Diodos de potência e cálculo térmico
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Diodos de potência e cálculo térmico Prof. Alceu André Badin Diodo Componente eletrônico semicondutor de dois terminais, formado por uma junção de cristais P (ânodo) e N (cátodo) que permite a passagem de corrente elétrica no sentido ânodo-cátodo e apresenta alta impedância no sentido cátodo-ânodo. Ânodo Prof. Alceu A. Badin Cátodo UTFPR/DAELT Diodo de potência Diodo para processamento de energia que apresenta alta capacidade de corrente e/ou tensões. Apresenta três diferentes processos de dopagem no mesmo componente que o diferencia do diodo de sinal: - Maior capacidade de corrente direta. - Maior tensão reversa máxima. - Tensão direta superior etc. Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT Diodos Prof. Alceu A. Badin Ânodo UTFPR/DAELT Cátodo Ânodo Diodo Ideal Característica tensão x corrente iF C A + vF - vF Prof. Alceu A. Badin iF Cátodo UTFPR/DAELT VF>0 => Resistência nula entre A e C VF<0 => Resistência infinita entre A e C. Bloqueia tensões reversas infinitas. Não apresenta perdas. iF Diodo Real Característica tensão x corrente iF + vF - Corrente reversa 1 VRRM IR rT vF V(TO) Tensão reversa máxima Prof. Alceu A. Badin C A UTFPR/DAELT VF>V(TO) => Resistência rT entre A e C. VF<V(TO) => Resistência elevada entre A e C. Bloqueia tensões reversas menores que VRRM. Apresenta perdas de condução e comutação. Corrente reversa não nula. Diodo Real Circuito equivalente em condução iF C A + vF - Onde: VF V(TO ) VrT Perdas em condução: PC VF I Dmed OU iF C A V(TO) r T vF + Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT PC V(TO ) I Dmed rT I Def 2 VF = Tensão direta do diodo [V] PC= Perdas no diodo. [W] V(TO)= Tensão limiar de condução[V] rT = resistência série do diodo. [] IDmed = Valor médio da corrente. [A] IDef = Valor eficaz da corrente. [A] Diodo Real iF IL Diodo durante transitório de bloqueio t0: Interruptor S é fechado (recuperação reversa) l t1: tensão direta no diodo D IL i L F Qrr inicia decréscimo. iD + C E t2: tensão direta fica iS S negativa e tem um pico (Vpico) que pode ser di F E t rr dt l destrutivo ao circuito. tr t ri VD t2 t0 t1 Qrr t t3 E I RM Vpico Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT trr depende da temperatura da junção, da taxa de decaimento da corrente direta e IF. Diodo Real iF Diodo durante transitório de bloqueio Perdas no bloqueio: (recuperação reversa) P2 Qrr E f di F E dt l IL t rr tr VD t ri t2 t0 t1 Qrr t t3 E I RM P2 = Perdas no bloqueio do diodo [W] Qrr = Carga armazenada em C durante condução. [C] E = tensão reversa do diodo após o bloqueio. [V] f = frequência de comutação Vpico As perdas são significativas apenas quando a corrente de transição não é nula. O diodo nessa condição é forçado a comutar. Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT Diodo Real Diodo durante transitório de entrada em condução As perdas na entrada em condução são ocasionadas pelo atraso na transição do diodo o que provoca uma tensão direta superior a de condução. Ocorre apenas quando a comutação é de uma carga com características de fonte de corrente. São significativas apenas para frequências superiores a dezenas de kHz. P1 = Perdas na entrada em condução do diodo. [W] Perdas: V = Sobretensão direta na entrada em FP P1 0,5 (VFP VF ) I o trf f Prof. Alceu A. Badin condução. [V] f = frequência de comutação do diodo.[Hz] trf = tempo de atraso na transição. [s] Io = Corrente em condução do diodo. [A] UTFPR/DAELT Diodo Real – tipos de diodos Diodos standard: transição > 0,5μs (baixa frequência) Fast recovery: transição < 250 ns Soft-recovery – transição amortecida sem pico de tensão (principalmente tecnologia Schottky) ultrafast-recovery transição < 100 ns Zero recovery (Carbeto de silicio, (SiC) – Silicon Carbide) transição em tempo desprezível. Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT Diodo Real – comparação do bloqueio Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT Diodo Real – exemplos 1N400X Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT Diodo Real – exemplos IDH10G65C5 Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT Diodo Real Perdas totais no diodo: PD PC P1 P2 PD = Perdas totais no diodo. [W] PC = Perdas em condução. [W] P1 = Perdas na entrada em condução. [W] P2 = Perdas no bloqueio. [W] Obs.: Para operação em baixa frequência P1 e P2, na maioria dos casos, não são significativas. Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT Cálculo Térmico Em semicondutores: Problemas: As perdas nos componentes produzem calor. Os componentes semicondutores possuem limites de temperaturas para o adequado funcionamento. O calor gerado deve ser transferido para o ambiente. Solução: Usar mecanismos para melhorar a transferência de calor para o ambiente. (dissipadores, ventilação forçada etc.) Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT Cálculo Térmico Cálculo térmico em regime permanente Circuito térmico equivalente: R jc Tj R cd R da Tc Td P R ja R jc Rcd Rda Tj - temperatura da junção (oC). Tc - temperatura da cápsula (oC). Td - temperatura do dissipador (oC). Ta - temperatura ambiente (oC). P - potência térmica sendo transferida ao meio ambiente (W). Prof. Alceu A. Badin Ta Rjc - resistência térmica entre a junção e cápsula (oC/W). Rcd - resistência térmica entre o componente e dissipador (oC/W). Rda - resistência térmica entre o dissipador e o ambiente (oC/W). Rja - resistência térmica entre a junção e o ambiente (oC/W). UTFPR/DAELT Cálculo Térmico Cálculo térmico em regime permanente O objetivo é evitar que a temperatura máxima da junção alcance valores próximos da máxima temperatura permitida, dada pelo fabricante. R jc Tj R cd Tc R da Td P Ta Pelo circuito térmico temos: T j Ta R ja P R ja T j Ta Prof. Alceu A. Badin Tj - temperatura da junção (oC). Ta - temperatura ambiente (oC). P - Perdas no componente. (W) Rja - resistência térmica entre a junção e o ambiente (oC/W). PUTFPR/DAELT Cálculo Térmico Cálculo térmico em regime permanente Procedimento: P - é calculado a partir das características do componente e da corrente que por ele circula. Tj - fornecida pelo fabricante do componente. Ta - valor adotado pelo projetista. determina-se a resistência térmica total: T j Ta R ja P determina-se a resistência térmica do dissipador: Rda R ja R jc Rcd Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT Cálculo Térmico Cálculo térmico em regime permanente Procedimento: Rda R ja R jc Rcd São dados pelo fabricante do componente: Rjc - resistência térmica entre a junção e cápsula (oC/W). Rcd - resistência térmica entre o componente e dissipador (oC/W). Escolhe um dissipador com o valor da resistência térmica menor ou igual ao calculado (Rda). Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT Dissipadores DISSIPADORES Resistência Térmica (Incluindo a Resistência de contato cápsulaMassa dissipador Aproximada Convecção Natural Ventilação Forçada 6m/s K9 - M4 50g 10,5oC/W - K9 - M4 50g 9,5oC/W - K5 - M6 100g 5,7oC/W - K3 - M6 200g 3,8oC/W - K1,1 - M6 700g 2,2oC/W - K5 - M8 100g 5,0oC/W - K3 - M8 200g 3,0oC/W - K1,1 - M8 700g 1,3oC/W 0,60oC/W P1/120 - M8 1300g 0,85oC/W 0,40oC/W K3 - M12 200g 3,1oC/W - K1,1 - M12 700g 1,2oC/W 0,40oC/W P1/120 - M12 1300g 0,65oC/W 0,27oC/W - M12 UTFPR/DAELT 2000g Prof. Alceu A.K0,55 Badin 0,65OC/W 0,25oC/W Cálculo Térmico Cálculo térmico em regime transitório A capacidade térmica do componente impede que a temperatura cresça abruptamente. O comportamento da temperatura no transitório é de interesse do projetista principalmente nas seguintes ocasiões: O componente opera intermitentemente. A energia envolvida no inicio do circuito é elevada. Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT Cálculo Térmico Observações: Alguns catálogos de semicondutores apresentam curvas de perdas em relação a corrente média através do componente. Muitos datasheets não apresentam V(TO) e rT. Apenas VF para corrente nominal. A tensão VF também pode ser obtida, em muitos casos, em gráficos que relacionam a tensão direta x corrente média direta. Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT Referências AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência; Editora: Prentice Hall, 1a edição, 2000. BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência; 6ª Edição, UFSC, 2006. Christian Miesner et al. “thinQ!™ Silicon Carbide Schottky Diodes: An SMPS Circuit Designer’s Dream Comes True!” (www.infineon.com) Datasheets: Vishay, Infineon e Semikron. Prof. Alceu A. Badin UTFPR/DAELT
