Por que existe a Eletrônica de Potência?

A eletrônica de potência está presente em praticamente todo sistema moderno que precisa transformar, controlar ou direcionar energia elétrica.

Ela está dentro do carregador do celular, da fonte do computador, do inversor solar, do controlador de um motor elétrico, do carregador de um veículo elétrico, de uma fonte industrial, de um amplificador classe D e de milhares de outros equipamentos.

Mas existe uma pergunta mais importante do que simplesmente definir a área:

Por que precisamos de eletrônica de potência?

A resposta está diretamente relacionada a quatro conceitos fundamentais:

• energia;
• potência;
• perdas;
• eficiência.

Nesta aula construiremos esses conceitos desde a base e veremos por que, em sistemas de potência, controlar energia por chaveamento costuma ser muito mais eficiente do que controlar energia por dissipação.

Ao final, você deverá compreender por que uma chave eletrônica ideal pode controlar grandes quantidades de energia praticamente sem dissipá-la — e por que dispositivos reais, como MOSFETs, são projetados para se aproximarem desse comportamento.

1. A pergunta que orientará todo o curso

Imagine que temos uma fonte de alimentação e uma carga.

A fonte possui uma determinada tensão e é capaz de fornecer determinada corrente. A carga, porém, pode exigir condições completamente diferentes.

Por exemplo:

• a fonte fornece 24 V e a carga precisa de 12 V;
• a bateria fornece tensão DC, mas o motor precisa de AC trifásico;
• a rede fornece 60 Hz, mas queremos controlar a rotação de um motor;
• um painel solar produz uma tensão variável, mas precisamos carregar uma bateria;
• um processador precisa de 1 V e dezenas de amperes, embora a placa seja alimentada por 12 V.

A função da eletrônica de potência é resolver esse problema.

Podemos representar a ideia da seguinte forma:

flowchart LR; A["Fonte de energia"] --> B["Conversor eletrônico"]; B --> C["Energia elétrica adaptada"]; C --> D["Carga"]; B -->|Perdas| E["Calor, ruído e outras perdas"];

O conversor não cria energia.

Ele apenas modifica características como:

• tensão;
• corrente;
• polaridade;
• frequência;
• forma de onda;
• isolamento elétrico;
• direção do fluxo de potência.

Portanto, uma maneira bastante útil de definir a área é:

Eletrônica de potência é a engenharia do processamento eficiente da energia elétrica por meio de dispositivos eletrônicos.

2. Energia e potência não são a mesma coisa

Antes de estudar MOSFET, PWM, indutores ou conversores, precisamos separar dois conceitos que frequentemente são confundidos.

Energia

Energia representa a quantidade total de trabalho que pode ser realizado ou transferido.

Sua unidade no Sistema Internacional é o joule (J).

Potência

Potência indica quão rapidamente a energia está sendo transferida.

Sua unidade é o watt:

Isso significa que um equipamento de 100 W transfere ou converte energia a uma taxa de 100 joules por segundo.

Uma analogia simples é pensar em água:

• energia seria semelhante à quantidade total de água movimentada;
• potência seria semelhante à vazão, isto é, à quantidade de água movimentada por segundo.

Essa analogia é limitada, mas ajuda a criar intuição.

3. De onde vem a equação (p(t)=v(t)i(t))?

Essa é uma das equações mais importantes de todo o curso.

Não queremos apenas decorá-la. Vamos entender de onde ela vem.

A tensão elétrica pode ser interpretada como energia por unidade de carga:

A corrente elétrica representa a velocidade com que a carga se desloca:

A potência instantânea é a velocidade de transferência de energia:

Aplicando a regra da cadeia:

Substituindo as definições de tensão e corrente:

Essa equação significa que, em qualquer instante, a potência elétrica está relacionada ao produto entre a tensão presente no componente e a corrente que o atravessa.

4. O significado físico da potência

Considere um resistor submetido a 12 V e conduzindo 1 A.

A potência será:

Isso significa que o resistor está convertendo energia elétrica em calor à taxa de 12 joules por segundo.

Se ele permanecer ligado durante 10 segundos:

Portanto:

potência nos informa a rapidez da transferência de energia; energia nos informa a quantidade total transferida.

