ivo barbi - eletrônica de potência - capítulo 1
DESCRIPTION
gdfgTRANSCRIPT
CAPÍTULO - 1
ESTUDO DOS COMPONENTES EMPREGADOS EM
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA (DIODOS E TIRISTORES)
1.1 - O DIODO
1.1.a - Diodo Ideal
O diodo ideal está representado na figura 1.1.
-
C
F
vF+
A
i
Fig. 1.1 - Representação do diodo ideal.
A sua característica tensão corrente está representada na figura 1.2.
iF
vF
Fig. 1.2 - Característica estática do diodo ideal.
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
Para tensões vF > 0, o diodo apresenta resistência nula. Para tensões vF < 0, ele
apresenta resistência infinita. Assim o diodo ideal, quando polarizado diretamente, não apresenta
nenhuma perda de energia. Quando polarizado inversamente, é capaz de bloquear uma tensão
infinita. Tais características são as de um interruptor ideal.
1.1.b - Característica Estática de um Diodo Real
A característica estática de um diodo real está representada na figura 1.3.
Tal característica é estabelecida experimentalmente para cada diodo. Em condução, ele
é representado por uma força-eletromotriz V(TO) associada em série com uma resistência rT. A
equivalência está representada na figura 1.4.
iF
vFV(TO)
VRRM IR
1rT
Fig. 1.3 - Característica estática de um diodo real.
-
CF
vF
F
+
A
i
i
A
V(TO)+
C
rT-vF
Fig. 1.4 - Circuito equivalente de um diodo.
A tensão reversa máxima que o diodo pode bloquear é limitada. Na figura essa tensão
está representada por VRRM. Tensões superiores a esse valor são destrutivas para o componente,
Eletrônica de Potência
5
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
porque ele entra em condução, mantendo a tensão elevada e conseqüentemente gerando grande
quantidade de calor na junção.
Constata-se também que, quando polarizado inversamente, circula no diodo uma
corrente de baixo valor.
A título de exemplo, estão apresentados abaixo alguns dados de um diodo de potência,
obtidos em catálogo de fabricante.
Diodo : SKN20/08
VRRM = 800V
V(TO) = 0,85V
rT = 11mW
Corrente média @ 20A (para Tcápsula = 125oC)
IR = 0,15mA
1.1.c - Perdas em Condução
Quando o diodo encontra-se em condução, a potência que nele é perdida e convertida
em calor é dada pela expressão (1.1).
P V I r ITO Dmed T Def ( )2 (1.1)
Onde:
IDmed = Valor médio da corrente.
IDef = Valor eficaz da corrente.
A expressão (1.1) é genérica, podendo ser empregada para qualquer forma de onda.
1.1.d - Características Dinâmicas dos Diodos
Inicialmente serão analisados os fenômenos associados ao bloqueio de um diodo.
Seja a estrutura representada na figura 1.5.
l
IiFD L L
iS S
E
Fig. 1.5 - Circuito para o estudo da comutação de um diodo.
Inicialmente o interruptor S encontra-se bloqueado. Na malha LD circula a corrente IL
em roda livre.
Eletrônica de Potência
6
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
Na figura, l representa a indutância parasita do circuito. Quando S é fechado, a corrente
do indutor L é transferida do diodo para S. Essa mudança de um ramo para outro chama-se
comutação.
Na comutação mostrada o diodo se bloqueia.
As seqüências do bloqueio estão descritas nas figuras 1.6 e 1.7.
C representa a capacitância de recuperação do diodo. Qrr representa a carga armazenada
em C quando o diodo está conduzindo.
Durante a comutação a corrente IL será considerada constante. Assim:
i i IS F L (1.2)
l
C+
-Qrr
IiFiD
D L L
iS S
E
Fig. 1.6 - Estudo da comutação do diodo.
Após S ser fechado, a corrente iF começa a decrescer. A sua velocidade de
decrescimento depende de E e l segundo a relação (1.3).
di
dt
EF
(1.3)
Após a corrente no diodo ideal ter se anulado, ocorre a descarga do capacitor C. Nesse
intervalo a corrente iD torna-se negativa, até que Qrr seja toda evacuada (Figura 1.7).
lIRM
ID-
+vD
IRM L L
ILI SRM
E
Fig. 1.7 - Estudo da comutação do diodo.
