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    Eletrnica de Potncia - Cap. 11 J. A. Pomilio

    DSE FEEC UNICAMP 2014 11-1

    11. DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE DISSIPAO DE CALORPARA DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTNCIA

    11.1 Introduo

    A circulao de corrente eltrica por qualquer bipolo provoca uma dissipao de potnciaigual ao produto do quadrado da corrente pela resistncia do caminho percorrido. Tal potnciadissipada converte-se, essencialmente, em calor (efeito Joule). As relaes entre potncia eenergia so indicadas abaixo:

    1 W = 0,239 cal/s1 W.s = 1 J1 cal = 4,187 J

    O objetivo deste estudo fornecer subsdios para estabelecer critrios para odimensionamento de sistemas de dissipao do calor produzido por componentes eletrnicos,especialmente semicondutores de potncia (diodos, transistores, tiristores, etc.), buscando aproteo de tais componentes, tendo como meta fundamental a elevada confiabilidade dosequipamentos nos quais os dispositivos so empregados. Deve-se tambm buscar volumes,massas e custos to reduzidos quanto possveis.

    Os dispositivos semicondutores atuais so praticamente todos de silcio. Este material temtemperatura de fuso superior a 1400 C. Por qual razo, ento, os fabricantes especificam umamxima temperatura de operao da juno em torno de 150 C?

    A temperatura interna de um dispositivo semicondutor determina a quantidade deportadores livres (eltrons e lacunas) que, por sua vez, responsvel pela corrente de fuga queexiste quando o dispositivo deveria estar bloqueado. O efeito combinado da tenso de bloqueiocom a corrente de fuga e a temperatura pode levar ruptura do dispositivo, neste caso,provocando uma excessiva dissipao de potncia no componente e levando sua destruio.

    A mxima temperatura da juno especificada pelos fabricantes aquela que garante queo componente ser capaz de bloquear a tenso prevista. Assim, um diodo para 500 V somenteser capaz de manter-se desligado e suportando tal tenso se sua temperatura de juno noexceder o limite dado (por exemplo, 150 C). Se a temperatura for maior do que esta, o diodono ser capaz de bloquear os 500 V previstos.

    .

    11.2 Clculo da potncia dissipada

    Uma primeira dificuldade para a escolha de um dissipador conhecer com algumapreciso a potncia que ser dissipada pelo dispositivo semicondutor. Uma estimativa pode serfeita a partir de dados de catlogo, lembrando que os tempos especificados esto sempreassociados a condies precisas de acionamento (no caso de transistores) e das cargasalimentadas. As condies reais de cada aplicao podem diferir bastante de tais situaes deteste, de modo que se exige do projetista um cuidado especial nesta estimativa inicial das perdasno componente. Outro modo de estimativa por simulao, desde que os modelos dodispositivos sejam confiveis.

    O clculo das potncias deve ser feito, via de regra, pelo produto dos sinais de tenso ecorrente sobre o componente em questo.

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    Consideremos para fins de exemplo as formas de onda indicadas na figura 11.1. Osvalores da potncia mdia em cada sub-intervalo so calculados na seqncia.

    0

    V1 I1

    Vo Io

    Potncia

    t0 t1 t2 t3 t4 t5

    T

    v

    i

    p=v.i

    Figura 11.1 Exemplo de sinais de tenso, corrente e potncia para clculo de potncia mdia

    dissipada.

    a) Intervalo (t1-t0)

    Io)t(i = (11.1)

    1V)t(v = (11.2)

    =1t

    0t

    dt1VIoT11P (11.3)

    ( )T

    0t1t1VIo1P = (11.4)

    b) Intervalo (t2-t1)

    )1t2t()1tt()Io1I(Io)t(i

    += (11.5)

    Se Io

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    )4t5t()4tt()Vo1V(Vo)t(v

    += (11.15)

