epo i – aula 04 – dispositivos e dimensionamento · eletrÔnica de potÊncia i aula 04 –...

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA IELETRÔNICA DE POTÊNCIA IAula 04 Aula 04 –– Dispositivos e dimensionamentoDispositivos e dimensionamento

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINAUNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINACENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLCENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓÓGICASGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉÉTRICATRICACURSO DE ENGENHARIA ELCURSO DE ENGENHARIA ELÉÉTRICATRICA

Prof. Leandro Michels, Dr. Eng.Prof. Leandro Michels, Dr. Eng.leandromichels@gmail.comleandromichels@gmail.com

EPO I – Aula 04 – Dispositivos e dimensionamento

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Diodo idealDiodo ideal

CaracterCaracteríística eststica estááticatica

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PolarizaPolarizaçção reversa ão reversa →→ circuito abertocircuito aberto

PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ curtocurto--circuitocircuito

1

2

Circuito equivalenteCircuito equivalente

A C

A C

A C

1

2

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ik

vk

con

du

z

bloqueia

esp.

1

2

3

Diodo realDiodo real

CaracterCaracteríística eststica estááticatica

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PolarizaPolarizaçção reversa ão reversa →→ bloqueiobloqueio

PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ curtocurto--circuitocircuito

1

2

Circuito equivalenteCircuito equivalenteA C

A C1

21

2

3 Região de avalanche Região de avalanche →→ curtocurto--circuitocircuito

A C

v(TO)

rT

33 A C

vRRM

rRRM

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Diodo realDiodo real

CaracterCaracteríística dinâmicastica dinâmica

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Não controlada Não controlada →→ chave passivachave passiva

RecuperaRecuperaçção direta ão direta →→ entrada em conduentrada em conduççãoão

RecuperaRecuperaçção reversa ão reversa →→ sasaíída de conduda de conduççãoão

�� Geram problemas em Geram problemas em circuitos de comutacircuitos de comutaçção ão forforççada ada

�� Provocam substanciais Provocam substanciais perdas e perdas e sobrecorrentessobrecorrentes

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Diodo realDiodo real

PerdasPerdas

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sw cP P P= +

PPswsw →→ perdas de comutaperdas de comutaçção (W)ão (W)PPcc →→ perdas de conduperdas de conduçção (W)ão (W)P P →→ perdas totais (W)perdas totais (W)

2

( )c TO avg T rmsP v i r i= +

iiavgavg →→ corrente mcorrente méédiadiaiirmsrms →→ corrente eficazcorrente eficazrrTT →→ resistência do diodo resistência do diodo –– catcatáálogologovv(TO)(TO) →→ tensão de condutensão de conduçção ão -- catcatáálogologo

Perdas de conduPerdas de conduççãoão

Em conversores comutados pela linha, as perdas de Em conversores comutados pela linha, as perdas de comutacomutaçção podem ser desconsideradasão podem ser desconsideradas

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Tiristor idealTiristor ideal

CaracterCaracteríística eststica estááticatica

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PolarizaPolarizaçção reversa ão reversa →→ circuito abertocircuito aberto

PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ circuito aberto (sem disparo)circuito aberto (sem disparo)

1

2

Circuito equivalenteCircuito equivalente

A C

A C

1

2

A C

3

3 PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ circuito fechado (disparo)circuito fechado (disparo)

A C

G

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ik

vk

bloqueia bloqueia

con

du

z

com.esp.

esp.

1 2

3

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Tiristor realTiristor real

CaracterCaracteríística eststica estááticatica

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PolarizaPolarizaçção reversa ão reversa →→ bloqueiobloqueio

PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ bloqueiobloqueio

1

2

Circuito equivalenteCircuito equivalente

A C1

2

A C

3

3 PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ curtocurto--circuito (disparo)circuito (disparo)

A C

G

A C

v(TO)

rT

4 PolarizaPolarizaçção direta ão direta →→ curtocurto--circuitocircuito

4 A C

vRM

rRRM

4

8

Tiristor realTiristor real

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CaracterCaracteríística eststica estáática (detalhes)tica (detalhes)

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Tiristor realTiristor real

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Legenda:Legenda:

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Tiristor realTiristor real

CaracterCaracteríística dinâmicastica dinâmica

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SemiSemi--controlada controlada →→ abertura não abertura não controladacontrolada

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Tiristor realTiristor real

CaracterCaracteríística dinâmicastica dinâmica

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Tiristor realTiristor real

PerdasPerdas

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sw cP P P= +

PPswsw →→ perdas de comutaperdas de comutaçção (W)ão (W)PPcc →→ perdas de conduperdas de conduçção (W)ão (W)P P →→ perdas totais (W)perdas totais (W)

