando do conversor

4 Alto rendimento Grande densidade de potência [W/cm3] P I Conversor electrónico P O Quando o rendimento é baixo, há grande dissipação térmica no interior do conversor. O calor gerado tem que ser retirado para o exterior η=p O /P I perda de FIABILIDADE GRANDES DIMENSÕES (dissipadores)

5 Dispositivos electrónicos a funcionar na condução e no corte I D VDS CONDUÇÃO CORTE V DS =0 I D =0 P D =I D *V DS =0 Componentes não dissipativos lineares comutados X X

6 V I=100V Conversor CCCC I O R=5Ω V O=50V Resistência variável η=50% V I=100V Semicondutor linear V I=100V η=50% Potência de Perdas=500W Potência de Perdas=500W I O =10A R=5Ω I O =10A R=5Ω V O=50V V O=50V X X

7 Conversor comutado η=100% V I =100V i I 1 2 v S (t) FILTRO I=10A R V O T 1 V O = vs = T 0 () t dt DVI V I v S (t) V O =DV DT 1DT

8 V I 1 2 L V I C R V O Conversor comutado V I i I L C i C R V O Realimentação Drive do transistor δ(t) MLI compensador v ε G(s) DT T t v ε (t) v Ref Tensão de referência t Circuito de controlo

9 Classificação de conversores quanto às formas de onda das tensões de entrada e de saída Conversores CACC rectificadores Conversores CACA Conversores CCCC Conversores CCCA inversores

10 Conversores CACC Comutação natural v O v i O V O(av) ωt i O CA i I v I c a r g a CC v O v AK1 α π 2πα ωt ωt v = sinωt 1 2 α 2πα ωt i I πα ωt i O >0 e v O >0 ou < 0 i O >0 e v O >0 ou < 0 ωt

11 Conversores CACC Conversores CACC Circuitos de Drive Circuitos de Drive v v I i O = sinωt i I vo 1 2 c a r g a Transformadores de impulsos Transformadores de impulsos Transformador de de amostragem da da tensão de de entrada Controlador

12 Conversores CACA Comutação natural v O v V O(av) = 0 i O CA i O ωt CA v I carga v O α π 2πα ωt v = sinωt 1 2 v AK1 ωt i O >0 ou < 0 e v O >0 ou < 0 i O >0 ou < 0 e v O >0 ou < 0 α πα 2πα ωt ωt

13 Conversores CACA i O Comutação natural CA v I v = sinωt 1 2 carga v O CA Circuitos de drive idênticos aos dos rectificadores

14 Conversores CCCC Comutação forçada CC CC v I v O i O c a r g a i O v O t on T t v 1 = V I t on T t

15 Conversores CCCC Comutação forçada Circuito de potência Circuito de potência v 1 = V I v I v O i O c a r g a Circuito de de controlo

16 Conversores CCCA Comutação forçada v 1 = V I CC v I i O CA carga v O i O v I v O v I T/2 T/2 T T t t i O e v O > ou < 0 i O e v O > ou < 0

17 Conversores CCCA v I i O R S T Circuito de potência i O e v O > ou < 0 Circuito de controlo

18 V I Conversores Especiais n:1 i I L v i L D L CC ideal S CA CC C i C R Circuito de potência Circuito de potência v O (t) Fonte comutada de alta frequência CCCA hf CC Freq. [100kHz] Circuito de de controlo Pot<100W η<85%

19 Conversores Especiais CACC CCCA hf CC Fonte comutada com correcção do do factor de de potência ω i I t v I ω t i Iav (ω t) v i I v I = sinωt 1 2 CA CC CC n:1 L il v L D ideal S CA CC i C C R v O (t)

20 V I Conversores Especiais i I n:1 L il v L D L S S ideal C S C i C R v O (t) Fonte Quase Ressonante ZVS Zero Voltage Switching Circuito de potência Circuito de potência CCCA hf CC Frequência: [1MHz] Circuito de de controlo Pot<50W η<95%

