Diodos de potência e cálculo térmico. Prof. Alceu André Badin

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1 Diodos de potência e cálculo térmico Prof. Alceu André Badin

2 Diodo Componente eletrônico semicondutor de dois terminais, formado por uma junção de cristais P (ânodo) e N (cátodo) que permite a passagem de corrente elétrica no sentido ânodo-cátodo e apresenta alta impedância no sentido cátodo-ânodo. Ânodo Cátodo

3 Diodo de potência Diodo para processamento de energia que apresenta alta capacidade de corrente e/ou tensões. Apresenta três diferentes processos de dopagem no mesmo componente que o diferencia do diodo de sinal: - Maior capacidade de corrente direta. - Maior tensão reversa máxima. - Tensão direta superior etc.

4 Diodos Ânodo Cátodo

5 Diodo Ideal Característica tensão x corrente Ânodo A i F Cátodo C i F + v F - v F V F >0 => Resistência nula entre A e C V F <0 => Resistência infinita entre A e C. Bloqueia tensões reversas infinitas. Não apresenta perdas.

6 Diodo Real Característica tensão x corrente Corrente reversa V RRM I R i F Tensão reversa máxima V (TO) 1 rt v F A + i F v F - C V F >V (TO) => Resistência r T entre A e C. V F <V (TO) => Resistência elevada entre A e C. Bloqueia tensões reversas menores que V RRM. Apresenta perdas de condução e comutação. Corrente reversa não nula.

7 Diodo Real Circuito equivalente em condução A A + + i i F F v F V (TO) v F - C r T - C Onde: V V V F ( TO) rt Perdas em condução: P V I C F Dmed OU P V I r I C ( TO) Dmed T Def V F = Tensão direta do diodo [V] P C = Perdas no diodo. [W] V (TO) = Tensão limiar de condução[v] r T = resistência série do diodo. [ ] I Dmed = Valor médio da corrente. [A] I Def = Valor eficaz da corrente. [A] 2

8 i F Diodo Real Diodo durante transitório de bloqueio (recuperação reversa) E - Q rr + dif E dt l trr I L t r t l C i F D i S i D I S L ri L t 0 : Interruptor S é fechado t 1 : tensão direta no diodo inicia decréscimo. t 2 : tensão direta fica negativa e tem um pico (V pico ) que pode ser destrutivo ao circuito. I RM V D t 0 t 1 t 2 Q rr t 3 E t t rr depende da temperatura da junção, da taxa de decaimento da corrente direta e I F. V pico

9 Diodo Real Diodo durante transitório de bloqueio (recuperação reversa) Perdas no bloqueio: i F 2 rr dif E dt l trr I L t r t I RM V D t 0 t 1 t 2 Q rr ri t 3 E t P Q E f P 2 = Perdas no bloqueio do diodo [W] Q rr = Carga armazenada em C durante condução. [C] E = tensão reversa do diodo após o bloqueio. [V] f = frequência de comutação V pico As perdas são significativas apenas quando a corrente de transição não é nula. O diodo nessa condição é forçado a comutar.

10 Diodo Real Diodo durante transitório de entrada em condução As perdas na entrada em condução são ocasionadas pelo atraso na transição do diodo o que provoca uma tensão direta superior a de condução. Ocorre apenas quando a comutação é de uma carga com características de fonte de corrente. São significativas apenas para frequências superiores a dezenas de khz. Perdas: P1 0,5( VFP VF ) Io trf f P 1 = Perdas na entrada em condução do diodo. [W] V FP = Sobretensão direta na entrada em condução. [V] f = frequência de comutação do diodo.[hz] t rf = tempo de atraso na transição. [s] I o = Corrente em condução do diodo. [A]

11 Diodo Real tipos de diodos Diodos standard: transição > 0,5μs (baixa frequência) Fast recovery: transição < 250 ns Soft-recovery transição amortecida sem pico de tensão (principalmente tecnologia Schottky) ultrafast-recovery transição < 100 ns Zero recovery (Carbeto de silicio, (SiC) Silicon Carbide) transição em tempo desprezível.

12 Diodo Real comparação do bloqueio

13 Diodo Real exemplos 1N400X

14 Diodo Real exemplos IDH10G65C5

15 Diodo Real Perdas totais no diodo: P P P P D C 1 2 P D = Perdas totais no diodo. [W] P C = Perdas em condução. [W] P 1 = Perdas na entrada em condução. [W] P 2 = Perdas no bloqueio. [W] Obs.: Para operação em baixa frequência P1 e P2, na maioria dos casos, não são significativas.