5. Por que reduzir tensão com um resistor pode ser um problema?

Vamos estudar um exemplo simples.

Temos:

• fonte: 12 V;
• carga desejada: 6 V;
• corrente da carga: 0,5 A.

A potência útil exigida pela carga é:

Uma solução aparentemente simples seria colocar um resistor em série para “absorver” os 6 V excedentes.

O circuito é:

A resistência equivalente é:

A corrente será:

A carga recebe:

Até aqui parece perfeito.

Porém, observe a potência dissipada no resistor série:

A carga recebe 3 W, mas o resistor também transforma 3 W em calor.

A fonte fornece:

Logo, a eficiência é:

Ou seja:

para cada 1 joule útil entregue à carga, outro 1 joule é desperdiçado no resistor.

6. O problema aumenta rapidamente com a potência

No exemplo anterior, perdemos apenas 3 W.

Mas agora imagine um sistema de 3 kW.

Se ele também possuísse eficiência de apenas 50%, precisaríamos retirar da fonte:

para entregar:

Os outros 3 kW seriam convertidos em calor:

Isso exigiria:

• dissipadores maiores;
• ventilação;
• materiais capazes de suportar alta temperatura;
• maior consumo da fonte;
• maior volume físico;
• maior custo;
• maior esforço térmico sobre componentes.

É exatamente por esse motivo que eficiência é uma das preocupações centrais da eletrônica de potência.

7. Então qual é a alternativa?

A ideia fundamental é evitar manter simultaneamente:

• uma grande tensão sobre o elemento de controle;
• uma grande corrente através dele.

É aqui que surge a chave eletrônica.

Uma chave ideal possui dois estados.

Estado ON

Quando a chave está fechada:

• a corrente pode circular;
• a tensão sobre a chave ideal é zero.

Portanto:

e:

Estado OFF

Quando a chave está aberta:

• existe tensão sobre ela;
• a corrente é zero.

Portanto:

e:

Assim:

nos dois estados estáticos.

Esse é o princípio que torna os conversores chaveados tão eficientes.

8. Visualizando o conceito da chave ideal

Considere o circuito:

Quando a chave fecha:

A carga recebe:

Mas a chave ideal recebe:

Quando a chave abre:

e:

Portanto, a chave controla a transferência de energia sem precisar dissipar continuamente a energia excedente.

9. Como controlar a potência com ON e OFF?

A solução é alternar rapidamente a chave entre os dois estados.

Essa técnica é a base do PWM — Pulse Width Modulation, ou modulação por largura de pulso.

Considere:

• tensão da fonte: 12 V;
• frequência de chaveamento: 1 kHz;
• duty cycle: 25%.

A frequência é:

O período vale:

Com duty cycle de 25%:

O tempo ligado é:

O tempo desligado é:

Podemos visualizar:

flowchart LR; A["Início do período"] --> B["ON por 250 us"]; B --> C["OFF por 750 us"]; C --> D["Próximo período"]; D --> B;

O gráfico abaixo mostra a forma de onda de 12 V com frequência de 1 kHz e duty cycle de 25%:

10. Valor médio não é valor RMS

Esse ponto é essencial.

Se aplicarmos pulsos de 0 a 12 V com duty cycle de 25%, o valor médio é:

Porém, o valor RMS é:

Portanto:

• valor médio = 3 V;
• valor RMS = 6 V;
• valor de pico = 12 V.

Esses números descrevem propriedades diferentes da mesma forma de onda.

Para uma carga resistiva, o aquecimento depende do valor RMS.

A potência média será:

Observe algo importante:

um PWM de 0 a 12 V com 25% de duty cycle possui 3 V de valor médio, mas produz em um resistor de 12 Ω o mesmo aquecimento de uma tensão DC de 6 V.

Também podemos visualizar como o valor médio e o valor RMS evoluem à medida que o duty cycle aumenta:

Essa diferença entre média, RMS e pico será aprofundada na Aula 002.

11. A chave não cria uma tensão DC intermediária sozinha

Um erro comum é imaginar que uma chave PWM funcionando a 25% “transforma 12 V em 3 V”.