    [ ] ++= tj2 )4t5t(4t1IVo2VoIo1V1ItjVo1IT15P22

    + )4t5t(4t)4t5t(4t3

    )4t5t(tj

    )Vo1V()1IIo( 222332 (11.16)

    onde tj= t5 - t4

    Simplificadamente:

    = tjt

    11I)t(i (11.17)

    tjt1V)t(v = (11.18)

    Usando as equaes (11.18) e (11.17) tem-se:

    T6tj1I1V5P = (11.19)

    A potncia mdia dissipada ser:P = P1 + P2 + P3 + P4 + P5 (11.20)

    Os picos de potncia no exemplo dado so:

    1I1V1Pp = , em t = t2 (11.21)

    ,21I

    21V2Pp = em t =

    ( )t t4 52+

    (11.22)

    claro que as linearizaes das curvas de corrente e tenso por si s constituem umasimplificao e, portanto, implicam em erros. O uso de bom senso, atuando de maneiramoderadamente conservativa fundamental para um clculo seguro.

    Alguns osciloscpios digitais possuem a funo produto e at mesmo a sua integral,facilitando o clculo (o valor integrado deve ser dividido pelo perodo de chaveamento). Este omtodo mais indicado especialmente em regime chaveado. Para sinais contnuos, a potncia ,obviamente, o produto dos valores de tenso e corrente. Na ausncia dos equipamentos e/ourecursos citados, deve-se obter os sinais de tenso e corrente e aproxim-los, em partes, porfunes de fcil integrao.

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    11.2.1 DiodosUsualmente a tenso de conduo dos diodos de potncia da ordem de 1 V, valor este

    que aumenta quanto maior for a tenso do componente, devendo-se verificar o valor dosmanuais. O efeito da resistncia de conduo pode ser, em geral, desconsiderado. A dissipaono estado bloqueado pode ser desprezada em funo de seu pequeno valor em comparao comas perdas em conduo.

    A figura 11.2 indica uma situao de aplicao tpica de diodos, qual seja, uma ponteretificadora trifsica, operando, assim, em baixa freqncia de comutao. O fator dominante aquele relativo s perdas em conduo. Para um clculo analtico aproximado da potncia mdia,pode-se considerar a tenso de conduo constante (Vd) e utilizar-se o valor mdio da corrente.Como a freqncia de comutao baixa, as perdas relativas a este termo podem serdesprezadas.

    A corrente mdia pode ser estimada, conhecida a potncia consumida pela carga,lembrando-se que por cada diodo circula 1/3 da corrente total. Assim, para uma entrada de 200V(valor eficaz), tem-se uma tenso retificada de cerca de 300V. Supondo uma carga de 150, a

    corrente mdia pelo diodo ser de 0,66A. Para uma queda de tenso de 2 V, tem-se uma potnciamdia de 1,32W.J para a determinao da potncia de pico, como se deve conhecer o valor de pico da

    corrente, uma estimativa analtica mais difcil, uma vez que a forma da corrente depende daimpedncia da linha trifsica e ainda de eventuais indutncias parasitas das conexes, que podemalterar o valor do pico da corrente.

    Alguns catlogos de diodos fornecem grficos indicando a potncia ou energia dissipadapelo componente em funo da forma de onda da corrente.

    0s 4ms 8ms 12ms 16ms 20ms

    400V

    -10V

    20A

    -1A

    20W

    -0W

    corrente

    tenso

    potncia

    C Carga

    Figura 11.2. Tenso, potncia e corrente em um diodo de uma ponte retificadora trifsica com

    filtro capacitivo.

    A figura 11.3 mostra as formas de onda tpicas de um diodo. As perdas devido recombinao reversa so, em geral, desprezadas, uma vez que durante o tempo de decaimentoda corrente a tenso baixa. Somente quando atingido o pico negativo da corrente reversa que a tenso comea a crescer. Neste caso a potncia dissipada dada por:

    f VrQPr rrn = (11.25)

    Qrrn : carga de recombinao reversa relativa ao intervalo t5

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    Vr : tenso reversaf : freqncia de repetio

    Para a entrada em conduo, como o intervalo t1 muito rpido, no se leva emconsiderao a potncia a dissipada.

    i D

    v D

    Qrr

    t1

    t2

    t3

    t4 t5

    -Vr

    i=Vr/R

    Von

    trr dir/dt

    Vfp

    Vrp

    dif/dt

    Figura 11.3 Formas de onda tpicas de um diodo rpido.

