Ivo Barbi - Eletrônica de Potência - Capítulo 1

CAPÍTULO - 1

ESTUDO DOS COMPONENTES EMPREGADOS EM

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA (DIODOS E TIRISTORES)

1.1 - O DIODO

1.1.a - Diodo Ideal

O diodo ideal está representado na figura 1.1.

-

C

F

vF+

A

i

Fig. 1.1 - Representação do diodo ideal.

A sua característica tensão corrente está representada na figura 1.2.

iF

vF

Fig. 1.2 - Característica estática do diodo ideal.

Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência

Para tensões vF > 0, o diodo apresenta resistência nula. Para tensões vF < 0, ele

apresenta resistência infinita. Assim o diodo ideal, quando polarizado diretamente, não apresenta

nenhuma perda de energia. Quando polarizado inversamente, é capaz de bloquear uma tensão

infinita. Tais características são as de um interruptor ideal.

1.1.b - Característica Estática de um Diodo Real

A característica estática de um diodo real está representada na figura 1.3.

Tal característica é estabelecida experimentalmente para cada diodo. Em condução, ele

é representado por uma força-eletromotriz V(TO) associada em série com uma resistência rT. A

equivalência está representada na figura 1.4.

iF

vFV(TO)

VRRM IR

1rT

Fig. 1.3 - Característica estática de um diodo real.

-

CF

vF

F

+

A

i

i

A

V(TO)+

C

rT-vF

Fig. 1.4 - Circuito equivalente de um diodo.

A tensão reversa máxima que o diodo pode bloquear é limitada. Na figura essa tensão

está representada por VRRM. Tensões superiores a esse valor são destrutivas para o componente,

Eletrônica de Potência

5


porque ele entra em condução, mantendo a tensão elevada e conseqüentemente gerando grande

quantidade de calor na junção.

Constata-se também que, quando polarizado inversamente, circula no diodo uma

corrente de baixo valor.

A título de exemplo, estão apresentados abaixo alguns dados de um diodo de potência,

obtidos em catálogo de fabricante.

Diodo : SKN20/08

VRRM = 800V

V(TO) = 0,85V

rT = 11mW

Corrente média @ 20A (para Tcápsula = 125oC)

IR = 0,15mA

1.1.c - Perdas em Condução

Quando o diodo encontra-se em condução, a potência que nele é perdida e convertida

em calor é dada pela expressão (1.1).

P V I r ITO Dmed T Def ( )2 (1.1)

Onde:

IDmed = Valor médio da corrente.

IDef = Valor eficaz da corrente.

A expressão (1.1) é genérica, podendo ser empregada para qualquer forma de onda.

1.1.d - Características Dinâmicas dos Diodos

Inicialmente serão analisados os fenômenos associados ao bloqueio de um diodo.

Seja a estrutura representada na figura 1.5.

l

IiFD L L

iS S

E

Fig. 1.5 - Circuito para o estudo da comutação de um diodo.

Inicialmente o interruptor S encontra-se bloqueado. Na malha LD circula a corrente IL

em roda livre.


6


Na figura, l representa a indutância parasita do circuito. Quando S é fechado, a corrente

do indutor L é transferida do diodo para S. Essa mudança de um ramo para outro chama-se

comutação.

Na comutação mostrada o diodo se bloqueia.

As seqüências do bloqueio estão descritas nas figuras 1.6 e 1.7.

C representa a capacitância de recuperação do diodo. Qrr representa a carga armazenada

em C quando o diodo está conduzindo.

Durante a comutação a corrente IL será considerada constante. Assim:

i i IS F L (1.2)

l

C+

-Qrr

IiFiD

D L L

iS S

E

Fig. 1.6 - Estudo da comutação do diodo.

Após S ser fechado, a corrente iF começa a decrescer. A sua velocidade de

decrescimento depende de E e l segundo a relação (1.3).

di

dt

EF

(1.3)

Após a corrente no diodo ideal ter se anulado, ocorre a descarga do capacitor C. Nesse

intervalo a corrente iD torna-se negativa, até que Qrr seja toda evacuada (Figura 1.7).

lIRM

ID-

+vD

IRM L L

ILI SRM

E

Fig. 1.7 - Estudo da comutação do diodo.

