01 Introdução à Eletrônica de Potência

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA: 
CONCEITOS IMPORTANTES 
FERNANDO LESSA TOFOLI, DR. ENG. 
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PARTE 1: 
INTRODUÇÃO À ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 
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INTRODUÇÃO GERAL DEFINIÇÕES 
Eletrônica de Potência: ciência que se dedica a processar e controlar o 
fluxo de energia elétrica por meio do uso dos conversores estáticos de 
potência. 
Eletrônica de Potência é a tecnologia associada com conversão 
eficiente, controle e condicionamento de potência elétrica através de 
interruptores estáticos a partir de uma fonte disponível na entrada para 
uma saída desejada. 
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INTRODUÇÃO GERAL 
Eletrônica 
de Potência 
Máquinas Elétricas e Acionamentos 
Qualidade da Energia Elétrica 
Sistemas de Controle 
Sistemas de Potência 
Física de Semicondutores 
Eletrônica Analógica e Digital 
A eletrônica de potência é uma área de atuação interdisciplinar. Para 
projetar com propriedade um conversor estático, deve-se possuir um 
conhecimento adequado de várias subáreas do conhecimento da 
Engenharia Elétrica. 
DEFINIÇÕES 
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INTRODUÇÃO GERAL IMPORTÂNCIA DA ELETRÔNICA 
 DE POTÊNCIA 
“A eletrônica de potência desenvolve atualmente um impacto relevante em 
nossa sociedade, o qual, em minha opinião, é tão grande quanto (senão 
maior) que aquele da tecnologia da informação. Em essência, a roda da 
civilização industrial é movida pela eletrônica de potência. A produtividade e 
qualidade da produção das indústrias modernas dependem da eletrônica de 
potência, que possibilita a existência de sistemas energéticos ultraeficientes, 
que são tão vitais para nossas indústrias. O problema do aquecimento global 
que ameaça a civilização humana pode ser solucionado ou mitigado com a 
ajuda da eletrônica de potência. A maior parte das fontes de energias limpas e 
renováveis, que têm sido intensamente exploradas, dependem unicamente da 
eletrônica de potência para seu aproveitamento e utilização. Nossos veículos 
elétricos e híbridos são baseados na eletrônica de potência. A eficiência 
energética de aparelhos elétricos e eletrônicos, a qual tem sido enfaticamente 
destacada, é altamente dependente da eletrônica de potência. À medida em 
que o custo da energia elétrica tender a aumentar sensivelmente em um futuro 
próximo, o impacto da eletrônica de potência se tornará mais visível.” 
 (Dr. Bimal K. Bose, IEEE Industrial Electronics Magazine, Junho de 2009). 
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Interruptor Ideal 
(“Chave”) 
Dispositivos 
Semicondutores 
- Sinal 
 
- Potência 
Semicondutores 
Controlados 
- Tiristores 
- Transistores Bipolares 
- Transistores MOS 
- Transistores Híbridos 
- Diodos 
- Tiristores 
- Interruptores totalmente controlados 
SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA CLASSIFICAÇÃO 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA ESPECIFICAÇÕES TÍPICAS 
Componente 
Tensão 
(V) 
Corrente 
(A) 
Freqüência 
(kHz) 
Potência 
(kVA) 
Tiristor 10.000 5.000 2 10.000 
Transistor Bipolar 1.000 300 20 200 
MOSFET 1.000 100 50 50 
IGBT 3.000 1.000 20 3.000 
Potência  tensão Potência  freqüência 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA APLICAÇÕES TÍPICAS 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA APLICAÇÕES TÍPICAS 
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PARTE 2: 
SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA JUNÇÕES PN 
Cristal tipo N (-) Cristal tipo P (+) 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA JUNÇÕES PN 
Polarização direta Polarização reversa 
E
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA DIODOS DE POTÊNCIA 
Característica IV Formas de onda 
t1  Polarização direta 
t2  Injeção de portadores em N- 
 t3  Polarização reversa 
t4  Camada de depleção 
 t5  Não há portadores majoritários 
Dopagem leve 
Absorve a camada de depleção 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA DIODOS DE POTÊNCIA 
70A 
600V 
100A 
600V 
US$90 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM DIODO 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM DIODO 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA TRANSISTOR BIPOLAR 
Região de arrasto 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA TRANSISTOR BIPOLAR 
300A 
600V 
US$187 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM BJT 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM BJT 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA TIRISTOR 
Característica IV Formas de onda 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA TIRISTOR 
200A 
1200V 
US$180 
1500A 
6500V 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM TIRISTOR 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM TIRISTOR 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA MOSFET 
Característica IV Acionamento 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA MOSFET 
8A 
1000V 
 