    11.2.2 TiristoresEm geral os tiristores so empregados em circuitos conectados rede. Em funo do tipo

    de carga alimentada sua corrente pode assumir diferentes formas. O clculo da potncia mdiapode ser feito analogamente ao que foi indicado para os diodos, pois esta uma situao de pior

    caso (ngulo de conduo de 180o

    ). A queda de tenso em conduo em torno de 1,4 V,devendo-se verificar nos manuais o valor correto.

    11.2.3 Transistoresa) Em regime contnuo

    Se o transistor (bipolar ou MOSFET) estiver operando em sua regio ativa, a potncia porele dissipada simplesmente o produto da corrente pela tenso. Caso os valores no sejamconstantes, a potncia mdia dissipada pode ser calculada pelo produto da corrente e tenso comvalores RMS.

    b) Em regime chaveadoEm aplicaes em que o transistor usado como interruptor, como em fontes chaveadas

    ou amplificadores classe D, deve-se considerar as perdas em conduo e as perdas de comutao(chaveamento).

    Formas de ondas tpicas de tenso e corrente pelo componente esto indicadas na figura11.4. Os valores mdio e de pico podem ser calculados (estimados) de acordo com o que foiindicado anteriormente, para formas de onda genricas. Note que, em relao s formas de ondada figura 11.1, tem-se um agravante que a corrente de recombinao reversa do diodo, que sesoma corrente do transistor, aumentando significativamente o pico de potncia dissipada naentrada em conduo do transistor.

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    20.0us 30.0us 40.0us 50.0us 60.0us 66.5us

    10KW

    0W

    200V

    0V

    100A

    0A

    corrente

    tenso

    Potncia

    L

    C

    T

    D

    Figura 11.4. Formas de onda tpicas de potncia em um transistor utilizado em fonte chaveada

    com carga indutiva.

    No caso de transistores bipolares, a tenso de saturao est em torno de 0,4V (verifiqueo valor no manual especfico). Para conexo Darlington este valor cresce para cerca de 1,2V,uma vez que o transistor no entra na regio de saturao. A corrente no estado bloqueado pode,em geral, ser negligenciada para o clculo da potncia.

    Para um IGBT, o valor da tenso de conduo maior, situando-se entre 3 e 5 V, adepender do componente. O valor deve ser verificado no catlogo do fabricante.

    Um clculo preliminar da potncia dissipada no componente deve ser feito antes damontagem do circuito a partir dos dados de manual. Com o funcionamento do equipamentodeve-se verificar as formas de onda reais e reconsiderar o dimensionamento do sistema dedissipao.

    Os manuais de transistores de potncia, em geral, indicam os tempos caractersticos de

    chaveamento para cargas resistivas e indutivas, devendo-se empregar os tempos mximosestipulados para o dimensionamento preliminar. Uma vez que o desempenho do componente fortemente influenciado pelo circuito de acionamento da base/gate, pela carga e por componentesparasitas, um dimensionamento mais rigoroso s ser possvel aps o funcionamento doequipamento.

    Como regra geral, deve-se buscar o chaveamento mais rpido possvel embora isto possatrazer problemas de interferncias e surgimento de picos de tenso e/ou corrente devido aoselevados di/dt e dv/dt e aos componentes indutivos e capacitivos (parasitas ou no) do circuito.Medidas para reduo destes tempos ou tcnicas de chaveamento sem perdas podem serencontradas fartamente na bibliografia especializada.