Quando Qrr se anula, o diodo se bloqueia. O indutor l provoca uma sobretensão sobre o

diodo, que pode ser destrutiva. Essa sobretensão pode ser evitada se for colocado um circuito RC

em paralelo com o diodo. As formas de onda estão representadas na figura 1.8.


7


iF

IL tr tt

ri

rr

t

E

t3t2t1t0

VD

IRM

Vpico

Qrr

di

dt

E

lF

Fig. 1.8 - Tensão e corrente em um diodo durante o bloqueio.

Pode-se obter os valores de trr e de IRM com o emprego das expressões empíricas (1.4) e

(1.5).

tQ

di dtrrrr

F@

3(1.4)

I Qdi

dtRM rrF@

4

3(1.5)

O valor de Qrr é dado pelo fabricante do diodo. O valor de di dtF depende do circuito e

é estabelecido pelo projetista.

Segundo as expressões (1.4) e (1.5) tanto o tempo de recuperação do diodo quanto o

pico da corrente inversa dependem de Qrr. Quanto menor Qrr, mais rápido será o diodo.

Os diodos, quanto à velocidade de recuperação, são classificados em rápidos, ultra-

rápidos e lentos. Por exemplo, para correntes até 50A e tensões de 500V, os diodos rápidos

apresentam trr menores que 200ns e os diodos ultra-rápidos apresentam trr menores que 70ns. Os

diodos comuns, empregados em retificação de baixa freqüência apresentam trr superiores a 1ms.

No circuito apresentado na figura 1.5 não há uma impedância que limite o valor de pico

da corrente inversa. No circuito representado na figura 1.9 a corrente inversa é limitada pelo

resistor r.

lD

r

L

S

E

Fig. 1.9 - Circuito com limitação da corrente de pico.

A forma de corrente do diodo está apresentada na figura 1.10.Eletrônica de Potência

8


iF

t rr t

I RM

di

dtF

Fig. 1.10 - Corrente do diodo para a figura 1.9.

Para o caso da figura 1.9 são empregados as seguintes expressões:

IE

rRM @ (1.6)

tQ

I

I

di dtrrrr

RM

RM

F@ 0,63

( )(1.7)

Serão considerados a seguir os fenômenos associados à entrada em condução de um

diodo.

Seja o circuito representado na figura 1.11.

E

FvF i

R

Fig. 1.11 - Circuito para o estudo da comutação do diodo.

Com o circuito apresentado pode-se impor no diodo a corrente cuja forma está

representada na figura 1.12.

iF

vF

t

I o

tFPV

VF2V

rftRD

t

di

dtF

Fig. 1.12 - Formas de onda relativas à entrada em condução de um diodo.


9


Verifica-se a existência de um certo tempo para que o diodo entre em condução. É o

tempo de entrada em condução e pode variar de 0,1 a 1,5ms. O valor de pico da tensão em alguns

casos pode alcançar valores próximos de 40V.

O que explica o atraso e a sobretensão é a existência de uma variação da resistência do

diodo, mostrado na figura 1.12.

Os fenômenos mostrados só aparecem quando o diodo é atacado por uma fonte de

corrente.

A experiência mostra que nos circuitos de baixa tensão, onde o diodo não pode ser

atacado em corrente, o diodo introduz no circuito um atraso considerável na corrente.

Como no caso do bloqueio, o emprego de diodos rápidos reduz o valor de VFP e do

tempo de entrada em condução trf.

1.1.e - Perdas na Comutação

As perdas nos diodos na entrada em condução são representadas pela expressão (1.8).

P V V I t fFP F o rf1 0 5 , ( ) (1.8)

Para freqüências inferiores a 40KHz essas perdas podem ser ignoradas.

As perdas que ocorrem no bloqueio são calculadas com a expressão (1.9).

P Q Efrr2 (1.9)

Sendo f a freqüência das comutações e E a tensão aplicada no diodo após a comutação.

