55
Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1 Conversor Buck t 2 E vce(t) t 1 i C i L i D E V O t 1 Condução do transistor t 2 Condução do diodo ) D 1 ( T t TD t ) t ( 2 ) t ( 1

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Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1

Conversor Buck

t2

Evce(t)

t1

iCiL

iDEVO

t1 Condução do transistor

t2 Condução do diodo )D1(Tt

TDt

)t(2

)t(1

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G

D

S

O diodo intrínseco é lento.

Os tempos de comutação do transistor dependem do circuito de comando.

Em um MosFet existem 3 capacitâncias parasitas:

Cgs, Cgd e Cds. A partir delas se definem:

Ciss, Crss e Coss.

Transistor Mosfet – Características dinâmicas

G

Cgd

D

S

Cds

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Transistor Mosfet – Características dinâmicas

As capacitâncias parasitas influenciam fortemente as comutações

2GSoss V·C

2

1

Efeito Miller Ao carregar o capacitor de “Gate” ocorre uma alteração da impedância do capacitor Ciss, devido a Crss.

VGS

Forma de onda da tensão VGS QGD

D

G

S

Cds

Cgd

VGS

VDS

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Transistor IGBT – Características dinâmicas

VGE

G

E

C

VCE

1. Possui características de transistor MosFet na entrada e de transistor Bipolar na saída;

2. Os tempos de comutação do transistor dependem do circuito de comando;

3. O diodo em anti-paralelo é incorporado no encapsulamento e é compatível com os tempos de comutação do IGBT.

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Definição dos tempos de comutação

VDS

tF tR

VGS

10%

90%

td(on) td(off)

tF : tempo de descida

tR : tempo de subida

td(on) : Atraso do disparo

td(off) : Atraso do bloqueio

Transistor Mosfet / IGBT – Características dinâmicas

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Transistor Mosfet / IGBT – Características dinâmicasCarga indutiva

PERDAS

VDS

IT

VGS

VGS(th)

PMosfet

tri

tfvtrv

tfiIc

E

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Cálculo de Perdas nos semicondutoresa) Perdas por condução

Transistor MosFet

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Cálculo de Perdas nos transistores MosFeta) Perdas por condução

G

D

SRDSon

C25T

)C25max(DS)T(DS

2cDS

2TDScond

j

onjon

onRMSon

1001*RR

D*I*RI*R P

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Cálculo de Perdas nos semicondutoresa) Perdas por condução

Transistor IGBT

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Características do IGBT Características do diodo

Cálculo de Perdas nos transistores IGBT a) Perdas por condução

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7,5mVGE=15VrCE

1,05VTj=125CVCE(T0)

Valor Máximo

Condições de teste

IGBT

6,5mrT

1,2VTj=125CVF(T0)

Valor Máximo

Condições de teste

Diodo V

I

VTO

r1

)t(DT)TO(F)t(ak

)t(TCE)TO(CE)t(ce

irVv

irVv

Cálculo de Perdas nos transistores IGBTa) Perdas por condução

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Cálculo de Perdas nos transistores IGBT a) Perdas por condução

2

TCET)TO(CEcond

2cCEc)TO(CEcond

T

0

)t(T)t(ce)t(

)t(

T

0

)t(T)t(ce)t(

rmsavgI*rI*V P

D*I*rI*V P

dti*vT

1

T

WP

dti*vW

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Cálculo de Perdas nos semicondutoresa) Perdas por condução

Diodo

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Cálculo de Perdas nos diodos a) Perdas por condução

2

DTD)TO(Fcond

2cTc)TO(Fcond

T

0

)t(D)t(ak)t(

)t(

T

0

)t(D)t(ak)t(

rmsavgI*rI*V P

)D1(*I*rI*V P

dti*vT

1

T

WP

dti*vW

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Cálculo de Perdas nos semicondutoresb) Perdas por comutação

Transistor MosFet

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Cálculo de Perdas nos transistores MosFet b) Perdas por comutação

