Introdução à Eletrônica de Potência — Utilizando Chaves Semicondutoras para Transformar Tensão, Corrente e Frequência

A eletrônica de potência cuida de todas essas operações: converter a corrente alternada (CA) de uma tomada em corrente contínua (CC) de uma bateria, converter essa CC da bateria de volta em CA trifásica para um motor, ajustar a tensão de um painel solar à da rede elétrica. Em vez de dissipar a tensão transformando-a em calor por meio de um resistor, ela aciona semicondutores como MOSFETs e IGBTs em alta velocidade, armazenando temporariamente energia em indutores e capacitores para sintetizar a forma de onda necessária.

Exemplo de motor BLDC

Exemplo de malha de controle

Imagens: Outrunner (1sfoerster, CC BY-SA 3.0) / PID diagrama de blocos do controlador (Arturo Urquizo, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Exemplos representativos de motores e controladores.

0. Resumo de 30 segundos

• Um semicondutor de potência não é um "componente que amplifica a potência" — é uma chave eletrônica que escolhe, em alta velocidade, se a corrente flui ou é bloqueada.

• Se D é a fração de um período de comutação em que T_s é gasto, um conversor Buck ideal fornece V_o=D V_{in}. Em um dispositivo real, a perda por condução, a perda por comutação e as perdas em componentes magnéticos são importantes.

• Um inversor divide a corrente contínua em pequenos segmentos com PWM, sintetizando uma onda senoidal como média. Em um motor, a tensão, a frequência e a fase são variadas para controlar o torque e a velocidade.

• SiC e GaN são materiais que podem atingir alta tolerância à tensão, comutação em alta velocidade e operação em alta temperatura, mas o acionamento do gate, a indutância parasita, a EMI e o custo dificultam o projeto. Um conversor de potência não é um produto acabado apenas pela eficiência — resistência térmica, isolamento, proteção contra curto-circuito, software de controle, padrões da rede elétrica e facilidade de manutenção também precisam ser considerados.

1. Construindo um "Valor Médio" por meio de Comutação

Coloque uma chave S em série com uma fonte CC V_{in} e ligue-a por DT_s de cada período T_s. Se a carga tiver um indutor suficientemente grande, a tensão média vista pela carga será

Embora a própria chave sempre forneça 0 V ou V_{in}, a corrente do indutor suaviza as transições e a tensão do capacitor mantém o valor médio. Essa é a intuição fundamental por trás da eletrônica de potência.

Diagrama: Duskcoil. A forma de onda retangular da chave é suavizada por L e C, fornecendo uma tensão média à carga. Aumentar a frequência de comutação permite que os componentes passivos diminuam, mas aumenta as perdas e a EMI.

2. Escolhendo entre topologias representativas

Buck, Boost, Buck-Boost

Buck (redutor) é usado para construir, por exemplo, uma linha de 12 V a partir de uma bateria; Boost (elevador) eleva a baixa tensão de uma célula solar ou célula de combustível para um link CC alto; Buck-Boost converte para qualquer um dos acima ou abaixo da tensão de entrada. No modo de condução contínua ideal, as relações são:

À medida que o ciclo de trabalho D se aproxima de 1, a tensão Boost ideal tende ao infinito, mas em um dispositivo real, a tensão nominal de chaveamento, a recuperação reversa do diodo, a saturação do indutor e a instabilidade de controle impõem limites bem antes disso. Em alta tensão e alta potência, em vez de uma simples conversão de estágio único, topologias como intercalação, LLC isolado ou DAB (Ponte Ativa Dupla) são escolhidas.

Retificadores e correção do fator de potência

Ao retificar CA com uma ponte de diodos, uma fonte de alimentação com entrada capacitiva consome um grande pulso de corrente próximo ao pico da forma de onda da tensão. Um fator de potência baixo aumenta a corrente que o equipamento de distribuição precisa suportar, portanto, um circuito PFC (correção do fator de potência) do tipo Boost é usado para moldar a corrente de entrada mais próxima de uma onda senoidal. Fontes de alimentação de data centers, carregadores rápidos de veículos elétricos e inversores industriais utilizam esse tipo de circuito. É necessário atender simultaneamente às regulamentações de eficiência e harmônicos.

Inversores e motores trifásicos

Um inversor trifásico de dois níveis aciona 6 chaves (superior e inferior) em um padrão complementar, sintetizando uma tensão trifásica a partir da tensão do barramento CC. Ligar as chaves superior e inferior simultaneamente causaria um curto-circuito no barramento CC, portanto, um tempo morto de algumas centenas de nanossegundos a alguns microssegundos é inserido. Esquemas de modulação representativos incluem PWM senoidal, que compara uma onda senoidal de referência com uma portadora triangular para construir a tensão média, e PWM vetorial espacial (SVPWM), que injeta um componente de sequência zero nas três fases para aumentar a utilização da tensão CC.