1.1.f - Emprego dos Diodos Rápidos

Há um grande número de aplicações em que o emprego do diodo rápido é de grande

interesse ou mesmo indispensável. Em seguida serão apresentados alguns casos típicos.

a) Retificação a freqüência elevada

Nesses casos o emprego de diodos rápidos diminui as perdas nas comutações e diminui

a rádio-interferência.

b) Conversores a transistor

Tome-se como exemplo a estrutura apresentada na figura 1.13.

Quando o transistor entra em condução, o diodo inicialmente em condução se bloqueia.

A corrente de pico inversa do diodo circula pelo transistor. Se o diodo não for rápido, tal

corrente pode ser destrutiva para o transistor.


10


lD

I

T

E

Fig. 1.13 - Circuito que utiliza um diodo rápido.

1.2 - O TIRISTOR

1.2.a - Tiristor Ideal

O tiristor ideal está representado na figura 1.14. Além do anodo e do catodo, possui o

gatilho, que é utilizado para o disparo.

-

CT

vTiG

+

A

i

Fig. 1.14 - Representação do tiristor ideal.

A característica estática ideal do tiristor está representada na figura 1.15.

iT

vT1 2

3

Disparo

Fig. 1.15 - Característica estática ideal do tiristor.

O tiristor sem corrente de gatilho é representado na figura 1.15 pelas retas 1 e 2. Assim

sendo, ele bloqueia tanto as tensões positivas quanto as negativas. Com corrente de gatilho, ele

passa a ser representado pelas retas 1 e 3, assumindo portanto a característica de um diodo. Por

isto é denominado também de diodo controlado. Em inglês é também conhecido por SCR

(“Silicon Controlled Rectifier”).


11


1.2.b - Característica Estática Real dos Tiristores.

A exemplo do diodo, a característica real do tiristor apresenta modificações importantes

em relação à característica ideal. Tais modificações podem ser verificadas na figura 1.16.

As tensões máximas que o tiristor consegue bloquear, tanto direta quanto inversa, são

limitadas.

iT

vTVAKM

VRM 1

2

3

Fig. 1.16 - Característica estática real de um tiristor.

Curvas 1 e 2 - Sem corrente de gatilho.

Curvas 1 e 3 - Com corrente de gatilho.

As demais não idealidades já mencionadas para o diodo são também válidas para o

tiristor. Em condução o tiristor é também representado por uma força-eletromotriz em série com

uma resistência, como está representado na figura 1.17.

-

CT

vT

T

+

A

i

i

A

V+

T(TO)

CrT

-vT

Fig. 1.17 - Circuito equivalente do tiristor.

1.2.c - Perdas em Condução

A potência média dissipada pelo tiristor em condução é dada pela expressão (1.10).


12


P V I r IT TO Tmed T Tef ( )2 (1.10)

Onde:

ITmed e ITef são os valores médio e eficaz da corrente que o tiristor conduz.

1.2.d - Características Dinâmicas dos Tiristores

Inicialmente será estudado o comportamento do tiristor no disparo. Seja o circuito

representado na figura 1.18. O tiristor encontra-se inicialmente bloqueado. No instante to o

interruptor S é fechado.

R

T+

Tv

-

S

VGiG

E

Fig. 1.18 - Circuito para o estudo do disparo do tiristor.

As formas de onda estão representadas na figura 1.19.

vG

t

t

IG

iG

G10% I

vT

90% E

10% E ttrtd

ton

Fig. 1.19 - Formas de onda relativas ao disparo do tiristor.

São empregadas as seguintes denominações:

ton - tempo de fechamento.

td - tempo de retardo.

tr - tempo de descida da tensão anodo-catodo.

t t ton d r (1.11)Eletrônica de Potência

13


O tempo de retardo, que é o maior componente do tempo ton, depende:

a) da amplitude da corrente de gatilho;

b) da velocidade de crescimento da corrente de gatilho. O tempo tr independe da

corrente de gatilho. Em geral o valor de ton é superior a 1ms e inferior a 5ms.