Quando Qrr se anula, o diodo se bloqueia. O indutor l provoca uma sobretensão sobre o
diodo, que pode ser destrutiva. Essa sobretensão pode ser evitada se for colocado um circuito RC
em paralelo com o diodo. As formas de onda estão representadas na figura 1.8.
Eletrônica de Potência
7
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
iF
IL tr tt
ri
rr
t
E
t3t2t1t0
VD
IRM
Vpico
Qrr
di
dt
E
lF
Fig. 1.8 - Tensão e corrente em um diodo durante o bloqueio.
Pode-se obter os valores de trr e de IRM com o emprego das expressões empíricas (1.4) e
(1.5).
tQ
di dtrrrr
F@
3(1.4)
I Qdi
dtRM rrF@
4
3(1.5)
O valor de Qrr é dado pelo fabricante do diodo. O valor de di dtF depende do circuito e
é estabelecido pelo projetista.
Segundo as expressões (1.4) e (1.5) tanto o tempo de recuperação do diodo quanto o
pico da corrente inversa dependem de Qrr. Quanto menor Qrr, mais rápido será o diodo.
Os diodos, quanto à velocidade de recuperação, são classificados em rápidos, ultra-
rápidos e lentos. Por exemplo, para correntes até 50A e tensões de 500V, os diodos rápidos
apresentam trr menores que 200ns e os diodos ultra-rápidos apresentam trr menores que 70ns. Os
diodos comuns, empregados em retificação de baixa freqüência apresentam trr superiores a 1ms.
No circuito apresentado na figura 1.5 não há uma impedância que limite o valor de pico
da corrente inversa. No circuito representado na figura 1.9 a corrente inversa é limitada pelo
resistor r.
lD
r
L
S
E
Fig. 1.9 - Circuito com limitação da corrente de pico.
A forma de corrente do diodo está apresentada na figura 1.10.Eletrônica de Potência
8
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
iF
t rr t
I RM
di
dtF
Fig. 1.10 - Corrente do diodo para a figura 1.9.
Para o caso da figura 1.9 são empregados as seguintes expressões:
IE
rRM @ (1.6)
tQ
I
I
di dtrrrr
RM
RM
F@ 0,63
( )(1.7)
Serão considerados a seguir os fenômenos associados à entrada em condução de um
diodo.
Seja o circuito representado na figura 1.11.
E
FvF i
R
Fig. 1.11 - Circuito para o estudo da comutação do diodo.
Com o circuito apresentado pode-se impor no diodo a corrente cuja forma está
representada na figura 1.12.
iF
vF
t
I o
tFPV
VF2V
rftRD
t
di
dtF
Fig. 1.12 - Formas de onda relativas à entrada em condução de um diodo.
Eletrônica de Potência
9
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
Verifica-se a existência de um certo tempo para que o diodo entre em condução. É o
tempo de entrada em condução e pode variar de 0,1 a 1,5ms. O valor de pico da tensão em alguns
casos pode alcançar valores próximos de 40V.
O que explica o atraso e a sobretensão é a existência de uma variação da resistência do
diodo, mostrado na figura 1.12.
Os fenômenos mostrados só aparecem quando o diodo é atacado por uma fonte de
corrente.
A experiência mostra que nos circuitos de baixa tensão, onde o diodo não pode ser
atacado em corrente, o diodo introduz no circuito um atraso considerável na corrente.
Como no caso do bloqueio, o emprego de diodos rápidos reduz o valor de VFP e do
tempo de entrada em condução trf.
1.1.e - Perdas na Comutação
As perdas nos diodos na entrada em condução são representadas pela expressão (1.8).
P V V I t fFP F o rf1 0 5 , ( ) (1.8)
Para freqüências inferiores a 40KHz essas perdas podem ser ignoradas.
As perdas que ocorrem no bloqueio são calculadas com a expressão (1.9).
P Q Efrr2 (1.9)
Sendo f a freqüência das comutações e E a tensão aplicada no diodo após a comutação.