Isso não é rigorosamente correto.

Na saída da chave encontramos uma forma de onda que alterna entre:

e:

O valor médio pode ser 3 V, mas a saída não é uma fonte DC de 3 V.

Para transformar essa energia pulsada em uma tensão DC relativamente contínua, utilizamos elementos que armazenam energia:

• indutores;
• capacitores;
• transformadores, quando necessário.

Uma topologia típica será:

flowchart LR; A["Fonte DC"] --> B["Chave eletrônica"]; B --> C["Energia pulsada"]; C --> D["Indutor e capacitor"]; D --> E["Saída filtrada"]; E --> F["Carga"];

Essa é a ideia que conduz diretamente aos conversores buck, boost, buck-boost, flyback, forward e diversas outras topologias.

12. Por que usamos indutores e capacitores?

Resistores dissipam energia.

Indutores e capacitores, no modelo ideal, armazenam energia temporariamente e podem devolvê-la ao circuito.

A energia armazenada em um capacitor é:

A energia armazenada em um indutor é:

Essa capacidade de armazenar e devolver energia permite que o conversor reorganize a energia pulsada gerada pela chave.

Em um conversor buck, por exemplo:

1. a chave conecta a fonte ao indutor;
2. a corrente do indutor cresce;
3. energia é armazenada no campo magnético;
4. a chave abre;
5. o indutor continua fornecendo corrente;
6. o capacitor ajuda a manter a tensão da carga;
7. o ciclo se repete milhares ou milhões de vezes por segundo.

Esse comportamento será estudado em profundidade mais adiante no curso.

13. O conversor real ainda possui perdas

Até agora estudamos uma chave ideal.

Um MOSFET real, contudo, não é perfeito.

Durante condução

Quando está ligado, o MOSFET apresenta resistência:

Uma aproximação da perda de condução é:

Durante a comutação

A transição entre ON e OFF não é instantânea.

Durante alguns nanossegundos ou microssegundos, podemos ter simultaneamente:

• tensão significativa;
• corrente significativa.

Nesse intervalo:

é diferente de zero.

A energia perdida em uma transição pode ser representada por:

Se a chave comuta (f_s) vezes por segundo:

Por isso existe um compromisso de projeto:

• chavear mais rápido permite componentes magnéticos menores;
• porém, geralmente aumenta perdas de comutação e EMI.

14. Outras perdas existentes

Um conversor real pode perder energia em:

• MOSFETs;
• diodos;
• resistência de trilhas;
• resistência de cabos;
• ESR dos capacitores;
• resistência do enrolamento de indutores e transformadores;
• perdas no núcleo magnético;
• acionamento de gate;
• snubbers;
• circuitos auxiliares;
• controle e sensores.

Em regime permanente:

Logo:

A eficiência é:

ou, em porcentagem:

15. Um teste físico muito importante: eficiência nunca pode ultrapassar 100%

Considere um conversor medido com:

• entrada: 12 V e 0,25 A;
• saída: 6 V e 0,55 A.

A potência de entrada seria:

A potência de saída seria:

A eficiência calculada seria:

Isso viola o balanço de energia para um conversor sem fonte auxiliar.

Portanto, o cálculo não demonstra um equipamento “super eficiente”. Ele demonstra que existe algum problema em:

• medição;
• sincronismo;
• escala;
• interpretação;
• instrumentação;
• definição da fronteira energética.

Esse tipo de verificação é extremamente importante em laboratório.

16. Comparação completa: resistor versus conversor chaveado

Considere novamente:

• entrada: 12 V;
• saída: 6 V;
• carga: 12 Ω;
• corrente de saída: 0,5 A.

Carga

Solução dissipativa

Conversor ideal

A corrente média de entrada seria:

Observe a transformação:

Nos dois lados temos:

O conversor não cria energia. Ele altera a relação tensão-corrente.

Conversor real com 90% de eficiência

A corrente média de entrada é:

Comparando:

O balanço de potência das três soluções pode ser visto graficamente:

A redução de perda em relação ao resistor é:

17. Eficiência também é um problema térmico

A energia perdida geralmente acaba se transformando em calor.

