Chaveamento dos Dispositivos Semicondutores de Potência Chaves Ideais Na análise de sistemas com semicondutores de potência ocorrem frequentemente casos nos quais considera-se os dispositivos de chaveamento de potência ideais, ou seja admite-se que os mesmos: a) Não tem resistência entre os terminais de chaveamento. b) Suportam tensões direta e reversas infinitas. c) Como decorrência do item (a), não dissipam calor. d) O tempo de ligamento (subida da corrente = rise time) é zero, assim como o tempo de desligamento (turn off time). e) Tem um terminal de acesso que permite o controle através de um sistema de controle eletrônico. Em condições ideais a potência dissipada na chave quando a mesma opera no estado fechado (ON) é o produto da tensão sobre a chave pela corrente que flui pela mesma, ou seja, como nas condições ideais a tensão direta é zero, a potência dissipada em um chave ideal é zero, porem em operações com chaves reais a energia dissipada em cada chaveamento do mesma dentro de um interfalo finito de chaveamento (em Joules) é dada por. Chaves Semicondutoras de Potência Reais Na realidade, quando utilizamos chaves semicondutoras de potência, todo o cuidado é necessário na escolha de dispositivos que suportem: a) A corrente eficaz direta máxima a suportar. b) As tensões direta e reversa máximas. c) A potência máxima que a suportar utilizando um dissipador adequado. d) Frequência máxima de operação. e) Tensão máxima ou corrente máxima de gatilhamento para o estado ON. f) Corrente de fuga do terminal de gatilho Exemplo 1: A figura abaixo mostra um inversor monofásico (conversor CC CA) simples que opera com ativação por dois sinais de onda quadrada de 1000Hz e com ciclo de serviço igual a 50%, defasados de 180º, sendo que um dos sinais é aplicado simultaneamente em S1 e S3 e o outro simultaneamente em S2 e S4. O comportamento modelado para a tensão em cada chave, na situação de chaveamento é dado pela expressão enquanto na situação de condução normal é de 1,5V. Se o inversor operar na frequência de 200 Hz e o tempo de chaveamento ON (ligamento) for 0,1 ms e o de desligamento 0,12 ms, determinar: 1
a) A potência instantânea máxima dissipada em cada chave em sua condição de chaveamento e a potência media dissipada por cada chave. b) A potência instantânea máxima na saída e a eficiência média do conversor. Solução (a): Conversor do exemplo 1 Quando S1 e S3 estão no estado ON a seguinte expressão é válida: De onde se obtém, portanto a tensão sobre cada chave é E a potência máxima instantânea dissipada em cada chave por operação de chaveamento é dada por, assim a energia dissipada em uma chave por operação de chaveamento é. A energia dissipada em cada chave fora da região de chaveamento é. Isso permite o cálculo da energia total por período de operação por chave. Daí a potência média dissipada por período por chave é. Solução (b): Quando duas chaves estão no estado ON fora da região de chaveamento a tensão de regime no resistor é e a potência instantânea no mesmo e a energia colocada 2
no resistor é, porem durante o chaveamento a tensão no resistor é e a energia no resistor de carga é, assim a potência média na carga é. A energia total absorvida da fonte no mesmo período é que leva a energia perdida devido ao chaveamento das quatro chaves por período. Note que 0,076/4=0,019J que equivale a potência perdida por chave de 0,019/0,005=3,8W. O Desempenho Dinâmico das Chaves Semicondutoras de Potência As chaves semicondutoras, após sua ativação ou desativação via terminal de controle, tem um tempo finito para alcançar o estado de regime correspondente. É durante a transição OFF-ON ou ON-OFF que ocorrem as maiores perdas térmicas na chave semicondutoras, as chamada perdas de chaveamento. Na condição de regime OFF a tensão entre os terminais da chave pode ser bastante grande, mas a corrente na mesma é praticamente nula o que leva a ter potência praticamente nula nessa operação, na condição de operação ON a tensão entre os terminais da chave é pequena, mas não é nula, isso faz com que na condição de regime de condução haja algum aquecimento da chave por efeito Joule. Forma de onda do chaveamento em chaves semicondutores de potência Na condição de chaveamento OFF-ON a tensão decresce de seu valor máximo até seu valor de condução enquanto a corrente sai de zero e cresce até atingir seu valor operacional e na condição de chaveamento OFF-ON a situação 3
