Tiristor e cálculo térmico

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Cap. 1- Estudo dos Componentes Empregados em Eletrônica de Potência
Eletrônica Industrial-Eletrônica de Potência
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? Características Dinâmicas dos Tiristores
? Entrada em condução ( Circuito Fig. 1.18, Formas de onda Fig. 1.19)
? Instante to o interruptor S é fechado.
R
T
+
Tv
-
S
VG
iG
E rG
i
t
G
1
2
Curva 1 - Disparo Lento
Curva 2 - Disparo Rápido
(r maior)G
(r menor)G
(a) (b)
Fig. 1.18 - (a)Circuito para estudo disparo do tiristor, (b)Formas de corrente de gate.
vG
t
t
IG
i G
G10% I
vT
90% E
10% E t
trtd
ton
Fig. 1.19 - Formas de onda relativas ao disparo do tiristor.
? Onde: ton - tempo de fechamento;
td - tempo de retardo (Maior parcela);
tr - tempo de descida da tensão ânodo-cátodo.
t t ton d r= + (1.11)
? td depende da: (a) Amplitude da corrente de gatilho;
(b) Velocidade de crescimento da corrente de gatilho.
? tr independe da corrente de gate.
? ton é superior a 1µs e inferior a 5µs.
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? Bloqueio do Tiristor( Circuito Fig. 1.20, Formas de onda Fig. 1.21)
? Tiristor T encontra-se conduzindo;
? Instante to o interruptor S é fechado.
R
l
S
E2
T
iT
E1
VT
Fig. 1.20 - Circuito para o estudo do tiristor durante bloqueio.
��������
��������
��������
��������
��������
E1
iT tq
tinv
t1t0
VT
IRM
E2
t
Qrr
2E + V∆
Fig. 1.21 - Formas de onda relativas ao bloqueio do tiristor.
? Instante t1 o interruptor S é novamente aberto;
? Tiristor encontra-se bloqueado e retém a tensão E1;
? tq=Tempo mínimo de aplicação de tensão inversa (Dado Fabricante).
(Para Tiristor readquirir capacidade de bloqueio, após a corrente ter-se anulado, o
Tempo de aplicação de tensão inversa deve ser ≥ tq )
? Quanto menor tq melhor é o Tiristor: Tiristores rápidos⇒10µs < tq < 200µs
(Operação em freqüências maiores, menores perdas na comutação e circuitos de
comando de menor custo)
? Comutação Forçada ⇒ tq é um dado fundamental.
OBS: TIRISTOR NÃO PODE SER COMANDADO PARA O BLOQUEIO PELO
GATE ⇒ GTOs (Gate Turn-off Thyristors)
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1.3 - CÁLCULO TÉRMICO
? O Problema
? Corrente em circulação ⇒ produz calor (em Condução e nas Comutações);
? Calor deve ser transferido para o ambiente (Uso de dissipadores)
? Objetivo: Temperatura Junção ≤ TJmáxima (Dado fabricante)
(Potência máxima processada - Diodo ou Tiristor ⇒ Limitada pela TJ )
? Cálculo térmico é fundamental (Segurança e Vida média - MTBF)
? Cálculo Térmico - Regime Permanente (Circuito Térmico Eq. Fig. 1.22)
P
Rjc Rcd Rda
TaTdTcTj componente dissipador
Fig. 1.22 - Circuito térmico equivalente de um diodo ou tiristor.
Onde:Tj - temperatura da junção (oC); Tc - temperatura da cápsula (oC);
Td - temperatura do dissipador (oC); Ta - temperatura ambiente (oC);
P - Potência térmica, circula no componente e é transferida ao ambiente (W);
Rjc - resistência térmica junção-cápsula (oC/W);
Rcd - resistência térmica cápsula-dissipador (oC/W);
Rda - resistência térmica dissipador-ambiente (oC/W),
Rja - resistência térmica junção-ambiente (oC/W).
R R R Rja jc cd da= + + (1.12)
? Cálculo Térmico (Regime Permanente)
T T R Pj a ja− = (1.13)
? Analogia Circuito elétrico (Fig. 1.23)
R V2
I
V1
Fig. 1.23 - Circuito elétrico análogo.
? Procedimento:
a) P - Calculada com dados do componente e da corrente que por ele
circula;
b) Tj - Fornecida pelo fabricante do componente;
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c) Ta - Valor adotado pelo projetista;
d) Com a expressão (1.14) determina-se a resistência térmica total,
R
T T
Pja
j a= − (1.14)
e) com (1.15) determina-se a resistência térmica do dissipador.
R R R Rda ja jc cd= − − (1.15)
? Resistências térmicas Rjc e Rcd (dados fabricante do diodo ou tiristor).
? Catálogo de dissipadores: Rda(comercial) ≤ Rda(calculado) ?
? Transitório Térmico- Conceito de Impedância Térmica
? Seja um Diodo onde: Para t < to (Não há circulação de corrente) ⇒TJ = Ta ;
? Em to começa a dissipar uma potência constante P;
? Capacidade térmica diodo impede crescimento abrupto da temperatura;
Crescimento é exponencial (Figura 1.24), onde: P = Potência Instantânea.
T j
P
t o t
T a
T∆
Fig. 1.24 - Transitório térmico em um componente.
? Diferença de temperatura instantânea - Equação (1.16).
∆T Z Pt= (1.16)
Onde: Zt = Impedância térmica (Variável com o tempo).
? Impedância térmica é análoga à impedância elétrica.