1.1.f - Emprego dos Diodos Rápidos
Há um grande número de aplicações em que o emprego do diodo rápido é de grande
interesse ou mesmo indispensável. Em seguida serão apresentados alguns casos típicos.
a) Retificação a freqüência elevada
Nesses casos o emprego de diodos rápidos diminui as perdas nas comutações e diminui
a rádio-interferência.
b) Conversores a transistor
Tome-se como exemplo a estrutura apresentada na figura 1.13.
Quando o transistor entra em condução, o diodo inicialmente em condução se bloqueia.
A corrente de pico inversa do diodo circula pelo transistor. Se o diodo não for rápido, tal
corrente pode ser destrutiva para o transistor.
Eletrônica de Potência
10
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
lD
I
T
E
Fig. 1.13 - Circuito que utiliza um diodo rápido.
1.2 - O TIRISTOR
1.2.a - Tiristor Ideal
O tiristor ideal está representado na figura 1.14. Além do anodo e do catodo, possui o
gatilho, que é utilizado para o disparo.
-
CT
vTiG
+
A
i
Fig. 1.14 - Representação do tiristor ideal.
A característica estática ideal do tiristor está representada na figura 1.15.
iT
vT1 2
3
Disparo
Fig. 1.15 - Característica estática ideal do tiristor.
O tiristor sem corrente de gatilho é representado na figura 1.15 pelas retas 1 e 2. Assim
sendo, ele bloqueia tanto as tensões positivas quanto as negativas. Com corrente de gatilho, ele
passa a ser representado pelas retas 1 e 3, assumindo portanto a característica de um diodo. Por
isto é denominado também de diodo controlado. Em inglês é também conhecido por SCR
(“Silicon Controlled Rectifier”).
Eletrônica de Potência
11
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
1.2.b - Característica Estática Real dos Tiristores.
A exemplo do diodo, a característica real do tiristor apresenta modificações importantes
em relação à característica ideal. Tais modificações podem ser verificadas na figura 1.16.
As tensões máximas que o tiristor consegue bloquear, tanto direta quanto inversa, são
limitadas.
iT
vTVAKM
VRM 1
2
3
Fig. 1.16 - Característica estática real de um tiristor.
Curvas 1 e 2 - Sem corrente de gatilho.
Curvas 1 e 3 - Com corrente de gatilho.
As demais não idealidades já mencionadas para o diodo são também válidas para o
tiristor. Em condução o tiristor é também representado por uma força-eletromotriz em série com
uma resistência, como está representado na figura 1.17.
-
CT
vT
T
+
A
i
i
A
V+
T(TO)
CrT
-vT
Fig. 1.17 - Circuito equivalente do tiristor.
1.2.c - Perdas em Condução
A potência média dissipada pelo tiristor em condução é dada pela expressão (1.10).
Eletrônica de Potência
12
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
P V I r IT TO Tmed T Tef ( )2 (1.10)
Onde:
ITmed e ITef são os valores médio e eficaz da corrente que o tiristor conduz.
1.2.d - Características Dinâmicas dos Tiristores
Inicialmente será estudado o comportamento do tiristor no disparo. Seja o circuito
representado na figura 1.18. O tiristor encontra-se inicialmente bloqueado. No instante to o
interruptor S é fechado.
R
T+
Tv
-
S
VGiG
E
Fig. 1.18 - Circuito para o estudo do disparo do tiristor.
As formas de onda estão representadas na figura 1.19.
vG
t
t
IG
iG
G10% I
vT
90% E
10% E ttrtd
ton
Fig. 1.19 - Formas de onda relativas ao disparo do tiristor.
São empregadas as seguintes denominações:
ton - tempo de fechamento.
td - tempo de retardo.
tr - tempo de descida da tensão anodo-catodo.
t t ton d r (1.11)Eletrônica de Potência
13
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
O tempo de retardo, que é o maior componente do tempo ton, depende:
a) da amplitude da corrente de gatilho;
b) da velocidade de crescimento da corrente de gatilho. O tempo tr independe da
corrente de gatilho. Em geral o valor de ton é superior a 1ms e inferior a 5ms.
Na figura 1.20 estão representadas duas correntes de gatilho com formas diferentes.
i
t
G
1
2
Fig. 1.20 - Formas da corrente de gatilho.
Curva 1 - Disparo lento.
