Dimensionamento de interruptores. PCE Projeto de Conversores Estáticos 13/09/2017

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Dimensionamento de interruptores PCE Projeto de Conversores Estáticos 13/09/2017

2 Tópicos Escolha do semicondutor Cálculo de perdas Condução Comutação (quando aplicável) Perdas totais Cálculo do dissipador de calor 2

3 Dimensionamento dos interruptores Pré-escolha dos semicondutores: a) A pré-escolha é feita com base no valor médio de corrente e de tensão de bloqueio. 3

4 Dimensionamento dos interruptores Pré-escolha dos semicondutores: a) A pré-escolha é feita com base no valor médio de corrente e de tensão de bloqueio. b) Posteriormente, com uma população de opções reduzida, verifica-se as características estáticas (RDson ou VF ou Vce) c) Verifica-se também as características dinâmicas do semicondutor (tr, tf), de recuperação reversa (trr, Irr) ou energia envolvida nas comutações (datasheet). 4

5 Dimensionamento dos interruptores 5

6 Dimensionamento dos interruptores 45 RDS(on) Max 10V (mohms) MOFETS de 40 A (3/4/2013) K Budgetary Pricing (USD)

7 Dimensionamento dos interruptores 7

8 Dimensionamento dos interruptores Uma vez realizada a pré-escolha, determinam-se as perdas totais, perdas relativas ou eficiência e Rth do dissipador. Os resultados podem ser validados via simulação numérica (modelos mais completos, pspice). A utilização de semicondutores em paralelo/série é factível e pode ser necessária (existem outras soluções para estes casos - topologias). Atenção, alguns fabricantes oferecem a opção livre de chumbo (lead free!, ROHS compliant) A escolha entre IGBT ou MOSFET deve ser feita através de cálculo. Nos dias atuais, MOSFETS (Si) têm baixas perdas de condução até 600V ou CoolMOS até 1200V. Existe ainda os SiCs. 8

9 Dimensionamento dos interruptores Cálculo de perdas de condução em qualquer elemento: p(t) = v(t) i(t) Valor instantâneo, [W] P 1 = v(t) i(t)dt Ts Valor médio, [W] 9

10 Dimensionamento dos interruptores Modelo de condução do transistor MOSFET (unipolares) 10

11 Dimensionamento dos interruptores Modelo de condução do transistor MOSFET Atenção com a dependência da resistência com a temperatura. 11

12 Sobre o cálculo de perdas de condução: Para um MOSFET (componente unipolar) com modelo de condução, de forma simplificada: P 1 = v(t) i(t)dt Ts Aproximação para pequenas ondulações: 1 D Ts P = IL 0 IL R DSONdt Ts IL ef P = IL R D 2 IL DSON Formas de onda típicas da corrente no interruptor de um conversor Boost em CCM 12

13 Sobre o cálculo de perdas de condução: E sabemos que: P = IS R 2 ef DSON 1 D Ts 2 ISef = IL 0 dt Ts IS = IL D ef P = IL D R 2 DSON 13

14 Sobre o cálculo de perdas de condução: Assim, para um MOSFET ou outro componente com característica de condução puramente resistiva vale: P = IS R 2 ef DSON Em que RDSON altera-se com a temperatura. 14

15 Sobre o cálculo de perdas de condução: Modelo para IGBTs ou diodos (bipolares) No caso de componentes bipolares (diodo, BJT ou IGBT) e em situações em que ocorre grande variação de corrente enquanto o interruptor estiver em condução, pode-se considerar a utilização da curva VCE(IC, Tj). Com o auxílio de programa numérico e do gráfico, é possível aproximar a curva para uma expressão do tipo (ou maior ordem): V (Ic) = V + Ic R +... CE CE F 0 Dessa forma obtém-se precisão no cálculo de perdas, pois VCE é variável com a corrente. 15

16 Sobre o cálculo de perdas de condução: Modelo para IGBTs ou diodos (bipolares): Origem do modelo de condução dos igbts, diodos e BJTs 16

17 Sobre o cálculo de perdas de condução: Melhorando a representação do modelo, potência instantânea Polinômio reduzido, partindo de zero, com R^2 (coeficiente de determinação/ correlação) mais próximo da unidade. Pode-se utilizar as formas de onda mais reais da corrente dos semicondutores (matematicamente ou simulações) 17

18 Sobre o cálculo de perdas de condução: Ou de forma simplificada, pode-se usar o modelo abaixo, simplificando ainda mais: Em alta frequência e correntes não muito altas, RF pode ser desprezado. P 1 = v(t) i(t)dt Ts Para pequenas ondulações (ripple) VCE é quase constante: 1 D Ts P = IL 0 VCE dt Ts P = IL V D CE 18

19 Sobre o cálculo de perdas de condução: Mas sabemos que: P = IS V CE 1 D Ts IS = IL 0 dt Ts IS = IL D P = IL D V que está correto, ou seja: CE P = IS V CE 19

20 Comentários finais Atenção para o Absolute Maximum Ratings 20

21 Comentários finais A tensão de bloqueio do interruptor depende da topologia do conversor (não é sempre Vi ou Vo!) Respeitar SOA (Safe Operating Area) Perdas de comutação (próxima aula) dependem da topologia e modo de operação do conversor 21

22 Comentários finais Alguns fabricantes de semicondutores: International Rectifier SGS Thomson (ST micro) Motorola (On Semiconductor) Infineon Semikron Ixys Powerex Microsemi Intersil Dynex ABB 22

23 Exercício: a) Para o IGBT da figura abaixo, obtenha os parâmetros de uma expressão que represente adequadamente a curva da tensão VCE em função da corrente Ic (125 oc). 23

24 Exercício: b) Considerando que is(t) (corrente no IGBT) varie de acordo com a figura abaixo, calcule a potência média dissipada no interruptor em um período de comutação, válida para temperatura de 150 o C. Considere apenas perdas de condução. 24

25 Referências bibliográficas [1] [ 2] Exercício, Ricardo Weber Weihermann, UDESC,