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Gerenciamento Trmico Parte 3: Transferncia de calor em semicondutores depotncia

Nesta terceira parte vamos analisar as ?perdas de conduo" que ocorrem enquanto o semicondutor permanece no estado ?ligado"ou de plena conduo. O mtodo de clculo destas perdas varia, dependendo do semicondutor e da forma de onda da corrente. Aindanesta parte ser abordado o conceito de impedncia trmica transit!ria e a sua aplicao ao clculo das perdas.

einric# $arfi%ano&itsc#

Perdas de conduo

'odos os semicondutores de pot(ncia, quando no estado de plena conduo, apresentam uma pequena queda de tenso entre osseus terminais principais.

)sta queda de tenso, associada * corrente de carga, resulta em perdas e conseq+ente aquecimento do semicondutor.

Na maioria dos casos, estas "$erdas de -onduo" representam a parcela principal das perdas totais em semicondutores. /mae0ceo o c#aveamento em freq+(ncias muito altas, quando as perdas de comutao podem tornarse predominantes1.

Veja tambm

Gerenciamento Trmico - Parte 1

Gerenciamento Trmico - Parte 2Gerenciamento Trmico - Parte 4

Tenso de limiar VTOe queda resistiva VR

A figura !"mostra a curva caracter2stica 34 tenso 5 corrente1 de um semicondutor "genrico" que poderia ser um tiristor, um 467'"saturado", ou at mesmo um diodo retificador polari8ado diretamente mas no um 9O:;)' 5 caso que ser visto em separado1.

Afigura !#ilustra a mesma curva depois de "lineari8ada" substitu2da por < segmentos de reta para facilitar os clculos1.

Notase que, para uma dada corrente 4=, a queda de tenso total 3;pode ser decomposta em duas componentes>

/ma tenso 3'O fi0a ou "de limiar", independente da corrente. /ma queda de tenso 3@, proporcional * corrente. )sta segunda componente comportase e0atamente como se e0istisse umresistor de pequeno valor embutido no semicondutor.

)sta resist(ncia interna costuma ser designada como @: , de ":lope resistance", assim c#amada por ter o seu valor definido pelainclinao da curva 3 4 :lope inclinao em ingl(s1.

Os data s#eets dos fabricantes normalmente fornecem o valor de @:, mas este pode tambm ser obtido facilmente a partir da curvacaracter2stica 34 do semicondutor.

7asta escol#er um ponto qualquer sobre a parte inclinada da curva por e0emplo, o ponto "7" na figura B71 e dividir a tensocorrespondente 3@ pela corrente 4= figura !$1.

Valores comuns de R%

Nos semicondutores de pot(ncia o valor de @: costuma ficar na fai0a de B milio#m at algumas de8enas de milio#ms.

C primeira vista poderia parecer que uma resist(ncia da ordem de alguns milio#ms no produ8iria perdas significativas e poderia serdespre8ada.

4sto pode at ser vlido para aplicaDes envolvendo correntes de uns poucos ampEres.

9as, devemos lembrar que os semicondutores industriais podem controlar correntes de centenas e at mil#ares de ampEres 5 e estasperdas so proporcionais ao quadrado da correnteF

Valores comuns de VTO

O valor da tenso de limiar 3'O dos semicondutores industriais fica entre limites mais ou menos estreitos, geralmente na fai0a de G,Ha B,< 3.

$&lculo das perdas de conduo em tiristores e diodos

=evido * e0ist(ncia de duas componentes distintas da queda de tenso atravs do semicondutor, o clculo das perdas pode ser feitoem duas etapas>

/ma ve8 que 3'O independente da corrente, as perdas devidas a esta componente so calculadas multiplicandose 3'O pelo valor

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mdio da corrente 4A361. As perdas atribu2veis a @: "slope resistance"1 so calculadas multiplicandose o quadrado da corrente efica8 4 @9:1 pela resist(ncia@:. Iuntando as duas componentes vamos obter a equao para as perdas totais de conduo figura !'1.

$omo o(ter os valores mdio )*"VG+ e efica, )*R-%+ da corrente

3imos no item anterior que o clculo das perdas de conduo e0ige o con#ecimento simultneo dos valores mdio e efica8 dacorrente.

Acontece que, em aplicaDes industriais a corrente freq+entemente assume formas de onda variadas> retngulos, trap8ios, sen!idesretificadas, sen!ides recortadas, etc.

-omo obter os valores mdio e efica8 da corrente nestes casos?

A ta(ela e0ibe, na primeira lin#a as e0pressDes matemticas gerais que permitem calcular estes valores.

A vantagem destas equaDes que elas valem para qualquer forma de onda.

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A desvantagem reside na necessidade de clculos envolvendo integrais que, dependendo da forma de onda em anlise, podemtornarse um tanto comple0os.

$ara facilitar as coisas, apresentamos nas lin#as seguintes da tabela os resultados das integraDes, % efetuadas para as formas deonda mais encontradas na prtica.