Um modelo térmico simplificado é:

onde:

• (T) é a temperatura estimada do componente;
• (T_a) é a temperatura ambiente;
• (P_{loss}) é a potência dissipada;
• (R_) é a resistência térmica.

Suponha:

e:

Então:

Se o ambiente estiver a 25 °C:

Esse cálculo é apenas um primeiro modelo, mas demonstra uma consequência direta:

menor perda elétrica normalmente significa menor esforço térmico.

Com o modelo térmico simplificado adotado no exemplo, a relação entre potência dissipada e elevação de temperatura é linear:

18. O que acontece quando chaveamos muito rápido?

Quando a corrente muda rapidamente, as indutâncias parasitas começam a importar.

A relação fundamental do indutor é:

Se uma trilha ou fio possui uma pequena indutância parasita (L_{par}), então uma variação rápida de corrente produz:

Mesmo uma indutância muito pequena pode gerar uma tensão considerável quando (di/dt) é elevado.

Por isso, em eletrônica de potência:

• comprimento das trilhas importa;
• área de loop importa;
• posição dos capacitores importa;
• aterramento importa;
• localização do driver importa;
• conexão do gate importa.

O layout da PCB faz parte do circuito.

19. O loop de alta corrente

No exemplo com chave e resistor, o caminho da corrente é:

flowchart LR; A["Fonte positiva"] --> B["Chave"]; B --> C["Carga"]; C --> D["Retorno"]; D --> A;

Quanto maior a área desse loop, maior tende a ser a indutância parasita.

Uma regra de projeto extremamente importante é:

corrente de alta frequência deve percorrer o menor loop possível.

Mais adiante, veremos que esse princípio é essencial em conversores buck, meia ponte, ponte H e drivers de gate.

20. Onde a eletrônica de potência aparece?

Fontes chaveadas

Um computador não utiliza diretamente os 127 V ou 220 V da tomada.

A fonte realiza várias conversões até produzir tensões como:

• 12 V;
• 5 V;
• 3,3 V;
• tensões ainda menores nos conversores locais da placa.

Veículos

Sistemas automotivos modernos utilizam:

• 12 V;
• 24 V;
• 48 V;
• centenas de volts em veículos elétricos.

Conversores são necessários para integrar esses diferentes barramentos.

Energia solar

Um painel solar produz tensão e corrente que dependem de:

• iluminação;
• temperatura;
• ponto de operação.

O sistema de potência precisa encontrar o ponto de máxima potência e depois adaptar a energia para bateria ou rede.

Motores

Inversores podem controlar:

• frequência;
• amplitude;
• fase;
• sequência das tensões.

Assim controlamos velocidade e torque.

Processadores

Um processador pode funcionar com aproximadamente 1 V e dezenas ou centenas de amperes.

Isso exige conversores extremamente eficientes e posicionados próximos à carga.

21. A arquitetura típica de um sistema de potência

Um sistema real frequentemente possui:

flowchart LR; A["Fonte"] --> B["Estágio de potência"]; B --> C["Filtro"]; C --> D["Carga"]; D --> E["Sensor"]; E --> F["Controlador"]; H["Referência"] --> F; F --> G["Driver"]; G --> B;

Observe a divisão:

Caminho de potência

Transporta energia:

• fonte;
• MOSFET;
• diodo;
• indutor;
• transformador;
• capacitor;
• carga.

Caminho de controle

Decide quando e como os semicondutores devem operar:

• controlador;
• PWM;
• buffer lógico;
• driver de gate;
• sensores;
• realimentação.

Essa separação será muito importante durante todo o curso.

22. Onde entram 74HC14, TC4424 e IRF3205?

Esses componentes formarão, mais adiante, uma cadeia didática muito útil.

Podemos visualizá-la assim:

flowchart LR; A["Microcontrolador PWM"] --> B["74HC14"]; B --> C["TC4424"]; C --> D["Gate do IRF3205"]; D --> E["Carga de potência"];

A função conceitual de cada bloco é:

74HC14

Pode ser utilizado como:

• buffer lógico;
• restaurador de borda;
• Schmitt trigger;
• elemento de isolamento lógico simples entre blocos.

TC4424

É um driver de gate.