16 Cálculo Térmico Em semicondutores: Problemas: As perdas nos componentes produzem calor. Os componentes semicondutores possuem limites de temperaturas para o adequado funcionamento. O calor gerado deve ser transferido para o ambiente. Solução: Usar mecanismos para melhorar a transferência de calor para o ambiente. (dissipadores, ventilação forçada etc.)

17 Cálculo Térmico Cálculo térmico em regime permanente Circuito térmico equivalente: R jc R cd R da Ta T j T c T d P R R R R ja jc cd da T j - temperatura da junção ( o C). T c - temperatura da cápsula ( o C). T d - temperatura do dissipador ( o C). T a - temperatura ambiente ( o C). P - potência térmica sendo transferida ao meio ambiente (W). R jc - resistência térmica entre a junção e cápsula ( o C/W). R cd - resistência térmica entre o componente e dissipador ( o C/W). R da - resistência térmica entre o dissipador e o ambiente ( o C/W). R ja - resistência térmica entre a junção e o ambiente ( o C/W).

18 Cálculo Térmico Cálculo térmico em regime permanente O objetivo é evitar que a temperatura máxima da junção alcance valores próximos da máxima temperatura permitida, dada pelo fabricante. T j Pelo circuito térmico temos: j a ja ja R jc R cd R da Ta j T c T T R P R T T P a P T d T j - temperatura da junção ( o C). T a - temperatura ambiente ( o C). P - Perdas no componente. (W) R ja - resistência térmica entre a junção e o ambiente ( o C/W).

19 Cálculo Térmico Cálculo térmico em regime permanente Procedimento: P - é calculado a partir das características do componente e da corrente que por ele circula. T j - fornecida pelo fabricante do componente. T a - valor adotado pelo projetista. determina-se a resistência térmica total: Tj Ta R ja P determina-se a resistência térmica do dissipador: Rda Rja Rjc Rcd

20 Cálculo Térmico Cálculo térmico em regime permanente Procedimento: R R R R da ja jc cd São dados pelo fabricante do componente: R jc - resistência térmica entre a junção e cápsula ( o C/W). R cd - resistência térmica entre o componente e dissipador ( o C/W). Escolhe um dissipador com o valor da resistência térmica menor ou igual ao calculado (R da ).

21 Dissipadores DISSIPADORES Resistência Térmica (Incluindo a Massa Aproximada Resistência de contato cápsuladissipador Convecção Natural Ventilação Forçada 6m/s K9 - M4 50g 10,5 o C/W - K9 - M4 50g 9,5 o C/W - K5 - M6 100g 5,7 o C/W - K3 - M6 200g 3,8 o C/W - K1,1 - M6 700g 2,2 o C/W - K5 - M8 100g 5,0 o C/W - K3 - M8 200g 3,0 o C/W - K1,1 - M8 700g 1,3 o C/W 0,60 o C/W P1/120 - M8 1300g 0,85 o C/W 0,40 o C/W K3 - M12 200g 3,1 o C/W - K1,1 - M12 700g 1,2 o C/W 0,40 o C/W P1/120 - M g 0,65 o C/W 0,27 o C/W K0,55 - M g 0,65 O C/W 0,25 o C/W

22 Cálculo Térmico Cálculo térmico em regime transitório A capacidade térmica do componente impede que a temperatura cresça abruptamente. O comportamento da temperatura no transitório é de interesse do projetista principalmente nas seguintes ocasiões: O componente opera intermitentemente. A energia envolvida no inicio do circuito é elevada.

23 Cálculo Térmico Observações: Alguns catálogos de semicondutores apresentam curvas de perdas em relação a corrente média através do componente. Muitos datasheets não apresentam V (TO) e r T. Apenas V F para corrente nominal. A tensão V F também pode ser obtida, em muitos casos, em gráficos que relacionam a tensão direta x corrente média direta.

24 Referências AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência; Editora: Prentice Hall, 1a edição, BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência; 6ª Edição, UFSC, Christian Miesner et al. thinq! Silicon Carbide Schottky Diodes: An SMPS Circuit Designer s Dream Comes True! ( Datasheets: Vishay, Infineon e Semikron.