1-Chaveamento em Semicondutores de Potência

Engenharia Elétrica - Eletrônica de Potência I
Prof. José Roberto Marques – docente da Universidade de Mogi das Cruzes
Chaveamento dos Dispositivos Semicondutores de Potência
Chaves Ideais
Na análise de sistemas com semicondutores de potência ocorrem
frequentemente casos nos quais considera-se os dispositivos de chaveamento
de potência ideais, ou seja admite-se que os mesmos:
a)
b)
c)
d)
Não tem resistência entre os terminais de chaveamento.
Suportam tensões direta e reversas infinitas.
Como decorrência do item (a), não dissipam calor.
O tempo de ligamento (subida da corrente = rise time) é zero, assim
como o tempo de desligamento (turn off time).
e) Tem um terminal de acesso que permite o controle através de um
sistema de controle eletrônico.
Em condições ideais a potência dissipada na chave quando a mesma opera no
estado fechado (ON) é o produto da tensão sobre a chave pela corrente que
flui pela mesma, ou seja
, como nas condições ideais a tensão direta
é zero, a potência dissipada em um chave ideal é zero, porem em operações
com chaves reais a energia dissipada em cada chaveamento do mesma dentro
de um interfalo finito de chaveamento (em Joules) é dada por
.
Chaves Semicondutoras de Potência Reais
Na realidade, quando utilizamos chaves semicondutoras de potência, todo o
cuidado é necessário na escolha de dispositivos que suportem:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
A corrente eficaz direta máxima a suportar.
As tensões direta e reversa máximas.
A potência máxima que a suportar utilizando um dissipador adequado.
Frequência máxima de operação.
Tensão máxima ou corrente máxima de gatilhamento para o estado ON.
Corrente de fuga do terminal de gatilho
Exemplo 1:
A figura abaixo mostra um inversor monofásico (conversor CC
CA) simples
que opera com ativação por dois sinais de onda quadrada de 1000Hz e com
ciclo de serviço igual a 50%, defasados de 180º, sendo que um dos sinais é
aplicado simultaneamente em S1 e S3 e o outro simultaneamente em S2 e S4.
O comportamento modelado para a tensão em cada chave, na situação de
chaveamento é dado pela expressão
enquanto na
situação de condução normal é de 1,5V. Se o inversor operar na frequência de
200 Hz e o tempo de chaveamento ON (ligamento) for 0,1 ms e o de
desligamento 0,12 ms, determinar:
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a) A potência instantânea máxima dissipada em cada chave em sua
condição de chaveamento e a potência media dissipada por cada chave.
b) A potência instantânea máxima na saída e a eficiência média do
conversor.
Conversor do exemplo 1
Solução (a):
Quando S1 e S3 estão no estado ON a seguinte expressão é válida:
De onde se obtém
, portanto a tensão sobre cada chave é
E a potência máxima instantânea dissipada em cada chave por operação de
chaveamento é dada por
, assim a energia
dissipada em uma chave por operação de chaveamento é
.
A energia dissipada em cada chave fora da região de chaveamento é
. Isso permite o
cálculo da energia total por período de operação por chave
. Daí a potência média dissipada por período por
chave é
.
Solução (b):
Quando duas chaves estão no estado ON fora da região de chaveamento a
tensão de regime no resistor é
e a potência
instantânea no mesmo
e a energia colocada
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no resistor é
o chaveamento a tensão no resistor é
energia no resistor de carga é
assim a potência média na carga é
, porem durante
e a
,
.
A energia total absorvida da fonte no mesmo período é
que leva a energia perdida devido ao chaveamento das quatro chaves
por
período
.
Note
que
0,076/4=0,019J que equivale a potência perdida por chave de
0,019/0,005=3,8W.
O Desempenho Dinâmico das Chaves Semicondutoras de
Potência
As chaves semicondutoras, após sua ativação ou desativação via terminal de
controle, tem um tempo finito para alcançar o estado de regime
correspondente. É durante a transição OFF-ON ou ON-OFF que ocorrem as
maiores perdas térmicas na chave semicondutoras, as chamada perdas de
chaveamento.
Na condição de regime OFF a tensão entre os terminais da chave pode ser
bastante grande, mas a corrente na mesma é praticamente nula o que leva a
ter potência praticamente nula nessa operação, na condição de operação ON a
tensão entre os terminais da chave é pequena, mas não é nula, isso faz com
que na condição de regime de condução haja algum aquecimento da chave por
efeito Joule.
Forma de onda do chaveamento em chaves semicondutores de potência
Na condição de chaveamento OFF-ON a tensão decresce de seu valor máximo
até seu valor de condução enquanto a corrente sai de zero e cresce até atingir
seu valor operacional e na condição de chaveamento OFF-ON a situação
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reversa ocorre. Durante esses intervalos ocorre um pico de potência na chave
semicondutora com mostra a figura acima
A forma de onda da potência dissipada no chaveamento mostra claramente
que o aumento da frequência operacional da chave leva ao aumento da
temperatura da mesma, isso é um dos fatores que impõem um limite de
frequência máxima de operação nas chaves semicondutoras de potência, um
outro fator importante é o conjunto de capacitâncias parasitas que surge em
decorrência da estrutura dos semicondutores e que consequentemente
diminuem a banda operacional de frequência dos mesmos, outro fator limitante
é a densidade máxima de corrente que a área de condução do dispositivo
suporta.