Na figura 1.20 estão representadas duas correntes de gatilho com formas diferentes.

i

t

G

1

2

Fig. 1.20 - Formas da corrente de gatilho.

Curva 1 - Disparo lento.

Curva 2 - Disparo rápido.

A seguir será considerado o comportamento do tiristor no bloqueio.


R

l

S

E2

TiT

E1

Fig. 1.21 - Circuito para o estudo do tiristor no bloqueio.

Inicialmente o interruptor S encontra-se aberto. O tiristor T encontra-se em condução.

Para iniciar o bloqueio de T, S é fechado. Os fenômenos associados ao bloqueio são semelhantes

àqueles já descritos para o diodo. As formas de onda estão representadas na figura 1.22.


14


E1

iT tq

t inv

t1t0

VT

IRM

E2

t

Qrr

2E + V

Fig. 1.22 - Formas de onda relativas ao bloqueio do tiristor.

No instante t1 o interruptor S é novamente aberto. O tiristor encontra-se bloqueado e

retém a tensão E1.

O tempo tq é especificado pelo fabricante do tiristor. É denominado tempo mínimo de

aplicação de tensão inversa. Para que o tiristor readquira o poder de bloqueio é necessário, após

a sua corrente ter-se anulado, aplicar uma tensão inversa durante um tempo superior a tq.

Quando se trata de comutação forçada, o tempo tq é um dado fundamental. Quanto

menor o tq, melhor é o tiristor. Poderá operar com freqüências mais elevadas, com menores

perdas na comutação e com circuitos auxiliares de comutação forçada de menor custo.

Infelizmente o tiristor não pode ser comandado pelo gatilho no bloqueio. Esse é o seu

maior ou talvez único inconveniente. Atualmente estão sendo produzidos os GTO’s (“Gate

Turn-Off Thyristors”) que podem ser bloqueados pelo gatilho. Para os tiristores rápidos tem-se:

10ms < tq < 200ms

1.3 - CÁLCULO TÉRMICO

1.3.a - O Problema

A corrente que circula no componente produz calor, tanto na condução quanto na

comutação. Esse calor gerado deve ser transferido para o ambiente. Caso contrário a temperatura

da junção se eleva acima dos limites máximos permitidos e provoca a inutilização do

componente. A corrente máxima e portanto a potência máxima que um diodo de potência ou

tiristor pode processar é limitada apenas pela temperatura da junção.


15


Assim, a determinação do dissipador e das perdas em um componente é de importância

prática fundamental.

1.3.b - Cálculo Térmico em Regime Permanente

Para o cálculo térmico será empregado o circuito equivalente representado na figura

1.23.

P

R jc Rcd Rda

TaTdTcTj

Fig. 1.23 - Circuito térmico equivalente de um componente.

As grandezas representadas na figura 1.23 são definidas do seguinte modo:

Tj - temperatura da junção (oC).

Tc - temperatura da cápsula (oC).

Td - temperatura do dissipador (oC).

Ta - temperatura ambiente (oC).

P - potência térmica produzida pela corrente que circula no componente e sendo

transferida ao meio ambiente (W).

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).

R R R Rja jc cd da (1.12)

A equação empregada para o cálculo térmico de um componente é a seguinte:

T T R Pj a ja (1.13)

Existe uma analogia com um circuito elétrico resistivo, representado na figura 1.24.

RV2

IV1

Fig. 1.24 - Circuito elétrico análogo.


16


O objetivo do cálculo térmico é evitar que a temperatura máxima da junção alcance

valores próximos da máxima temperatura permitida.

É adotado o seguinte procedimento:

a) P - é calculado a partir das características do componente e da corrente que por ele

circula.

b) Tj - fornecida pelo fabricante do componente.

c) Ta - valor adotado pelo projetista.

d) com a expressão (1.14) determina-se a resistência térmica total.

RT T

Pjaj a

(1.14)

e) com a expressão (1.15) determina-se a resistência térmica do dissipador.

As resistências térmicas Rjc e Rcd são fornecidas pelo fabricante do componente (diodo

ou tiristor).