)tt(*2

I*EW

dti*vW

)tt(*2

I*EW

dti*vW

firvc

off

)tt(

0

)t(T)t(dsoff

fvric

on

)tt(

0

)t(T)t(dson

firv

fvri

f*)WW(P offonoffon

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ID

IC

ta

Cálculo de Perdas nos transistores MosFet b) Perdas por comutação

Efeito da recuperação reversa do diodo

Perda extra no disparo do transistor devido a recuperação reversa do diodo

Qrr

tb

trr=ta+tb

3

tt

3

t2t

rrb

rra

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Cálculo de Perdas nos transistores MosFet b) Perdas por comutação

Efeito da recuperação reversa do diodo

E*Q)tt(*2

I*EW

dti*vW

rrfvric

on

)tt(

0

)t(T)t(dson

fvri

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Cálculo de Perdas nos semicondutoresb) Perdas por comutação

Transistor IGBT

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Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 20“Current tail”

1. A base do transistor bipolar não está disponível

2. Não se pode usar as técnicas conhecidas de eliminação dos portadores minoritários da base do transistor bipolar.

Surgimento da “cauda de corrente” no bloqueio do transistor - (current tail)

Problema: aumento das perdas de comutação

Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação

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Ao contrário dos MOSFET, os tempos de comutação do IGBT não permitem avaliar as perdas de comutação

Causa:

1. Não levam em conta o efeito de cauda da corrente;

Este efeito é muito significativo no conjunto das perdas;

2. Além do mais, o tempo de queda da tensão VCE não é bem definido;

Este tempo é muito importante para definir as perdas.

As perdas são obtidas através de curvas fornecidas pelo fabricante

Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação

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Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação

Perdas de chaveamento do IGBT: disparo e bloqueio

Perdas de bloqueio do diodo

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Formas de onda no bloqueio do IGBT

Cálculo de Perdas nos transistores IGBTb) Perdas por comutação

Formas de onda no disparo do IGBT

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Cálculo de Perdas nos dispositivos b) Perdas por comutação

VGE=±15VDiodo

Icn=200A

22mJTj=125CEon

11mJRGon=RGoff=5ΩErr

22mJVcc=600VEoff

Valor MáximoCondições de testeIGBT

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Cálculo de Perdas nos transistores IGBTb) Perdas por comutação

f*I*E*FCP

I*V

EFC correçãode Fator

i*E*FCw

coffonoffon

cncc

Toff/on(t) )t(

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Cálculo de Perdas nos semicondutoresa) Perdas por comutação

Diodo

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Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação

Formas de onda no bloqueio do diodo

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Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação

f*I*E*FCP

I*V

EFC correçãode Fator

i*E*FCw

crecrec

cncc

Drec(t) )t(

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Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação

Ao contrário dos IGBTs, os fabricantes de transistores MosFets não fornecem a energia gasta para ligar e desligar os transistores.

iD

ta

Qrr

tb

3

tt

3

t2t

ttt

rrb

rra

barr

E

vD

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Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação

3f*E*Q

P

dt It

t*I*Edti*vW

rroff

t

0

rrb

rr

t

0

)t(D)t(akoff

bb

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A evacuação de calor da junção até o ambiente depende do encapsulamento utilizado.

Caso o encapsulamento não seja suficiente para evacuar todo o calor, é necessário algum sistema para melhorar a transferência: RADIADORES associados com ventilação forçada de ar ou de água.

Cada modelo tem características geométricas que proporcionam uma certa capacidade de evacuar calor

Dissipação de calor

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ambienteSi

j

c

a

junção

encapsulamento

P (W)

Tensões = Temperaturas

Corrente = Perdas (W)

Dissipação de calor

Ta : Temperatura ambiente

P (W)

c

RTHjc RTHca

ja

Ta

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Exemplo:

A resistencia térmica junção – encapsulamento é baixa ( 0.5 ºC/W)

A resistencia térmica encapsulamento-ambiente é alta ( 50 ºC/W)

Tca = RTHca·P = 50ºC/W · 1W = 50ºC

Tjc = RTHjc·P = 0.5ºC/W · 1W = 0.5ºC

Tj = Ta + Tca + Tjc =

= 25 + 50 + 0.5 = 75.5 ºC

Tj < 150 ºC OK

Equivalente elétrico

P (1W)

c a

RTHjc

(0.5 ºC/W)