Curva 2 - Disparo rápido.
A seguir será considerado o comportamento do tiristor no bloqueio.
Seja a estrutura representada na figura 1.21.
R
l
S
E2
TiT
E1
Fig. 1.21 - Circuito para o estudo do tiristor no bloqueio.
Inicialmente o interruptor S encontra-se aberto. O tiristor T encontra-se em condução.
Para iniciar o bloqueio de T, S é fechado. Os fenômenos associados ao bloqueio são semelhantes
àqueles já descritos para o diodo. As formas de onda estão representadas na figura 1.22.
Eletrônica de Potência
14
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
E1
iT tq
t inv
t1t0
VT
IRM
E2
t
Qrr
2E + V
Fig. 1.22 - Formas de onda relativas ao bloqueio do tiristor.
No instante t1 o interruptor S é novamente aberto. O tiristor encontra-se bloqueado e
retém a tensão E1.
O tempo tq é especificado pelo fabricante do tiristor. É denominado tempo mínimo de
aplicação de tensão inversa. Para que o tiristor readquira o poder de bloqueio é necessário, após
a sua corrente ter-se anulado, aplicar uma tensão inversa durante um tempo superior a tq.
Quando se trata de comutação forçada, o tempo tq é um dado fundamental. Quanto
menor o tq, melhor é o tiristor. Poderá operar com freqüências mais elevadas, com menores
perdas na comutação e com circuitos auxiliares de comutação forçada de menor custo.
Infelizmente o tiristor não pode ser comandado pelo gatilho no bloqueio. Esse é o seu
maior ou talvez único inconveniente. Atualmente estão sendo produzidos os GTO’s (“Gate
Turn-Off Thyristors”) que podem ser bloqueados pelo gatilho. Para os tiristores rápidos tem-se:
10ms < tq < 200ms
1.3 - CÁLCULO TÉRMICO
1.3.a - O Problema
A corrente que circula no componente produz calor, tanto na condução quanto na
comutação. Esse calor gerado deve ser transferido para o ambiente. Caso contrário a temperatura
da junção se eleva acima dos limites máximos permitidos e provoca a inutilização do
componente. A corrente máxima e portanto a potência máxima que um diodo de potência ou
tiristor pode processar é limitada apenas pela temperatura da junção.
Eletrônica de Potência
15
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
Assim, a determinação do dissipador e das perdas em um componente é de importância
prática fundamental.
1.3.b - Cálculo Térmico em Regime Permanente
Para o cálculo térmico será empregado o circuito equivalente representado na figura
1.23.
P
R jc Rcd Rda
TaTdTcTj
Fig. 1.23 - Circuito térmico equivalente de um componente.
As grandezas representadas na figura 1.23 são definidas do seguinte modo:
Tj - temperatura da junção (oC).
Tc - temperatura da cápsula (oC).
Td - temperatura do dissipador (oC).
Ta - temperatura ambiente (oC).
P - potência térmica produzida pela corrente que circula no componente e sendo
transferida ao meio ambiente (W).
Rjc - resistência térmica entre a junção e cápsula (oC/W).
Rcd - resistência térmica entre o componente e dissipador (oC/W).
Rda - resistência térmica entre o dissipador e o ambiente (oC/W).
Rja - resistência térmica entre a junção e o ambiente (oC/W).
R R R Rja jc cd da (1.12)
A equação empregada para o cálculo térmico de um componente é a seguinte:
T T R Pj a ja (1.13)
Existe uma analogia com um circuito elétrico resistivo, representado na figura 1.24.
RV2
IV1
Fig. 1.24 - Circuito elétrico análogo.
Eletrônica de Potência
16
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
O objetivo do cálculo térmico é evitar que a temperatura máxima da junção alcance
valores próximos da máxima temperatura permitida.
É adotado o seguinte procedimento:
a) P - é calculado a partir das características do componente e da corrente que por ele
circula.
b) Tj - fornecida pelo fabricante do componente.
c) Ta - valor adotado pelo projetista.
d) com a expressão (1.14) determina-se a resistência térmica total.
RT T
Pjaj a
(1.14)
e) com a expressão (1.15) determina-se a resistência térmica do dissipador.