R R R Rda ja jc cd (1.15)

Com um catálogo de dissipadores pode-se escolher o mais conveniente. Caso o valor

encontrado não seja comercial, deve ser escolhido o valor menor mais próximo.

1.3.c - Transitório - Conceito de Impedância Térmica

Seja um diodo no qual não circula corrente para t < to. A sua temperatura de junção é

igual à temperatura ambiente Ta.

No instante to começa a dissipar uma potência constante P. A capacidade térmica do

componente impede que a temperatura cresça abruptamente. Ela cresce exponencialmente como

está representado na figura 1.25.

Tj

P

to tTa

T

Fig. 1.25 - Transitório térmico em um componente.

A diferença de temperatura instantânea é dada pela expressão (1.16).


17


T Z Pt (1.16)

Onde Zt representa a impedância térmica, que é variável com o tempo.

Seja o circuito térmico equivalente incluindo a capacidade térmica, representado na

figura 1.26.

P C

P P1 P

R

Tj2

Ta

Fig. 1.26 - Circuito térmico transitório.

P P P 1 2 (1.17)

R PC

P dt T T Tj a2 11

(1.18)

RdP

dt

P

C2 1 (1.19)

Assim:

RdP

dt

P

C

P

C2 2 (1.20)

dP

dt

P

RC

P

RC2 2 (1.21)

Resolvendo-se a equação (1.21) obtém-se a equação (1.22).

T

PR e Z

t

RCt

1 (1.21)

A dedução feita adota algumas simplificações.

O valor exato de Zt é fornecido pelo fabricante do componente.

O conceito de impedância térmica é muito importante quando o componente funciona

com correntes impulsivas (grande intensidade e curta duração).

Convém salientar que a impedância térmica é análoga à impedância elétrica, grandeza

muito conhecida na teoria de circuitos elétricos.


18


1.4 - CURVAS PARA CÁLCULO TÉRMICO DE DIODOS E TIRISTORES

a) Diodos

(a) (b)

Fig. 1.27.a - Potência dissipada PFmed em função da corrente direta média Imed, para corrente contínua

pura (cont.), para meia-onda senoidal (sin.180) e para ondas retangulares (rec.60) e (rec.120).

Fig. 1.27.b - Temperatura da cápsula Tc em função da temperatura ambiente Ta para diferentes

resistências térmicas Rthca.

Fig. 1.28 - Impedância térmica transitória Z(th)t para corrente contínua pura, em função do tempo t. A

impedância térmica para correntes impulsivas Z(th)p, é obtida pela soma dos valores dados pela tabela

Z(th)z com aqueles dados pela curva Z(th)t.


19


b) Tiristores

(a) (b)

Fig. 1.29.a - Potência dissipada PTmed em função da corrente média ITmed, para diferentes ângulos de

condução, para correntes senoidais.

Fig. 1.29.b - Potência dissipada PTmed em função da temperatura ambiente Ta, para diferentes

resistências térmicas totais junção-ambiente, Rthja.

Fig. 1.30 - Potência dissipada PTmed em função da corrente média ITmed, para diferentes ângulos de

condução, para correntes retangulares.


20


Fig. 1.31 - Resistência térmica entre junção e a cápsula, Rthjc, em função do ângulo de condução para

correntes senoidais e retangulares. Para corrente contínua pura, deve ser tomada Rthjc cont.

Fig. 1.32 - Impedância térmica em função do tempo. As curvas são interpretadas como as da figura

1.28. Para tempos grandes a impedância térmica tende assintoticamente para um valor constante igual

a resistência térmica em regime permanente. Para tempos pequenos a impedância depende do

dissipador empregado e das condições de ventilação.

Na tabela é dada a resistência térmica cápsula-ambiente Rthca para vários dissipadores,

incluindo a resistência térmica de contato. Desse modo, R R Rthja thjc thca .