    Neste ponto sugere-se a consulta a inmeros artigos publicados pela AssociaoBrasileira de Eletrnica de Potncia SOBRAEP, seja nos anais das diversas edies doCongresso Brasileiro de Eletrnica de Potncia, seja na revista Eletrnica de Potncia, que podeser livremente acessada atravs de http://www.sobraep.org.br.

    Os transistores MOSFET produzem menores perdas de chaveamento, pois seus tempos desubida e queda da corrente de dreno so menores que os obtidos para a corrente de coletor dostransistores bipolares ou IGBTs, sendo indicados para aplicaes em freqncias elevadas. Noentanto, possuem maiores perdas de conduo que os transistores bipolares equivalentes. Suasperdas em conduo podem ser preliminarmente aproximadas pelo produto da resistncia entredreno e fonte (RDSon) pelo quadrado da corrente, ponderando-se pelo ciclo de trabalho. Noentanto, como RDS se altera (cresce) com a elevao da temperatura necessrio, em projetos

    mais acurados, considerar tal efeito. Para IGBTs, como para os bipolares, faz-se o clculoutilizando a tenso Vce e a corrente de coletor.

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    11.3 Mecanismos atuantes em um dissipador de calor

    11.3.1 Dissipao por ConvecoA dissipao por conveco a que ocorre pela movimentao do ar na regio onde se

    encontra o dissipador de calor.A Taxa de Calor [J/s] dissipado dada por:

    Q=h A (Ts -Tf) (11.26)

    h = coeficiente individual de transporte de calorA = rea do dissipadorTs = temperatura de superfcieTf = temperatura do ar circunstante

    De acordo com esta equao, para melhorar a dissipao pode-se aumentar a rea do

    dissipador ou aumentar o coeficiente individual de transporte de calor, o qual pode ser melhoradoalterando a geometria do dissipador, alterando a orientao do dissipador (deixando-o emposio horizontal ou vertical, de modo a facilitar o fluxo do ar) ou forando passagem do ar pelodissipador (ventilao forada).

    11.3.2 Dissipao por RadiaoO segundo fenmeno que permite dissipao de calor por radiao, no qual a energia

    transportada por ondas eletromagnticas. Neste caso, a Taxa de Calor dissipado dada por:

    Q = A (Ts4 - Tf 4) (11.27)

    = constante de Boltzmann = 5,67 10-8 W/m2K4 =emissividade

    Ts = temperatura de superfcieTf = temperatura do fludo (ar)

    A nica varivel que pode ser alterada para o aumento da eficincia a emissividade ( ),a qual funo apenas do tipo de acabamento da superfcie que irradia o calor.

    Da tabela 11.1 nota-se que a anodizao do alumnio (material normalmente utilizado nosdissipadores) altera a emissividade de 0,04 para cerca de 0,85, o que melhora a Taxa de Calorradiado em cerca de 20 vezes.

    A cor da superfcie influencia apenas na absorvitividade de radiao, mas este no omecanismo pelo qual o dissipador absorve o calor do componente eletrnico, uma vez que ocalor absorvido por conduo trmica (contato entre as superfcies). O fato do dissipador estaranodizado na cor preta ou na cor natural no influencia na dissipao.

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    Tabela 11.1 Absortividade e emissividade de radiao do alumnio em funo do acabamentosuperficial

    absortividade emissividade

    Anodizao Preto 0.86 0.86 1.00

    Anodizao Azul 0.67 0.87 0.77Anodizao Bronze 0.73 0.86 0.85Anodizao Verde 0.66 0.88 0.75Anodizao Vermelho 0.57 0.88 0.65Anodizao Amarelo 0.47 0.87 0.54

    Anodizao Natural 0.35 0.84 0.42

    Sem Anodizar 0.26 0.04 6.50

    Define-se a grandeza resistncia trmica como uma medida da dificuldade do fluxo decalor entre 2 meios:

    ( )Ah1

    PTRt == (11.28)

    T: diferena de temperatura entre regies de transferncia de calor

    P: potncia mdia dissipadaA utilizao de grande nmero de aletas para aumentar a rea de troca de calor. A

    resistncia trmica entre o dissipador e o ambiente, Rdta, para uma placa plana quadrada aproximadamente dada por:

    AC650C

    W3,3Rtda f 25.0f +

    = (11.29)

    : condutncia trmica (a 77o C) [W/(oC.cm)]W: espessura do dissipador [mm]A: rea do dissipador [cm2]Cf : fator de correo devido posio e tipo de superfcie

    Tabela 11.2 Valores de condutncia trmica para diferentes materiais:Material (W/ oC.cm)Alumnio 2,08

    Cobre 3,85Lato 1,1Ao 0,46Mica 0,006

    xido de berlio 2,10

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    O fator Cf varia com a posio do dissipador, sendo prefervel uma montagem vertical horizontal por criar um efeito chamin.

    Tabela 11.3Valores para Cf: para dissipador de alumnioCorpo anodizado corpo brilhante

    Montagem vertical 0,43 0,85Montagem horizontal 0,5 1,00

    O valor efetivo da resistncia trmica do dissipador pode ser significativamente reduzidopor circulao forada de ar, como indicado na figura 11.5.

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

    R

    v (m/s)

    1

    Figura 11.5 Variao relativa de Rtda com ventilao forada.

    11.4 Comportamento em regime permanente: potncia mdiaNos dispositivos semicondutores de potncia o calor decorrente do efeito Joule

    produzido na pastilha semicondutora, fluindo da para ambientes mais frios, como oencapsulamento do dispositivo e o ambiente. Este fluxo de calor depende de fatores como ogradiente de temperatura e as caractersticas trmicas dos meios e materiais envolvidos.

    Em geral se faz uma analogia com um circuito eltrico, mostrado na figura 11.6, sendo apotncia mdia representada por uma fonte de corrente. As temperaturas nos ambientes indicados(juno, cpsula, ambiente) so anlogas s tenses nos respectivos ns, enquanto as resistnciastrmicas so as prprias resistncias do modelo.

    P

    Tj Tc Ta

    Td

    R tjc R tca

    R tcd R tda

    Figura 11.6. Equivalente eltrico para circuito trmico em regime permanente (incluindo

    dissipador).

    Via de regra a temperatura ambiente (Ta) considerada constante e o objetivo do

    dimensionamento garantir que a temperatura da juno semicondutora (Tj) no ultrapasse umdado valor mximo. As resistncias trmicas entre juno e cpsula (Rtjc) e entre cpsula e

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    ambiente (Rtca) so dados do componente, existindo nos manuais. Eventualmente se omite ovalor da resistncia entre cpsula e ambiente caso seu valor seja elevado e seguramente sejautilizado algum dissipador de baixa resistncia trmica.

    A equao tpica do modelo :

    Tj = Ta + P . (Rtjc + Rtca) (11.30)

    Exemplo 1:Sejam os seguintes dados iniciais (a potncia mdia j foi calculada ou estimada por

    algum mtodo):P = 20 WRtjc = 2oC/W (dado de catlogo)Rtca = 10oC/W (dado de catlogo)Ta = 40oC (arbitrado pelo projetista em funo do local de instalao)Tjmax = 120oC (dado de catlogo)

    Destes dados determina-se que:Tc = Ta + P . Rtca = 240oCTj = Tc + P . Rtjc = 280oC

    11.4.1 Dissipador de calorPelos dados de exemplo 1 verifica-se que uma situao de tal tipo levaria destruio do

    dispositivo, uma vez que seria ultrapassada a sua mxima temperatura de juno.Considerando que no seja possvel reduzir a potncia mdia dissipada e que no h

    como alterar as resistncias trmicas (a menos que se substitua o componente por algum de outrotipo) e ainda que a temperatura ambiente no pode ser reduzida significativamente, a alternativapara a proteo do semicondutor colocar um dispositivo de baixa resistncia trmica entre oencapsulamento e o ambiente (entre a juno e o encapsulamento no possvel faz-lo). A esteelemento colocado junto ao encapsulamento se diz dissipador de calor. Tal associao emparalelo de resistncias trmicas (veja a figura 11.6) permite reduzir a resistncia equivalenteentre ambiente e encapsulamento e, assim, reduzir as temperaturas da cpsula e,conseqentemente, da juno.