Sua função é fornecer correntes de carga e descarga de gate muito maiores do que um GPIO normalmente consegue fornecer.

IRF3205

É um MOSFET de potência.

Sua função é controlar a corrente de uma carga de potência por meio de chaveamento.

Contudo, usar esses componentes corretamente exige compreender antes:

• tensão de gate;
• carga de gate;
• resistência de gate;
• corrente de driver;
• tempo de subida;
• tempo de descida;
• perdas de comutação;
• (R_{DS(on)});
• (V_{GS});
• (V_{DS});
• efeito Miller;
• indutâncias parasitas.

Por isso essa cadeia será construída progressivamente no curso.

23. Experimento didático seguro

Nesta primeira aula, o objetivo não é construir ainda um conversor completo com MOSFET.

O experimento será comparar:

1. redução de tensão com resistor;
2. redução de tensão com um módulo buck comercial.

Materiais

• fonte de bancada de 12 V;
• resistor de 12 Ω / 10 W;
• carga de 12 Ω / 10 W;
• módulo buck ajustável;
• multímetros;
• cabos apropriados.

Parte A — resistor série

Monte:

Meça:

• tensão de entrada;
• corrente da fonte;
• tensão da carga.

Calcule:

Você deverá encontrar um valor próximo de 50%.

Parte B — conversor buck

Ajuste o módulo para aproximadamente 6 V.

Meça:

• (V_{in});
• (I_{in});
• (V_{out});
• (I_{out}).

Então:

Compare com o método resistivo.

24. Cuidados de laboratório

Mesmo trabalhando com apenas 12 V, existem riscos de:

• curto-circuito;
• aquecimento;
• queima de instrumentos;
• danos ao módulo.

Algumas regras:

1. faça conexões com a fonte desligada;
2. utilize limite de corrente;
3. confirme a polaridade do módulo;
4. confira a posição das pontas do multímetro;
5. nunca coloque o multímetro em modo corrente diretamente em paralelo com a fonte;
6. mantenha resistores de potência longe de materiais inflamáveis;
7. aguarde o resfriamento antes de tocar nos resistores.

Uma fonte de baixa tensão pode parecer inofensiva, mas correntes elevadas ainda são capazes de aquecer cabos e componentes rapidamente.

25. Medindo corretamente com o osciloscópio

Em muitos osciloscópios de bancada, o terminal de terra da ponta está conectado ao terra de proteção da rede elétrica.

Por isso:

nunca conecte o ground clip indiscriminadamente a um nó flutuante ou a um nó high-side.

Em um circuito DC isolado de baixa tensão, o ground clip pode normalmente ser conectado ao GND do circuito.

Mais adiante, em meias pontes e pontes H, utilizaremos:

• sondas diferenciais;
• sondas de corrente;
• técnicas de medição apropriadas para nós flutuantes.

Medição faz parte do projeto.

26. Simulação SPICE sugerida

O exemplo abaixo pode ser adaptado para LTspice ou ngspice.

* Aula 001 — redução resistiva e chaveamento ideal aproximado
V1 in 0 12
* Redução dissipativa
Rseries in out_linear 12
Rload_linear out_linear 0 12
* Chaveamento
Vpwm ctrl 0 PULSE(0 5 0 10n 10n 250u 1m)
S1 in out_pwm ctrl 0 SW_IDEAL
Rload_pwm out_pwm 0 12
.model SW_IDEAL SW(Ron=10m Roff=1Meg Vt=2.5 Vh=0.1)
.tran 0 5m 0 1u
.meas tran VLINEAR AVG V(out_linear) FROM=1m TO=5m
.meas tran VPWM_AVG AVG V(out_pwm) FROM=1m TO=5m
.meas tran VPWM_RMS RMS V(out_pwm) FROM=1m TO=5m
.end

O que observar:

• V(out_linear) próximo de 6 V;
• V(out_pwm) alternando entre 0 e aproximadamente 12 V;
• valor médio próximo de 3 V;
• valor RMS próximo de 6 V.

Essa simulação ajuda a consolidar uma das ideias mais importantes desta aula:

uma forma de onda pode possuir valores médio, RMS e pico completamente diferentes.

