Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
12
) Características Dinâmicas dos Tiristores
„ Entrada em condução ( Circuito Fig. 1.18, Formas de onda Fig. 1.19)
) Instante to o interruptor S é fechado.
iG
R
S
E
VG
2
rG T
iG
+
vT
-
1
Curva 1 - Disparo Lento
(rG maior)
Curva 2 - Disparo Rápido
(rG menor)
t
(a)
(b)
Fig. 1.18 - (a)Circuito para estudo disparo do tiristor, (b)Formas de corrente de gate.
vG
t
iG
IG
10% IG
t
vT
90% E
td
ton
tr
10% E
t
Fig. 1.19 - Formas de onda relativas ao disparo do tiristor.
) Onde: ton - tempo de fechamento;
td - tempo de retardo (Maior parcela);
tr - tempo de descida da tensão ânodo-cátodo.
t on = t d + t r
) td depende da: (a) Amplitude da corrente de gatilho;
(b) Velocidade de crescimento da corrente de gatilho.
) tr independe da corrente de gate.
) ton é superior a 1µs e inferior a 5µs.
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
(1.11)
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
13
„ Bloqueio do Tiristor( Circuito Fig. 1.20, Formas de onda Fig. 1.21)
) Tiristor T encontra-se conduzindo;
) Instante to o interruptor S é fechado.
R
S
l
E1
VT T
E2
iT
Fig. 1.20 - Circuito para o estudo do tiristor durante bloqueio.
E1
iT
tq
tinv
VT
t
t0
Qrr
t1
IRM
E2
E2 +∆V
Fig. 1.21 - Formas de onda relativas ao bloqueio do tiristor.
) Instante t1 o interruptor S é novamente aberto;
) Tiristor encontra-se bloqueado e retém a tensão E1;
) tq=Tempo mínimo de aplicação de tensão inversa (Dado Fabricante).
(Para Tiristor readquirir capacidade de bloqueio, após a corrente ter-se anulado, o
Tempo de aplicação de tensão inversa deve ser ≥ tq )
) Quanto menor tq melhor é o Tiristor: Tiristores rápidos ⇒ 10µs < tq < 200µs
(Operação em freqüências maiores, menores perdas na comutação e circuitos de
comando de menor custo)
) Comutação Forçada
⇒ tq é um dado fundamental.
OBS: TIRISTOR NÃO PODE SER COMANDADO PARA O BLOQUEIO PELO
GATE ⇒ GTOs (Gate Turn-off Thyristors)
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
19
1.3 - CÁLCULO TÉRMICO
) O Problema
„ Corrente em circulação
⇒ produz calor (em Condução e nas Comutações);
„ Calor deve ser transferido para o ambiente (Uso de dissipadores)
) Objetivo: Temperatura Junção ≤ TJmáxima (Dado fabricante)
(Potência máxima processada - Diodo ou Tiristor
⇒ Limitada pela TJ )
) Cálculo térmico é fundamental (Segurança e Vida média - MTBF)
) Cálculo Térmico - Regime Permanente (Circuito Térmico Eq. Fig. 1.22)
Rjc
Rcd
Tj componente
Tc
Rda
Td dissipador
Ta
P
Fig. 1.22 - Circuito térmico equivalente de um diodo ou tiristor.
Onde:Tj - temperatura da junção (oC);
Tc - temperatura da cápsula (oC);
Td - temperatura do dissipador (oC);
Ta - temperatura ambiente (oC);
P - Potência térmica, circula no componente e é transferida ao ambiente (W);
Rjc - resistência térmica junção-cápsula (oC/W);
Rcd - resistência térmica cápsula-dissipador (oC/W);
Rda - resistência térmica dissipador-ambiente (oC/W),
Rja - resistência térmica junção-ambiente (oC/W).
R ja = R jc + R cd + R da
(1.12)
) Cálculo Térmico (Regime Permanente)
Tj − Ta = R ja P
(1.13)
) Analogia Circuito elétrico (Fig. 1.23)
V1
R
V2
I
Fig. 1.23 - Circuito elétrico análogo.