    Desprezemos inicialmente a resistncia trmica entre a cpsula e o dissipador (Rtcd). Noexemplo dado e usando o modelo, tem-se:

    P)RteqRtjc(TamaxTj ++= (11.31)

    ( ))RtdaRtca(

    RtdaRtcaRteq+

    =

    Rteq = 2oC/WRtda = 2,5oC/W

    A figura 11.7 mostra perfis tpicos de dissipadores.Na montagem do componente semicondutor sobre o dissipador existe uma resistncia

    trmica entre o encapsulamento e o corpo do dissipador, a qual determinada, principalmente,pelo ar contido entre os corpos, devido s rugosidades e no alinhamento das superfcies. Este

    fato pode ser minimizado pelo uso de pastas de silicone ou outro tipo de material que seja bomcondutor trmico e isolante eltrico. Caso seja necessrio isolar eletricamente o corpo do

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    componente do dissipador utiliza-se, em geral, isoladores de mica ou de teflon, que apresentamuma resistncia trmica adicional entre cpsula e dissipador.

    Recorde-se aqui que, normalmente, a parte metlica do corpo dos componenteseletrnicos est ligada eletricamente a um dos terminais do mesmo. Por exemplo, comum que acpsula de um transistor esteja conectada ao coletor. Caso seja necessrio isolar eletricamente ocorpo do componente do dissipador utiliza-se, em geral, isoladores de mica ou de teflon, queapresentam uma resistncia trmica adicional entre cpsula e dissipador.

    Tabela 11.4 Valores tpicos de resistncia trmica entre cpsula e dissipador

    Tipo de cpsula Tipo de isolador Rtcd (oC/W)c/ pasta s/ pasta

    TO - 3 s/ isoladorteflonmica

    0,10,7 a 0,80,5 a 0,7

    0,31,25 a 1,451,2 a 1,5

    TO - 66 s/ isoladormicamylar

    0,15 a 0,20,6 a 0,80,6 a 0,8

    0,4 a 0,51,5 a 2,01,2 a 1,4

    TO - 220AB s/ isoladormica

    0,3 a 0,52,0 a 2,5

    1,5 a 2,04,0 a 6,0

    Obs.: mica e mylar com espessura de 50m a 100m.

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    Figura 11.7 Perfis tpicos de dissipadores (Semikron Semicondutores)

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    11.5 Comportamento em regime transitrio: potncia de pico

    Quando a potncia dissipada no semicondutor apresenta pulsos de potncia precisoverificar a proteo do componente no apenas em relao ao valor mdio sobre ele mas tambmem relao aos picos de dissipao.Durante a ocorrncia do pico de potncia ocorre a elevao da temperatura da junoembora no ocorra variao nas temperaturas do encapsulamento e do dissipador (que dependemda potncia mdia) devido maior capacidade trmica da cpsula e, especialmente, dodissipador. Tal capacidade trmica relaciona-se com o tipo de material utilizado e seu volume.Na analogia eltrica utilizada anteriormente, ela se comporta como uma capacitncia.

    O clculo da temperatura da juno em tal regime transitrio feito utilizando umagrandeza chamada impedncia trmica que leva em considerao a capacidade trmica da juno. O valor da impedncia trmica, Ztjc, obtido de curvas normalizadas presentes nosmanuais de componentes semicondutores de potncia. A figura 11.8 mostra uma curva tpica de

    impedncia trmica, normalizada em relao resistncia trmica entre juno e cpsula.Estas curvas tomam por base pulsos quadrados de potncia que, via de regra, noapresentam tal formato. Como se v na figura 11.9, os pulsos reais devem ser normalizados demaneira a que o valor de pico e a energia (rea sob o pulso) se mantenham. Com o ciclo detrabalho obtido pela diviso da largura do pico retangular pelo perodo de chaveamento,seleciona-se a curva adequada e se obtm o valor de Ztjc (normalizado ou no). Calculada atemperatura do encapsulamento (a partir da potncia mdia) obtm-se o valor da temperatura da juno no instante do pulso de potncia.