27. O que pode dar errado?

28. Exercícios

1. Energia

Uma carga opera com:

• 24 V;
• 2 A;
• durante 5 minutos.

Calcule a potência.

Depois determine a energia em joules e Wh.

2. Eficiência

Um conversor absorve:

e entrega:

Determine:

• perda;
• eficiência.

3. PWM

Uma chave aplica pulsos de 0 a 12 V sobre um resistor de 12 Ω.

Duty cycle:

Determine:

• corrente de pico;
• corrente média;
• corrente RMS;
• tensão média;
• tensão RMS;
• potência média.

4. Projeto comparativo

Uma carga exige:

• 12 V;
• 2 A;

e a fonte disponível é:

• 24 V.

Compare:

1. solução linear idealizada;
2. conversor chaveado com 92% de eficiência.

Determine, para cada solução:

• potência de saída;
• potência de entrada;
• perdas;
• corrente média de entrada.

29. Respostas dos exercícios

Exercício 1

Cinco minutos equivalem a:

Logo:

Em Wh:

Exercício 2

Exercício 3

Corrente de pico:

Corrente média:

Corrente RMS:

Tensão média:

Tensão RMS:

Potência:

Exercício 4

Potência útil:

Solução linear

Conversor chaveado a 92%

A redução das perdas é:

30. O que você deve ter aprendido

Ao concluir esta aula, você deve ser capaz de responder às seguintes perguntas.

Por que existe eletrônica de potência?

Porque quase nunca a energia elétrica disponível possui exatamente as características exigidas pela carga.

Por que eficiência importa?

Porque toda potência não entregue à carga precisa aparecer em outra forma, normalmente calor.

Por que uma chave é mais eficiente do que um elemento linear?

Porque a chave ideal evita manter simultaneamente tensão significativa e corrente significativa sobre o dispositivo.

Por que usamos PWM?

Porque podemos controlar a quantidade média de energia transferida variando o tempo em que a chave permanece ligada.

Por que indutores e capacitores são importantes?

Porque permitem armazenar temporariamente energia e transformar uma forma de onda chaveada em tensões e correntes adequadas à carga.

Por que o circuito real ainda perde energia?

Porque MOSFETs, diodos, capacitores, indutores, transformadores, trilhas e drivers possuem imperfeições.

31. Uma ideia para guardar

Se você lembrar de apenas uma ideia desta aula, guarde esta:

Eletrônica de potência não é simplesmente alterar tensão. É controlar o fluxo de energia de forma eficiente.

O objetivo do projetista não é apenas fazer a carga funcionar.

Ele precisa fazer isso com:

• baixa perda;
• temperatura aceitável;
• boa confiabilidade;
• comportamento previsível;
• proteção;
• boa compatibilidade eletromagnética;
• custo adequado.

É por isso que MOSFETs, diodos, indutores, capacitores, transformadores, drivers e controladores precisam ser estudados como partes de um único sistema.

32. Preparação para a próxima aula

Na próxima aula estudaremos como descrever corretamente uma forma de onda elétrica.

Você aprenderá a distinguir:

• valor instantâneo;
• valor médio;
• valor RMS;
• valor de pico;
• valor pico a pico;
• frequência;
• período;
• duty cycle.

Essa distinção será indispensável para compreender corretamente:

• aquecimento;
• potência;
• corrente de MOSFET;
• corrente em indutores;
• ripple;
• medições com osciloscópio;
• medições com multímetro.

A pergunta da próxima aula será:

Se uma tensão varia continuamente no tempo, qual número realmente representa essa tensão?

Referências

1. ERICKSON, Robert W.; MAKSIMOVIĆ, Dragan. Fundamentals of Power Electronics. Conceitos introdutórios de processamento de potência, eficiência e chave ideal.
2. MOHAN, Ned; UNDELAND, Tore M.; ROBBINS, William P. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. 3rd ed. Wiley, 2003.
3. HURLEY, W. G.; WÖLFLE, W. H. Transformers and Inductors for Power Electronics: Theory, Design and Applications. Wiley, 2013.

Próxima aula

Aula 002 — Valor instantâneo, médio, RMS, pico e pico a pico em sinais elétricos.