Conversor Buck VO iL iC iD t1 Condução do transistor

Apresentação em tema: "Conversor Buck VO iL iC iD t1 Condução do transistor"— Transcrição da apresentação:

1 Conversor Buck VO iL iC iD t1 Condução do transistor
vce(t) t1 iC iL iD VO t Condução do transistor t Condução do diodo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

2 Transistor Mosfet – Características dinâmicas
G D S O diodo intrínseco é lento. Os tempos de comutação do transistor dependem do circuito de comando. Em um MosFet existem 3 capacitâncias parasitas: Cgs, Cgd e Cds. A partir delas se definem: Ciss, Crss e Coss. G Cgd D S Cds Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

3 Transistor Mosfet – Características dinâmicas
As capacitâncias parasitas influenciam fortemente as comutações Efeito Miller Ao carregar o capacitor de “Gate” ocorre uma alteração da impedância do capacitor Ciss, devido a Crss. VGS Forma de onda da tensão VGS QGD D G S Cds Cgd VDS Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

4 Transistor IGBT – Características dinâmicas
VGE G E C VCE Possui características de transistor MosFet na entrada e de transistor Bipolar na saída; Os tempos de comutação do transistor dependem do circuito de comando; O diodo em anti-paralelo é incorporado no encapsulamento e é compatível com os tempos de comutação do IGBT. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

5 Transistor Mosfet / IGBT – Características dinâmicas
Definição dos tempos de comutação VDS tF tR VGS 10% 90% td(on) td(off) tF : tempo de descida tR : tempo de subida td(on) : Atraso do disparo td(off) : Atraso do bloqueio Transistor Mosfet / IGBT – Características dinâmicas Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

6 Transistor Mosfet / IGBT – Características dinâmicas Carga indutiva
PERDAS VDS IT VGS VGS(th) PMosfet tri tfv trv tfi Ic E Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

7 Cálculo de Perdas nos semicondutores a) Perdas por condução Transistor MosFet
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8 Cálculo de Perdas nos transistores MosFet a) Perdas por condução
G D S RDSon Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

9 Cálculo de Perdas nos semicondutores a) Perdas por condução Transistor IGBT
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10 Cálculo de Perdas nos transistores IGBT a) Perdas por condução
Características do IGBT Características do diodo Cálculo de Perdas nos transistores IGBT a) Perdas por condução Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

11 Cálculo de Perdas nos transistores IGBT a) Perdas por condução
Condições de teste Valor Máximo VCE(T0) Tj=125C 1,05V rCE VGE=15V 7,5mW V Diodo Condições de teste Valor Máximo VTO VF(T0) Tj=125C 1,2V rT 6,5mW Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

12 Cálculo de Perdas nos transistores IGBT a) Perdas por condução
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13 Cálculo de Perdas nos semicondutores a) Perdas por condução Diodo
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14 Cálculo de Perdas nos diodos a) Perdas por condução
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15 Cálculo de Perdas nos semicondutores b) Perdas por comutação Transistor MosFet
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16 Cálculo de Perdas nos transistores MosFet b) Perdas por comutação
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17 ID IC ta Cálculo de Perdas nos transistores MosFet b) Perdas por comutação Efeito da recuperação reversa do diodo Perda extra no disparo do transistor devido a recuperação reversa do diodo Qrr tb trr=ta+tb Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

18 Cálculo de Perdas nos transistores MosFet b) Perdas por comutação Efeito da recuperação reversa do diodo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

19 Cálculo de Perdas nos semicondutores b) Perdas por comutação Transistor IGBT
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20 Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação
“Current tail” A base do transistor bipolar não está disponível Não se pode usar as técnicas conhecidas de eliminação dos portadores minoritários da base do transistor bipolar. Surgimento da “cauda de corrente” no bloqueio do transistor - (current tail) Problema: aumento das perdas de comutação Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

21 Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação
Ao contrário dos MOSFET, os tempos de comutação do IGBT não permitem avaliar as perdas de comutação Causa: Não levam em conta o efeito de cauda da corrente; Este efeito é muito significativo no conjunto das perdas; Além do mais, o tempo de queda da tensão VCE não é bem definido; Este tempo é muito importante para definir as perdas. As perdas são obtidas através de curvas fornecidas pelo fabricante Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

22 Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação
Perdas de chaveamento do IGBT: disparo e bloqueio Perdas de bloqueio do diodo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

23 Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação
Formas de onda no bloqueio do IGBT Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação Formas de onda no disparo do IGBT Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

24 Cálculo de Perdas nos dispositivos b) Perdas por comutação
VGE=±15V Diodo Icn=200A 22mJ Tj=125C Eon 11mJ RGon=RGoff=5Ω Err Vcc=600V Eoff Valor Máximo Condições de teste IGBT Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