As resistências térmicas Rjc e Rcd são fornecidas pelo fabricante do componente (diodo
ou tiristor).
R R R Rda ja jc cd (1.15)
Com um catálogo de dissipadores pode-se escolher o mais conveniente. Caso o valor
encontrado não seja comercial, deve ser escolhido o valor menor mais próximo.
1.3.c - Transitório - Conceito de Impedância Térmica
Seja um diodo no qual não circula corrente para t < to. A sua temperatura de junção é
igual à temperatura ambiente Ta.
No instante to começa a dissipar uma potência constante P. A capacidade térmica do
componente impede que a temperatura cresça abruptamente. Ela cresce exponencialmente como
está representado na figura 1.25.
Tj
P
to tTa
T
Fig. 1.25 - Transitório térmico em um componente.
A diferença de temperatura instantânea é dada pela expressão (1.16).
Eletrônica de Potência
17
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
T Z Pt (1.16)
Onde Zt representa a impedância térmica, que é variável com o tempo.
Seja o circuito térmico equivalente incluindo a capacidade térmica, representado na
figura 1.26.
P C
P P1 P
R
Tj2
Ta
Fig. 1.26 - Circuito térmico transitório.
P P P 1 2 (1.17)
R PC
P dt T T Tj a2 11
(1.18)
RdP
dt
P
C2 1 (1.19)
Assim:
RdP
dt
P
C
P
C2 2 (1.20)
dP
dt
P
RC
P
RC2 2 (1.21)
Resolvendo-se a equação (1.21) obtém-se a equação (1.22).
T
PR e Z
t
RCt
1 (1.21)
A dedução feita adota algumas simplificações.
O valor exato de Zt é fornecido pelo fabricante do componente.
O conceito de impedância térmica é muito importante quando o componente funciona
com correntes impulsivas (grande intensidade e curta duração).
Convém salientar que a impedância térmica é análoga à impedância elétrica, grandeza
muito conhecida na teoria de circuitos elétricos.
Eletrônica de Potência
18
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
1.4 - CURVAS PARA CÁLCULO TÉRMICO DE DIODOS E TIRISTORES
a) Diodos
(a) (b)
Fig. 1.27.a - Potência dissipada PFmed em função da corrente direta média Imed, para corrente contínua
pura (cont.), para meia-onda senoidal (sin.180) e para ondas retangulares (rec.60) e (rec.120).
Fig. 1.27.b - Temperatura da cápsula Tc em função da temperatura ambiente Ta para diferentes
resistências térmicas Rthca.
Fig. 1.28 - Impedância térmica transitória Z(th)t para corrente contínua pura, em função do tempo t. A
impedância térmica para correntes impulsivas Z(th)p, é obtida pela soma dos valores dados pela tabela
Z(th)z com aqueles dados pela curva Z(th)t.
Eletrônica de Potência
19
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
b) Tiristores
(a) (b)
Fig. 1.29.a - Potência dissipada PTmed em função da corrente média ITmed, para diferentes ângulos de
condução, para correntes senoidais.
Fig. 1.29.b - Potência dissipada PTmed em função da temperatura ambiente Ta, para diferentes
resistências térmicas totais junção-ambiente, Rthja.
Fig. 1.30 - Potência dissipada PTmed em função da corrente média ITmed, para diferentes ângulos de
condução, para correntes retangulares.
Eletrônica de Potência
20
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
Fig. 1.31 - Resistência térmica entre junção e a cápsula, Rthjc, em função do ângulo de condução para
correntes senoidais e retangulares. Para corrente contínua pura, deve ser tomada Rthjc cont.
Fig. 1.32 - Impedância térmica em função do tempo. As curvas são interpretadas como as da figura
1.28. Para tempos grandes a impedância térmica tende assintoticamente para um valor constante igual
a resistência térmica em regime permanente. Para tempos pequenos a impedância depende do
dissipador empregado e das condições de ventilação.
Na tabela é dada a resistência térmica cápsula-ambiente Rthca para vários dissipadores,
incluindo a resistência térmica de contato. Desse modo, R R Rthja thjc thca .