    1 105

    0 0.001 0.01 0.1 10.01

    0.1

    1

    pulso nico tp

    =0.05

    =0.1

    =0.5

    Zt/Rt

    Figura 11.8. Curvas tpicas de impedncia trmica para picos de potncia.

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    Pp

    tp

    Pp

    Pd(t)

    Pj(t)Pulso normalizado

    A1

    A2

    A1=A2

    t

    tT

    Figura 11.9. Normalizao do pulso de potncia.

    tp Pp Pd t dt= 10

    ( )

    (11.32)

    =tpT

    Uma vez determinada a temperatura relativa potncia mdia pode-se calcular atemperatura de pico que se tem na juno utilizando estes dados:

    ),tp(ZPpTcTj tjcp += (11.33)

    Exemplo 2:Rtjc = 2o C/W (dado de catlogo)Rtca = 5o C/W (dado de catlogo)Rtcd = 2o C/W (associado ao tipo de isolao entre cpsula e dissipador)Rtda = 3o C/W (dissipador escolhido previamente)Ztjc = 0,05o C/W (dado de catlogo)Tjmax = 150o C (dado de catlogo)Ta = 40o C (arbitrado pelo projetista)P = 20W (calculado ou estimado previamente)Pp = 1000W (calculado ou estimado previamente)

    Em relao potncia mdia:

    ( )

    ++

    +++=

    RtdaRtcdRtca

    RtdaRtcdRtcaRtjcPTaTj (11.34)

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    Tj = 130oC (o componente est protegido em relao potncia mdia)

    Tc = 90oC

    Em relao ao pico de potnciaTj = Tc + Pp . Ztjc = 140oC (11.35)

    O componente tambm est protegido nos transitrios. Caso a temperatura calculada da juno ultrapassasse o valor mximo seria necessrio recalcular o dissipador para que atemperatura da cpsula fosse baixa o suficiente para permitir a elevao na juno decorrente dopulso de potncia.

    11.6 Clculo de dissipadores

    Neste item indicam-se alguns critrios a serem adotados no dimensionamento dedissipadores. Os valores de potncia sero dados como ponto de partida mas nas situaes reaisdevero ter sido calculados a partir de dados de manual ou de observao das formas de ondasobre o componente. A temperatura de trabalho da juno deve ser 20% a 30% menor que seu valor mximo, para

    permitir a proteo do componente sem superdimensionar o dissipador. Para ambientes nos quais no se faa um controle rgido da temperatura deve-se usar uma

    temperatura ambiente de 40oC (exceto se for possvel a ocorrncia de temperaturas ainda maiselevadas).

    Caso o dissipador fique dentro de algum bastidor ou caixa na qual a temperatura possa seelevar acima dos 40oC deve-se considerar sempre a mxima temperatura do ar com o qual odissipador troca calor. conveniente, falta de maiores informaes utilizar o valor de 40oC everificar aps a entrada em operao do prottipo a verdadeira temperatura ambiente.

    Deve-se verificar a necessidade do uso de isoladores (mica, teflon ou mylar) e nodesconsiderar suas resistncias trmicas.

    O emprego de pastas trmicas sempre recomendado e se deve considerar tambm suaresistncia trmica.