36A 
1000V 
 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM MOSFET 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM MOSFET 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA IGBT 
Característica IV 
Parâmetro de controle 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA IGBT 
1200A 
3300V 
 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM IGBT 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA FOLHA DE DADOS DE UM IGBT 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA OUTROS DISPOSITIVOS 
(+) Altos gradientes de tensão 
(+) Menor queda de tensão 
(-) Alto custo 
- Altas potências 
- Acionamento por tensão 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA OUTROS DISPOSITIVOS 
MCT (Tiristor Controlado MOS) 
- Três terminais (anodo, catodo e gatilho); 
- Baixa queda de tensão; 
- Ótima capacidade de condução de corrente; 
- Possui dimensões menores; 
- Podem ser encontrados em valores de tensão até 10 kV; 
- Suporta somente tensão positiva, ou somente tensão negativa. 
 “MOS-Controlled Thyristors -A New Class of Power Devices”, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-
33, No. 10, Oct. 1986, Victor A. K. Temple, pp. 1609-1618. 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA MECANISMO DE PERDAS 
Perdas em Diodos: 
- No diodo de potência, a região N intermediária com baixa dopagem, responsável por alargar a 
região de depleção e diminuir seu campo elétrico, permite que o diodo suporte maiores tensões 
reversas sem entrar em ruptura. 
- Por outro lado, essa região intermediária levemente dopada aumentará a característica resistiva 
do diodo quando este estiver em condução, aumentando, portanto, as perdas por condução. 
- Durante t1, a região de depleção ainda não foi anulada, portanto o diodo ainda oferece uma 
grande resistência à passagem de corrente direta o que, juntamente com as indutâncias parasitas 
do componente e das conexões, causa uma sobretensão. Simultaneamente, a corrente cresce até 
atingir o valor da corrente que deve ser suprida à carga. 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA MECANISMO DE PERDAS 
Perdas em Diodos: 
- Durante t2, com a anulação da região de depleção, a tensão cai até atingir o valor de operação 
do diodo (> 0,7 V). Estes tempos são, tipicamente, da ordem de centenas de ns e podem ser 
obtidos nos datasheets dos componentes. 
- No desligamento, continuará a circular corrente até que a região de depleção seja restabelecida, 
o que só ocorre no pico de corrente na fronteira entre t4 e t5. A queda de tensão que ocorre nos 
intervalos t3 e t4 se deve a diminuição da queda ôhmica. Em t4, a taxa de variação da corrente, 
associada às indutâncias parasitas, provoca uma sobretensão negativa. 
- O tempo de recuperação reversa trr é um parâmetro importante e determina quão rápido um 
diodo passa do estado de condução para o estado de bloqueio. 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA MECANISMODE PERDAS 
Perdas em Diodos: 
- As perdas por condução podem ser obtidas por: 
VF  queda de tensão existente no diodo durante a condução [V]; 
IF(méd.)  corrente média no diodo [A]; 
rd  resistência intrínseca do diodo [Ω]; 
IF(ef.)  corrente eficaz no diodo [A]. 
 
- As perdas por comutação dividem-se em perdas no momento em que o diodo entra em 
condução (Pturnon) e perdas no momento em que o mesmo bloqueia (Pturnoff), sendo definidas por: 
 
 
 
t1  tempo necessário para o diodo entrar em condução [s]; 
VFP  tensão máxima durante o tempo t1 [V]; 
Qrr  carga armazenada na capacitância intrínseca do diodo [C]; 
Vr  tensão reversa no diodo [V]. 
- As perdas totais em um diodo são: 
     
2
. .F dcond diodo F méd F ef
P V I r I   
    1
1
2
FP F F sturnon diodo
P V V I t f       rr r sturnoff diodoP Q V f  
     comut diodo turnon diodo turnoff diodoP P P 
     totais diodo cond diodo comut diodoP P P 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA MECANISMO DE PERDAS 
 As perdas por comutação são dadas por: 
   
2
( ) .DS oncond MOSFET D ef
P r I 
Entrada em Condução Bloqueio 
( )
1
2
turnon MOS CC D r sP V I t f    
VCC  tensão máxima de bloqueio do MOSFET [V]; 
ID  corrente no momento em que o MOSFET está conduzindo [A]; 
tr  tempo necessário para o MOSFET entrar em condução [s]; 
tf  tempo necessário para o MOSFET entrar em bloqueio [s]. 
( )
1
2
turnoff MOS CC D f sP V I t f    
Perdas em Transistores MOSFET: 
- As perdas por condução podem ser obtidas por: 
rDS(on)  resistência de condução do MOSFET []; 
ID(ef.)  corrente de dreno eficaz no MOSFET [A]. 
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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA MECANISMO DE PERDAS 
Perdas em Transistores MOSFET: 
- As perdas totais em um MOSFET podem ser obtidas por: 
  ( ) ( )turnon MOS turnoff MOScomut MOSP P P 
     totais MOS cond MOS comut MOSP P P 
Exemplo: Conversor Boost CC-CC 
- O rendimento do conversor é dado por: 
100 100o i totais
i i
P P P
P P
        totais totais diodo totais MOSP P P 