21


c) Relação de Dissipadores Semikron **

DIODOS DISSIPADORES Massa

Resistência Térmica (Incluindo a Resistência de contato cápsula-

dissipadorAproximada Convecção

NaturalVentilação

Forçada 6m/sSKN12, SKR12 K9 - M4 50g 10,5oC/W -

SKN20, SKR20

SKN26, SKR26

SKNa20

K9 - M4

K5 - M6

K3 - M6

K1,1 - M6

50g

100g

200g

700g

9,5oC/W

5,7oC/W

3,8oC/W

2,2oC/W

-

-

-

-

SKN45, SKR45

SKN70, SKR70

K5 - M8

K3 - M8

K1,1 - M8

P1/120 - M8

100g

200g

700g

1300g

5,0oC/W

3,0oC/W

1,3oC/W

0,85oC/W

-

-

0,60oC/W

0,40oC/W

SKN100, SKR100

SKN130, SKR130

K3 - M12

K1,1 - M12

P1/120 - M12

K0,55 - M12

200g

700g

1300g

2000g

3,1oC/W

1,2oC/W

0,65oC/W

0,65OC/W

-

0,40oC/W

0,27oC/W

0,25oC/W

SKN240, SKR240 K1,1 - M16x1,5

K0,55 - M16x1,5

P1/120 - M16x1,5

P1/120 - M16x1,5

P4/200 - M16x1,5

700g

2000g

1300g

2200g

4000g

1,1oC/W

0,55oC/W

0,58oC/W

0,40OC/W

0,29OC/W

0,35oC/W

0,17oC/W

0,21oC/W

0,17OC/W

-

SKN320, SKR320 K0,55 - M24x1,5

K0,1 F

K0,05 W

P1/200 - M24x1,5

P4/200 - M24x1,5

P4/300 - M24x1,5

2000g

2150g

900g

2200g

4000g

6000g

0,55oC/W

-

-

0,40oC/W

0,29OC/W

0,25OC/W

0,17oC/W

0,11oC/W

0,065oC/W*

0,16OC/W

-

-

(*) - Refrigeração por água.

(**) - O formato e as dimensões dos dissipadores poderão ser obtidos diretamente com

o fabricante.

1.5 - EXEMPLO DE CÁLCULOS TÉRMICOSEletrônica de Potência

22


a) Retificador de Meia Onda a Diodo


D

Rv t( ) f Hz60R 10 W

v sen t 2 220 ( )t( )

D = SKN20/04

Fig. 1.33 - Retificador de meia onda a diodo.

O objetivo do cálculo é determinar a resistência térmica do dissipador a ser empregado

para manter a temperatura da junção abaixo do limite estabelecido pelo fabricante.

A partir da relação de dados técnicos fornecidos pelo fabricante, obtém-se:

Rjc = 2oC/W (Rthjc)

Rcd = 1oC/W (Rthch)

Tj = 180oC (Tvj)

V(TO) = 0,85V

rT = 11mW

Seja Ta = 50oC (Ta = temperatura ambiente)

a.1) Cálculo das correntes no diodo

Seja a corrente representada na figura 1.34.

t

Vo2

Fig. 1.34 - Corrente no diodo.

IV

RADmed

o

0 45 0 45 220

109 9

, ,,

IV

RADef

o

0 707 0 707 220

1015 55

, ,,

a.2) Cálculo da potência dissipada

P V I r ITO Dmed T Def ( )2

P 0 85 9 9 11 10 15 553 2, , ( , )

P W 8 415 2 660 11 07, , ,


23


Há um método mais rápido para se determinar a potência. Com o valor médio da

corrente e a forma de onda, entra-se na figura 1.27.a do catálogo de diodo do fabricante. Assim

para Imed = 9,9A e uma senóide de 180o obtém-se P @ 11W.

a.3) Cálculo do dissipador

T P R R Rjc cd da ( )

RT

PR R

T

Pda jc cd

2 1130

113

R C W R R C Wdao

da cdo 8 8 8 8 1 9 8, / , , /

Para realizar o cálculo do dissipador é possível também o emprego das curvas

oferecidas pelo fabricante. Ainda na figura 1.27.b, tomando-se Ta = 50oC e P @ 11W, obtém-se

Rca @ 11oC/W, assim Rda @ 11 - 1 = 10oC/W.