RTHca

(50 ºC/W)

Ta

(25 ºC)Tjc Tca

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Para reduzir a temperatura coloca-se um radiador proporcionando um caminho alternativo para a evacuação do calor. Isto equivale a colocar uma resistencia em paralelo com RTHca

Exemplo: RTHra = 5 ºC/W

W/Cº5.4505

50·5

RR

R·RR

THraTHca

THraTHcaTHeq

Tca = RTHeq·P = 4.5ºC/W · 1W = 4.5ºC

Tjc = RTHjc·P = 0.5ºC/W · 1W = 0.5ºC

Tj = Ta + Tca + Tjc =

= 25 + 4.5 + 0.5 = 30 ºC

Equivalente elétrico

j c a

P (1W)

RTHjc

(0.5 ºC/W)

RTHca

(50 ºC/W)

Ta

(25 ºC)

RTHra

(5 ºC/W)

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Modelo de Radiadores

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Modelo de Radiadores

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A resistencia térmica depende do comprimento do radiador e o fabricante fornece a curva com a RTH de cada perfil em função do comprimento.

A curva é assintótica: a partir de um certo comprimento, a RTH diminui muito pouco.

Modelo de Radiadores

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Nos semicondutores, a parte metálica costuma ser o catodo ou o dreno (coletor) de um transistor MosFet (IGBT).

Se o semicondutor é montado diretamente sobre o radiador, o mesmo se encontra conectado ao mesmo potencial do dispositivo.

400 V400 V

Isolante elétrico, mas condutor térmico

400 V

Montagem do dispositivo sobre o radiador

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Um parafuso metálico é um conexão elétrica e acaba com o isolamento.

Utilizam-se arruelas de plástico para evitar o contato elétrico.

Montagem do dispositivo sobre o radiador

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O isolante acrescenta uma resistencia térmica adicional. Mica de espessura 60 m: RTH : 1.4 ºC/W

Mica de espessura 100 m: RTH : 2.2 ºC/W

Alúmina de espessura 250 m: RTH : 0.8 ºC/W

Para melhorar o contato térmico, pastas de silicone reduzem a resistencia térmica de 30%

Para fazer o cálculo da RTHra necessária pode-se desprezar a resistencia do próprio dispositivo (RTHca)

Montagem do dispositivo sobre o radiador

j c a

P

RTHjc RTHca

Ta

RTHcr

IsolanteRadiador

r

RTHra

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A RTH fornecida pelo fabricante é válida para radiador montado na posição vertical. Na posição horizontal a evacuação do calor fica comprometida. Na posição vertical ocorre o “efeito chaminé” no qual o próprio calor gerado pelo aquecimento do radiador cria uma corrente de ar ascendente que melhora a refrigeração.

Montagem do radiador

PIOR

MELHOR

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0.92 - 0.96Tinta óleo preta

0.89 - 0.93Verniz escuro

0.85 - 0.91Preto brilhoso

0.70 - 0.90Alumínio anodizado preto

0.70Cobre oxidado

0.66Rolled sheet steel

0.07Cobre polido

0.05Alumínio polido

EmissividadeSuperfície

Tabela 2. Emissividade de várias superfícies tratadas

Fatores que afetam a Rth

Cor do radiador

Cada cor tem um coeficiente térmico diferente. Há várias cores de radiadores: preto, ouro e alumínio: o melhor é o preto

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Para melhorar a capacidade de evacuação de calor é possível utilizar ventilação forçada. Isto permite reduzir a resistência térmica.

