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Cálculo e Projeto de Dissipadores de Calor para Diodos e Tiristores Guilherme de Azevedo e Melo

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Cálculo e Projeto de Dissipadores

de Calor para Diodos e Tiristores

Guilherme de Azevedo e Melo

Diodo:

Tiristor:

GTO:

BJT:

MOSFET:

IGBT:

Geração de Calor

E

FvF i

R

D

D

vD+ -

+

-

vLRiLv(ωt)

T1 T2

D1 D2

+

vL

-

Rv t( )ωiL

( ) ( )2

DS(on) ef SD D DS(off ) ef on off

fP R I V I V I t t

2

= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ +

( ) 2

CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef ri fv rv f CE(Sat) Cef

fP V I V I t t t t r I

2

= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + + + + ⋅

Simbologia

SEMIKRON

+ Parcela não linear multi-parâmetros)

( ) 2

CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef on off CE(Sat) Cef

fP V I V I t t r I

2

= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅

2

(TO) FAV T FRMSP V I r I= ⋅ + ⋅

2

(TO) FAV T FRMS rr RM D

fP V I r I t I V

2= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅

2

(TO) FAV T FRMS rr RM D

fP V I r I t I V

2= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅

2/16

( ) 2

CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef ri fv rv f CE(Sat) Cef

fP V I V I t t t t r I

2

= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + + + + ⋅

Diodo:

Tiristor:

GTO:

BJT:

MOSFET:

IGBT:

Geração de Calor

E

FvF i

R

D

D

vD+ -

+

-

vLRiLv(ωt)

T1 T2

D1 D2

+

vL

-

Rv t( )ωiL

2

(TO) FAV T FRMSP V I r I= ⋅ + ⋅

( ) ( )2

DS(on) ef SD D DS(off ) ef on off

fP R I V I V I t t

2

= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ +

Simbologia

SEMIKRON

+ Parcela não linear multi-parâmetros)

( )CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef on off

fP V I V I t t

2

= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ +

Parâmetros Normalmente Inexistentes

2

CE(Sat) Cef r I+ ⋅P. N. I.

2

(TO) FAV T FRMS rr RM D

fP V I r I t I V

2= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅

2

(TO) FAV T FRMS rr RM D

fP V I r I t I V

2= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅

3/16

Diodo

Tiristor

GTO

BJT

MOSFET

IGBT:

IGBT

90%

90%90%

10%

10%

t

t

t

VGE

VCE

CI

ont toff

tf

t d(off)td(on) t r

t 1 t 3

10%

t 2

início correntede cauda

( )CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef on off

fP V I V I t t

2

= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ +

Perdas na Comutação

Perdas em Condução

4/16

Diodo

Tiristor

GTO

BJT

MOSFET

IGBT

MOSFET

( ) ( )2

DS(on) ef SD D DS(off ) ef on off

fP R I V I V I t t

2

= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ +

Perdas na Comutação

Perdas em Condução

5/16

Diodo

Tiristor

GTO

BJT

MOSFET

IGBT

Transistor de Junção Bipolar

BJT

( )CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef ri fv rv f

fP V I V I t t t t

2

= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + + +

Parcelas Normalmente Insignificantes

Trabalhando de Forma Chaveada

6/16

Diodo

Tiristor

GTO

BJT

MOSFET

IGBT

GTO

2

(TO) FAV T FRMSP V I r I= ⋅ + ⋅ Gráficos e Equações mais elaboradas

Perdas na Comutação

Perdas em Condução

7/16

Diodo

Tiristor

GTO

BJT

MOSFET

IGBT

Diodo e Tiristor

D1 D2 D3

D5D4 D6

1v (ωt)

2v (ωt)

3v (ωt)

Ri

L

iD1

iD2

iD3

ωt

ωt

ωt

3

3

3

VD

V(TO)

2

(TO) FAV T FRMS rr RM D

fP V I r I t I V

2= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅

Perdas na Comutação

Perdas em Condução

8/16

Modelo para Regime Permanente

Temperatura no conjunto semicondutor

+ dissipador não varia.

