Conversor Buck

1. Conversor Buck vce(t) E VO E t1 iL iC t2 iD t1 Condução do transistor t2 Condução do diodo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1

2. D D Cgd Cds G G S S Transistor Mosfet – Características dinâmicas O diodo intrínseco é lento. Os tempos de comutação do transistor dependem do circuito de comando. Em um MosFet existem 3 capacitâncias parasitas: Cgs, CgdeCds. A partir delas se definem: Ciss, Crsse Coss. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 2

3. Transistor Mosfet – Características dinâmicas D As capacitâncias parasitas influenciam fortemente as comutações Cgd Cds VDS G S VGS Ao carregar o capacitor de “Gate” ocorre uma alteração da impedância do capacitor Ciss, devido a Crss. Efeito Miller VGS Forma de onda da tensão VGS QGD Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 3

4. Transistor IGBT – Características dinâmicas C • Possui características de transistor MosFet na entrada e de transistor Bipolar na saída; • Os tempos de comutação do transistor dependem do circuito de comando; VCE G VGE E • O diodo em anti-paralelo é incorporado no encapsulamento e é compatível com os tempos de comutação do IGBT. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 4

5. Transistor Mosfet / IGBT – Características dinâmicas VGS VDS 90% 10% td(on) tR td(off) tF tR : tempo de subida tF : tempo de descida td(on) : Atraso do disparo td(off) : Atraso do bloqueio Definição dos tempos de comutação Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 5

6. Transistor Mosfet / IGBT – Características dinâmicasCarga indutiva VGS VGS(th) VDS trv E tfv IT tfi Ic tri PMosfet PERDAS Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 6

7. Cálculo de Perdas nos semicondutoresa) Perdas por conduçãoTransistor MosFet Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 7

8. Cálculo de Perdas nos transistores MosFeta) Perdas por condução RDSon D G S Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 8

9. Cálculo de Perdas nos semicondutoresa) Perdas por conduçãoTransistor IGBT Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 9

10. Cálculo de Perdas nos transistores IGBT a) Perdas por condução Características do IGBT Características do diodo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 10

11. Cálculo de Perdas nos transistores IGBTa) Perdas por condução I IGBT Condições de teste Valor Máximo VCE(T0) Tj=125C 1,05V rCE VGE=15V 7,5mW V Diodo Condições de teste Valor Máximo VTO VF(T0) Tj=125C 1,2V rT 6,5mW Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 11

12. Cálculo de Perdas nos transistores IGBT a) Perdas por condução Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 12

13. Cálculo de Perdas nos semicondutoresa) Perdas por conduçãoDiodo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 13

14. Cálculo de Perdas nos diodos a) Perdas por condução Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 14

15. Cálculo de Perdas nos semicondutoresb) Perdas por comutaçãoTransistor MosFet Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 15

16. Cálculo de Perdas nos transistores MosFet b) Perdas por comutação Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 16

17. Cálculo de Perdas nos transistores MosFet b) Perdas por comutaçãoEfeito da recuperação reversa do diodo Perda extra no disparo do transistor devido a recuperação reversa do diodo ta tb ID Qrr trr=ta+tb IC Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 17

18. Cálculo de Perdas nos transistores MosFet b) Perdas por comutaçãoEfeito da recuperação reversa do diodo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 18

19. Cálculo de Perdas nos semicondutoresb) Perdas por comutaçãoTransistor IGBT Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 19

20. Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação • A base do transistor bipolar não está disponível • Não se pode usar as técnicas conhecidas de eliminação dos portadores minoritários da base do transistor bipolar. Surgimento da “cauda de corrente” no bloqueio do transistor - (current tail) Problema: aumento das perdas de comutação “Current tail” Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 20

21. Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação Causa: Ao contrário dos MOSFET, os tempos de comutação do IGBT não permitem avaliar as perdas de comutação • Não levam em conta o efeito de cauda da corrente; • Este efeito é muito significativo no conjunto das perdas; • Além do mais, o tempo de queda da tensão VCE não é bem definido; • Este tempo é muito importante para definir as perdas. As perdas são obtidas através de curvas fornecidas pelo fabricante Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 21

22. Cálculo de Perdas nos transistores IGBT b) Perdas por comutação Perdas de chaveamento do IGBT: disparo e bloqueio Perdas de bloqueio do diodo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 22