Eletrônica de Potência
21
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
c) Relação de Dissipadores Semikron **
DIODOS DISSIPADORES Massa
Resistência Térmica (Incluindo a Resistência de contato cápsula-
dissipadorAproximada Convecção
NaturalVentilação
Forçada 6m/sSKN12, SKR12 K9 - M4 50g 10,5oC/W -
SKN20, SKR20
SKN26, SKR26
SKNa20
K9 - M4
K5 - M6
K3 - M6
K1,1 - M6
50g
100g
200g
700g
9,5oC/W
5,7oC/W
3,8oC/W
2,2oC/W
-
-
-
-
SKN45, SKR45
SKN70, SKR70
K5 - M8
K3 - M8
K1,1 - M8
P1/120 - M8
100g
200g
700g
1300g
5,0oC/W
3,0oC/W
1,3oC/W
0,85oC/W
-
-
0,60oC/W
0,40oC/W
SKN100, SKR100
SKN130, SKR130
K3 - M12
K1,1 - M12
P1/120 - M12
K0,55 - M12
200g
700g
1300g
2000g
3,1oC/W
1,2oC/W
0,65oC/W
0,65OC/W
-
0,40oC/W
0,27oC/W
0,25oC/W
SKN240, SKR240 K1,1 - M16x1,5
K0,55 - M16x1,5
P1/120 - M16x1,5
P1/120 - M16x1,5
P4/200 - M16x1,5
700g
2000g
1300g
2200g
4000g
1,1oC/W
0,55oC/W
0,58oC/W
0,40OC/W
0,29OC/W
0,35oC/W
0,17oC/W
0,21oC/W
0,17OC/W
-
SKN320, SKR320 K0,55 - M24x1,5
K0,1 F
K0,05 W
P1/200 - M24x1,5
P4/200 - M24x1,5
P4/300 - M24x1,5
2000g
2150g
900g
2200g
4000g
6000g
0,55oC/W
-
-
0,40oC/W
0,29OC/W
0,25OC/W
0,17oC/W
0,11oC/W
0,065oC/W*
0,16OC/W
-
-
(*) - Refrigeração por água.
(**) - O formato e as dimensões dos dissipadores poderão ser obtidos diretamente com
o fabricante.
1.5 - EXEMPLO DE CÁLCULOS TÉRMICOSEletrônica de Potência
22
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
a) Retificador de Meia Onda a Diodo
Seja a estrutura representada na figura 1.33.
D
Rv t( ) f Hz60R 10 W
v sen t 2 220 ( )t( )
D = SKN20/04
Fig. 1.33 - Retificador de meia onda a diodo.
O objetivo do cálculo é determinar a resistência térmica do dissipador a ser empregado
para manter a temperatura da junção abaixo do limite estabelecido pelo fabricante.
A partir da relação de dados técnicos fornecidos pelo fabricante, obtém-se:
Rjc = 2oC/W (Rthjc)
Rcd = 1oC/W (Rthch)
Tj = 180oC (Tvj)
V(TO) = 0,85V
rT = 11mW
Seja Ta = 50oC (Ta = temperatura ambiente)
a.1) Cálculo das correntes no diodo
Seja a corrente representada na figura 1.34.
t
Vo2
Fig. 1.34 - Corrente no diodo.
IV
RADmed
o
0 45 0 45 220
109 9
, ,,
IV
RADef
o
0 707 0 707 220
1015 55
, ,,
a.2) Cálculo da potência dissipada
P V I r ITO Dmed T Def ( )2
P 0 85 9 9 11 10 15 553 2, , ( , )
P W 8 415 2 660 11 07, , ,
Eletrônica de Potência
23
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
Há um método mais rápido para se determinar a potência. Com o valor médio da
corrente e a forma de onda, entra-se na figura 1.27.a do catálogo de diodo do fabricante. Assim
para Imed = 9,9A e uma senóide de 180o obtém-se P @ 11W.
a.3) Cálculo do dissipador
T P R R Rjc cd da ( )
RT
PR R
T
Pda jc cd
2 1130
113
R C W R R C Wdao
da cdo 8 8 8 8 1 9 8, / , , /
Para realizar o cálculo do dissipador é possível também o emprego das curvas
oferecidas pelo fabricante. Ainda na figura 1.27.b, tomando-se Ta = 50oC e P @ 11W, obtém-se
Rca @ 11oC/W, assim Rda @ 11 - 1 = 10oC/W.
