aula 03 - perdas nas chaves semicondutoras

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

Prof. Luiz Antonio de Souza Ribeiro

IEE – Instituto de Energia Elétrica

NEA – Laboratório de Energias Alternativas

São Luís - 2012

Características Desejadas nas Chaves Controladas de Potência

Bloquear altas tensões diretas e reversas;

Conduzir altas correntes com queda de tensão zero quando ligadas;

Liga e desligar instantaneamente quando disparados;

Não consumir potência do circuito de disparo de controle.

Energia Dissipada

+ -

+

- vT

iT

Io

Energia Dissipada

+ -

Sinal de controle de chaveamento

Tensão na chave Corrente na chave

Potência na chave

&

Energia Dissipada

+ -

On

Off

On

Off

Energia Dissipada

+ -

Io

Vd

VdIo

On

Off

On

Off

Energia Dissipada

+ -

td(on)

Tempo de atraso de disparo

Energia Dissipada

+ -

tri Tempo de subida da corrente

Energia Dissipada

+ -

tfv Tempo de queda da tensão

Energia Dissipada

+ -

WC(on)=0,5Vd Io tC(on)

Potência dissipada na transição para o estado ligado

Energia Dissipada

+ -

ton

Won = Von Io ton

Von

Potência dissipada de condução

Energia Dissipada

+ -

td(off)

Tempo de atraso de desligamento

Energia Dissipada

+ -

trv Tempo de subida da tensão

Energia Dissipada

+ -

tfi Tempo de queda da corrente

Energia Dissipada

+ -

WC(off)=0,5Vd Io tC(off)

Potência dissipada na transição para o estado desligado

Energia Dissipada

+ -

Off Off

On On

Vd Vd

Von

Io

WC(on) WC(off)

Won

Potência Média no Chaveamento

Esse resultado mostra que a perda de potência no chaveamento varia linearmente com a frequência de chaveamento e com os tempos de chaveamento do dispositivo.

( ) ( )

1

2S d o S C on C offP V I f t t

Potência Média na Condução

onon on o

S

tP V I

T

Essa equação mostra que a queda de tensão direta na chave deve ser a menor possível.

Perda de Potência Total

T S onP P P

Considerações: 1. Pequena corrente de fuga no estado desligado; 2. Pequena queda de tensão direta; 3. Curtos intervalos de tempo de chaveamento; 4. Bloqueio de altas tensões diretas e reversas; 5. Condução de altas correntes diretas; 6. Baixo consumo do circuito de controle; 7. Suportar altos dv/dt e di/dt durante chaveamento;

Controle de Temperatura das Chaves

O limite superior teórico na temperatura de um dispositivo semicondutor é chamado de temperatura intrínseca (Ti)

Os fabricantes de semicondutores de potência garantem os valores máximos dos parâmetros dos dispositivos na temperatura máxima especificada, que pode variar com o tipo de dispositivo, mas que geralmente está em 125°C;

A escolha do dissipador de calor (menor e mais econômico) faz parte do projeto dos sistemas de eletrônica de potência.

Transferência de Calor por Condução

T2 = a temperatura mais alta em (°C); T1 = a temperatura mais baixa em (°C); A = a área da secção transversal em (m2); d = o comprimento em (m); = o coeficiente de condutividade térmica.

Lei de Fourier para Transferência de Calor por Condução

2 1

cond

A T TP

d

O coeficiente de condutividade térmica é elevado para os bons condutores e baixo para os isolantes térmicos. Para o alumínio com 90% de pureza, geralmente utilizado na fabricação de dissipadores de calor, a condutividade térmica é 220 W/(m°C).

Resistência Térmica de Condução

A resistência térmica de condução em [°C/W] é definida por:

cond

cond

TR

P

Assim:

cond

dR

A

Resistência Térmica de Condução

Nos dispositivos semicondutores, o fluxo de calor deve atravessar materiais diferentes, com diferentes coeficientes de condutividade térmica, áreas e espessuras.

Rθjc → resistência térmica

junção – cápsula

Rθcs → resistência térmica

cápsula – dissipador

Rθsa → resistência térmica

dissipador – ambiente

Rθja → resistência térmica

junção – ambiente

Resistência Térmica de Condução

A resistência térmica total da junção para o ambiente é dada por:

A temperatura resultante da junção, assumindo uma dissipação de potência Pd é:

ja jc cs saR R R R

j d ja aT P R T

Rjc x Ângulo de Condução

ITAV x PTAV

PTAV x Ta

Impedância Térmica Transitória

( ) ( ) ( )j aT t P t Z t T

Se a potência de entrada estiver em função do tempo, deverão ser utilizados os gráficos da impedância térmica transitória fornecida pelo fabricante.