„ Procedimento:
a) P - Calculada com dados do componente e da corrente que por ele
circula;
b) Tj - Fornecida pelo fabricante do componente;
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
20
c) Ta - Valor adotado pelo projetista;
d) Com a expressão (1.14) determina-se a resistência térmica total,
R ja =
Tj − Ta
P
(1.14)
e) com (1.15) determina-se a resistência térmica do dissipador.
R da = R ja − R jc − R cd
(1.15)
) Resistências térmicas Rjc e Rcd (dados fabricante do diodo ou tiristor).
) Catálogo de dissipadores: Rda(comercial) ≤ Rda(calculado)
&
) Transitório Térmico- Conceito de Impedância Térmica
„ Seja um Diodo onde: Para t < to (Não há circulação de corrente)
⇒ TJ = Ta ;
) Em to começa a dissipar uma potência constante P;
) Capacidade térmica diodo impede crescimento abrupto da temperatura;
Crescimento é exponencial (Figura 1.24), onde: P = Potência Instantânea.
P
Tj
Ta
∆T
to
t
Fig. 1.24 - Transitório térmico em um componente.
) Diferença de temperatura instantânea - Equação (1.16).
∆T = Z t P
(1.16)
Onde: Zt = Impedância térmica (Variável com o tempo).
) Impedância térmica é análoga à impedância elétrica.
) Circuito térmico equivalente incluindo a capacidade térmica (Figura 1.25)
P
P
P1
C
P2
Tj
R
Ta
Fig. 1.25 - Circuito térmico transitório.
)
)
)
P = P1 + P2
1
R P2 = ∫ P1 dt = Tj − Ta = ∆T
C
dP2 P1
=
R
dt
C
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
(1.17)
(1.18)
(1.19)
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
dP2 P2 P
+
=
dt
C C
dP2
P2
P
+
=
dt
RC RC
) Resolvendo-se (1.21) obtém-se a Equação (1.22).
−t
∆T


= R  1 − e RC  = Z t


P
Logo:
R
21
(1.20)
(1.21)
(1.22)
) Valor de Zt é fornecido pelo fabricante do componente.
) Conceito de impedância térmica é muito importante para correntes impulsivas
(grande intensidade e curta duração).
1.4 - CURVAS PARA CÁLCULO TÉRMICO DE DIODOS E TIRISTORES
a) Diodos
(a)
(b)
Fig. 1.26 - (a)Potência dissipada PFmed em função da corrente direta média Imed, para
corrente contínua pura (cont.), para meia-onda senoidal (sin.180) e para ondas
retangulares (rec.60) e (rec.120); (b)Temperatura da cápsula Tc em função da
temperatura ambiente Ta para diferentes resistências térmicas Rthca.
Fig. 1.27 - Impedância térmica transitória Z(th)t para corrente contínua pura, em
função do tempo t. A impedância térmica para correntes impulsivas Z(th)p, é obtida pela
soma dos valores dados pela tabela Z(th)z com aqueles dados pela curva Z(th)t.
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
22
b) Tiristores
(a)
(b)
Fig. 1.28 - (a)Potência dissipada PTmed em função da corrente média ITmed, para
diferentes ângulos de condução, para correntes senoidais; (b)Potência dissipada PTmed
em função da temperatura ambiente Ta, para diferentes resistências térmicas totais
junção-ambiente, Rthja.
Fig. 1.29 - Potência dissipada PTmed em função da corrente média ITmed, para diferentes
ângulos de condução, para correntes retangulares.
Fig. 1.30 - Resistência térmica entre junção e a cápsula, Rthjc, em função do ângulo de
condução para correntes senoidais e retangulares. Para corrente contínua pura, deve
ser tomada Rthjc cont.
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
23
Fig. 1.31 - Impedância térmica em função do tempo.
) Tempos grandes: Impedância térmica
Permanente;
⇒ Resistência térmica em Regime
) Tempos pequenos: Impedância Independe
condições de Ventilação.