25 Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação
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26 Cálculo de Perdas nos semicondutores a) Perdas por comutação Diodo
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27 Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação
Formas de onda no bloqueio do diodo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

28 Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação
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29 Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação
Ao contrário dos IGBTs, os fabricantes de transistores MosFets não fornecem a energia gasta para ligar e desligar os transistores. iD ta Qrr tb E vD Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

30 Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação
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31 A evacuação de calor da junção até o ambiente depende do encapsulamento utilizado.
Caso o encapsulamento não seja suficiente para evacuar todo o calor, é necessário algum sistema para melhorar a transferência: RADIADORES associados com ventilação forçada de ar ou de água. Cada modelo tem características geométricas que proporcionam uma certa capacidade de evacuar calor Dissipação de calor Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

32 Ta : Temperatura ambiente
Si j c a junção encapsulamento P (W) Tensões = Temperaturas Corrente = Perdas (W) Dissipação de calor Ta : Temperatura ambiente RTHjc RTHca Ta Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

33 A resistencia térmica junção – encapsulamento é baixa ( 0.5 ºC/W)
Exemplo: A resistencia térmica junção – encapsulamento é baixa ( 0.5 ºC/W) A resistencia térmica encapsulamento-ambiente é alta ( 50 ºC/W) Tca = RTHca·P = 50ºC/W · 1W = 50ºC Tjc = RTHjc·P = 0.5ºC/W · 1W = 0.5ºC Tj = Ta + Tca + Tjc = = = 75.5 ºC Tj < 150 ºC OK Equivalente elétrico P (1W) c a RTHjc (0.5 ºC/W) RTHca (50 ºC/W) Ta (25 ºC) Tjc Tca Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

34 Equivalente elétrico j c a
Para reduzir a temperatura coloca-se um radiador proporcionando um caminho alternativo para a evacuação do calor. Isto equivale a colocar uma resistencia em paralelo com RTHca Exemplo: RTHra = 5 ºC/W Tca = RTHeq·P = 4.5ºC/W · 1W = 4.5ºC Tjc = RTHjc·P = 0.5ºC/W · 1W = 0.5ºC Tj = Ta + Tca + Tjc = = = 30 ºC Equivalente elétrico j c a P (1W) RTHjc (0.5 ºC/W) RTHca (50 ºC/W) Ta (25 ºC) RTHra (5 ºC/W) Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

35 Modelo de Radiadores Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

36 Modelo de Radiadores Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

37 A resistencia térmica depende do comprimento do radiador e o fabricante fornece a curva com a RTH de cada perfil em função do comprimento. A curva é assintótica: a partir de um certo comprimento, a RTH diminui muito pouco. Modelo de Radiadores Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

38 Montagem do dispositivo sobre o radiador
Nos semicondutores, a parte metálica costuma ser o catodo ou o dreno (coletor) de um transistor MosFet (IGBT). Se o semicondutor é montado diretamente sobre o radiador, o mesmo se encontra conectado ao mesmo potencial do dispositivo. 400 V Isolante elétrico, mas condutor térmico Montagem do dispositivo sobre o radiador Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

39 Montagem do dispositivo sobre o radiador
Um parafuso metálico é um conexão elétrica e acaba com o isolamento. Utilizam-se arruelas de plástico para evitar o contato elétrico. Montagem do dispositivo sobre o radiador Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

40 Montagem do dispositivo sobre o radiador
O isolante acrescenta uma resistencia térmica adicional. Mica de espessura 60 m: RTH : 1.4 ºC/W Mica de espessura 100 m: RTH : 2.2 ºC/W Alúmina de espessura 250 m: RTH : 0.8 ºC/W Para melhorar o contato térmico, pastas de silicone reduzem a resistencia térmica de 30% Para fazer o cálculo da RTHra necessária pode-se desprezar a resistencia do próprio dispositivo (RTHca) Montagem do dispositivo sobre o radiador j c a P RTHjc RTHca Ta RTHcr Isolante Radiador r RTHra Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

41 A RTH fornecida pelo fabricante é válida para radiador montado na posição vertical. Na posição horizontal a evacuação do calor fica comprometida. Na posição vertical ocorre o “efeito chaminé” no qual o próprio calor gerado pelo aquecimento do radiador cria uma corrente de ar ascendente que melhora a refrigeração. Montagem do radiador PIOR MELHOR Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

42 Fatores que afetam a Rth
Tinta óleo preta Verniz escuro Preto brilhoso Alumínio anodizado preto 0.70 Cobre oxidado 0.66 Rolled sheet steel 0.07 Cobre polido 0.05 Alumínio polido Emissividade Superfície Tabela 2. Emissividade de várias superfícies tratadas Fatores que afetam a Rth Cor do radiador Cada cor tem um coeficiente térmico diferente. Há várias cores de radiadores: preto, ouro e alumínio: o melhor é o preto Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