A temperatura transitória da junção, assumindo uma dissipação de potência P(t) é dada por:

Impedância Térmica Transitória

Seja um diodo no qual não circula corrente para t < to. A sua temperatura na junção é igual à temperatura ambiente Ta

No instante to o diodo começa a dissipar uma potência constante Pd . A capacidade térmica do dispositivo impede que a sua temperatura cresça abruptamente. Ela cresce exponencialmente como está representado abaixo.

Impedância Térmica Transitória

A diferença instantânea de temperatura é dada pela expressão: ΔT

= Zt Pd ; Zt é a impedância térmica (variável no tempo)

Circuito térmico equivalente, incluindo a capacidade térmica.

∆𝑇

𝑃𝑑 = 𝑅𝜃 1 − 𝑒−𝑡/𝜏 = 𝑍𝑡

𝒁𝒕 impedância térmica transitória

𝑅𝜃 resistência térmica

𝜏 = 𝑅𝜃𝐶 capacidade térmica

Impedância Térmica Transitória

Dissipadores de Calor

Dissipadores de Calor

Manter a temperatura da junção dos dispositivos de potência dentro dos limites aceitáveis é uma responsabilidade conjunta do fabricante do dispositivo e do usuário do dispositivo.

A resistência térmica junção-ambiente máxima permitida pode ser estimada por:

max maxj a

ja

loss

T TR

P

Dissipadores de Calor

Transferência de Calor por Radiação O calor que sentimos ao aproximar a mão de uma lâmpada incandescente é essencialmente um resultado de radiação infravermelha emitida pelo filamento incandescente e absorvida pela mão. Todos os objetos emitem radiação eletromagnética (chamada de radiação térmica) por causa de sua temperatura.

Lei de Stefan-Boltzmann para Transferência de Calor por Radiação

A transferência de calor por radiação é dada pela Lei de Stefan-Boltzman, ou seja:

Prad = a potência radiada em (W); E = a emissividade da superfície (W/m2K4); A = a temperatura da superfície em (K); Ta = a temperatura do ambiente em (K); Ts = a área da superfície externa. Para o dissipador de calor, inclui as aletas, em (m2).

8 4 45,7.10rad s aP EA T T

Transferência de Calor por Convecção

Descreve a transferência de calor que ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento (o vento, por exemplo).

Lei do Resfriamento de Newton para Transferência de Calor por Convecção A transferência de calor por convecção é dada pela Lei do Resfriamento de Newton, ou seja:

Pconv = a potência perdida por convecção em (W); A = a área da superfície vertical (ou área da superfície total do corpo) em (m2); T = a diferença de temperatura entre a superfície

do corpo e o ar do ambiente em (°C ou K); dvert = a altura do corpo em (m).

1,25

0,251,34conv

vert

TP A

d

Resistência Térmica de Radiação

Resistência Térmica de Convecção

4 4

5,7100 100

rad

s a

TR

T TEA

141

1,34

vertconv

dR

A T

Resistência Térmica do Dissipador (Rsa)

rad convsa

rad conv

R RR

R R

Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor

Exercício: Estimar a resistência térmica do dissipador Rsa para uma temperatura ambiente de 20°C.

Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor

1º Passo: Obter as dimensões.

Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor

2º Passo: Calcular a área efetiva de radiação.

Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor

2º Passo: Calcular a área efetiva de radiação.

Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor

3º Passo: Calcular a área exposta para convecção.

Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor

4º Passo: Calcular as resistências térmicas de radiação e convecção usando o fator de redução.

Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor

5º Passo: Calcular a resistência térmica do dissipador.

rad convsa

rad conv

R RR

R R

5,08*1,771,31

5,08 1,77saR

Análise pela Aproximação Cúbica

Volume do Dissipador em (cm3) 435

O lado equivalente do cubo em (cm) 7.577

A altura para convecção dvert em (m) 0.076

A área efetiva: A = 6*(dvert)2 em (m2) 0.035

Resistência térmica de radiação em (°C/W) 3.38

Resistência térmica de convecção em (°C/W) 3.54

Resistência térmica do dissipador em (°C/W) 1.73