Em um motor síncrono de ímã permanente, a corrente do eixo q, perpendicular ao fluxo do rotor, produz torque. Uma equação de torque simplificada é

onde p é o número de pares de polos, \psi_f o fluxo do ímã permanente e i_q a corrente do eixo q. O circuito de corrente é controlado a alguns kHz e o ângulo do rotor é obtido por meio de um sensor de posição ou por estimativa sem sensor. Em um veículo elétrico, o mesmo inversor alterna entre alto torque em baixa velocidade, enfraquecimento de campo em alta velocidade e frenagem regenerativa.

3. Escolhendo entre Si, SiC e GaN

Os MOSFETs/IGBTs de silício são maduros e oferecem excelente custo-benefício e confiabilidade. Os MOSFETs de SiC são adequados para alta tolerância à tensão, baixa perda e operação em alta temperatura, sendo cada vez mais adotados em inversores de acionamento principal de veículos elétricos, unidades PCS para sistemas solares e de armazenamento, e fontes de alimentação auxiliares ferroviárias. Os HEMTs de GaN se destacam em comutação de alta velocidade e baixa carga de porta, sendo ideais para áreas onde alta frequência e tamanho reduzido são vantajosos. Adaptadores CA de classe de 100 volts, fontes de alimentação para servidores, transferência de energia sem fio.

As perdas de comutação são amplamente divididas em dois tipos.

R_{on} é a resistência de condução, t_{on/off} o tempo de transição e f_s a frequência de comutação. Aumentar a frequência reduz os componentes magnéticos, mas as perdas de comutação, as perdas de acionamento do gate e a EMI aumentam. Como a indutância parasita da fiação dos dispositivos SiC/GaN se transforma em sobretensão mais facilmente quanto mais rápido eles comutam, o projeto deve levar em consideração a embalagem, o layout, a resistência do gate e os circuitos de proteção, tudo em conjunto.

4. Projeto Térmico, Isolamento e Proteção Determinam o Produto

Com temperatura de junção T_j , temperatura da carcaça T_c e resistência térmica R_{th,jc} , o A aproximação de estado estacionário é

Incluindo a placa fria, a pasta térmica, o dissipador de calor e a vazão do fluido refrigerante, T_j deve ser mantido abaixo de seu valor nominal no pior caso. Em um inversor de veículo elétrico, a temperatura de entrada do fluido refrigerante, sobrecargas de curto prazo, calor da regeneração e até mesmo água salgada e vibração afetam a vida útil.

Em uma bateria de alta tensão, distâncias de fuga e isolamento, monitoramento de isolamento, pré-carga, fusíveis, contatores e um resistor de descarga são combinados. A proteção contra curto-circuito não é simplesmente "quanto mais rápido, melhor" — ela requer coordenação de tempo que evite a interrupção da operação por um falso alarme, enquanto ainda corta a energia de forma confiável antes que o semicondutor seja destruído. Watchdogs de software de controle, detecção dupla de corrente e padrões de segurança funcional (ISO 26262, IEC 61508, etc.) também são projetados como parte do circuito.

5. Onde é Utilizado

6. Uma lente para ler as pesquisas atuais

A pesquisa não está focada apenas em "tornar as chaves mais rápidas". O progresso está acontecendo simultaneamente em A confiabilidade e a resistência a curto-circuito do gate de SiC, a resistência dinâmica de condução do GaN, os caminhos térmicos em módulos de potência 3D, as perdas em alta frequência em materiais magnéticos, a compensação preditiva no controle digital e a redução de EMI para dispositivos de banda larga são alguns dos aspectos mais importantes. A pesquisa em nível de sistema também é crucial — intercalação multifásica que modulariza conversores para que a operação continue mesmo após uma falha, V2G conectando veículos à rede elétrica, distribuição CC e transferência de energia sem fio.

Ao analisar um gráfico de eficiência em um artigo, verifique não apenas o ponto de operação nominal, mas também a fração de carga, a tensão de entrada, as condições de resfriamento, a frequência de comutação e a largura de banda de medição. O mesmo valor de 99% representa 100 vezes mais calor perdido em um inversor de 1 MW do que em uma fonte de alimentação de 1 kW. Ao escolher um produto, é melhor priorizar a eficiência média ponderada em relação ao perfil de carga real, à vida útil, à facilidade de manutenção e aos resultados dos testes de EMI, em vez de considerar apenas a eficiência máxima.

7. Resumo

A eletrônica de potência decompõe a energia elétrica em "ligado/desligado do semicondutor" e "energia". O circuito integrado utiliza um conversor CC-CC para armazenar energia em componentes magnéticos, suavizar a oscilação por meio de capacitores e fornecer feedback por software de controle, e os recombina na tensão, corrente e frequência necessárias. Memorizar a equação de Buck ou PWM é apenas o ponto de partida — o desempenho final é determinado pela combinação de perdas, calor, isolamento, EMI, proteção, normas e temporização do circuito de controle.

Referências

• IEC — Normas de eletrônica de potência e segurança elétrica
• IEEE Power Electronics Society
• [Wolfspeed — Tecnologia SiC] recursos
• Infineon — Semicondutores de banda larga
• NREL — Pesquisa em eletrônica de potência