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Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1 Conversor Buck t2t2 E vce(t) t1t1 iCiC iLiL iDiD E VOVO t 1 Condução do transistor t.

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1 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1 Conversor Buck t2t2 E vce(t) t1t1 iCiC iLiL iDiD E VOVO t 1 Condução do transistor t 2 Condução do diodo

2 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 2 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: C gs, C gd e C ds. A partir delas se definem: C iss, C rss e C oss. Transistor Mosfet – Características dinâmicas G CgdCgd D S C ds

3 Fontes de alimentação c.c.-c.a 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 C iss, devido a C rss. V GS Forma de onda da tensão V GS Q GD D G S C ds CgdCgd V GS V DS

4 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 4 Transistor IGBT – Características dinâmicas V GE G E C V CE 1.Possui características de transistor MosFet na entrada e de transistor Bipolar na saída; 2.Os tempos de comutação do transistor dependem do circuito de comando; 3.O diodo em anti-paralelo é incorporado no encapsulamento e é compatível com os tempos de comutação do IGBT.

5 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 5 Definição dos tempos de comutação V DS tFtF tRtR V GS 10% 90% t d(on) t d(off) t F : tempo de descida t R : tempo de subida t d(on) : Atraso do disparo t d(off) : Atraso do bloqueio Transistor Mosfet / IGBT – Características dinâmicas

6 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 6 Transistor Mosfet / IGBT – Características dinâmicas Carga indutiva PERDAS V DS ITIT V GS V GS(th) P Mosfet t ri t fv t rv t fi IcIc E

7 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 7 Cálculo de Perdas nos semicondutores a) Perdas por condução Transistor MosFet

8 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 8 Cálculo de Perdas nos transistores MosFet a) Perdas por condução G D S R DSon

9 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 9 Cálculo de Perdas nos semicondutores a) Perdas por condução Transistor IGBT

10 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 10 Características do IGBTCaracterísticas do diodo Cálculo de Perdas nos transistores IGBT a) Perdas por condução

11 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 11 7,5m V GE =15Vr CE 1,05VT j =125CV CE(T0) Valor Máximo Condições de teste IGBT 6,5m rTrT 1,2VT j =125CV F(T0) Valor Máximo Condições de teste Diodo V I V TO Cálculo de Perdas nos transistores IGBT a) Perdas por condução

12 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 12 Cálculo de Perdas nos transistores IGBT a) Perdas por condução

13 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 13 Cálculo de Perdas nos semicondutores a) Perdas por condução Diodo

14 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 14 Cálculo de Perdas nos diodos a) Perdas por condução

15 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 15 Cálculo de Perdas nos semicondutores b) Perdas por comutação Transistor MosFet

16 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 16 Cálculo de Perdas nos transistores MosFet b) Perdas por comutação

17 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 17 IDID ICIC tata 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 Q rr tbtb t rr =t a +t b

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

19 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 19 Cálculo de Perdas nos semicondutores b) Perdas por comutação Transistor IGBT

20 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 20 Current tail 1.A base do transistor bipolar não está disponível 2.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

21 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 21 Ao contrário dos MOSFET, os tempos de comutação do IGBT não permitem avaliar as perdas de comutação Causa: 1.Não levam em conta o efeito de cauda da corrente; Este efeito é muito significativo no conjunto das perdas; 2.Além do mais, o tempo de queda da tensão V CE 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

22 Fontes de alimentação c.c.-c.a 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

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

24 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 24 Cálculo de Perdas nos dispositivos b) Perdas por comutação V GE =±15VDiodo I cn =200A 22mJT j =125CEon 11mJR Gon =R Goff =5ΩErr 22mJV cc =600VEoff Valor MáximoCondições de testeIGBT

25 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 25 Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação

26 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 26 Cálculo de Perdas nos semicondutores a) Perdas por comutação Diodo

27 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 27 Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação Formas de onda no bloqueio do diodo

28 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 28 Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação

29 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 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. iDiD tata Q rr tbtb E vDvD

30 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 30 Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação

31 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 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

32 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 32 ambiente Si j c a junção encapsulamento P (W) Tensões = Temperaturas Corrente = Perdas (W) Dissipação de calor T a : Temperatura ambiente P (W) c R THjc R THca j a TaTa