./emplo de c&lculo

=ois tiristores :-@s1, em ligao antiparalela, alimentam o resistor de aquecimento de B< o#ms de um ban#o qu2mico, a partir de

uma tenso de

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P$1 V$./ *$/ $T

onde:

V$. tenso entre coletor e emissor*$ corrente no coletor$T ciclo de trabal#o

./emplo de c&lculo

/m 467', cu%a caracter2stica 3-) 4-est mostrada nafigura 3, c#aveia uma carga com pulsos retangulares de

4A36

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Ao contrrio do que acontece com tiristores, diodos e 467's, o 9O:;)' no apresenta uma "tenso de limiar" independente dacorrente.

A operao do 9O:;)' na regio de bai0os valores de 36: no dese%vel por aumentar as perdas.

-om a tenso 36:por volta de BG 3, a caracter2stica 3=: 4= redu8se a uma reta que passa pela origem.

$ortanto, tudo se passa como se e0istisse apenas um resistor de pequeno valor "embutido" entre fonte e dreno.

)sta resist(ncia c#amase @=:ou, *s ve8es, @=: ON1.

$ara calcular o valor de @=:basta escol#er um ponto da curva por e0emplo, o ponto "$" da figura Q1 e dividir a tenso 3 =:neste pontopela corrente 4= correspondente.

No nosso e0emplo>

@=: < R

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Y importante salientar que X'I- empregada unicamente para calcular a elevao da temperatura da %uno em relao ao inv!lucro.

As temperaturas do inv!lucro propriamente dito e do dissipador so consideradas constantes, devido * maior inrcia trmica, econtinuam sendo calculadas usando a pot(ncia mdia e a resist(ncia trmica.

O valor de X 'I-normalmente obtido a partir de tabelas ou de uma fam2lia de curvas fornecidas pelo fabricante do semicondutor.

A figura ; e0ibe uma fam2lia de curvas t2pica de um 9O:;)'.

)stas curvas fornecem o valor de X'I- em funo da durao dos pulsos e do ciclo de trabal#o.

Alguns fabricantes fornecem curvas com o valor de X'I- "normali8ado" em relao a @'I-.

Nestes casos, para obter X'I- em L-RT basta multiplicar o valor normali8ado por @'I-.

$ulsos de forma no retangular

As curvas de impedncia trmica transit!ria so elaboradas com base em pulsos de forma retangular. No entanto, e0istem algumasaplicaDes em que os pulsos apresentam uma forma mais comple0a.

Nestes casos ainda poss2vel, mediante um artif2cio, usar as curvas da impedncia trmica transit!ria. O que se fa8 substituir opulso comple0o por um pulso retangular equivalente para fins de clculo trmico.

)ste pulso equivalente deve ter a mesma altura i.e. a mesma pot(ncia de pico1 que o pulso original e, alm disso, deve ter a mesmarea ou se%a, a mesma energia dissipada1.

/ma ve8 determinada a durao dos pulsos equivalentes peri!dicos e o seu ciclo de trabal#o, podemos entrar com estes valores nascurvas de impedncia trmica transit!ria para obter o valor de X'I-.

./emplo de c&lculo utili,ando a imped5ncia transit6ria

/m 9O:;)' c#aveia uma carga com pulsos apro0imadamente retangulares de BBG A, com Q ms de durao e ciclo de trabal#o deG,GK.

O 9O:;)' est montado num dissipador com @':A de G,J L- RT e tem as seguintes caracter2sticas>

R'% G,GQ o#msRT7$ B,K L-RTRT$% G,K L-RTT7ma/ BKG L-

A temperatura m0ima do ar ambiente de QG L-.

$edese> primeiro calcular a temperatura de %uno do 9O:;)' aplicando o conceito de impedncia trmica transit!ria.

A seguir, para fins de comparao, refa8er os clculos usando o mtodo "tradicional" com base na pot(ncia mdia e resist(nciatrmica total mantendo a mesma pot(ncia de pico, a mesma pot(ncia mdia e o mesmo ciclo de trabal#o1.

%oluo :

Afigura

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O mtodo tradicional resulta em uma temperatura de %uno de BG L- que, na realidade, representa um valor mdio.

I o mtodo de impedncia transit!ria revela que a temperatura oscila a cada pulso, alcanando um m0imo de BJ L-.

$ortanto, neste Mltimo caso, a temperatura de %uno c#ega a ultrapassar ciclicamente o limite de BKG L-, fato no revelado pelomtodo tradicional.

$oncluso

As perdas de conduo normalmente representam a parcela mais importante das perdas totais em semicondutores.

O mtodo de clculo destas perdas varia de acordo com o tipo de semicondutor e a forma de onda da corrente.

O conceito de impedncia trmica transit!ria empregado para o clculo das perdas em certos casos especiais como pulsos curtosassociados a bai0as freq+(ncias1, nos quais o mtodo tradicional no fornece resultados satisfat!rios.

ZArtigo originalmente publicado na revista :aber )letr[nica Ano Q NMmero QB Iun#o