Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica Disciplina Eletrônica de Potência (ENGC48) Tema: Comutação e Perdas Térmicas Eduardo Simas (eduardo.simas@ufba.br) Aula 8
Sumário Introdução Circuitos Amaciadores (Snubbers) Perdas Térmicas Exercícios de Fixação 2/22
1. Introdução 3/22
Introdução Na montagem de conversores eletrônicos de potência é necessário considerar aspectos práticos como: A necessidade de circuitos de proteção para as chaves semicondutoras (conhecidos como circuitos amaciadores ou snubbers). As perdas térmicas associadas à dissipação de potência nos dispositivos semicondutores e utilização de sistemas dissipadores de calor. Estes aspectos serão abordados a seguir. 4/22
2. Circuitos Amaciadores 5/22
Circuitos Amaciadores A função de um circuito amaciador é reduzir o esforço elétrico sobre o dispositivo durante o chaveamento para níveis dentro dos limites suportados. Os circuitos amaciadores podem ser projetados para: Limitar o pico de tensão no transitório de desligamento Limitar a taxa de crescimento da tensão (dv/dt), lembrando que os tiristores podem ser disparados de modo forçado se a taxa de variação da tensão for alta. Controlar as características de chaveamento de transistores. Etc. 6/22
Amaciadores para limitar dv/dt Um circuito RC conectado em paralelo com o dispositivo semicondutor (diodo, tiristor, TRIAC, GTO, etc) é capaz de: Circuito Tipo 1 Reduzir a taxa de crescimento da tensão (reversa ou direta). Limitar os picos de tensão sobre o dispositivo. A tensão no dispositivo segue a dinâmica imposta pela rede RC. Quando o SCR é ligado o capacitor C se descarrega, ocasionando um pico de corrente no dispositivo semicondutor que é limitado pelo resistor R. 7/22
Amaciadores para limitar dv/dt Neste caso o pico de corrente produzido pela descarga do capacitor pode ser minimizado pela escolha adequada dos resistores R1 e R2. Circuito Tipo 2 Com R1 << R2: Enquanto a tensão direta sobre o tiristor aumenta é criado um caminho de baixa resistência para a carga do capacitor (Req R1//R2); Quando o tiristor é disparado a descarga do capacitor ocorre apenas através de R2, limitando a corrente enviada para o dispositivo semicondutor. 8/22
Amaciadores para limitar dv/dt De modo semelhante ao circuito 2, o diodo cria um caminho preferencial para a corrente de carga do capacitor enquanto o tiristor está em bloqueio direto. Circuito Tipo 3 Com o acionamento do dispositivo semicondutor, a energia armazenada no capacitor é descarregada através de R e L. O indutor impede que ocorra um pico de corrente no dispositivo semicondutor devido à descarga do capacitor. 9/22
Amaciadores para Chaveamento de Transistores Os transistores de potência (TBJ, MOSFET, IGBT, etc) se comportam de modo diferente de uma chave ideal durante os transitórios de chaveamento: Dependendo das características do circuito podem ocorrer: Picos de corrente Corrente de bloqueio não nula Tensão no estado ligado não nula Chaveamentos não instantâneos etc É interessante a utilização de circuitos auxiliares (amaciadores) que minimizem algumas destas características. 10/22
Amaciadores para Chaveamento de Transistores O circuito amaciador pode ser utilizado para manter o dispositivo dentro da região de operação segura. 11/22
Amaciadores para Chaveamento de Transistores Considerando as características dinâmicas, o aumento de Vce é atrasado, evitando o pico de dissipação de potência, e consequentemente protegendo e aumentando a vida útil do dispositivo. 12/22
3. Perdas Térmicas 13/22
Introdução A circulação de corrente elétrica provoca dissipação de potência. A potência dissipada converte-se em calor por efeito Joule. Relações entre potência e energia: 1 J = 1 W.s 1 cal = 4,187 J Os semicondutores são projetados para operar dentro de uma certa faixa de temperatura. Deste modo, é necessário estabelecer critérios para o dimensionamento de sistemas de dissipação de calor para os componentes eletrônicos. 14/22
Estimativa das Perdas (aprox. linear) Considerando um dispositivo semicondutor genérico: Desligado Ligado Desligado 15/22
Comportamento em Regime Permanente Resistência Térmica: Analogia com circuito elétrico: Sendo: Tj Temp. na Junção Tc Temp. na Cápsula Ta Temp. Ambiente Td Temp. no Dissipador 16/22
Comportamento em Regime Permanente Utilizando o dissipador de calor: 17/22
Comportamento com Ventilação Forçada O valor de Rtda é inversamente proporcional à velocidade do ar em ventilação forçada 18/22
Exemplos de Dissipadores de Calor... 19/22
4. Exercícios de Fixação 20/22
Exercícios de Fixação 1) Um MOSFET utilizado num conversor DC-DC abaixador tem perda no estado ligado igual a 50 W, ciclo de trabalho 50 % e perda de chaveamento dada por: 10-3 fs (em watts), sendo fs a frequência de chaveamento em Hz. A resistência térmica da junção para a cápsula é Rtjc = 1 o C/W e máxima temperatura na junção igual a 150 o C. Assumindo que os tempos de comutação do dispositivo são desprezíveis e que a temperatura na capusula é 50 o C, calcule a máxima frequência de chaveamento que pode ser utilizada no dispositivo. 2) O MOSFET da Questão 01 é montado juntamente com um dissipador de calor. Sabendo que a temperatura ambiente é de 35 o C e que a Resistência Térmica entre a cápsula e o ambiente é da ordem 0,5 o C/W, encontre a resistência térmica necessária para o dissipador de calor de modo que o dispositivo possa operar com uma margem de segurança de 20 % em relação à máxima temperatura na junção. 3) Para o diodo BYC8-600 encontre a frequência máxima de chaveamento que garante que a máxima temperatura de operação no dispositivo seja menor que 70 % da temperatura máxima permitida. 4) Um certo dispositivo semicondutor dissipa 10 w durante o ciclo de operação. Considerando que Rtjc = 4 o C/W e Rtca = 60 o C/W, verifique a necessidade de utilização de dissipador de calor se a temperatura máxima da junção é 150 o C. Caso seja necessário utilizar um dissipador, encontre o valor da Rtda. 5) Para o problema da Questão 05, considerando que está disponível apenas um dissipador de calor com Rtda = 20 o C/W, o que pode ser feito para garantir a operação segura do dispositivo semicondutor? 21/22
Referências Mohan, Undeland & Robbins. Power Electronics Converters, Applications and Design, Wiley, 1995. Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and Applications, Segunda Edição, Elsevier, 2007. Ahmed, Ashfak. Eletrônica de Potência, Wiley, Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em 2002. Algumas figuras utilizadas neste documento foram retiradas das referências listadas acima. 22/22