2

( )c TO avg T rmsP v i r i= +

iiavgavg →→ corrente mcorrente méédiadiaiirmsrms →→ corrente eficazcorrente eficazrrTT →→ resistência do diodo resistência do diodo –– catcatáálogologovv(TO)(TO) →→ tensão de condutensão de conduçção ão -- catcatáálogologo

Perdas de conduPerdas de conduççãoão

Em conversores comutados pela linha, as perdas de Em conversores comutados pela linha, as perdas de comutacomutaçção podem ser desconsideradasão podem ser desconsideradas

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Dimensionamento dos dispositivosDimensionamento dos dispositivos

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Tensão mTensão mááxima reversa em diodos e tiristoresxima reversa em diodos e tiristores

�� Valores recomendados (mesmo assim devem ser Valores recomendados (mesmo assim devem ser empregados empregados snubberssnubbers))

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Dimensionamento dos dispositivosDimensionamento dos dispositivos

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Corrente mCorrente mááxima reversa em diodos e tiristoresxima reversa em diodos e tiristores

�� Corrente CC Corrente CC

�� IICCmaxCCmax = 0.8*I= 0.8*IFAV

IFAV →Mean forward [on-state] current [ITAV]

�� Corrente CA Corrente CA

�� IICAmaxCAmax = 0.8*I= 0.8*IFRMS

IFRMD → RMS forward [on-state] current [ITRMS]

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CCáálculo tlculo téérmicormico

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Perdas nos semicondutores:Perdas nos semicondutores:

�� ConduConduçção ão →→ associada associada àà potência processada pelo potência processada pelo conversorconversor

�� ComutaComutaçção ão →→ associada associada àà freqfreqüüência de comutaência de comutaçção ão do conversor do conversor →→ significativa para conversores de alta significativa para conversores de alta freqfreqüüência (kHz)ência (kHz)

PropPropóósito do csito do cáálculo tlculo téérmico:rmico:

�� Calcular um sistema de dissipaCalcular um sistema de dissipaçção que evite que a ão que evite que a temperatura de juntemperatura de junçção ultrapasse o mão ultrapasse o mááximo valor ximo valor permitido na pior condipermitido na pior condiçção de temperatura ambiente ão de temperatura ambiente na pior condina pior condiçção de operaão de operaççãoão

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CCáálculo tlculo téérmicormico

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Regime permanente:Regime permanente:

�� Potência mPotência méédia dia →→ evitar que a temperatura da evitar que a temperatura da junjunçção ultrapasse o valor mão ultrapasse o valor mááximo pela falta de ximo pela falta de tamanho do dissipadortamanho do dissipador

Regime transitRegime transitóório:rio:

�� Potência de pico Potência de pico →→ evitar que a temperatura da evitar que a temperatura da junjunçção ultrapasse o valor mão ultrapasse o valor mááximo pela dificuldade de ximo pela dificuldade de transferir rapidamente o calor da juntransferir rapidamente o calor da junçção para o ão para o dissipadordissipador

Verificar as duas condiVerificar as duas condiçções:ões:

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CCáálculo tlculo téérmico rmico –– regime permanenteregime permanente

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Circuito elCircuito eléétrico equivalente:trico equivalente:

Legenda:Legenda:P P →→ potênciapotênciaT T →→ temperaturatemperaturaR R →→ resistência tresistência téérmicarmica

ÍÍndices:ndices:j j →→ junjunçção semicondutoraão semicondutorac c →→ encapsulamentoencapsulamento (case)(case)d ou s d ou s →→ dispositivo (dispositivo (devicedevice) ou dissipador () ou dissipador (sinksink))a a →→ ambienteambiente

RjaRja

Dispositivos sem dissipador disponibilizam o valor de Dispositivos sem dissipador disponibilizam o valor de RRjaja

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CCáálculo tlculo téérmico rmico –– regime permanenteregime permanente

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Projeto:Projeto:

1) Dados T1) Dados Tjj, T, Taa e P, calcular e P, calcular RRjaja

PP →→ calculado a partir da corrente que circula pelo calculado a partir da corrente que circula pelo dispositivo, empregando os dados de catdispositivo, empregando os dados de catáálogologo

TTjj →→ obtido a partir do valor mobtido a partir do valor mááximo obtido no ximo obtido no catcatáálogo do semicondutorlogo do semicondutor

TTaa →→ obtido considerandoobtido considerando--se a mse a mááxima xima temperatura ambiente de operatemperatura ambiente de operaçção do conversorão do conversor

j a

ja

T TR

P

−

=

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CCáálculo tlculo téérmico rmico –– regime permanenteregime permanente

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2) Dados 2) Dados RRjaja, , RRjcjc e e RRcdcd, calcular , calcular RRdada

