Cálculo e Projeto de Dissipadores de Calor para … · Cálculo e Projeto de Dissipadores de Calor...

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  • Clculo e Projeto de Dissipadores

    de Calor para Diodos e Tiristores

    Guilherme de Azevedo e Melo

  • Diodo:

    Tiristor:

    GTO:

    BJT:

    MOSFET:

    IGBT:

    Gerao de Calor

    E

    FvF i

    R

    D

    D

    vD+ -

    +

    -

    vLR

    iLv(t)

    T1 T2

    D1 D2

    +

    vL

    -

    Rv t( ) iL

    ( ) ( )2DS(on) ef SD D DS(off ) ef on offf

    P R I V I V I t t2

    = + + +

    ( ) 2CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef ri fv rv f CE(Sat) Ceff

    P V I V I t t t t r I2

    = + + + + +

    Simbologia

    SEMIKRON

    + Parcela no linear multi-parmetros)

    ( ) 2CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef on off CE(Sat) Ceff

    P V I V I t t r I2

    = + + +

    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

  • ( ) 2CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef ri fv rv f CE(Sat) Ceff

    P V I V I t t t t r I2

    = + + + + +

    Diodo:

    Tiristor:

    GTO:

    BJT:

    MOSFET:

    IGBT:

    Gerao de Calor

    E

    FvF i

    R

    D

    D

    vD+ -

    +

    -

    vLR

    iLv(t)

    T1 T2

    D1 D2

    +

    vL

    -

    Rv t( ) iL

    2

    (TO) FAV T FRMSP V I r I= +

    ( ) ( )2DS(on) ef SD D DS(off ) ef on offf

    P R I V I V I t t2

    = + + +

    Simbologia

    SEMIKRON

    + Parcela no linear multi-parmetros)

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

    P V I V I t t2

    = + +

    Parmetros 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

    incio correntede cauda

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

    P V I V I t t2

    = + +

    Perdas na Comutao

    Perdas em Conduo

    4/16

  • Diodo

    Tiristor

    GTO

    BJT

    MOSFET

    IGBT

    MOSFET

    ( ) ( )2DS(on) ef SD D DS(off ) ef on offf

    P R I V I V I t t2

    = + + +

    Perdas na Comutao

    Perdas em Conduo

    5/16

  • Diodo

    Tiristor

    GTO

    BJT

    MOSFET

    IGBT

    Transistor de Juno Bipolar

    BJT

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

    P V I V I t t t t2

    = + + + +

    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= + Grficos e Equaes mais elaboradas

    Perdas na Comutao

    Perdas em Conduo

    7/16

  • Diodo

    Tiristor

    GTO

    BJT

    MOSFET

    IGBT

    Diodo e Tiristor

    D1 D2 D3

    D5D4 D6

    1v (t)

    2v (t)

    3v (t)

    Ri

    L

    iD1

    iD2

    iD3

    2

    t

    t

    t

    3

    2

    3

    2

    3

    2

    VD

    V(TO)

    2

    (TO) FAV T FRMS rr RM D

    fP V I r I t I V

    2= + +

    Perdas na Comutao

    Perdas em Conduo

    8/16

  • Modelo para Regime Permanente

    Temperatura no conjunto semicondutor

    + dissipador no varia.

    Modelo para Regime Transitrio

    Temperatura no conjunto semicondutor

    + dissipador varia.

    Modelos para Clculo

    Trmico de Semicondutores

    9/16

  • Modelo para Regime

    PermanenteModelo utilizando analogia circuitos eltricos

    Rcd RdaRjc

    TaTdTcTjP

    Tj: Temperatura de juno (C) Dado do fabricante Usualmente 125C);

    Tc: Temperatura da cpsula (C);

    Td: Temperatura do dissipador (C);

    Ta: Temperatura ambiente (C);

    Rjc: Resistncia trmica juno-cpsula (C/W);

    Rcd: Resistncia trmica cpsula-dissipador (C/W);

    Rda: Resistncia trmica dissipador-ambiente (C/W);

    P: Potncia trmica que flui da juno para o ambiente (W).

    1 2V V R I =

    R

    I

    V2V1

    ( )j a jc cd daT T R R R P = + +

    10/16

  • Modelo para Regime

    Permanente

    Rcd RdaRjc

    TaTdTcTjP

    Rja: Resistncia trmica juno-ambiente (C/W);

    Rjd: Resistncia trmica juno-dissipador (C/W);

    Rca: Resistncia trmica cpsula-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

    Transitrio

    Zt: Impedncia trmica (C/W);

    T: Variao de Temperatura (C);

    = +1 2

    P P P

    Modelo utilizando analogia circuitos eltricos

    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

  • Caracterstica dos

    Dissipadores

    13/16

  • Metodologia de Projeto

    Calcula-se a potncia mdia dissipada no semicondutor;

    Em funo dos parmetros de catlogo fornecidos pelo

    fabricante, calcula-se a resistncia trmica dissipador-

    ambiente para que a temperatura de juno no

    ultrapasse o valor desejado;

    A resistncia trmica do dissipador deve ser menor que

    a calculada.

    Calcula-se um Rda utilizando um dissipador com Rda exatamente

    igual: Obtm-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

    Resistncia Trmica do Perfil:

    0,73C/W/4

    o

    daR ~1,45 0,73 1,06 C/W =

    15/16

  • Exemplo de Projeto

    D

    vD+ -

    +

    -

    vLR

    iLv(t)

    f = 60Hz

    R = 10

    D = SKN20/04

    ( ) ( )v t 2 220 sen t =

    2 30

    t

    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(10119,985,023=+=

    Rjc = 2C/W (Rthjc)

    Rcd = 1C/W (Rthcs)

    Tj = 180C

    V(TO) = 0,85V

    rT = 11m

    Ta = 50C

    ++= )( dacdjc RRRPT WCRo

    da/82,83

    11

    130=

    o

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

  • Exerccios

    17/16