Fontes de alimentação c.c.-c.a
Conversor Buck
iC
iL
vce(t)
E
E
iD
VO
t1
t2
t1  TD( t )
t1
Condução do transistor
t 2  T ( 1  D( t ) )
t2
Condução do diodo
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
1
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Transistor Mosfet – Características dinâmicas
D
O diodo intrínseco é lento.
Os tempos de comutação do transistor dependem do
circuito de comando.
G
S
Em um MosFet existem 3 capacitâncias parasitas:
Cgs, Cgd e Cds. A partir delas se definem:
Cg
Ciss, Crss e Coss.
D
Cds
d
G
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
S
2
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Transistor Mosfet – Características dinâmicas
D
Cg
Cds
d
VDS
As capacitâncias parasitas
influenciam fortemente as
comutações
G
S
VGS
1
C oss ·VGS2
2
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
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QGD
3
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Transistor IGBT – Características dinâmicas
C
VCE
G
VGE
E
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.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
4
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Transistor Mosfet / IGBT – Características dinâmicas
VGS
VDS
90%
10%
td(on) tF
td(off)
tR
tR : tempo de subida
tF : tempo de descida
td(on) : Atraso do disparo
td(off) : Atraso do bloqueio
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Definição dos tempos de comutação
5
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Transistor Mosfet / IGBT – Características dinâmicas
Carga indutiva
VGS
VGS(th)
VDS
E
trv
tfv
IT
tri
Ic
tfi
PMosfet
PERDAS
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6
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos semicondutores
a) Perdas por condução
Transistor MosFet
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
7
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos transistores MosFet
a) Perdas por condução
D
RDSon
G
S
P cond  RDS on * I
2
TRMS
 RDS on * I * D
2
c
 

RDS on ( T j )  RDS on max( 25 C ) *  1 

100 

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T j  25 C
8
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos semicondutores
a) Perdas por condução
Transistor IGBT
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
9
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos transistores IGBT
a) Perdas por condução
Características do IGBT
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
Características do diodo
10
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos transistores IGBT
a) Perdas por condução
IGBT
Condições de Valor
teste
Máximo
VCE(T0) Tj=125C
1,05V
rCE
VGE=15V
7,5mW
Diodo
Condições de Valor
teste
Máximo
VF(T0)
Tj=125C
rT
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I
1
r
V
VTO
1,2V
vce( t )  VCE ( TO )  rCE iT ( t )
6,5mW
vak ( t )  VF ( TO )  rT i D ( t )
11
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos transistores IGBT
a) Perdas por condução
T
W( t )   vce( t ) * iT ( t )dt
0
P( t ) 
Pcond
Pcond
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W( t )
T
 V
 V
1

T
CE ( TO )
T
v
ce ( t )
* iT ( t )dt
0

* I c  rCE * I c * D
2
2
*
I

r
*
I
CE ( TO )
Tavg
CE
Trms

12
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos semicondutores
a) Perdas por condução
Diodo
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13
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos diodos
a) Perdas por condução
T
W( t )   vak ( t ) * i D ( t )dt
0
P( t ) 
W( t )
T

1

T
T
v
0
ak ( t )
* i D ( t )dt

Pcond  VF ( TO ) * I c  rT * I c2 * ( 1  D )
Pcond
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 V
F ( TO )
* I Davg  rT * I
2
Drms

14
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos semicondutores
b) Perdas por comutação
Transistor MosFet
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
15
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos transistores MosFet
b) Perdas por comutação
( t ri  t fv )
Won 
v
ds ( t )
* iT ( t )dt
0
Won
E * Ic

* ( t ri  t fv )
2
( t rv  t fi )
Woff 
v
ds ( t )
Pon  ( Won  Woff )* f
off
* iT ( t )dt
0
Woff
E * Ic

* ( t rv  t fi )
2
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
16
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos transistores MosFet
b) Perdas por comutação
Efeito da recuperação reversa do diodo
ID
Perda extra no disparo do
transistor devido a recuperação
reversa do diodo
ta tb
Qrr
IC
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trr=ta+tb
2 t rr
ta 
3
t rr
tb 
3
17
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos transistores MosFet
b) Perdas por comutação
Efeito da recuperação reversa do diodo
( t ri  t fv )
Won 
v
ds ( t )
* iT ( t )dt
0
Won
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
E * Ic

