ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Prof. Luiz Antonio de Souza Ribeiro
IEE – Instituto de Energia Elétrica
NEA – Laboratório de Energias Alternativas
São Luís - 2012
Características Desejadas nas Chaves Controladas de Potência
Bloquear altas tensões diretas e reversas;
Conduzir altas correntes com queda de tensão zero quando ligadas;
Liga e desligar instantaneamente quando disparados;
Não consumir potência do circuito de disparo de controle.
Energia Dissipada
+ -
+
- vT
iT
Io
Energia Dissipada
+ -
Sinal de controle de chaveamento
Tensão na chave Corrente na chave
Potência na chave
&
Energia Dissipada
+ -
On
Off
On
Off
Energia Dissipada
+ -
Io
Vd
VdIo
On
Off
On
Off
Energia Dissipada
+ -
td(on)
Tempo de atraso de disparo
Energia Dissipada
+ -
tri Tempo de subida da corrente
Energia Dissipada
+ -
tfv Tempo de queda da tensão
Energia Dissipada
+ -
WC(on)=0,5Vd Io tC(on)
Potência dissipada na transição para o estado ligado
Energia Dissipada
+ -
ton
Won = Von Io ton
Von
Potência dissipada de condução
Energia Dissipada
+ -
td(off)
Tempo de atraso de desligamento
Energia Dissipada
+ -
trv Tempo de subida da tensão
Energia Dissipada
+ -
tfi Tempo de queda da corrente
Energia Dissipada
+ -
WC(off)=0,5Vd Io tC(off)
Potência dissipada na transição para o estado desligado
Energia Dissipada
+ -
Off Off
On On
Vd Vd
Von
Io
WC(on) WC(off)
Won
Potência Média no Chaveamento
Esse resultado mostra que a perda de potência no chaveamento varia linearmente com a frequência de chaveamento e com os tempos de chaveamento do dispositivo.
( ) ( )
1
2S d o S C on C offP V I f t t
Potência Média na Condução
onon on o
S
tP V I
T
Essa equação mostra que a queda de tensão direta na chave deve ser a menor possível.
Perda de Potência Total
T S onP P P
Considerações: 1. Pequena corrente de fuga no estado desligado; 2. Pequena queda de tensão direta; 3. Curtos intervalos de tempo de chaveamento; 4. Bloqueio de altas tensões diretas e reversas; 5. Condução de altas correntes diretas; 6. Baixo consumo do circuito de controle; 7. Suportar altos dv/dt e di/dt durante chaveamento;
Controle de Temperatura das Chaves
O limite superior teórico na temperatura de um dispositivo semicondutor é chamado de temperatura intrínseca (Ti)
Os fabricantes de semicondutores de potência garantem os valores máximos dos parâmetros dos dispositivos na temperatura máxima especificada, que pode variar com o tipo de dispositivo, mas que geralmente está em 125°C;
A escolha do dissipador de calor (menor e mais econômico) faz parte do projeto dos sistemas de eletrônica de potência.
Transferência de Calor por Condução
T2 = a temperatura mais alta em (°C); T1 = a temperatura mais baixa em (°C); A = a área da secção transversal em (m2); d = o comprimento em (m); = o coeficiente de condutividade térmica.
Lei de Fourier para Transferência de Calor por Condução
2 1
cond
A T TP
d
O coeficiente de condutividade térmica é elevado para os bons condutores e baixo para os isolantes térmicos. Para o alumínio com 90% de pureza, geralmente utilizado na fabricação de dissipadores de calor, a condutividade térmica é 220 W/(m°C).
Resistência Térmica de Condução
A resistência térmica de condução em [°C/W] é definida por:
cond
cond
TR
P
Assim:
cond
dR
A
Resistência Térmica de Condução
Nos dispositivos semicondutores, o fluxo de calor deve atravessar materiais diferentes, com diferentes coeficientes de condutividade térmica, áreas e espessuras.
Rθjc → resistência térmica
junção – cápsula
Rθcs → resistência térmica
cápsula – dissipador
Rθsa → resistência térmica
dissipador – ambiente
Rθja → resistência térmica
junção – ambiente
Resistência Térmica de Condução
A resistência térmica total da junção para o ambiente é dada por:
A temperatura resultante da junção, assumindo uma dissipação de potência Pd é:
ja jc cs saR R R R
j d ja aT P R T
Rjc x Ângulo de Condução
ITAV x PTAV
PTAV x Ta
Impedância Térmica Transitória
( ) ( ) ( )j aT t P t Z t T
Se a potência de entrada estiver em função do tempo, deverão ser utilizados os gráficos da impedância térmica transitória fornecida pelo fabricante.