⇒ Dissipador empregado e das
) Relação de Dissipadores Semikron (R thja = R thjc + R thca )
DIODOS
DISSIPADORES
Massa
Aproximada
SKN12, SKR12
SKN20, SKR20
SKN26, SKR26
SKNa20
K9 - M4
K9 – M6
K5 - M6
K3 - M6
K1,1 - M6
K5 - M8
K3 - M8
K1,1 - M8
P1/120 - M8
K3 - M12
K1,1 - M12
P1/120 - M12
K0,55 - M12
K1,1 - M16x1,5
K0,55 - M16x1,5
P1/120 - M16x1,5
P1/120 - M16x1,5
P4/200 - M16x1,5
K0,55 - M24x1,5
K0,1 F
K0,05 W
P1/200 - M24x1,5
P4/200 - M24x1,5
P4/300 - M24x1,5
50g
50g
100g
200g
700g
100g
200g
700g
1300g
200g
700g
1300g
2000g
700g
2000g
1300g
2200g
4000g
2000g
2150g
900g
2200g
4000g
6000g
SKN45, SKR45
SKN70, SKR70
SKN100, SKR100
SKN130, SKR130
SKN240, SKR240
SKN320, SKR320
(*) - Refrigeração por água.
(**) - O formato e as dimensões (Catálogo Fabricante)
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Resistência Térmica Rthca (Incluindo
a Resistência de contato cápsuladissipador)
Convecção
Ventilação
Natural
Forçada 6m/s
10,5oC/W
9,5oC/W
5,7oC/W
3,8oC/W
2,2oC/W
5,0oC/W
3,0oC/W
1,3oC/W
0,60oC/W
0,85oC/W
0,40oC/W
o
3,1 C/W
1,2oC/W
0,40oC/W
0,65oC/W
0,27oC/W
O
0,65 C/W
0,25oC/W
o
1,1 C/W
0,35oC/W
o
0,55 C/W
0,17oC/W
o
0,58 C/W
0,21oC/W
O
0,40 C/W
0,17OC/W
O
0,29 C/W
0,55oC/W
0,17oC/W
0,11oC/W
0,065oC/W*
o
0,40 C/W
0,16OC/W
O
0,29 C/W
0,25OC/W
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
24
1.5 - EXEMPLO DE CÁLCULOS TÉRMICOS
a) Retificador de Meia Onda a Diodo (Fig. 1.32)
D
v (ω t )
v (ω t ) = 2 ⋅ 220 sen (ω t )
f = 60 Hz
R = 10 Ω
D = SKN20/04
R
Fig. 1.32 - Retificador de meia onda a diodo.
) Calcular Rda para manter Tj < Tjmáxima
Dados: Rjc = 2oC/W (Rthjc);
V(TO) = 0,85V;
Rcd = 1oC/W (Rthch);
Tj = 180oC (Tvj)
Ta = 50oC (Ta = temperatura ambiente)
rT = 11mΩ,
) Corrente no diodo (Fig. 1.34)
2 Vo
ωt
π
0
„ I Dmed
2π
3π
Fig. 1.34 - Corrente no diodo.
0,707 Vo 0,707 ⋅ 220
0,45 Vo 0,45 ⋅ 220
=
=
= 9,9 A ;
=
= 15,55 A
„ I Def =
R
R
10
10
) Potência média dissipada (Equacionamento)
⇒
P = V( TO ) I Dmed + rT I Def 2
P = 0,85 ⋅ 9,9 + 11 ⋅ 10 −3 ⋅ (15,55 ) 2 = 11,07W
) Ábacos (P=Potência média)
Imed ⇒ Fig. 1.26a - (onda 180o)
) Cálculo Rda
∆T
∆T
130
⇒ R da = P − R jc − R cd = P − 2 − 1 = 11 − 3
R da + R cd = 8,8 + 1 = 9,8 o C / W
⇒
∆T = P ( R jc + R cd + R da )
R da ≤ 8,8 o C / W
⇒ P ≅ 11W
) Ábacos (Rda)
⇒ Fig. 1.26b ⇒ Rca ≅ 10oC/W ⇒ Rda ≅ 10 - 1 = 9oC/W.
) Dissipador Especificado: K5-M6 ⇒ Rca = 5,7 oC/W.
