Aula 09 - DEE UFBA

Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica
Departamento de Engenharia Elétrica
Disciplina Eletrônica de Potência (ENGC48)
Tema: Comutação e Perdas Térmicas
Eduardo Simas
([email protected])
Aula 8
Sumário

Introdução

Circuitos Amaciadores (Snubbers)

Perdas Térmicas

Exercícios de Fixação
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1. Introdução
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Introdução

Na montagem de conversores eletrônicos de potência é necessário considerar
aspectos práticos como:

A necessidade de circuitos de proteção para as chaves semicondutoras
(conhecidos como circuitos amaciadores ou snubbers).

As perdas térmicas associadas à dissipação de potência nos dispositivos
semicondutores e utilização de sistemas dissipadores de calor.

Estes aspectos serão abordados a seguir.
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2. Circuitos Amaciadores
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Circuitos Amaciadores

A função de um circuito amaciador é reduzir o “esforço elétrico” sobre o dispositivo
durante o chaveamento para níveis dentro dos limites suportados.

Os circuitos amaciadores podem ser projetados para:

Limitar o pico de tensão no transitório de desligamento

Limitar a taxa de crescimento da tensão (dv/dt) , lembrando que os tiristores
podem ser disparados de modo forçado se a taxa de variação da tensão for
alta.

Controlar as características de chaveamento de transistores.

Etc.
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Amaciadores para limitar dV/dt

Um circuito RC conectado em paralelo com o dispositivo
Circuito Tipo 1
semicondutor (diodo, tiristor, TRIAC, GTO, etc) é capaz de:

Reduzir a taxa de crescimento da tensão (reversa ou
direta).

Limitar os picos de tensão sobre o dispositivo.

A tensão no dispositivo segue a dinâmica imposta pela rede RC.

Quando o SCR é ligado o capacitor C se descarrega,
ocasionando um pico de corrente no dispositivo semicondutor
que é limitado pelo resistor R.
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Amaciadores para limitar dV/dt

Neste caso o pico de corrente produzido pela descarga do
Circuito Tipo 2
capacitor pode ser minimizado pela escolha adequada dos
resistores R1 e R2.

Com R1 << R2:

Enquanto a tensão direta sobre o tiristor aumenta é
criado um caminho de baixa resistência para a carga
do capacitor (Req ≈ R1//R2);

Quando o tiristor é disparado a descarga do capacitor
ocorre apenas através de R2, limitando a corrente
enviada para o dispositivo semicondutor.
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Amaciadores para limitar dV/dt

De modo semelhante ao circuito 2, o diodo cria um
Circuito Tipo 3
caminho preferencial para a corrente de carga do
capacitor enquanto o tiristor está em bloqueio direto.

Com o acionamento do dispositivo semicondutor, a
energia armazenada no capacitor é descarregada através
de R e L.

O indutor impede que ocorra um pico de corrente no
dispositivo semicondutor devido à descarga do capacitor.
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Amaciadores para Chaveamento de
Transistores

Os transistores de potência (TBJ, MOSFET, IGBT, etc) se comportam de modo
diferente de uma “chave ideal” durante os transitórios de chaveamento:
Dependendo das
características do circuito
podem ocorrer:
Picos de corrente
 Corrente de bloqueio
não nula
 Tensão no estado
ligado não nula
 Chaveamentos não
instantâneos
 etc
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É interessante a utilização de circuitos auxiliares (amaciadores)
que minimizem algumas destas características.
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Amaciadores para Chaveamento de
Transistores

O circuito amaciador pode ser utilizado para manter o dispositivo dentro da região
de operação segura.
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Amaciadores para Chaveamento de
Transistores

Considerando as características dinâmicas, o aumento de Vce é atrasado, evitando o
pico de dissipação de potência, e consequentemente protegendo e aumentando a
vida útil do dispositivo.
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3. Perdas Térmicas
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Introdução

A circulação de corrente elétrica provoca dissipação de potência.

A potência dissipada converte-se em calor por efeito Joule.

Relações entre potência e energia:


1 J = 1 W.s

1 cal = 4,187 J
Os semicondutores são projetados para operar dentro de uma certa faixa de
temperatura.

Deste modo, é necessário estabelecer critérios para o dimensionamento de
sistemas de dissipação de calor para os componentes eletrônicos.
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Estimativa das Perdas (aprox. linear)
Considerando um dispositivo
semicondutor genérico:
Desligado
Ligado
Desligado
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Comportamento em Regime Permanente

Resistência Térmica:

Analogia com circuito elétrico:
Sendo:
Tj – Temp. na Junção
Tc – Temp. na Cápsula
Ta – Temp. Ambiente
Td – Temp. no Dissipador
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Comportamento em Regime Permanente

Utilizando o dissipador de calor:
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Comportamento com Ventilação Forçada

O valor de Rtda é inversamente proporcional à velocidade do ar em ventilação forçada
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Exemplos de Dissipadores de Calor

...
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4. Exercícios de Fixação
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Exercícios de Fixação
1)
Um MOSFET utilizado num conversor DC-DC abaixador tem perda no estado ligado igual a 50 W, ciclo de trabalho 50 % e perda de
chaveamento dada por: 10-3fs (em watts), sendo fs a frequência de chaveamento em Hz. A resistência térmica da junção para a cápsula é
Rtjc = 1 oC/W e máxima temperatura na junção igual a 150 oC. Assumindo que os tempos de comutação do dispositivo são desprezíveis e
que a temperatura na capusula é 50 oC, calcule a máxima frequência de chaveamento que pode ser utilizada no dispositivo.
2)
O MOSFET da Questão 01 é montado juntamente com um dissipador de calor. Sabendo que a temperatura ambiente é de 35 oC e que a
Resistência Térmica entre a cápsula e o ambiente é da ordem 0,5 oC/W, encontre a resistência térmica necessária para o dissipador de
calor de modo que o dispositivo possa operar com uma margem de segurança de 20 % em relação à máxima temperatura na junção.
3)
Para o diodo BYC8-600 encontre a frequência máxima de chaveamento que garante que a máxima temperatura de operação no dispositivo
seja menor que 70 % da temperatura máxima permitida.
4)
Um certo dispositivo semicondutor dissipa 10 w durante o ciclo de operação. Considerando que Rtjc = 4 oC/W e Rtca = 60 oC/W, verifique a
necessidade de utilização de dissipador de calor se a temperatura máxima da junção é 150 oC. Caso seja necessário utilizar um dissipador,
encontre o valor da Rtda.
5)
Para o problema da Questão 05, considerando que está disponível apenas um dissipador de calor com Rtda = 20 oC/W, o que pode ser feito
para garantir a operação segura do dispositivo semicondutor ?
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Referências

Mohan, Undeland & Robbins. Power Electronics – Converters, Applications
and Design, Wiley, 1995.

Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and
Applications, Segunda Edição, Elsevier, 2007.

Ahmed, Ashfak. Eletrônica de Potência, Wiley,

Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência , Faculdade de Engenharia
Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em 2002.
Algumas figuras utilizadas neste documento foram retiradas das
referências listadas acima.
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