Aula 21 - A Evolução da eletrônica de estado sólido (Eletrônica de Potência)

O primeiro dispositivo de estado sólido, que marca o nascimento do campo tecnológico a que denominamos Eletrônica de Potência é o SCR  (Retificador Controlado de Silício), denominação dada pela General Electric, em 1958. Tratava-se de um dispositivo que tem o mesmo comportamento biestável da válvula thyratron. Por tal razão, a denominação que se estabeleceu para este dispositivo componente foi Tiristor.

O domínio sobre os processos de purificação do silício, aliado ao aprofundamento dos conhecimentos sobre os fenômenos da física do estado sólido e dos processos microeletrônicos permitiu, ao longo dos anos 60 e 70 o aumento na capacidade de controle de potência dos tiristores, atingindo valores na faixa de MVA.

Não houve, nesta fase, novas aplicações, mas principalmente a substituição de outros dispositivos pelos tiristores, com ganhos de rendimento e de desempenho, principalmente como retificador (conversor CA-CC) no acionamento de motores CC.

Em sistemas com alimentação CC, como em trens e trólebus, o uso dos tiristores enfrentou dificuldades, dada a incapacidade deste dispositivo ser desligado por ação do terminal de comando (gate). Foram desenvolvidas estratégias para possibilitar tal tipo de aplicação. São do início dos anos 60 os circuitos de comutação idealizados por William McMurray que permitiam o uso do tiristor em CC, bem como a obtenção de uma saída CA a partir da entrada CC. Tais inversores permitiriam a substituição de motores CA por motores de indução em aplicações de velocidade variável. A complexidade desses circuitos inversores e os problemas de confiabilidade restringiram fortemente as aplicações destes circuitos.

A primeira aplicação ferroviária de conversores eletrônicos de potência aconteceu no Japão em 1969, com o controle do enrolamento de campo (por meio de conversor CC-CC) dos motores CC de tração. No Brasil, a modernização dos transportes aconteceu a partir dos sistemas metroviários no final dos anos 70, ainda baseados em motores CC e conversores CC-CC. A primeira aplicação comercial de motor de indução em tração ferroviária ocorreu em 1982. 

As técnicas de comutação forçada de tiristores caíram em desuso nos anos 80, com o desenvolvimento do GTO (Gate Turn-Off thyristor), que permitia tanto o disparo quando o bloqueio controlado. Os GTOs dominaram até o final do século XX as aplicações de tração com alimentação CC, sejam com motores CC ou motores CA.

Outro campo que se beneficiou do desenvolvimento dos tiristores foi o sistema de transmissão de energia elétrica por meio de linhas em corrente contínua de alta tensão, envolvendo retificadores e inversores. A instalação do sistema CC para trazer energia da parte paraguaia de Itaipu (gerada em 50 Hz) até o sudeste do Brasil (onde se converte em 60 Hz) ocorreu nos anos 80. Ainda na área do sistema elétrico, surgiram dispositivos de compensação, como os reatores controlados a tiristor (RCT) ou o TCSC (Thyristor Controled Series Compensator), instalado no início deste século na interligação dos sistemas norte (Tucuruí) ao sistema sul. 

Diferentemente dos tiristores que, por seu modo de funcionamento se adequam à alimentação CA, os transistores têm sua melhor aplicação a partir de fontes CC. Ao desenvolvimento dos transistores bipolares de potência somou-se a evolução dos transistores de efeito de campo, principalmente o MOSFET (Metal-Oxide Silicon Field Effect Transistor), resultando, no final dos anos 80 no surgimento do IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Inicialmente com transistores bipolares (anos 70), passando pelos MOSFET (a partir dos anos 80) em aplicações de baixa tensão, chegando aos IGBTs nos anos 90, em uma faixa de tensão e frequência capaz de alimentar cargas na faixa de MVA, as fontes chaveadas e os inversores (conversores alimentados em CC) tiveram um enorme desenvolvimento em termos de desempenho e confiabilidade. 

O sucesso dos inversores, ao permitir o controle de velocidade dos motores de indução, a partir dos anos 90, praticamente eliminou o uso dos motores CC de escovas. É certo que ainda existem muitas aplicações com tais motores, mas os processos de troca de equipamentos sempre apresentam vantagens para o uso dos motores CA associados aos inversores.  

Outras estruturas de motores, como o motor de relutância variável, os motores de passo, os motores CC sem escovas (DC brushless) necessitam de um conversor eletrônico para seu funcionamento. Conjuga-se, deste modo o desenvolvimento dos sistemas de acionamento ao de eletrônica de potência de maneira irreversível. 

O direcionamento atual da Eletrônica de Potência tem sido em busca de processos de aproveitamento de energia mais ecologicamente adequados. Os usos de energia fotovoltaica, eólica, do hidrogênio, carecem de um processamento eletrônico para sua adequação às cargas.