21 Conversores Especiais Circuito de potência Circuito de potência Fonte com comutação Ressonante Zero Voltage Switching CCCA hf CC Circuito de de controlo Frequência: [250kHz] Pot<1kW η=97%

22 Conversores Especiais Circuito de potência Circuito de potência Amplificador Audio Comutado CACCCA hf CA Frequência: [132 khz] Circuito de de controlo Pot<2kW η<80%

23 Processos de comutação: comutação natural: Quando num circuito estão criadas as condições, por via da fonte de alimentação ou da carga, ou por entrada de outro dispositivo do circuito por forma que a corrente num dispositivo se anule, passando este ao estado de corte, sem actuação exterior. comutação pela fonte comutação pela carga i T i T i T i T i G t i G t t t

24 comutação forçada: Quando é necessário actuar no terminal de controlo do dispositivo, ou num circuito auxiliar, para passar o dispositivo do estado de condução ao estado de corte. V R L i T i G t t natural linha carga (comutam devido à forma das tensões de entrada) line frequency converters (a carga que provoca o anulamento de corrente). load commutated converters forçada conversores comutados switching converters

25 ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Conversor CACC P v I = 2V I sin ωt v O = V O n= 1 a n cos nωt n= 1 b n sin nωt v I N v O v O v I Ideal v O =V O N P Filtragem Conversor CCCA P v I = V I v O = n= 1 a n cos nωt n= 1 b n sin nωt N v O v I v I v O Ideal v O = 2 V O sin ωt N P Filtragem

26 Procedimentos básicos em electrónica de potência: Não ligar em série geradores de correntes diferentes. Não ligar em paralelo fontes de tensão C diferentes. Não abrir circuitos indutivos. Não curtocircuitar circuitos capacitivos. Se a alimentação é uma fonte de tensão a carga tem características de fonte de corrente (bobine em série com a carga). Se a alimentação é uma fonte de corrente a carga tem características de fonte de tensão (condensador em paralelo com a carga). Eliminação de incompatibilidades por introdução de elementos reactivos de adaptação: introdução de C para abrir circuito indutivo V L R abrir V L R introdução de L para ligar duas fontes de tensão diferentes V C R fechar V L C R

27 DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA: 1. diodo A K 2. tiristor (SCR) silicon controlled rectifier. A G K 3. tiristor de corte comandado (GTO) gate turn off thyristor. A K E C G 4. transistor bipolar (TJB). B B C E 5. transistor de efeito de campo de potência (MOSFET). C G D S G D S 6. IGBT insulated gate bipolar transistor. A G E 7. MCT MOS controlled thyristor. G K

28 Diodo A K Conduz se a tensão v AK se tornar positiva. Bloqueia se a corrente I F se tornar negativa Característica ideal I F V AK

29 Tiristor A K G Semicontrolado Conduz se v AK for positivo e se existir um impulso de corrente na gate de curta duração. Bloqueia se a corrente I F se tornar negativa A K Característica ideal Controlo apenas na passagem a ON I AK V AK G i G I F v O v V O(av) bloqueio disparo v AK ωt i G V AK α 2πα ωt

30 MOSFET D G Totalmente controlado. Conduz se v GS for positiva. S Bloqueia se v GS se tornar nula ou negativa Característica ideal I D V DS

31 IGBT Freq. [20 khz] G C Totalmente controlado. Conduz se v GE for positiva. E Bloqueia se v GE se tornar nula ou negativa Característica ideal I C V CE

32 Transformadores de Alta Frequência v 1 v 2 Núcleo de ferrite v 1 = v 2 i i 2 1 = N N 1 2 N N 1 2 i 1 i 2 v 1 v 2 ideal

