UNIVESIDADE TECNOLÓGICA FEDEAL DO PAANÁ DEPATAMENTO ACADÊMICO DE ELETOTÉCNICA CUSO DE ENGENHAIA INDUSTIAL ELÉTICA Disciplina de Eletrônica de Potência ET66B Aula 10 Cálculo térmico amauriassef@utfpr.edu.br UTFP Campus Curitiba 1
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
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
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
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
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
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
Exemplo UTFP Campus Curitiba 8
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
elação de dissipadores Semikron( ca cd + da ) UTFP Campus Curitiba 10
Exemplos de cálculo térmico etificador meia-onda a diodo v( ωt ) 2. 220 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
Corrente no diodo V Lmed 0, 45V0 0, 45. 220 I Dmed I Lmed 9, 9 A 10 0, 707 V0 0, 707. 220 I Def I Lef 15, 55 A 10 Potência média dissipada P 2 2 V( TO ) idmed + rt I Def 0, 85. 9, 9 + 11m.( 15, 55 ) 11, 07W UTFP Campus Curitiba 12
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
Cálculo do dissipador da T P da ( + + ) jc T P jc cd cd da 180 50 11 2 1 da 8, 8 C / W Para comparar com a tabela da Semikron ca da + cd 8, 8 + 1 9, 8 C / W 2 C/W 1 C/W 8,8 C/W UTFP Campus Curitiba 14
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
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 ( 2 + 1 + 4, 7). 11 + 50 134, C TJ ja P + Ta 7 ( + ).P + T ( 1+ 4, 7). 11+ 50 112, C c cd da a 7 Td da.p + Ta 4, 7. 11+ 50 101, 7 C / W UTFP Campus Curitiba 16