    Exemplo 3:Rtjc = 1oC/W (dado de catlogo)Rtca = 35oC/W (dado de catlogo)

    Rtcd = 0,7oC/W (isolador e pasta)Ztjc = 0,01oC/W (dado de catlogo)

    P = 20WPp = 5 kWTjmax = 150oCTa = 40oC

    a) Clculo em regime permanente

    Tj = 0,8 . Tjmax = 120oCTj = Ta + P . (Rtjc + Rteq)Rteq = 3oC/W

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    ( )RtdaRtcdRtca

    )RtdaRtcdRtcaRteq++

    +=

    Rtdamax = 2,58oC/W

    O dissipador trmico selecionado deve possuir uma resistncia trmica inferior calculada. Por exemplo:

    Rtda = 2oC/W

    Assim o novo Rteq ser 2,5oC/W.

    b) Clculo em regime transitrio

    Tc = Ta + Rteq. P = 90oC

    Tjp = Tc + Ztjc.

    Pp = 140o

    C >120o

    CComo, no transitrio ultrapassa-se o valor de Tj estabelecido preciso redimensionar o

    dissipador, a partir de um valor admissvel para Tc.

    Tcmax = Tj - Ztjc . Pp (11.36)Tcmax = 70oCTcmax = Ta + Rteq . PRteq = 1,5oC/WRtda = 0,86oC/W

    Assim, para proteo do dispositivo contra a potncia mdia dissipada e os pulsos depotncia nos transitrios, deve-se usar um dissipador com resistncia trmica de 0,8oC/W. Outrapossibilidade usar um dissipador com resistncia trmica maior mas fazendo uso de ventilaoforada.

    11.7 Fontes de calor distribudas

    Componentes idnticos so freqentemente montados prximos em placas, quando umnico dispositivo no pode dissipar toda a potncia projetada, por exemplo, um conjunto detransistores em paralelo em um regulador srie para alta corrente. Cada dispositivo dissipa

    praticamente uma mesma frao da potncia total. A mxima temperatura ocorrer no centro daplaca, com uma distribuio parablica de temperatura, com o mnimo nas bordas. A diferenade temperatura entre as bordas e qualquer ponto da placa dada por:

    )XL(KA2qT 22 = (11.37)

    L: distncia entre a borda e o centro da placa [cm]K: condutividade trmica do material da placa [cal/s.cm.C]A: seo transversal da placa [cm]X: distncia, a partir do centro, onde se quer saber a temperatura [cm]

    q: potncia distribuda entre o centro da placa e o ponto X [cal/s]

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    11.8 Refrigerao forada

    Sistemas eletrnicos de alta potncia freqentemente utilizam refrigerao comcirculao forada de lquidos. Em geral os componentes so montados em placas metlicas decobre ou alumnio, atravs da qual circula o lquido refrigerante, normalmente por condutoresocos soldados placa.

    gua provavelmente o melhor lquido para resfriamento em termos de densidade,viscosidade, condutividade trmica e calor especfico. Para operao de longa durao deve-seprever uso de gua destilada e deionizada. Se a temperatura esperada puder cair abaixo do pontode solidificao ou acima do de ebulio deve-se adicionar outro lquido gua, como oethylene glycol o que tambm previne a corroso do cobre ou alumnio usado nos dutos.

    O clculo do sistema de refrigerao relativamente elaborado, utilizando frmulasaproximadas e indicadas nas referncias e que no sero tratadas aqui.

    11.9 Referncias bibliogrficas

    B.W.Williams: Power Electronics, Devices, Drives and Applications, MacMillan Education,1987

    Ivo Barbi: Progress in the Development of High-Frequency nondissipative Commutation powerConverter Technologies, Power Electronics Seminar, Dec, 15-16, 1988, Florianpolis, Brazil

    P.L. Hower Power Semiconductors Devices: An Overview, Proc. IEEE, vol. 76, no 4, April1988

    R.D.King er alli: Comparison of Power Darlinton, IGBT and MCT Switch Losses in ASDPWM Inverters, PCIM, August 1990

    D.S.Steinberg: Cooling Techniques for Electronic Equipment, John Wiley & Sons, Inc., 1980.

    http://www.hsdissipadores.com.br/tecnologia.asp, acesso em 21/07/2007.

    http://www.sobraep.org.br, para acesso s publicaes da SOBRAEP