ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento

Transcrição

1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Aula 04 Dispositivos e dimensionamento, Dr. Eng. leandromichels@gmail.com 1

2 Diodo ideal Característica estática tica Circuito equivalente i k A C esp. bloqueia conduz 2 1 A C 1 v k 2 A C 1 2 Polarização reversa circuito aberto Polarização direta curto-circuito circuito 2

3 Diodo real Característica estática tica Circuito equivalente A C 2 1 A C 1 2 A v (TO) 3 A C 3 v r RRM RRM r T C 1 2 Polarização reversa bloqueio Polarização direta curto-circuito circuito 3 Região de avalanche curto-circuito circuito 3

4 Diodo real Característica dinâmica Não controlada chave passiva Recuperação direta entrada em condução Recuperação reversa saída de condução Geram problemas em circuitos de comutação forçada Provocam substanciais perdas e sobrecorrentes 4

5 Diodo real Perdas P = P + P P sw perdas de comutação (W) P c perdas de condução (W) P perdas totais (W) Perdas de condução sw c P = v i + r i 2 c ( TO) avg T rms i avg corrente médiam i rms corrente eficaz r T resistência do diodo catálogo v (TO) tensão de condução - catálogo Em conversores comutados pela linha, as perdas de comutação podem ser desconsideradas 5

6 Tiristor ideal Característica estática tica esp. i k conduz 3 com. 1 bloqueia bloqueia 2 esp. v k Circuito equivalente 1 2 A C G A C A C 3 A C 1 2 Polarização reversa circuito aberto Polarização direta circuito aberto (sem disparo) 3 Polarização direta circuito fechado (disparo) 6

7 Tiristor real Característica estática tica Circuito equivalente A C Polarização reversa bloqueio Polarização direta bloqueio 3 Polarização direta curto-circuito circuito (disparo) 4 Polarização direta curto-circuito circuito 1 2 A A C C 3 4 G A A v (TO) r T v RM r RRM C C 7

8 Tiristor real Característica estática tica (detalhes) 8

9 Tiristor real Legenda: 9

10 Tiristor real Característica dinâmica Semi-controlada abertura não controlada 10

11 Tiristor real Característica dinâmica 11

12 Tiristor real Perdas P = P + P P sw perdas de comutação (W) P c perdas de condução (W) P perdas totais (W) Perdas de condução sw c P = v i + r i 2 c ( TO) avg T rms i avg corrente médiam i rms corrente eficaz r T resistência do diodo catálogo v (TO) tensão de condução - catálogo Em conversores comutados pela linha, as perdas de comutação podem ser desconsideradas 12

13 Dimensionamento dos dispositivos Tensão máxima m reversa em diodos e tiristores Valores recomendados (mesmo assim devem ser empregados snubbers) 13

14 Dimensionamento dos dispositivos Corrente máxima m reversa em diodos e tiristores Corrente CC I CCmax = 0.8*I FAV Corrente CA I FAV Mean forward [on-state] current [I TAV ] I CAmax = 0.8*I FRMS I FRMD RMS forward [on-state] current [I TRMS ] 14

15 Cálculo térmicot Perdas nos semicondutores: Condução associada à potência processada pelo conversor Comutação associada à freqüência de comutação do conversor significativa para conversores de alta freqüência (khz) Propósito do cálculo c térmico: t Calcular um sistema de dissipação que evite que a temperatura de junção ultrapasse o máximo m valor permitido na pior condição de temperatura ambiente na pior condição de operação 15

16 Cálculo térmicot Verificar as duas condições: Regime permanente: Potência média m evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo m pela falta de tamanho do dissipador Regime transitório: rio: Potência de pico evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo m pela dificuldade de transferir rapidamente o calor da junção para o dissipador 16

17 Cálculo térmico t regime permanente Circuito elétrico equivalente: Legenda: P potência T temperatura R resistência térmicat Índices: j junção semicondutora c encapsulamento (case) d ou s dispositivo (device( device) ) ou dissipador (sink( sink) a ambiente Rja Dispositivos sem dissipador disponibilizam o valor de R ja ja 17

18 Cálculo térmico t regime permanente Projeto: 1) Dados T j, T a e P, calcular R ja P calculado a partir da corrente que circula pelo dispositivo, empregando os dados de catálogo T j obtido a partir do valor máximo m obtido no catálogo do semicondutor T a obtido considerando-se se a máxima m temperatura ambiente de operação do conversor R ja = T j T P a 18

19 Cálculo térmico t regime permanente 2) Dados R ja, R jc e R cd, calcular R da R ja obtido da etapa anterior R jc obtido no catálogo do semicondutor R cd obtido no catálogo do semicondutor Rda = R ja R jc Rcd 3) Dado R da, obter um dissipador cuja resistência térmica seja menor (em dissipadores de comprimento ajustável, calcular o comprimento mínimo) 19

20 Cálculo térmico t regime permanente Dimensionamento do dissipador: Resistências térmicas t negativas indicam que é impossível dissipar a potência demandada Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor no dissipador, deve-se somar todas as potências dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de folga (15%) No caso de pontes encapsuladas em módulo, m o cálculo é dado pela seguinte equação (vide Semikron): R ja = R jc + Rcs + n Rsa n número de dispositivos 20

21 Cálculo térmico t regime permanente Dissipadores de alumínio (ex. HS Dissipadores) Escolha do perfil e valores da resistência (comprimento de 4 polegadas) Compensação por uso de ventilação forçada Ex.: 0.73 o C/W 21

22 Cálculo térmico t regime permanente Dissipadores de alumínio: Compensação da diferença a de temperatura 22

23 Cálculo térmico t regime permanente Dissipadores de alumínio: Compensação da diferença a de comprimento 23

24 Cálculo térmico t regime permanente Dissipadores de alumínio: Compensação da altitude (ar rarefeito) 24

25 Cálculo térmico t regime permanente Dimensionamento do dissipador: Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor no dissipador, deve-se somar todas as potências dissipadas pelos mesmo e deixar uma margem de folga (15%) No caso de pontes encapsuladas em módulo, m o cálculo é dado pela seguinte equação (vide Semikron): Os dispositivos não devem ser instalados próximos à borda do dissipador, nem muito próximos entre si. Óxido de alumínio preto reduz em 25% a resistência térmica 25

26 Cálculo térmico t considerações finais Regras práticas: Impedir que a temperatura da junção ultrapasse o valor de 80% o valor máximo m permissível (aumenta o MTDF do dispositivo) T a deve ser considerado o valor de 40º para instalação em ambiente ventilado ou um valor maior para conversor instalado em ambiente enclausurado Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, usar isolante (mica, teflon, mylar). Considerar sua resistência térmicat Recomenda-se usar pasta térmica t para evitar bolhas de ar entre o dispositivo e o dissipador 26

27 Exemplos de dados de catálogo - diodo 27

28 Exemplos de dados de catálogo - tiristor 28

29 Exemplos de dados de catálogo - tiristor 29