Cálculo e Projeto de Dissipadores de Calor para Diodos e Tiristores. Guilherme de Azevedo e Melo

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1 Cálculo e Projeto de Dissipadores de Calor para Diodos e Tiristores Guilherme de Azevedo e Melo

2 Diodo: Tiristor: GTO: BJT: MOSFET: IGBT: + v D - Geração de Calor f P = V(TO) IFAV + rt IFRMS + trr IRM VD f P = V I + r I + t I V P = V I + r I (TO) FAV T FRMS rr RM D (TO) FAV T FRMS P = V I + V I t + t + t + t r I + P = ( R I + V I ) + V I ( t + t ) DS(on) ef SD D DS(off ) ef on off P = VCE(Sat) ICmed + VCE(off ) ICef ( t on + t off ) + rce(sat) ICef T 1 T ( ) Simbologia SEMIKRON + Parcela não linear multi-parâmetros) CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef ri fv rv f CE(Sat) Cef v(ωt) D i L + R v L - v( ωt) D 1 D i L + R v L - E R D v F i F /16

3 Diodo: Tiristor: GTO: BJT: MOSFET: IGBT: + v D - Geração de Calor f P = V(TO) IFAV + rt IFRMS + trr IRM VD f P = V I + r I + t I V P = V I + r I (TO) FAV T FRMS rr RM D (TO) FAV T FRMS P = V I + Parâmetros V I Normalmente ( t + t + t + tinexistentes ) + r I P = ( R I + V I ) + V I ( t t ) DS(on) ef SD D + DS(off ) ef on off P = VCE(Sat) ICmed + VCE(off ) ICef ( t on + t off ) + rp. CE(Sat) N. I. ICef CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef ri fv rv f CE(Sat) Cef T 1 T Simbologia SEMIKRON + Parcela não linear multi-parâmetros) v(ωt) D i L + R v L - v( ωt) D 1 D i L + R v L - E R D v F i F 3/16

4 IGBT Diodo V GE 90% Tiristor 10% V CE t GTO I C t BJT MOSFET IGBT: 90% 10% td(on) t on tr 90% início corrente de cauda 10% t d(off) t 1 t t f t 3 t t off Perdas em Condução Perdas na Comutação P = V I + V I t + t ( ) CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef on off 4/16

5 MOSFET Diodo Tiristor GTO BJT MOSFET IGBT Perdas em Condução Perdas na Comutação ( ) ( ) DS(on) ef SD D DS(off ) ef on off P = R I + V I + V I t + t 5/16

6 Transistor de Junção Bipolar Diodo Tiristor GTO BJT MOSFET IGBT BJT Parcelas Normalmente Insignificantes P = V I + V I t + t + t + t Trabalhando de Forma Chaveada ( ) CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef ri fv rv f 6/16

7 GTO Diodo Tiristor GTO BJT MOSFET IGBT Perdas em Condução Perdas na Comutação P = V I + r I (TO) FAV T FRMS Gráficos e Equações mais elaboradas 7/16

8 Diodo e Tiristor Diodo v 1(ωt) D 1 D D 3 L V D Tiristor GTO BJT MOSFET IGBT id1 id id3 v (ωt) v 3(ωt) π 3 π 3 D 4 D 5 D 6 π 3 ir ωt ωt V (TO) Perdas em Condução Perdas na Comutação ωt π f P = V I + r I + t I V (TO) FAV T FRMS rr RM D 8/16

9 Modelos para Cálculo Térmico de Semicondutores Modelo para Regime Permanente Temperatura no conjunto semicondutor + dissipador não varia. Modelo para Regime Transitório Temperatura no conjunto semicondutor + dissipador varia. 9/16

10 Modelo para Regime Permanente Modelo utilizando analogia à circuitos elétricos R jc R cd R da V 1 R V T j T c P T d ( ) T T = R + R + R P j a jc cd da T a I V1 V = R I T j : Temperatura de junção ( C) Dado do fabricante Usualmente 15 C); T c : Temperatura da cápsula ( C); T d : Temperatura do dissipador ( C); T a : Temperatura ambiente ( C); R jc : Resistência térmica junção-cápsula ( C/W); R cd : Resistência térmica cápsula-dissipador ( C/W); R da : Resistência térmica dissipador-ambiente ( C/W); P: Potência térmica que flui da junção para o ambiente (W). 10/16

11 Modelo para Regime Permanente R jc R cd R da Tj Ta = Rja P T j T c P T d T a T j R ja P T a Rja = Rjc + Rcd + Rda R ja : Resistência térmica junção-ambiente ( C/W); R jd : Resistência térmica junção-dissipador ( C/W); R ca : Resistência térmica cápsula-ambiente ( C/W); R jd R da R jc R ca T j T d P T a T j T c P T a 11/16

12 Modelo para Regime Transitório Modelo utilizando analogia à circuitos elétricos P P 1 P T j P = P 1 + P P C ja R ja 1 R P = P dt = T T = T ja 1 j a Cja T a P dp P = + R C dt R C ja ja ja ja Fornecido pelo fabricante Z t : Impedância térmica ( C/W); T: Variação de Temperatura ( C); Resolvendo por Laplace e Manipulando P t T Rja C R 1 e ja = = Z ja t 1/16

13 Característica dos Dissipadores 13/16

14 Metodologia de Projeto Calcula-se a potência média dissipada no semicondutor; Em função dos parâmetros de catálogo fornecidos pelo fabricante, calcula-se a resistência térmica dissipadorambiente para que a temperatura de junção não ultrapasse o valor desejado; A resistência térmica do dissipador deve ser menor que a calculada. Calcula-se um R da utilizando um dissipador com R da exatamente igual: Obtém-se uma T j. ( ) T = R + R + R P + T j jc cd da a Com R da maior (R da+ ): T j+ > T j Com R da menor (R da- ): T j- < T j 14/16

15 Metodologia de Projeto Resistência Térmica do Perfil: 0,73 C/W/4 o R da ~ 1,45 0,73 = 1,06 C / W 15/16

16 Exemplo de Projeto + v D - v ( ω t) = 0 sen( ωt) f = 60Hz R = 10Ω D = SKN0/04 R jc = C/W (R thjc ) R cd = 1 C/W (R thcs ) T j = 180 C V (TO) = 0,85V r T = 11mΩ T a = 50 C D + v(ωt) i L R v L - V o 0 π π 3π I I 0,45V R 0, o Dmed = = = 9, 9 0,707V R 0, o Def = = = 15, 55 A A ωt P = V ( TO) I Dmed + rt I Def T = P R + R + R ) ( jc cd da 3 P = 0,85 9, (15,55) = 11, 07W 130 o Rda = 3 8,8 C / W 11 o R da(dissipador) < 8,8 C / W 16/16

17 Exercícios 17/16