disciplina de eletrônica de potência –et66b

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Prof. Amauri Assef

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA

CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA

Disciplina de Eletrônica de Potência – ET66B

Aula 10 – Cálculo térmico

Prof. Amauri Assef

amauriassef@utfpr.edu.br

Eletrônica de Potência – Cálculo térmico

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Problema Corrente em circulação produz calor perdas nos semicondutores

Condução: associado à potência processada pelo conversor

Comutação: associado à frequência da comutação do conversor

Calor deve ser transferido para o ambiente (dissipadores – heat sink)

Cálculo térmico é fundamental (segurança e vida média)

MTBF - Mean Time Between Failures

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Objetivo do cálculo térmico Calcular um sistema de dissipação que evite que a temperatura de

junção (TJ) ultrapasse o máximo valor permitido na pior condição de temperatura ambiente (Tamb) na pior condição de operação

Regime permanente:

Potência média evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela falta de dissipador adequado

Regime transitório:

Potência de pico evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela dificuldade de transferência de calor

Temperatura de junção ≤ TJmáxima (dado do fabricante)

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Cálculo térmico em regime permanente Circuito térmico equivalente

Tj – temperatura da junção (°C) Tc – temperatura da cápsula (°C)

Td – temperatura do dissipador (°C) Ta – temperatura ambiente (°C)

P – potência térmica, circula no componente e é transferida ao ambiente (W)

Rjc – resistência térmica junção-cápsula (°C/W)

Rcd – resistência térmica cápsula-dissipador (°C/W)

Rda – resistência térmica dissipador-ambiente (°C/W)

Rja – resistência térmica junção-ambiente (°C/W)

Rja = Rjc + Rcd + Rda

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Cálculo térmico em regime permanente

Procedimento:a) P - calculada com dados do componente e da corrente que circula

b) Tj - fornecida pelo fabricante do componente

c) Ta – valor adotado pelo projetista (máxima temperatura ambiente)

d) Com a expressão abaixo determina-se a resistência térmica total:

e) Com o valor anterior calcula-se a resistência térmica do dissipador:

PRTT jaaJ =−P

TTR aJ

ja

−=

cdjcjada RRRR −−=

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Resistências térmicas Rjc e Rcd são fornecidas pelo fabricante do componente (diodo ou tiristor)

Catálogo de dissipadores: Rda(comercial) ≤ Rda(calculado)

Dimensionamento do dissipador de calor (heat sink) Resistências térmicas negativas indicam que é impossível dissipar a

potência demandada

Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor dissipador, deve-se somar todas as potências dissipadas pelos mesmos e deixar uma margem de folga (15%)

Os dispositivos não devem ser instalados próximos à borda do dissipador, nem muito próximos entre si

Óxido de alumínio preto reduz em 25% a resistência térmica

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Regras práticas Impedir que a temperatura da junção ultrapasse o valor de 80% o

valor máximo permissível (aumenta o MTBF do dispositivo)

Ta deve ser considerado o valor de 40°C para instalação em ambiente ventilado ou valor maior para conversor instalado em ambiente enclausurado

Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, usar isolante (mica, teflon) e considerar a sua resistência térmica

Recomenda-se usar pasta térmica para evitar bolhas de ar entre o dispositivo e o dissipador

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Exemplo

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Curvas para cálculo térmico de diodos

(a) Potência dissipada PFAV em função da corrente direta média Imed(IFAV)

(b) Temp. da cápsula TC em função da temp. ambiente Ta para diferentes resistências térmicas

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Relação de dissipadores Semikron (Rca = Rcd + Rda)

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Exemplos de cálculo térmico Retificador meia-onda a diodo

Calcular Rda para manter Tj < Tjmáxima , dados:

0420

10

60

2202

/SKND

R

Hzf

)t(sen.)t(v

=Ω=

== ωω

CT;mr;V,V

)T(CT;W/CR;W/CR

aT)TO(

vjjcdjc

°=Ω==

°=°=°=

5011850

18012

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Corrente no diodo

Potência média dissipada

A,.,

R

V,

R

VII Lmed

LmedDmed 9910

220450450 0 =====

A,.,

R

V,II LefDef 5515

10

22070707070 0 ====

W,),.(m,.,IriVP DefTDmed)TO( 071155151199850 22 =+=+=

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A potência também pode ser determinada utilizando o ábaco do fabricante Forma de onda – senóide de 180°

Imed = 9,9A

WP 11≅

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Cálculo do dissipador – Rda

( )12

11

50180 −−−=−−∆=

++=∆

cdjcda

dacdjc

RRP

TR

RRRPT

W/C,Rda °≤ 88

W/C,,RRR cddaca °=+=+= 89188

1°C/W 8,8°C/W2°C/W

Para comparar com a tabela da Semikron

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Para o cálculo do dissipador também pode ser determinada utilizando o ábaco do fabricante Ta = 50°C

P ≈ 11W

É recomendado o

dissipador K5-M6

W/CRRR

RRR:Assim

W/CR

cdcada

dacdca

ca

°≅−=+=

°≅

9

10

W/C,Rca °= 75

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Temperaturas resultantes para o dissipador escolhido

Verificação: Tj < Tjmáxima

( ) ( ) C,.,TP.RRT adacdc °=++=++= 71125011741

1,0°C/W 4,7°C/W2,0°C/W

11W 50°C

PRTT jaaJ =−

( ) C,.,TPRT ajaJ °=+++=+= 713450117412

W/C,.,TP.RT adad °=+=+= 7101501174