É recomendável portanto o emprego do dissipador K5, cuja resistência térmica é igual a

5,7 oC/W.

a.4) Temperaturas resultantes para o dissipador escolhido

P=11W

= 2,0RjcoC/W Rcd = 1,0oC/W Rda = 4,7oC/W

T Cao50TdTcTj

T P R Tj ja a 11 2 5 7 50( , )

T Cjo134 7,

T P R R Tc cd da a ( ) ,11 5 7 50

T Cjo112 7,

b) Retificador de Meia Onda a Tiristor

Seja a mesma estrutura, para R = 8W e a = 60o. Seja o tiristor SKT16 com os seguintes

parâmetros:

Rjc = 0,94oC/W (obtida na figura 1.31)

Rcd = 0,5oC/W

Tj = 130oC

q = 120o

Seja Ta = 50oC (valor adotado)


24


b.1) Cálculo da corrente média

IV

RTmedo

0 2251

0 225 220

101 0 5

,( cos )

,( , )a

I ATmed 9 28,

b.2) Cálculo da potência média

Entrando-se na figura 1.29.a com q = 120o, ITmed = 9,28A obtém-se P = 17,5W.

b.3) Cálculo do dissipador

Entrando-se na figura 1.29.b com Ta = 50oC e P = 17,5W obtém-se:

R C Wjao4 5, /

Mas: R R R Rja jc cd da

Assim: R R R Rda ja jc cd 4 5 0 94 0 5, , ,

R C Wdao3 06, /

Caso os dissipadores previstos para o tiristor SKT16/04 não satisfaçam, restam dois

recursos: empregar ventilação forçada ou um tiristor com maior capacidade em corrente.

c) Impedância Transitória

Seja o diodo SKN20 montado em um dissipador K5 inicialmente com corrente nula e à

temperatura ambiente igual a 30oC. Determinar o valor máximo de uma corrente contínua que

ele pode conduzir durante um tempo de 1s, de modo que a temperatura de junção não ultrapasse

o valor limite de 180oC.

Solução:

T o180 Cj 1s

iF

o30 C

I

Entrando-se na figura 1.28 com t = 1s obtém-se Z(th)t @ 1,5oC/W.

Z P T Tth t j a( )

PT T

ZW

j a

th t

( ) ,

180 30

1 5100

P V I r ITO T ( )2


25


IV

rI

P

rTO

T T

2 0 ( )

Assim: IV

r

V

r

P

rV V e r m

TO

T

TO

T TTO T

( ) ( )( ) ,

2 20 85 11

2

W

I

0 85

0 022

0 85

0 022

100

0 011

2,

,

,

, ,

I A@64

d) Temperatura Média Instantânea de Junção

Seja o tiristor SKT16 conduzindo uma corrente com a forma de onda indicada na figura

abaixo. Determinar a temperatura média e máxima da junção.

I=20A

t

Dados do Tiristor:

VT(TO) = 1,0V

rT = 20mW

q = 180o

P V I r IT TO T ( )2

P W 1 20 0 020 20 282, (Potência Instantânea)

Seja f = 50Hz

Assim: tT

fms

2

1

2

1

2 5010

PP

Wmed

2

1 10 0 02 1414

2

28

214

2( ) , ( , )

Seja o dissipador K5. Assim:

R C Wthjao 0 80 5 5 6 30, , , /

Seja Ta = 30oC. Assim:

T Cjo 6 30 14 30 118 20, , (Temperatura Média)

Para t = 10ms, da figura 1.32 obtém-se:

Z C Wth to

( ) , /0 15

T P Z Cj th to ( ) , ,28 0 15 4 2


26


To120,30 C

t

o116,10 C

jo118,20 C

10ms 20ms

Verifica-se assim que para f = 50Hz a temperatura da junção varia de 120,30oC até

116,1oC. Por mais surpreendente que possa parecer, tal fenômeno ocorre porque em relação aos

tempos envolvidos as constantes de tempo térmicas são baixas.


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Ivo Barbi - Eletrônica de Potência - Capítulo 1

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