33 Transformadores de Alta Frequência Esquema equivalente i 1 v 1 L l1 i µ L µ i 1 i 2 N 1 :N 2 L l2 i 2 v 2

34 Transformadores de Alta Frequência i 1 v 1 L l1 i 1 i 2 N 1 :N 2 L µ L l2 N 2 N1 2 i 2 v 2 L µ = infinita (indutância de magnetização) L l1 e L l2 = 0 (indutâncias de dispersão)

35 ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA (área multidisciplinar) Estudo dos conversores electrónicos: topologias, dispositivos semicondutores, técnicas de modelação, processos de controlo e sua caracterização, técnicas de filtragem e supressão de harmónicas, etc. PROJECTO AJUDADO POR COMPUTADOR TOPOLOGIAS CONTROLO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ELECTRÓNICA ANALÓGICA E DIGITAL ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA REGULAÇÃO E CONTROLO CIRCUITOS INTEGRADOS VLSI µcomputadores µprocessadores

36 Principais campos de aplicação / áreas emergentes Equipamento Informático Sistemas aeroespaciais e de satélites fontes de alimentação Telecomunicações Máquinas eléctricas Balastros electrónicos Controlo intensidade luminosa Conversores f Iluminação Ignição e injecção electrónica Indústria automóvel Energias alternativas Prof. Pedro Santos

37 Áreas tecnológicas de aplicação / áreas emergentes Semicondutores de potência Módulos de Potência PIC Power Management Módulos DC/DC Componentes passivos Materiais magnéticos / núcleos Protecções HVDC Distribuição de energia Thermal Management Encapsulamento CEM (EMC) Simulação e modelização Regulação / Controlo Topologias de conversores Prof. Pedro Santos

38 Produtos e sistemas envolvidos na Electrónica de Potência Semicondutores de potência Módulos Darlington Módulos Diodo/tiristor (hibridos) Módulos IGBT Smart Power IC e PICs Diodes potência Módulos MOSFET Motor Drivers Relés estáticos Converter IC Applicationoriented ICs OptoSemiconductor Components Sensores e Microsistemas Sensores de parâmetros eléctricos e magnéticos Sensores de temperatura Microactuadores Componentes passivos L C R Transformadores (isolamento, HF,...) núcleos, ferrites, materiais magnéticos enrolamentos Thermal management Dissipadores Radiadores e refrigeradores Ventoinhas Elementos de Peltier Sistemas de alimentação Transformadores fontes DC e AC Conversores de Frequência UPS Estabilizadores Fontes de laboratório Baterias sistemas de Power Management módulos/conversores DC/DC Ferramentas CAD / CAE Software de desenvolvimento Software de simulação Software de teste Software para aplicações específicas Prof. Pedro Santos

39 APLICAÇÕES INDUSTRIAIS: Bombas;Compressores;Ventoinhas Máquinas ferramentas (Robots) Fornos de indução Iluminação Lasers Máquinas de soldadura Processos electroquímicos. COMERCIAIS: Aquecimento, ventilação e ar condicionado Aparelhagem de frio Iluminação Computadores e equipamento de escritório Fontes de alimentação ininterruptíveis (UPS) Elevadores. TRANSPORTES: Controlo e accionam. de veículos eléctricos de tracção Carregadores de baterias Locomotivas eléctricas Metropolitano Carros eléctricos, automóveis, etc. REDES DE ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA: Transmissão em corrente contínua e alta tensão (HVDC) Sistemas VAR estáticos Fontes de energia de recurso Sistemas de armazenamento de energia. INDUSTRIA AERONÁUTICA E ESPACIAL: Sistemas de alimentação de potência de naves espaciais Sistemas de alimentação de potência de satélites Sistemas de alimentação de aviões. TELECOMUNICAÇÕES: Carregadores de baterias Fontes de alimentação Fontes de alimentação ininterruptíveis. APLICAÇÕES DOMÉSTICAS: Refrigeração e congelação; Aquecimento; Fornos; Electrónica de uso doméstico; Iluminação.