RRjaja →→ obtido da etapa anteriorobtido da etapa anterior

RRjcjc →→ obtido no catobtido no catáálogo do semicondutorlogo do semicondutor

RRcdcd →→ obtido no catobtido no catáálogo do semicondutorlogo do semicondutor

da ja jc cdR R R R= − −

3) Dado 3) Dado RRdada, obter um dissipador cuja resistência , obter um dissipador cuja resistência ttéérmica seja menor (em dissipadores de rmica seja menor (em dissipadores de comprimento ajustcomprimento ajustáável, calcular o comprimento vel, calcular o comprimento mmíínimo)nimo)

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CCáálculo tlculo téérmico rmico –– regime permanenteregime permanente

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Dimensionamento do dissipador:Dimensionamento do dissipador:

�� Resistências tResistências téérmicas negativas indicam que rmicas negativas indicam que ééimpossimpossíível dissipar a potência demandadavel dissipar a potência demandada

�� Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor no dissipador, deveno dissipador, deve--se somar todas as potências se somar todas as potências dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de folga (15%)folga (15%)

�� No caso de pontes encapsuladas em mNo caso de pontes encapsuladas em móódulo, o dulo, o ccáálculo lculo éé dado pela seguinte equadado pela seguinte equaçção (vide ão (vide SemikronSemikron):):

n n →→ nnúúmero de dispositivosmero de dispositivos

ja jc cs saR R R n R= + +

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CCáálculo tlculo téérmico rmico –– regime permanenteregime permanente

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Dissipadores de alumDissipadores de alumíínio (ex. HS Dissipadores)nio (ex. HS Dissipadores)

�� Escolha do perfil e valores da resistência Escolha do perfil e valores da resistência (comprimento de 4 polegadas)(comprimento de 4 polegadas)

�� CompensaCompensaçção por uso de ventilaão por uso de ventilaçção forão forççadaada

�� Ex.: 0.73Ex.: 0.73ooC/WC/W

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CCáálculo tlculo téérmico rmico –– regime permanenteregime permanente

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Dissipadores de alumDissipadores de alumíínio:nio:

�� CompensaCompensaçção da diferenão da diferençça de temperatura a de temperatura

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CCáálculo tlculo téérmico rmico –– regime permanenteregime permanente

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Dissipadores de alumDissipadores de alumíínio:nio:

�� CompensaCompensaçção da diferenão da diferençça de comprimentoa de comprimento

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CCáálculo tlculo téérmico rmico –– regime permanenteregime permanente

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Dissipadores de alumDissipadores de alumíínio:nio:

�� CompensaCompensaçção da altitude (ar rarefeito)ão da altitude (ar rarefeito)

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CCáálculo tlculo téérmico rmico –– regime permanenteregime permanente

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Dimensionamento do dissipador:Dimensionamento do dissipador:

�� Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor no dissipador, deveno dissipador, deve--se somar todas as potências se somar todas as potências dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de folga (15%)folga (15%)

�� No caso de pontes encapsuladas em mNo caso de pontes encapsuladas em móódulo, o dulo, o ccáálculo lculo éé dado pela seguinte equadado pela seguinte equaçção (vide ão (vide SemikronSemikron):):

�� Os dispositivos não devem ser instalados prOs dispositivos não devem ser instalados próóximos ximos àà borda do dissipador, nem muito prborda do dissipador, nem muito próóximos entre si. ximos entre si.

�� ÓÓxido de alumxido de alumíínio preto reduz em 25% a resistência nio preto reduz em 25% a resistência ttéérmicarmica

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CCáálculo tlculo téérmico rmico –– consideraconsideraçções finaisões finais

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Regras prRegras prááticas:ticas:

�� Impedir que a temperatura da junImpedir que a temperatura da junçção ultrapasse o ão ultrapasse o valor de 80% o valor mvalor de 80% o valor mááximo permissximo permissíível (aumenta o vel (aumenta o MTDF do dispositivo)MTDF do dispositivo)

�� TTaa →→ deve ser considerado o valor de 40deve ser considerado o valor de 40ºº para para instalainstalaçção em ambiente ventilado ou um valor maior ão em ambiente ventilado ou um valor maior para conversor instalado em ambiente enclausuradopara conversor instalado em ambiente enclausurado

�� Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, usar isolante (mica, teflon, usar isolante (mica, teflon, mylarmylar). Considerar sua ). Considerar sua resistência tresistência téérmicarmica

�� RecomendaRecomenda--se usar pasta tse usar pasta téérmica para evitar bolhas rmica para evitar bolhas de ar entre o dispositivo e o dissipadorde ar entre o dispositivo e o dissipador

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Exemplos de dados de catExemplos de dados de catáálogo logo -- diododiodo

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Exemplos de dados de catExemplos de dados de catáálogo logo -- tiristortiristor

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Exemplos de dados de catExemplos de dados de catáálogo logo -- tiristortiristor

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