* ( t ri  t fv )  Qrr * E
2
18
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos semicondutores
b) Perdas por comutação
Transistor IGBT
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
19
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos transistores IGBT
b) Perdas por comutação
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
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
“Current tail”
20
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos transistores IGBT
Causa:
b) Perdas por comutação
Ao contrário dos MOSFET, os tempos de comutação do IGBT não
permitem avaliar as perdas de comutação
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
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
21
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos transistores IGBT
b) Perdas por comutação
Perdas de chaveamento do IGBT: disparo e bloqueio
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Perdas de bloqueio do diodo
22
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos transistores IGBT
b) Perdas por comutação
Formas de onda no bloqueio do IGBT
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
Formas de onda no disparo do IGBT
23
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos dispositivos
b) Perdas por comutação
IGBT
Condições de teste
Valor Máximo
Eon
Tj=125C
22mJ
Eoff
Vcc=600V
22mJ
Icn=200A
Diodo
VGE=±15V
Err
RGon=RGoff=5Ω
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
11mJ
24
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos transistores IGBT
b) Perdas por comutação
w(t)  FC * Eon / off * iT( t )
E
Fator de correção FC 
Vcc * I cn
Pon off  FC * Eon off * I c * f
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25
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos semicondutores
a) Perdas por comutação
Diodo
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
26
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos diodos
b) Perdas por comutação
Formas de onda no bloqueio do diodo
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
27
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos diodos
b) Perdas por comutação
w(t)  FC * E rec * i D( t )
E
Fator de correção FC 
Vcc * I cn
Prec  FC * E rec * I c * f
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
28
Fontes de alimentação c.c.-c.a
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
t rr  t a  t b
ta tb
E
Qrr
vD
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
2 t rr
ta 
3
t rr
tb 
3
29
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Cálculo de Perdas nos diodos
b) Perdas por comutação
 I rr * t

Woff   v ak ( t ) * i D ( t ) dt   E * 
 I rr  dt
 tb

0
0
Qrr * E * f
Poff 
3
tb
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
tb
30
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Dissipação de calor
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
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
31
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Dissipação de calor
RTHjc
j
Si
P
(W)
ambiente
a
j
RTHca
c
Ta
a
P
(W)
Ta : Temperatura ambiente
junção
c
encapsulamento
Tensões = Temperaturas
Corrente = Perdas (W)
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
32
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Equivalente elétrico
Exemplo:
A resistencia térmica junção – encapsulamento é baixa ( 0.5 ºC/W)
A resistencia térmica encapsulamento-ambiente é alta ( 50 ºC/W)
RTHjc
RTHca
Tca = RTHca·P = 50ºC/W · 1W = 50ºC
(0.5 ºC/W)
(50 ºC/W)
Tjc = RTHjc·P = 0.5ºC/W · 1W = 0.5ºC
a
c
Tjc
P
(1W)
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
Tca
Ta
(25 ºC)
Tj = Ta + Tca + Tjc =
= 25 + 50 + 0.5 = 75.5 ºC
Tj < 150 ºC
OK
33
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Equivalente elétrico
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
RTHjc
RTHca
(0.5 ºC/W)
(50 ºC/W)
j
c
RTHra
(5 ºC/W)
P
(1W)
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
Exemplo: RTHra = 5 ºC/W
a
RTHeq 
RTHca· RTHra
5·50