33 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 33 Exemplo: A resistencia térmica junção – encapsulamento é baixa ( 0.5 ºC/W) A resistencia térmica encapsulamento-ambiente é alta ( 50 ºC/W) T ca = R THca ·P = 50ºC/W · 1W = 50ºC T jc = R THjc ·P = 0.5ºC/W · 1W = 0.5ºC T j = T a + T ca + T jc = = = 75.5 ºC T j < 150 ºC OK Equivalente elétrico P (1W) c a R THjc (0.5 ºC/W) R THca (50 ºC/W) T a (25 ºC) T jc T ca

34 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 34 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 R THca Exemplo: R THra = 5 ºC/W T ca = R THeq ·P = 4.5ºC/W · 1W = 4.5ºC T jc = R THjc ·P = 0.5ºC/W · 1W = 0.5ºC T j = T a + T ca + T jc = = = 30 ºC Equivalente elétrico j c a P (1W) R THjc (0.5 ºC/W) R THca (50 ºC/W) T a (25 ºC) R THra (5 ºC/W)

35 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 35 Modelo de Radiadores

36 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 36 Modelo de Radiadores

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

38 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 38 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 400 V Montagem do dispositivo sobre o radiador

39 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 39 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

40 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 40 O isolante acrescenta uma resistencia térmica adicional. Mica de espessura 60 m: R TH : 1.4 ºC/W Mica de espessura 100 m: R TH : 2.2 ºC/W Alúmina de espessura 250 m: R TH : 0.8 ºC/W Para melhorar o contato térmico, pastas de silicone reduzem a resistencia térmica de 30% Para fazer o cálculo da R THra necessária pode-se desprezar a resistencia do próprio dispositivo (R THca ) Montagem do dispositivo sobre o radiador j c a P R THjc R THca TaTa R THcr Isolante Radiador r R THra

41 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 41 A R TH 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

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

43 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 43 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 R th

44 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 44 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 R th

45 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 45 Dimensionamento estático de radiadores 1.- Determinar T jmax (catálogo do fabricante) Se não, admitir que: T jmax Si = C 2.- Determinar R THjc (catálogo do fabricante) Se não, calcular a partir da máxima potência que o transistor é capaz de dissipar sem radiador R THjc = (T jmax – T C ) / P diss o C 3.- Determinar R THcr. (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

46 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 46

47 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 47 Dimensionamento estático de radiadores 1.Podem ser colocados vários dispositivos no mesmo dissipador 2.Centralizar o dispositivo semicondutor no dissipador.

48 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 48 A potência dissipada não é constante (Ex. na partida pode existir um pulso de potência) P diss T A dinâmica térmica é muito lenta P diss P med P MAX T A temperatura varia em torno de um valor médio Dimensionamento dinâmico de radiadores

49 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 49 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 TaTa c a P r

50 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 50 t1t1 Z thjc (t) D = 0.3 Z thjc (t 1 ) Temos 2 circuitos: TcTc TjTj T C ? P MAX ZtZt Temos 2 equações com 2 incógnitas: T C e R THra t1t1 T D = t 1 /T P P MAX P Media Dimensionamento dinâmico de radiadores c TaTa r a P R THra ? R thcr

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

52 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 52 Dimensionamento dinamico de radiadores Determinar: T jmax, T c e T r, para um transistor com encapsulamento T03, isolado eletricamente, sabendo que: R thra = 3°C/W, R thcr =0,8 o C/W, t 1 =100 s, T=200 s, P max =10W e Ta=40°C. t1t1 D = t 1 /T P P MAX T TjTj Z thjc TcTc R thcr 0,8 o C/W R thra 3 °C/W P dissmed =5W T a =40 o C TrTr Exemplo

53 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 53 a) Calcular a potência média dissipada T c = 5*(0,8+3) + 40 = 59 o C T r = 5* = 55ºC Dimensionamento dinamico de radiadores

54 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 54 Dimensionamento dinamico de radiadores b) Calculo da impedância térmica transitória, Z thjc. T jmax = 10 * 0, = 65 o C Z thjc =0,6 o C/W

55 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 55 Referências 1.Site do prof. Javier Sebastián Zúñiga, Universidade de Oviedo, Curso de Sistemas de Alimentación, cap. 8, 2.Robert W. Erickson, Fundamentals of Power Electronics, Editora Chapman & Hall, 1o. Edição Abraham I. Pressman, Switching Power Supply Design, Editora McGraw Hill International Editions, Site da Semikron,


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