Atenção a direção do fluxo de ar

CORRECTO

INCORRECTO

Fatores que afetam a Rth

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Ventilação

O fabricante fornece uma curva com o coeficiente corretivo em função da velocidade do ar

A partir de uma certa velocidade, praticamente não há mais redução da resistencia térmica

Fatores que afetam a Rth

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Dimensionamento estático de radiadores

1.- Determinar Tjmax (catálogo do fabricante)

Se não, admitir que: Tjmax Si = 1200C

2.- Determinar RTHjc (catálogo do fabricante)

Se não, calcular a partir da máxima potência que o transistor é capaz de dissipar sem radiador

RTHjc = (Tjmax – TC) / Pdiss Máx@25 oC

3.- Determinar RTHcr. (Tabela 1)

Depende do tipo de contato e do encapsulamento

Contato direto: se não existir isolante elétrico

Pasta Térmica ou de silicone: melhora muito o contato térmico

Mica ou lâmina de teflon: isolante elétrico

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0,40,80,120,25TO 3

1,41,80,651,1TO 56

--0,71,1DIA 4L

--1,51,8SOT 48

--1,72TO 117

1,52,10,71,2TO 59

0,710,20,4TO 3 plástico

0,91,20,30,5TO 90

1,21,40,50,8TO 152

1,21,40,50,8TO 202

1,21,40,50,8TO 220

1,5211,4TO 126

--0,71TO 5

--0,71TO 39

e pasta térmica c/pasta térmica  

Contato c/micaContato c/micaContato diretoContato diretoEncapsulamento

Tabela 1- Rthcr

Dimensionamento estático de radiadores

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Dimensionamento estático de radiadores

1. Podem ser colocados vários dispositivos no mesmo dissipador

2. Centralizar o dispositivo semicondutor no dissipador.

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A potência dissipada não é constante

(Ex. na partida pode existir um pulso de potência)

Pdiss

T

A dinâmica térmica é muito lenta

Pdiss

Pmed

PMAX

TA temperatura varia em torno de um valor médio

Dimensionamento dinâmico de radiadores

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As perdas se produzem na pastilha de silício. Esta, devido a seu massa pequena, possui uma inércia térmica muito pequena e pode variar de temperatura rapidamente.

Em um radiador, por ter uma massa muito grande e uma inércia térmica muito maior que a do semicondutor as mudanças de temperatura são muito mais lentas

Para modelar corretamente o comportamento, deve-se incluir capacitores para simular as inércias dos elementos térmicos. Quanto maior a inercia térmica de um componente, maior capacitor que o representa.

Dimensionamento dinâmico de radiadores

jTac a

P

r

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t1

Zthjc(t)D = 0.3

Zthjc(t1)

Temos 2 circuitos:

TcTj

TC ?

PMAX

Zt

Temos 2 equações com 2 incógnitas: TC e RTHra

t1

T D = t1/T

P PMAX

PMedia

Dimensionamento dinâmico de radiadores

adiss)t(thjc)t(jTP.ZT

c

Tar a

P

RTHra?Rthcr

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Curvas reais da impedância transitória de um MOSFET

A impedância transitória depende do valor do ciclo de trabalho

Dimensionamento dinamico de radiadores

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Dimensionamento dinamico de radiadores

Determinar: Tjmax, Tc e Tr, para um transistor com encapsulamento T03, isolado

eletricamente, sabendo que: Rthra = 3°C/W , Rthcr=0,8 oC/W, t1=100s, T=200s,

Pmax=10W e Ta=40°C.

t1D = t1/T

P PMAX

T

Tj

Zthjc Tc

Rthcr

0,8 oC/WRthra

3 °C/W

Pdissmed=5W

Ta=40oC

Tr

Exemplo

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a) Calcular a potência média dissipada

Tc = 5*(0,8+3) + 40 = 59oC

Tr= 5*3 + 40 = 55ºC

W5W10s200

s100Pdissmed

Dimensionamento dinamico de radiadores

5,0s200

s100D

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Dimensionamento dinamico de radiadores

b) Calculo da impedância térmica transitória, Zthjc.

Tjmax = 10 * 0,6 + 59 = 65oC

Zthjc=0,6 oC/W

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Referências

1. Site do prof. Javier Sebastián Zúñiga, Universidade de Oviedo, Curso de Sistemas de Alimentación, cap. 8, http://www.uniovi.es/ate/sebas/

2. Robert W. Erickson, “Fundamentals of Power Electronics”, Editora Chapman & Hall, 1o. Edição - 1997

3. Abraham I. Pressman, “Switching Power Supply Design”, Editora McGraw Hill International Editions, 1992

4. Site da Semikron, http://www.semikron.com