23. Cálculo de Perdas nos transistores IGBTb) Perdas por comutação Formas de onda no disparo do IGBT Formas de onda no bloqueio do IGBT Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 23

24. Cálculo de Perdas nos dispositivos b) Perdas por comutação IGBT Condições de teste Valor Máximo Eon Tj=125C 22mJ Eoff Vcc=600V 22mJ Icn=200A Diodo VGE=±15V Err RGon=RGoff=5Ω 11mJ Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 24

25. Cálculo de Perdas nos transistores IGBTb) Perdas por comutação Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 25

26. Cálculo de Perdas nos semicondutoresa) Perdas por comutaçãoDiodo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 26

27. Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação Formas de onda no bloqueio do diodo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 27

28. Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 28

29. Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação Ao contrário dos IGBTs, os fabricantes de transistores MosFets não fornecem a energia gasta para ligar e desligar os transistores. iD ta tb E Qrr vD Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 29

30. Cálculo de Perdas nos diodos b) Perdas por comutação Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 30

31. Dissipação de calor A evacuação de calor da junção até o ambiente depende do encapsulamento utilizado. Caso o encapsulamento não seja suficiente para evacuar todo o calor, é necessário algum sistema para melhorar a transferência: RADIADORES associados com ventilação forçada de ar ou de água. Cada modelo tem características geométricas que proporcionam uma certa capacidade de evacuar calor Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 31

32. Dissipação de calor Ta RTHjc RTHca a j c Si ambiente P (W) a P (W) j Ta : Temperatura ambiente junção Tensões = Temperaturas Corrente = Perdas (W) c encapsulamento Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 32

33. Equivalente elétrico Exemplo: A resistencia térmica junção – encapsulamento é baixa ( 0.5 ºC/W) A resistencia térmica encapsulamento-ambiente é alta ( 50 ºC/W) RTHca (50 ºC/W) RTHjc (0.5 ºC/W) Ta (25 ºC) Tca = RTHca·P = 50ºC/W · 1W = 50ºC a c Tjc = RTHjc·P = 0.5ºC/W · 1W = 0.5ºC Tj = Ta + Tca + Tjc = = 25 + 50 + 0.5 = 75.5 ºC P (1W) Tjc Tca Tj < 150 ºC OK Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 33

34. Equivalente elétrico Para reduzir a temperatura coloca-se um radiador proporcionando um caminho alternativo para a evacuação do calor. Isto equivale a colocar uma resistencia em paralelo com RTHca RTHca (50 ºC/W) RTHjc (0.5 ºC/W) Exemplo: RTHra = 5 ºC/W P (1W) j a c Tca = RTHeq·P = 4.5ºC/W · 1W = 4.5ºC RTHra (5 ºC/W) Tjc = RTHjc·P = 0.5ºC/W · 1W = 0.5ºC Ta (25 ºC) Tj = Ta + Tca + Tjc = = 25 + 4.5 + 0.5 = 30 ºC Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 34

35. Modelo de Radiadores Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 35

36. Modelo de Radiadores Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 36

37. Modelo de Radiadores A resistencia térmica depende do comprimento do radiador e o fabricante fornece a curva com a RTH de cada perfil em função do comprimento. A curva é assintótica: a partir de um certo comprimento, a RTH diminui muito pouco. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 37

38. Montagem do dispositivo sobre o radiador Nos semicondutores, a parte metálica costuma ser o catodo ou o dreno (coletor) de um transistor MosFet (IGBT). Se o semicondutor é montado diretamente sobre o radiador, o mesmo se encontra conectado ao mesmo potencial do dispositivo. 400 V 400 V 400 V Isolante elétrico, mas condutor térmico Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 38

39. Montagem do dispositivo sobre o radiador Um parafuso metálico é um conexão elétrica e acaba com o isolamento. Utilizam-se arruelas de plástico para evitar o contato elétrico. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 39

40. Montagem do dispositivo sobre o radiador O isolante acrescenta uma resistencia térmica adicional. Mica de espessura 60 m: RTH : 1.4 ºC/W Mica de espessura 100 m: RTH : 2.2 ºC/W Alúmina de espessura 250 m: RTH : 0.8 ºC/W Para melhorar o contato térmico, pastas de silicone reduzem a resistencia térmica de 30% Ta RTHjc RTHca j a c r Para fazer o cálculo da RTHra necessária pode-se desprezar a resistencia do próprio dispositivo (RTHca) RTHcr RTHra Isolante Radiador P Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 40