É recomendável portanto o emprego do dissipador K5, cuja resistência térmica é igual a
5,7 oC/W.
a.4) Temperaturas resultantes para o dissipador escolhido
P=11W
= 2,0RjcoC/W Rcd = 1,0oC/W Rda = 4,7oC/W
T Cao50TdTcTj
T P R Tj ja a 11 2 5 7 50( , )
T Cjo134 7,
T P R R Tc cd da a ( ) ,11 5 7 50
T Cjo112 7,
b) Retificador de Meia Onda a Tiristor
Seja a mesma estrutura, para R = 8W e a = 60o. Seja o tiristor SKT16 com os seguintes
parâmetros:
Rjc = 0,94oC/W (obtida na figura 1.31)
Rcd = 0,5oC/W
Tj = 130oC
q = 120o
Seja Ta = 50oC (valor adotado)
Eletrônica de Potência
24
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
b.1) Cálculo da corrente média
IV
RTmedo
0 2251
0 225 220
101 0 5
,( cos )
,( , )a
I ATmed 9 28,
b.2) Cálculo da potência média
Entrando-se na figura 1.29.a com q = 120o, ITmed = 9,28A obtém-se P = 17,5W.
b.3) Cálculo do dissipador
Entrando-se na figura 1.29.b com Ta = 50oC e P = 17,5W obtém-se:
R C Wjao4 5, /
Mas: R R R Rja jc cd da
Assim: R R R Rda ja jc cd 4 5 0 94 0 5, , ,
R C Wdao3 06, /
Caso os dissipadores previstos para o tiristor SKT16/04 não satisfaçam, restam dois
recursos: empregar ventilação forçada ou um tiristor com maior capacidade em corrente.
c) Impedância Transitória
Seja o diodo SKN20 montado em um dissipador K5 inicialmente com corrente nula e à
temperatura ambiente igual a 30oC. Determinar o valor máximo de uma corrente contínua que
ele pode conduzir durante um tempo de 1s, de modo que a temperatura de junção não ultrapasse
o valor limite de 180oC.
Solução:
T o180 Cj 1s
iF
o30 C
I
Entrando-se na figura 1.28 com t = 1s obtém-se Z(th)t @ 1,5oC/W.
Z P T Tth t j a( )
PT T
ZW
j a
th t
( ) ,
180 30
1 5100
P V I r ITO T ( )2
Eletrônica de Potência
25
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
IV
rI
P
rTO
T T
2 0 ( )
Assim: IV
r
V
r
P
rV V e r m
TO
T
TO
T TTO T
( ) ( )( ) ,
2 20 85 11
2
W
I
0 85
0 022
0 85
0 022
100
0 011
2,
,
,
, ,
I A@64
d) Temperatura Média Instantânea de Junção
Seja o tiristor SKT16 conduzindo uma corrente com a forma de onda indicada na figura
abaixo. Determinar a temperatura média e máxima da junção.
I=20A
t
Dados do Tiristor:
VT(TO) = 1,0V
rT = 20mW
q = 180o
P V I r IT TO T ( )2
P W 1 20 0 020 20 282, (Potência Instantânea)
Seja f = 50Hz
Assim: tT
fms
2
1
2
1
2 5010
PP
Wmed
2
1 10 0 02 1414
2
28
214
2( ) , ( , )
Seja o dissipador K5. Assim:
R C Wthjao 0 80 5 5 6 30, , , /
Seja Ta = 30oC. Assim:
T Cjo 6 30 14 30 118 20, , (Temperatura Média)
Para t = 10ms, da figura 1.32 obtém-se:
Z C Wth to
( ) , /0 15
T P Z Cj th to ( ) , ,28 0 15 4 2
Eletrônica de Potência
26
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
To120,30 C
t
o116,10 C
jo118,20 C
10ms 20ms
Verifica-se assim que para f = 50Hz a temperatura da junção varia de 120,30oC até
116,1oC. Por mais surpreendente que possa parecer, tal fenômeno ocorre porque em relação aos
tempos envolvidos as constantes de tempo térmicas são baixas.
Eletrônica de Potência
27