Ta = 50oC e P ≅ 11W
) Confirmação: Tj < Tjmáxima
Rjc = 2,0 oC/W
Tj
Rcd = 1,0 oC/W
Tc
P=11W
Rda = 4,7 oC/W
Td
Ta = 50o C
„ Tj = P R ja + Ta = 11 ⋅ ( 2 + 5,7) + 50
⇒ Tj = 134,7o C ⇒ c/ K9-M6 ; Tj=176,5oC
„ Tc = P ( R cd + R da ) + Ta = 11 ⋅ 5,7 + 50
⇒ TC = 112,7o C
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
25
b) Retificador Monofásico a Tiristor (Fig. 1.33)
T
v (ω t )
Dados:
v (ω t ) = 2 ⋅ 220 sen (ω t )
f = 60 Hz
ο
R = 8 Ω ; α=60
T = SKT16
R
Fig. 1.33 - Retificador monofásico a Tiristor.
Rjc = 0,94oC/W (obtida na Figura 1.30)
Rcd = 0,5oC/W
Tj = 130oC
θ = 120o
Seja Ta = 50oC (valor adotado)
„ ITmed =
0, 225 Vo
0, 225 ⋅ 220
(1 + cos α ) =
( 1 + 0,5 )
10
R
⇒
ITmed = 9, 28 A
) Ábacos (P=Potência média)
ITmed ⇒ Fig. 1.28a - (θ = 120o)
⇒ P ≅ 17,5W
) Cálculo Rda
Ta = 50oC e P = 17,5W
⇒ Fig. 1.28b ⇒ R ja = 4,5 o C / W
R da = R ja − R jc − R cd = 4,5 − 0,94 − 0,5
⇒ R da = 3,06 o C / W
) Catálogo Fabricante ⇒ Escolhe-se o Dissipador (K3 – Limite!!!)
(K1,1 elevado volume e peso; Usar Ventilação ou Tiristor maior Capacidade)
c) Impedância Transitória
) Seja Diodo SKN20 (com dissipador K5) submetido ao regime da Fig. 1.34.
„ Determinar Máximo valor de I tal que ⇒ TJ ≤ 180oC.
iF
I
1s
Tj
180 oC
30 oC
Fig. 1.34 - Corrente impulsiva - SKN20+K5 ( V( TO ) = 0,85V e rT = 11mΩ )
) t = 1s (tempo grande, considerando-se CC) ⇒ Fig. 1.27 ⇒ Z(th)t ≅ 1,5oC/W.
Z ( th ) t P = Tj − Ta
⇒ P=
P = V( TO ) I + rT I 2
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
Tj − Ta
⇒
Z ( th ) t
=
180 − 30
= 100 W
1,5
I ≅ 64 A
Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
26
d) Temperatura Média Instantânea de Junção
) Seja Tiristor SKT16 submetido ao regime da Fig. 1.35 (Dissipador K5)
„ Determinar
⇒ TJ (média) e TJ (máxima).
o
θ=180
f=50Hz
I=20A
∆t
Fig. 1.35 - Corrente através do Tiristor SKT16+K5 ( V( TO ) = 1,0V e rT = 20mΩ )
) P = VT ( TO ) I + rT I 2
) ∆t =
⇒ P = 1 ⋅ 20 + 0,020 ⋅ 202 = 28W (Potência Instantânea)
T
1
1
=
=
= 10ms
2 2 f 2 ⋅ 50
Pmed
P ( 1 ⋅ 10) + 0,02 ⋅ ( 14 ,14 ) 2 28
= =
=
= 14 W
2
2
2
) Dissipador K5 :
R thja = 0,95 + 5,5 = 6,45 o C / W (Rthjc; θ=180o e Onda Retangular)
) Adotando-se: Ta = 30oC
Tj = 6,45 ⋅ 14 + 30 = 120,3 o C (Temperatura Média)
) ∆t = 10ms
⇒ Fig. 1.31 ⇒ Z ( th )t = 0,15 o C / W e Z ( th )z = 0,15 o C / W
(Considerou-se: Zp=Zt+Zz)
„ Assim,
∆Tj = P . Z ( th )p = 28 ⋅ 0,30 = 8,4 o C
„ Portanto:
Tj
124,5 oC
120,3 oC
116,1o C
t
10ms
) TJ (máxima) = 124,5oC ; TJ (mínima) = 116,1oC
20ms
⇒ TJ (média) = 120,3oC
) Para f = 50Hz ⇒ Constantes de tempo térmicas são baixas.
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência