Cálculo Térmico. Nikolas Libert. Aula 3C Eletrônica de Potência ET53B Tecnologia em Automação Industrial

Transcrição

1 Cálculo Térmico Nikolas Libert Aula 3C Eletrônica de Potência ET53B Tecnologia em Automação Industrial

2 Cálculo Térmico em Regime Permanente A circulação de corrente nos semicondutores produz calor. A junção dos semicondutores possui uma temperatura limite, acima da qual ocorrerá a falha dos mesmos. A máxima corrente e potência aceitável para um semicondutor é determinada pela temperatura da junção. Para redução da temperatura, o calor deve ser transferido para o ambiente Uso de dissipadores, ventilação forçada, refrigeração... DAELT Nikolas Libert 2

3 A transferência de calor pode ser representada por um circuito equivalente. R jc R cd R da T j T c T d T a P Grandezas do circuito equivalente: T j : Temperatura da junção ( C) T c : Temperatura da cápsula ( C) T d : Temperatura do dissipador ( C) T a : Temperatura do ambiente ( C) P: Potência térmica transferida ao ambiente R jc : Resistência térmica entre junção e cápsula ( C/W) R cd : Resistência térmica entre cápsula e dissipador ( C/W) R da : Resistência térmica entre dissipador e ambiente ( C/W) R ja : Resistência térmica total ( C/W) DAELT Nikolas Libert 3

4 R jc R cd R da T j T c T d T a P No circuito equivalente, a analogia abaixo é válida: Circuito Térmico Potência P [W] Resistência Térmica R [ C/W] Temperatura T [ C] Circuito Elétrico Corrente I [A] Resistência R [Ω] Tensão V [V] Pelo circuito equivalente, a resistência térmica total R ja será: R ja = T j T a P R ja =R jc +R cd +R da DAELT Nikolas Libert 4

5 Procedimento: A potência dissipada é calculada de acordo com o componente utilizado e com as correntes e tensões que atuam sobre o mesmo. A máxima temperatura de junção T j é fornecida no datasheet do componente. A temperatura ambiente T a é definida pelo projetista. Determina-se a resistência térmica total: R ja = T j T a P E a resistência térmica do dissipador: R da =R ja R jc R cd DAELT Nikolas Libert 5

6 Procedimento: R da =R ja R jc R cd R jc e R cd são encontrados no datasheet do componente. Deve-se escolher o dissipador com resistência térmica menor ou igual a R da. DAELT Nikolas Libert 6

7 Dissipadores Semikron Diodo Nome Massa SKN12, SKR12 SKN20, SKR20, SKN26, SKR26, SKNa20 SKN45, SKR45, SKN70, SKR70 Resistência Térmica (Incluindo a Resistência de contato cápsula-dissipador) Convecção Natural Ventilação (6m/s) K9 - M4 50g 10,5 C/W - K9 - M4 50g 9,5 C/W - K5 - M6 100g 5,7 C/W - K3 - M6 200g 3,8 C/W - K1,1 - M6 700g 2,2 C/W - K5 - M8 100g 5,0 C/W - K3 - M8 200g 3,0 C/W - K1,1 - M8 700g 1,3 C/W 0,60 C/W P1/120 - M8 1300g 0,85 C/W 0,40 C/W SKN100, SKR100, SKN130, SKR130 K3 - M12 200g 3,1 C/W - K1,1 - M12 700g 1,2 C/W 0,40 C/W P1/120 - M g 0,65 C/W 0,27 C/W K0,55 - M g 0,65 C/W 0,25 C/W DAELT Nikolas Libert 7

8 6,68mH 3Ω Exercício. (a) Obtenha o ângulo β de extinção da corrente. ϕ( ) β( ) V 60 Hz φ=atg( ω L R ) ω=2π f DAELT Nikolas Libert 8

9 6,68mH 3Ω (b) Esboce a tensão v S. v E V 60 Hz + V S - v S DAELT Nikolas Libert 9

10 3Ω (c) Desconsiderando a existência do indutor calcule a corrente média e eficaz no diodo V 60 Hz DAELT Nikolas Libert 10

11 (d) Obtenha a dissipação de potência no diodo, que é do tipo SKN20. I D V (T0) r T 2 P=V (T 0) I Dmed +r T I Def I Dmed =16,51 A I Def =25,93 A DAELT Nikolas Libert 11

12 (e) Calcule a resistência térmica do dissipador para temperatura ambiente de 50 C. P D = 21,43 W DAELT Nikolas Libert 12

13 Diodo Nome Massa SKN12, SKR12 SKN20, SKR20, SKN26, SKR26, SKNa20 SKN45, SKR45, SKN70, SKR70 SKN100, SKR100, SKN130, SKR130 Resistência Térmica (Incluindo a Resistência de contato cápsula-dissipador) Convecção Natural Ventilação (6m/s) K9 - M4 50g 10,5 C/W - K9 - M4 50g 9,5 C/W - K5 - M6 100g 5,7 C/W - K3 - M6 200g 3,8 C/W - K1,1 - M6 700g 2,2 C/W - K5 - M8 100g 5,0 C/W - K3 - M8 200g 3,0 C/W - K1,1 - M8 700g 1,3 C/W 0,60 C/W P1/120 - M8 1300g 0,85 C/W 0,40 C/W K3 - M12 200g 3,1 C/W - (e) Qual o dissipador adequado? SKN20 e Rda<3,07 C/W K1,1 - M12 700g 1,2 C/W 0,40 C/W P1/120 - M g 0,65 C/W 0,27 C/W K0,55 - M g 0,65 C/W 0,25 C/W DAELT Nikolas Libert 13

14 DAELT Nikolas Libert 14

15 Cálculo Térmico em Regime Transitório Cálculo Térmico em Regime Transitório A elevação da temperatura num semicondutor que estava desligado depende da capacidade térmica. P T j T a Para circuitos que funcionem intermitentemente, a capacidade térmica deve ser levada em consideração no cálculo térmico. DAELT Nikolas Libert 15

16 Referências BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência, 6ª Edição, Ed. do Autor, Florianópolis, DAELT Nikolas Libert 16