43 Fatores que afetam a Rth
Para melhorar a capacidade de evacuação de calor é possível utilizar ventilação forçada. Isto permite reduzir a resistência térmica. Atenção a direção do fluxo de ar CORRECTO INCORRECTO Fatores que afetam a Rth Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

44 Fatores que afetam a Rth
Ventilação O fabricante fornece uma curva com o coeficiente corretivo em função da velocidade do ar A partir de uma certa velocidade, praticamente não há mais redução da resistencia térmica Fatores que afetam a Rth Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

45 Dimensionamento estático de radiadores
1.- Determinar Tjmax (catálogo do fabricante) Se não, admitir que: Tjmax Si = 1200C 2.- Determinar RTHjc (catálogo do fabricante) Se não, calcular a partir da máxima potência que o transistor é capaz de dissipar sem radiador RTHjc = (Tjmax – TC) / Pdiss oC 3.- Determinar RTHcr. (Tabela 1) Depende do tipo de contato e do encapsulamento Contato direto: se não existir isolante elétrico Pasta Térmica ou de silicone: melhora muito o contato térmico Mica ou lâmina de teflon: isolante elétrico Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

46 Dimensionamento estático de radiadores
0,4 0,8 0,12 0,25 TO 3 1,4 1,8 0,65 1,1 TO 56 - 0,7 DIA 4L 1,5 SOT 48 1,7 2 TO 117 2,1 1,2 TO 59 1 0,2 TO 3 plástico 0,9 0,3 0,5 TO 90 TO 152 TO 202 TO 220 TO 126 TO 5 TO 39 e pasta térmica c/pasta térmica Contato c/mica Contato direto Encapsulamento Tabela 1- Rthcr Dimensionamento estático de radiadores Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

47 Dimensionamento estático de radiadores
Podem ser colocados vários dispositivos no mesmo dissipador Centralizar o dispositivo semicondutor no dissipador. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

48 Dimensionamento dinâmico de radiadores
A potência dissipada não é constante (Ex. na partida pode existir um pulso de potência) P diss T A dinâmica térmica é muito lenta Pdiss Pmed PMAX A temperatura varia em torno de um valor médio Dimensionamento dinâmico de radiadores Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

49 Dimensionamento dinâmico de radiadores
As perdas se produzem na pastilha de silício. Esta, devido a seu massa pequena, possui uma inércia térmica muito pequena e pode variar de temperatura rapidamente. Em um radiador, por ter uma massa muito grande e uma inércia térmica muito maior que a do semicondutor as mudanças de temperatura são muito mais lentas Para modelar corretamente o comportamento, deve-se incluir capacitores para simular as inércias dos elementos térmicos. Quanto maior a inercia térmica de um componente, maior capacitor que o representa. Dimensionamento dinâmico de radiadores j Ta c a P r Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

50 Dimensionamento dinâmico de radiadores
Zthjc(t) D = 0.3 Zthjc(t1) Temos 2 circuitos: Tc Tj TC ? PMAX Zt Temos 2 equações com 2 incógnitas: TC e RTHra T D = t1/T P PMedia Dimensionamento dinâmico de radiadores c Ta r a RTHra? Rthcr Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

51 Dimensionamento dinamico de radiadores
Curvas reais da impedância transitória de um MOSFET A impedância transitória depende do valor do ciclo de trabalho Dimensionamento dinamico de radiadores Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

52 Dimensionamento dinamico de radiadores
Determinar: Tjmax, Tc e Tr, para um transistor com encapsulamento T03, isolado eletricamente, sabendo que: Rthra = 3°C/W , Rthcr=0,8 oC/W, t1=100ms, T=200ms, Pmax=10W e Ta=40°C. t1 D = t1/T P PMAX T Tj Zthjc Tc Rthcr 0,8 oC/W Rthra 3 °C/W Pdissmed=5W Ta=40oC Tr Exemplo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

53 Dimensionamento dinamico de radiadores
a) Calcular a potência média dissipada Tc = 5*(0,8+3) + 40 = 59oC Tr= 5* = 55ºC Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

54 Dimensionamento dinamico de radiadores
b) Calculo da impedância térmica transitória, Zthjc. Zthjc=0,6 oC/W Tjmax = 10 * 0, = 65oC Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo

55 Site da Semikron, http://www.semikron.com
Referências Site do prof. Javier Sebastián Zúñiga, Universidade de Oviedo, Curso de Sistemas de Alimentación, cap. 8, Robert W. Erickson, “Fundamentals of Power Electronics”, Editora Chapman & Hall, 1o. Edição Abraham I. Pressman, “Switching Power Supply Design”, Editora McGraw Hill International Editions, 1992 Site da Semikron, Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo