Disciplina de Eletrônica de Potência ET66B

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1 UNIVESIDADE TECNOLÓGICA FEDEAL DO PAANÁ DEPATAMENTO ACADÊMICO DE ELETOTÉCNICA CUSO DE ENGENHAIA INDUSTIAL ELÉTICA Disciplina de Eletrônica de Potência ET66B Aula 10 Cálculo térmico UTFP Campus Curitiba 1

2 Problema Corrente em circulação produz calor perdas nos semicondutores Condução: associado à potência processada pelo conversor Comutação: associado à frequência da comutação do conversor Calor deve ser transferido para o ambiente (dissipadores heat sink) Cálculo térmico é fundamental (segurança e vida média) MTBF - Mean Time Between Failures UTFP Campus Curitiba 2

3 Objetivo do cálculo térmico Calcular um sistema de dissipação que evite que a temperatura de junção (T J ) ultrapasse o máximo valor permitido na pior condição de temperatura ambiente (T amb ) na pior condição de operação egime permanente: Potência média evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela falta de dissipador adequado egime transitório: Potência de pico evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela dificuldade de transferência de calor Temperatura de junção T Jmáxima (dado do fabricante) UTFP Campus Curitiba 3

4 Cálculo térmico em regime permanente Circuito térmico equivalente T j temperatura da junção ( C) T c temperatura da cápsula ( C) T d temperatura do dissipador ( C) T a temperatura ambiente ( C) P potência térmica, circula no componente e é transferida ao ambiente (W) jc resistência térmica junção-cápsula ( C/W) cd resistência térmica cápsula-dissipador ( C/W) da resistência térmica dissipador-ambiente ( C/W) ja resistência térmica junção-ambiente ( C/W) ja jc + cd + da UTFP Campus Curitiba 4

5 Cálculo térmico em regime permanente Procedimento: a) P - calculada com dados do componente e da corrente que circula b) T j - fornecida pelo fabricante do componente c) T a valor adotado pelo projetista (máxima temperatura ambiente) d) Com a expressão abaixo determina-se a resistência térmica total: TJ Ta ja P ja T J P T a e) Com o valor anterior calcula-se a resistência térmica do dissipador: da ja jc cd UTFP Campus Curitiba 5

6 esistências térmicas jc e cd são fornecidas pelo fabricante do componente (diodo ou tiristor) Catálogo de dissipadores: da(comercial) da(calculado) Dimensionamento do dissipador de calor (heat sink) esistências térmicas negativas indicam que é impossível dissipar a potência demandada Caso tenha mais de um dispositivo semicondutor dissipador, deve-se somar todas as potências dissipadas pelos mesmos e deixar uma margem de folga (15%) 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 UTFP Campus Curitiba 6

7 egras práticas Impedir que a temperatura da junção ultrapasse o valor de 80% o valor máximo permissível (aumenta o MTBF do dispositivo) Ta deve ser considerado o valor de 40 C para instalação em ambiente ventilado ou valor maior para conversor instalado em ambiente enclausurado Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, usar isolante (mica, teflon) e considerar a sua resistência térmica ecomenda-se usar pasta térmica para evitar bolhas de ar entre o dispositivo e o dissipador UTFP Campus Curitiba 7

8 Exemplo UTFP Campus Curitiba 8

9 Curvas para cálculo térmico de diodos (a) Potência dissipada P FAV em função da corrente direta média I med (I FAV ) (b) Temp. da cápsula T C em função da temp. ambiente T a para diferentes resistências térmicas UTFP Campus Curitiba 9

10 elação de dissipadores Semikron( ca cd + da ) UTFP Campus Curitiba 10

11 Exemplos de cálculo térmico etificador meia-onda a diodo v( ωt ) sen ( ωt f 60 Hz 10 Ω D SKN 20 / 04 ) Calcular da para manter T j < T jmáxima, dados: jc 2 C / W ; cd 1 C / W ;T j 180 C( T vj ) V ( TO ) 0, 85V ; r T 11mΩ;T a 50 C UTFP Campus Curitiba 11

12 Corrente no diodo V Lmed 0, 45V0 0, I Dmed I Lmed 9, 9 A 10 0, 707 V0 0, I Def I Lef 15, 55 A 10 Potência média dissipada P 2 2 V( TO ) idmed + rt I Def 0, 85. 9, m.( 15, 55 ) 11, 07W UTFP Campus Curitiba 12

13 A potência também pode ser determinada utilizando o ábaco do fabricante Forma de onda senóidede 180 I med 9,9A P 11W UTFP Campus Curitiba 13

14 Cálculo do dissipador da T P da ( + + ) jc T P jc cd cd da da 8, 8 C / W Para comparar com a tabela da Semikron ca da + cd 8, , 8 C / W 2 C/W 1 C/W 8,8 C/W UTFP Campus Curitiba 14

15 Para o cálculo do dissipador também pode ser determinada utilizando o ábaco do fabricante Ta 50 C P 11W Assim : ca da 10 C / W ca ca cd cd + da 9 C / W É recomendado o dissipador K5-M6 ca 5, 7 C / W UTFP Campus Curitiba 15

16 Temperaturas resultantes para o dissipador escolhido Verificação: T j < T jmáxima 2,0 C/W 1,0 C/W 4,7 C/W 11W 50 C TJ Ta ja P T ( , 7) , C TJ ja P + Ta 7 ( + ).P + T ( 1+ 4, 7) , C c cd da a 7 Td da.p + Ta 4, , 7 C / W UTFP Campus Curitiba 16