Modelo para Regime Transitório

Temperatura no conjunto semicondutor

+ dissipador varia.

Modelos para Cálculo

Térmico de Semicondutores

9/16

Modelo para Regime

PermanenteModelo utilizando analogia à circuitos elétricos

Rcd RdaRjc

TaTdTcTjP

Tj: Temperatura de junção (°C) – Dado do fabricante Usualmente 125°C);

Tc: Temperatura da cápsula (°C);

Td: Temperatura do dissipador (°C);

Ta: Temperatura ambiente (°C);

Rjc: Resistência térmica junção-cápsula (°C/W);

Rcd: Resistência térmica cápsula-dissipador (°C/W);

Rda: Resistência térmica dissipador-ambiente (°C/W);

P: Potência térmica que flui da junção para o ambiente (W).

1 2V V R I− = ⋅

R

I

V2V1

( )j a jc cd daT T R R R P− = + + ⋅

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Modelo para Regime

Permanente

Rcd RdaRjc

TaTdTcTjP

Rja: Resistência térmica junção-ambiente (°C/W);

Rjd: Resistência térmica junção-dissipador (°C/W);

Rca: Resistência térmica cápsula-ambiente (°C/W);

j a jaT T R P− = ⋅

Rja

TaTjP

RdaRjd

TaTdTjP

RcaRjc

TaTcTjP

ja jc cd daR R R R= + +

11/16

Modelo para Regime

Transitório

Zt: Impedância térmica (°C/W);

∆T: Variação de Temperatura (°C);

= +1 2

P P P

Modelo utilizando analogia à circuitos elétricos

P

Rja

Tj

Ta

Cja

P1 P2

Pja 2 1 j a

ja

1R P P dt T T T

C⋅ = ⋅ = − = ∆∫

= ⋅ +

⋅ ⋅

2 2

ja ja ja ja

dP PP

R C dt R C

ja ja

t

R C

ja t

TR 1 e Z

P

∆ = ⋅ − =

Resolvendo por Laplace e ManipulandoFornecido pelo fabricante

12/16

Característica dos

Dissipadores

13/16

Metodologia de Projeto

• Calcula-se a potência média dissipada no semicondutor;

• Em função dos parâmetros de catálogo fornecidos pelo

fabricante, calcula-se a resistência térmica dissipador-

ambiente para que a temperatura de junção não

ultrapasse o valor desejado;

• A resistência térmica do dissipador deve ser menor que

a calculada.

– Calcula-se um Rda utilizando um dissipador com Rda exatamente

igual: Obtém-se uma Tj.

– Com Rda maior (Rda+): Tj+ > Tj

– Com Rda menor (Rda-): Tj- < Tj

( )j jc cd da aT R R R P T= + + ⋅ +

14/16

Metodologia de Projeto

Resistência Térmica do Perfil:

0,73°C/W/4”

o

daR ~1,45 0,73 1,06 C/W≅ ⋅ =

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Exemplo de Projeto

D

vD+ -

+

-

vLRiLv(ωt)

f = 60Hz

R = 10Ω

D = SKN20/04

( ) ( )v t 2 220 sen tω = ⋅ ⋅ ω

2ππ 3π0

ωt

Vo

2

AR

VI

o

Dmed9,9

10

22045,045,0=

==

AR

VI

oDef 55,15

10

220707,0707,0=

==

⇒+=2

)( DefTDmedTO IrIVP WP 07,11)55,15(10119,985,0 23=⋅⋅+⋅=

Rjc = 2°C/W (Rthjc)

Rcd = 1°C/W (Rthcs)

Tj = 180°C

V(TO) = 0,85V

rT = 11mΩ

Ta = 50°C

⇒++=∆ )( dacdjc RRRPT WCRo

da/82,83

11

130≅−=

o

daR (dissipador) 8,82 C/W< 16/16

Exercícios

17/16