Exemplo 2
Uma chave semicondutora de potência opera de acordo com o diagrama
abaixo chaveando uma tensão CC de 300V. Os tempos de chaveamento são
tON=5us e tOFF=8us, a tensão sobre a chave no estado OFF é igual a do
barramento CC e a corrente de estado ON igual a 10 A. A chave opera em
ação repetitiva com frequência f (Hz). Assuma que a chave opera com um
ciclo de serviço D de 60%.
Admitindo que as transições da tensão e da corrente tanto no estado ON como
no estado OFF são lineares, determinar a frequência de chaveamento a partir
da qual a perda de potência por chaveamento excede a perda de potência
estática.
Figura relativa ao exemplo 2
A tensão na região de transição OFF-ON pode ser modelada pela expressão:
E a corrente
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De modo que a potência instantânea pode ser calculada por:
E a energia dissipada durante tON é:
Utilizando o mesmo método para tOFF.
A energia total perdida ou dissipada no chaveamento é dada por:
A potência média dissipada no chaveamento é dada por:
Utilizando os valores do exemplo 2 obtemos:
O ciclo TON do ciclo serviço da chave pode ser definido como:
Daí obtemos:
A energia dissipada na operação estática é:
E a potência estática média é:
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Utilizando os valores fornecidos obtemos:
Igualando as expressões da potência de chaveamento com a potência estática
obtemos o ponto onde a potência de chaveamento iguala a potência estática.
Resolvendo para f obtemos:
E a potência dissipada nessa frequência é:
A Utilização de Dissipadores de Calor
As embalagens ou packages construtivos dos semicondutores de potência
geralmente tem volume e massa muito pequenos, o que impede esses
dispositivos de dissiparem adequadamente o calor gerado internamente por
efeito Joule. A temperatura interna máxima desses dispositivos é limita a um
pouco mais de uma centena de graus Celsius, de modo que sua operação
exige o uso de dissipadores de calor para manter a temperatura interna dentro
da região suportável por esses dispositivos.
Admitindo a condição de potência média dissipada pelos dispositivos
semicondutores de potência e a temperatura interna máxima que os mesmos
suportam é possível aplicar alguns conceitos básicos da termodinâmica para
especificar os dissipadores adequados para uma determinada chave
semicondutora operando sob determinadas circunstâncias. O circuito
equivalente abaixo define o comportamento térmico e o fluxo de potência entre
um dispositivo de potência e o ambiente em que o mesmo está operando.
Algumas definições:
é a resistência térmica entre a junção da chave semicondutora e o invólucro
da mesma.
é a resistência térmica entre o invólucro do dispositivo e a dissipador de
calor acoplado ao mesmo.
é a resistência térmica entre o dissipador e o ambiente operacional do
dispositivo.
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,
,
são as temperaturas da junção, do invólucro e do dissipador
respectivamente.
é a temperatura (máxima) do ambiente de operação
é a potência na junção do dispositivo.
Figura do circuito térmico equivalente
O valor de
em ºC/W é fornecido pelo fabricante em suas folhas de dados do
dispositivo de potência,
em ºC/W também é fornecido pelo fabricante sob
determinadas condições como uso de pasta térmica, isolante elétrico
específico, etc, e o valor de
também em ºC/W está relacionado ao
dissipador onde o fabricante de dissipadores fornece uma família de curvas de
dissipadores para que o projetista defina qual é necessário para seu projeto.
Exemplo:
Uma chave semicondutora de potência é especificada com resistência térmica
da junção para o invólucro
=0,6º C/W e é montada em um dissipador de
forma adequada de modo que a resistência entre o invólucro e o dissipador é
=0,25º C/W. A resistência térmica entre o dissipador que será utilizado e o
ambiente, verificada nas curvas do fabricante de dissipadores é 0,15º/W.
a) Admitindo que a chave esteja operando dissipando 60W na junção e que
a temperatura máxima da cabine em que a chave será instalada é 45ºC,
determinar (i) a temperatura da junção (ii)a temperatura do invólucro da
chave e (iii) a temperatura da superfície do dissipador.
b) A dissipação de potência na chave consiste de potência perdida
estática, que pode ser definida como
W, onde I é a
corrente de estado ON da chave (em A) e a potência perdida no
chaveamento que pode ser definida como
W,
onde f é a frequência de chaveamento (em Hz). Determinar, a partir do
modelo térmico a corrente de estado ON limite na frequência de 500Hz
se a temperatura da junção não exceder a especificada no item (a) e a
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chave estiver operando em uma cabine a 45º C. Repita o procedimento
para a frequência de 5kHz.
Solução (a)
A temperatura a junção é
A diferença de temperatura entre a junção e o invólucro é:
A temperatura da junção é
A diferença de temperatura entre o invólucro da chave e o dissipador é:
E a temperatura na superfície do dissipador é
Solução (b)
A partir dos dados fornecidos, podemos calcular a potência dissipada na junção
da chave:
Solução (c)
Aplicando o mesmo método acima verificamos que nesse caso a corrente em
5000Hz deverá ser menor ou igual a 4 A.
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