A temperatura transitória da junção, assumindo uma dissipação de potência P(t) é dada por:
Impedância Térmica Transitória
Seja um diodo no qual não circula corrente para t < to. A sua temperatura na junção é igual à temperatura ambiente Ta
No instante to o diodo começa a dissipar uma potência constante Pd . A capacidade térmica do dispositivo impede que a sua temperatura cresça abruptamente. Ela cresce exponencialmente como está representado abaixo.
Impedância Térmica Transitória
A diferença instantânea de temperatura é dada pela expressão: ΔT
= Zt Pd ; Zt é a impedância térmica (variável no tempo)
Circuito térmico equivalente, incluindo a capacidade térmica.
∆𝑇
𝑃𝑑 = 𝑅𝜃 1 − 𝑒−𝑡/𝜏 = 𝑍𝑡
𝒁𝒕 impedância térmica transitória
𝑅𝜃 resistência térmica
𝜏 = 𝑅𝜃𝐶 capacidade térmica
Impedância Térmica Transitória
Dissipadores de Calor
Dissipadores de Calor
Manter a temperatura da junção dos dispositivos de potência dentro dos limites aceitáveis é uma responsabilidade conjunta do fabricante do dispositivo e do usuário do dispositivo.
A resistência térmica junção-ambiente máxima permitida pode ser estimada por:
max maxj a
ja
loss
T TR
P
Dissipadores de Calor
Transferência de Calor por Radiação O calor que sentimos ao aproximar a mão de uma lâmpada incandescente é essencialmente um resultado de radiação infravermelha emitida pelo filamento incandescente e absorvida pela mão. Todos os objetos emitem radiação eletromagnética (chamada de radiação térmica) por causa de sua temperatura.
Lei de Stefan-Boltzmann para Transferência de Calor por Radiação
A transferência de calor por radiação é dada pela Lei de Stefan-Boltzman, ou seja:
Prad = a potência radiada em (W); E = a emissividade da superfície (W/m2K4); A = a temperatura da superfície em (K); Ta = a temperatura do ambiente em (K); Ts = a área da superfície externa. Para o dissipador de calor, inclui as aletas, em (m2).
8 4 45,7.10rad s aP EA T T
Transferência de Calor por Convecção
Descreve a transferência de calor que ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento (o vento, por exemplo).
Lei do Resfriamento de Newton para Transferência de Calor por Convecção A transferência de calor por convecção é dada pela Lei do Resfriamento de Newton, ou seja:
Pconv = a potência perdida por convecção em (W); A = a área da superfície vertical (ou área da superfície total do corpo) em (m2); T = a diferença de temperatura entre a superfície
do corpo e o ar do ambiente em (°C ou K); dvert = a altura do corpo em (m).
1,25
0,251,34conv
vert
TP A
d
Resistência Térmica de Radiação
Resistência Térmica de Convecção
4 4
5,7100 100
rad
s a
TR
T TEA
141
1,34
vertconv
dR
A T
Resistência Térmica do Dissipador (Rsa)
rad convsa
rad conv
R RR
R R
Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor
Exercício: Estimar a resistência térmica do dissipador Rsa para uma temperatura ambiente de 20°C.
Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor
1º Passo: Obter as dimensões.
Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor
2º Passo: Calcular a área efetiva de radiação.
Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor
2º Passo: Calcular a área efetiva de radiação.
Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor
3º Passo: Calcular a área exposta para convecção.
Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor
4º Passo: Calcular as resistências térmicas de radiação e convecção usando o fator de redução.
Análise da Resistência Térmica do Dissipador de Calor
5º Passo: Calcular a resistência térmica do dissipador.
rad convsa
rad conv
R RR
R R
5,08*1,771,31
5,08 1,77saR
Análise pela Aproximação Cúbica
Volume do Dissipador em (cm3) 435
O lado equivalente do cubo em (cm) 7.577
A altura para convecção dvert em (m) 0.076
A área efetiva: A = 6*(dvert)2 em (m2) 0.035
Resistência térmica de radiação em (°C/W) 3.38
Resistência térmica de convecção em (°C/W) 3.54
Resistência térmica do dissipador em (°C/W) 1.73
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