 4.5º C / W
RTHca  RTHra 5  50
Tca = RTHeq·P = 4.5ºC/W · 1W = 4.5ºC
Ta
(25 ºC)
Tjc = RTHjc·P = 0.5ºC/W · 1W = 0.5ºC
Tj = Ta + Tca + Tjc =
= 25 + 4.5 + 0.5 = 30 ºC
34
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Modelo de Radiadores
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
35
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Modelo de Radiadores
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
36
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Modelo de Radiadores
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.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
37
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Montagem do dispositivo sobre o radiador
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 V
400 V
400 V
Isolante elétrico, mas condutor térmico
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
38
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Montagem do dispositivo sobre o radiador
Um parafuso metálico é um conexão elétrica e
acaba com o isolamento.
Utilizam-se arruelas de plástico para evitar o
contato elétrico.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
39
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Montagem do dispositivo sobre o radiador
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%
RTHjc
j
RTHca
c
a
r
RTHcr
Ta
RTHra
Isolante
Radiador
Para fazer o cálculo da RTHra
necessária pode-se
desprezar a resistencia do
próprio dispositivo (RTHca)
P
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
40
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Montagem do radiador
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.
PIOR
MELHOR
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41
Fontes de alimentação c.c.-c.a
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
Tabela 2. Emissividade de várias superfícies tratadas
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Superfície
Emissividade
Alumínio polido
0.05
Cobre polido
0.07
Rolled sheet steel
0.66
Cobre oxidado
0.70
Alumínio anodizado preto
0.70 - 0.90
Preto brilhoso
0.85 - 0.91
Verniz escuro
0.89 - 0.93
Tinta óleo preta
0.92 - 0.96
42
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Fatores que afetam a Rth
Para melhorar a capacidade de evacuação de calor é possível utilizar
ventilação forçada. Isto permite reduzir a resistência térmica.
INCORRECTO
Atenção a direção do fluxo de ar
CORRECTO
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43
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Fatores que afetam a Rth
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
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
44
Fontes de alimentação c.c.-c.a
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 Má[email protected] 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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45
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Dimensionamento estático de radiadores
Encapsulamento
Contato direto
Contato direto
Contato c/mica
c/pasta térmica
Contato c/mica
e pasta térmica
TO 39
1
0,7
-
-
TO 5
1
0,7
-
-
TO 126
1,4
1
2
1,5
TO 220
0,8
0,5
1,4
1,2
TO 202
0,8
0,5
1,4
1,2
TO 152
0,8
0,5
1,4
1,2
TO 90
0,5
0,3
1,2
0,9
TO 3 plástico
0,4
0,2
1
0,7
TO 59
1,2
0,7
2,1
1,5
TO 117
2
1,7
-
-
SOT 48
1,8
1,5
-
-
DIA 4L
1,1
0,7
-
-
TO 56
1,1
0,65
1,8
1,4
TO 3
0,25
0,12
0,8
0,4
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
Tabela 1- Rthcr
46
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Dimensionamento estático de radiadores
1. Podem ser colocados vários dispositivos no mesmo dissipador
2. Centralizar o dispositivo semicondutor no dissipador.
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47
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Dimensionamento dinâmico de radiadores
Pdiss
A potência dissipada não é constante
(Ex. na partida pode existir um pulso de potência)
A dinâmica térmica é muito lenta
T
Pdiss
PMAX
Pmed
A temperatura varia em torno de um
valor médio
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T
48
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Dimensionamento dinâmico de radiadores
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
j
c
r
a
Ta
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.
P
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
49
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Dimensionamento dinâmico de radiadores
PMAX
P
Zthjc(t)
PMedia
t1
D = 0.3
Zthjc(t1)
t1
D = t1/T
T
Temos 2 circuitos:
Tj ( t )  Zthjc ( t ) .Pdiss  Ta
Tc
Tj
Zt
PMAX
Rthcr
TC ?
Temos 2 equações com
2 incógnitas: TC e RTHra
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r R ? a
THra
Ta
c
P
50
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Dimensionamento dinamico de radiadores
Curvas reais da impedância transitória de um MOSFET
A impedância transitória depende do valor do ciclo de trabalho
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
51
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Dimensionamento dinamico de radiadores
Exemplo
PMAX
P
Tj
Zthjc
Tc
Rthcr
0,8 oC/W
Rthra
3 °C/W
Tr
Pdissmed=5W
t1
T
Determinar:
D = t1/T
Ta=40oC
Tjmax, Tc e Tr, para um transistor com encapsulamento T03, isolado
eletricamente, sabendo que: Rthra = 3°C/W , Rthcr=0,8 oC/W, t1=100s, T=200s,
Pmax=10W e Ta=40°C.
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
52
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Dimensionamento dinamico de radiadores
a) Calcular a potência média dissipada
D
100s
 0 ,5
200s
Pdissmed
100s

 10W  5W
200s
Tc = 5*(0,8+3) + 40 = 59oC
Tr= 5*3 + 40 = 55ºC
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53
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Dimensionamento dinamico de radiadores
b) Calculo da impedância térmica transitória, Zthjc.
Zthjc=0,6 oC/W

Tjmax = 10 * 0,6 + 59 = 65oC
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
54
Fontes de alimentação c.c.-c.a
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
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
55
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