41. Montagem do radiador A RTH fornecida pelo fabricante é válida para radiador montado na posição vertical. Na posição horizontal a evacuação do calor fica comprometida. Na posição vertical ocorre o “efeito chaminé” no qual o próprio calor gerado pelo aquecimento do radiador cria uma corrente de ar ascendente que melhora a refrigeração. PIOR MELHOR Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 41

42. Fatores que afetam a Rth Cor do radiador Cada cor tem um coeficiente térmico diferente. Há várias cores de radiadores: preto, ouro e alumínio: o melhor é o preto Tabela 2. Emissividade de várias superfícies tratadas Superfície Emissividade Alumínio polido 0.05 Cobre polido 0.07 Rolled sheet steel 0.66 Cobre oxidado 0.70 Alumínio anodizado preto 0.70 - 0.90 Preto brilhoso 0.85 - 0.91 Verniz escuro 0.89 - 0.93 Tinta óleo preta 0.92 - 0.96 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 42

43. Fatores que afetam a Rth Para melhorar a capacidade de evacuação de calor é possível utilizar ventilação forçada. Isto permite reduzir a resistência térmica. Atenção a direção do fluxo de ar CORRECTO INCORRECTO Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 43

44. Fatores que afetam a Rth Ventilação O fabricante fornece uma curva com o coeficiente corretivo em função da velocidade do ar A partir de uma certa velocidade, praticamente não há mais redução da resistencia térmica Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 44

45. Dimensionamento estático de radiadores 1.- Determinar Tjmax (catálogo do fabricante) Se não, admitir que: Tjmax Si = 1200C 2.- Determinar RTHjc (catálogo do fabricante) Se não, calcular a partir da máxima potência que o transistor é capaz de dissipar sem radiador RTHjc = (Tjmax – TC) / Pdiss Máx@25 oC 3.- Determinar RTHcr. (Tabela 1) Depende do tipo de contato e do encapsulamento Contato direto:senão existir isolante elétrico Pasta Térmica ou de silicone:melhora muito o contato térmico Mica ou lâmina de teflon:isolante elétrico Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 45

46. Dimensionamento estático de radiadores Encapsulamento Contato direto Contato direto Contato c/mica Contato c/mica c/pasta térmica e pasta térmica TO 39 1 0,7 - - TO 5 1 0,7 - - TO 126 1,4 1 2 1,5 TO 220 0,8 0,5 1,4 1,2 TO 202 0,8 0,5 1,4 1,2 TO 152 0,8 0,5 1,4 1,2 TO 90 0,5 0,3 1,2 0,9 TO 3 plástico 0,4 0,2 1 0,7 TO 59 1,2 0,7 2,1 1,5 TO 117 2 1,7 - - SOT 48 1,8 1,5 - - DIA 4L 1,1 0,7 - - TO 56 1,1 0,65 1,8 1,4 TO 3 0,25 0,12 0,8 0,4 Tabela 1- Rthcr Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 46

47. Dimensionamento estático de radiadores • Podem ser colocados vários dispositivos no mesmo dissipador • Centralizar o dispositivo semicondutor no dissipador. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 47

48. Dimensionamento dinâmico de radiadores A potência dissipada não é constante (Ex. na partida pode existir um pulso de potência) P diss T A dinâmica térmica é muito lenta PMAX Pdiss Pmed T A temperatura varia em torno de um valor médio Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 48

49. Dimensionamento dinâmico de radiadores As perdas se produzem na pastilha de silício. Esta, devido a seu massa pequena, possui uma inércia térmica muito pequena e pode variar de temperatura rapidamente. Em um radiador, por ter uma massa muito grande e uma inércia térmica muito maior que a do semicondutor as mudanças de temperatura são muito mais lentas j a c Ta r Para modelar corretamente o comportamento, deve-se incluir capacitores para simular as inércias dos elementos térmicos. Quanto maior a inercia térmica de um componente, maior capacitor que o representa. P Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 49

50. Dimensionamento dinâmico de radiadores Zthjc(t) PMAX P D = 0.3 Zthjc(t1) PMedia a r Rthcr Ta t1 RTHra? t1 D = t1/T T c Temos 2 circuitos: Tc Tj P Zt TC ? Temos 2 equações com 2 incógnitas: TC e RTHra PMAX Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 50