reversa ocorre. Durante esses intervalos ocorre um pico de potência na chave semicondutora com mostra a figura acima A forma de onda da potência dissipada no chaveamento mostra claramente que o aumento da frequência operacional da chave leva ao aumento da temperatura da mesma, isso é um dos fatores que impõem um limite de frequência máxima de operação nas chaves semicondutoras de potência, um outro fator importante é o conjunto de capacitâncias parasitas que surge em decorrência da estrutura dos semicondutores e que consequentemente diminuem a banda operacional de frequência dos mesmos, outro fator limitante é a densidade máxima de corrente que a área de condução do dispositivo suporta. Exemplo 2 Uma chave semicondutora de potência opera de acordo com o diagrama abaixo chaveando uma tensão CC de 300V. Os tempos de chaveamento são t ON =5us e t OFF =8us, a tensão sobre a chave no estado OFF é igual a do barramento CC e a corrente de estado ON igual a 10 A. A chave opera em ação repetitiva com frequência f (Hz). Assuma que a chave opera com um ciclo de serviço D de 60%. Admitindo que as transições da tensão e da corrente tanto no estado ON como no estado OFF são lineares, determinar a frequência de chaveamento a partir da qual a perda de potência por chaveamento excede a perda de potência estática. Figura relativa ao exemplo 2 A tensão na região de transição OFF-ON pode ser modelada pela expressão: E a corrente 4
De modo que a potência instantânea pode ser calculada por: E a energia dissipada durante t ON é: Utilizando o mesmo método para t OFF. A energia total perdida ou dissipada no chaveamento é dada por: A potência média dissipada no chaveamento é dada por: Utilizando os valores do exemplo 2 obtemos: O ciclo T ON do ciclo serviço da chave pode ser definido como: Daí obtemos: A energia dissipada na operação estática é: E a potência estática média é: 5
Utilizando os valores fornecidos obtemos: Igualando as expressões da potência de chaveamento com a potência estática obtemos o ponto onde a potência de chaveamento iguala a potência estática. Resolvendo para f obtemos: E a potência dissipada nessa frequência é: A Utilização de Dissipadores de Calor As embalagens ou packages construtivos dos semicondutores de potência geralmente tem volume e massa muito pequenos, o que impede esses dispositivos de dissiparem adequadamente o calor gerado internamente por efeito Joule. A temperatura interna máxima desses dispositivos é limita a um pouco mais de uma centena de graus Celsius, de modo que sua operação exige o uso de dissipadores de calor para manter a temperatura interna dentro da região suportável por esses dispositivos. Admitindo a condição de potência média dissipada pelos dispositivos semicondutores de potência e a temperatura interna máxima que os mesmos suportam é possível aplicar alguns conceitos básicos da termodinâmica para especificar os dissipadores adequados para uma determinada chave semicondutora operando sob determinadas circunstâncias. O circuito equivalente abaixo define o comportamento térmico e o fluxo de potência entre um dispositivo de potência e o ambiente em que o mesmo está operando. Algumas definições: é a resistência térmica entre a junção da chave semicondutora e o invólucro da mesma. é a resistência térmica entre o invólucro do dispositivo e a dissipador de calor acoplado ao mesmo. é a resistência térmica entre o dissipador e o ambiente operacional do dispositivo. 6
,, são as temperaturas da junção, do invólucro e do dissipador respectivamente. é a temperatura (máxima) do ambiente de operação é a potência na junção do dispositivo. O valor de Figura do circuito térmico equivalente em ºC/W é fornecido pelo fabricante em suas folhas de dados do dispositivo de potência, em ºC/W também é fornecido pelo fabricante sob determinadas condições como uso de pasta térmica, isolante elétrico específico, etc, e o valor de também em ºC/W está relacionado ao dissipador onde o fabricante de dissipadores fornece uma família de curvas de dissipadores para que o projetista defina qual é necessário para seu projeto. Exemplo: Uma chave semicondutora de potência é especificada com resistência térmica da junção para o invólucro =0,6º C/W e é montada em um dissipador de forma adequada de modo que a resistência entre o invólucro e o dissipador é =0,25º C/W. A resistência térmica entre o dissipador que será utilizado e o ambiente, verificada nas curvas do fabricante de dissipadores é 0,15º/W. a) Admitindo que a chave esteja operando dissipando 60W na junção e que a temperatura máxima da cabine em que a chave será instalada é 45ºC, determinar (i) a temperatura da junção (ii)a temperatura do invólucro da chave e (iii) a temperatura da superfície do dissipador. b) A dissipação de potência na chave consiste de potência perdida estática, que pode ser definida como W, onde I é a corrente de estado ON da chave (em A) e a potência perdida no chaveamento que pode ser definida como W, onde f é a frequência de chaveamento (em Hz). Determinar, a partir do modelo térmico a corrente de estado ON limite na frequência de 500Hz se a temperatura da junção não exceder a especificada no item (a) e a 7
Solução (a) chave estiver operando em uma cabine a 45º C. Repita o procedimento para a frequência de 5kHz. A temperatura a junção é A diferença de temperatura entre a junção e o invólucro é: A temperatura da junção é A diferença de temperatura entre o invólucro da chave e o dissipador é: E a temperatura na superfície do dissipador é Solução (b) A partir dos dados fornecidos, podemos calcular a potência dissipada na junção da chave: Solução (c) Aplicando o mesmo método acima verificamos que nesse caso a corrente em 5000Hz deverá ser menor ou igual a 4 A. 8