? Circuito térmico equivalente incluindo a capacidade térmica (Figura 1.25)
P C
P P1 P
R
Tj
2
Ta
Fig. 1.25 - Circuito térmico transitório.
? P P P= +1 2 (1.17)
? R P C P dt T T Tj a2 1
1= = − =∫ ∆ (1.18)
? R dPdt
P
C
2 1= (1.19)
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Logo: R
dP
dt
P
C
P
C
2 2+ = (1.20)
dP
dt
P
RC
P
RC
2 2+ = (1.21)
? Resolvendo-se (1.21) obtém-se a Equação (1.22).
∆T
P R e Z
t
RC
t= −

 =
−
1 (1.22)
? Valor de Zt é fornecido pelo fabricante do componente.
? Conceito de impedância térmica é muito importante para correntes impulsivas
(grande intensidade e curta duração).
1.4 - CURVAS PARA CÁLCULO TÉRMICO DE DIODOS E TIRISTORES
a) Diodos
(a) (b)
Fig. 1.26 - (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); (b)Temperatura da cápsula Tc em função da
temperatura ambiente Ta para diferentes resistências térmicas Rthca.
Fig. 1.27 - 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.
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b) Tiristores
(a) (b)
Fig. 1.28 - (a)Potência dissipada PTmed em função da corrente média ITmed, para
diferentes ângulos de condução, para correntes senoidais; (b)Potência dissipada PTmed
em função da temperatura ambiente Ta, para diferentes resistências térmicas totais
junção-ambiente, Rthja.
Fig. 1.29 - Potência dissipada PTmed em função da corrente média ITmed, para diferentes
ângulos de condução, para correntes retangulares.
Fig. 1.30 - 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.
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Fig. 1.31 - Impedância térmica em função do tempo.
? Tempos grandes: Impedância térmica ⇒ Resistência térmica em Regime
Permanente;
? Tempos pequenos: Impedância Independe ⇒ Dissipador empregado e das
condições de Ventilação.
? Relação de Dissipadores Semikron (R R Rthja thjc thca= + )
DIODOS DISSIPADORES Massa
Resistência Térmica Rthca (Incluindo
a Resistência de contato cápsula-
dissipador)
Aproximada Convecção
Natural
Ventilação
Forçada 6m/s
SKN12, SKR12 K9 - M4 50g 10,5oC/W -
SKN20, SKR20
SKN26, SKR26
SKNa20
K9 – M6
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 (Catálogo Fabricante)
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1.5 - EXEMPLO DE CÁLCULOS TÉRMICOS
a) Retificador de Meia Onda a Diodo (Fig. 1.32)
D
Rv t( )ω f Hz60=
R 10= Ω
v sen t= ⋅2 220 ( )ωt( )ω
D = SKN20/04
Fig. 1.32 - Retificador de meia onda a diodo.
? Calcular Rda para manter Tj < Tjmáxima
Dados: Rjc = 2oC/W (Rthjc); Rcd = 1oC/W (Rthch); Tj = 180oC (Tvj)
V(TO) = 0,85V; rT = 11mΩ, Ta = 50oC (Ta = temperatura ambiente)
? Corrente no diodo (Fig. 1.34)
2ππ 3π0
ωt
Vo2
Fig. 1.34 - Corrente no diodo.
? I VR ADmed
o= = ⋅ =0 45 0 45 22010 9 9
, ,
, ; ? I VR ADef
o= = ⋅ =0 707 0 707 22010 15 55
, ,
,
? Potência média dissipada (Equacionamento)
P V I r ITO Dmed T Def= +( ) 2 ⇒ P W= ⋅ + ⋅ ⋅ =−0 85 9 9 11 10 15 55 11 073 2, , ( , ) ,
? Ábacos (P=Potência média)
Imed ⇒ Fig. 1.26a - (onda 180o) ⇒ P ≅ 11W
? Cálculo Rda
∆T P R R Rjc cd da= + +( ) ⇒ R TP R R
T
Pda jc cd= − − = − − = −
∆ ∆
2 1
130
11 3
R C Wda o≤ 8 8, / ⇒ R R C Wda cd o+ = + =8 8 1 9 8, , /
? Ábacos (Rda)
Ta = 50oC e P ≅ 11W ⇒ Fig. 1.26b ⇒ Rca ≅ 10oC/W ⇒ Rda ≅ 10 - 1 = 9oC/W.
? Dissipador Especificado: K5-M6 ⇒ Rca = 5,7 oC/W.
? Confirmação: Tj < Tjmáxima
P=11W
 = 2,0Rjc oC/W Rcd = 1,0oC/W Rda = 4,7oC/W
T Ca
o= 50TdTcTj
? 50)7,52(11TRPT ajaj ++⋅=+= ⇒ T Cj o= 134 7, ⇒ c/ K9-M6 ; Tj=176,5oC
? T P R R Tc cd da a= + + = ⋅ +( ) ,11 5 7 50 ⇒ T CC o= 112 7,
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b) Retificador Monofásico a Tiristor (Fig. 1.33)
T
Rv t( )ω f Hz60=
v sen t= ⋅2 220 ( )ωt( )ω
T = SKT16
R = 8 Ω ; α=60ο
Fig. 1.33 - Retificador monofásico a Tiristor.
Dados: Rjc = 0,94oC/W (obtida na Figura 1.30)
Rcd = 0,5oC/W
Tj = 130oC
θ = 120o
Seja Ta = 50oC (valor adotado)
? I VRTmed
o= + = ⋅ +0 225 1 0 225 22010 1 0 5
,
( cos )
,
( , )α ⇒ I ATmed = 9 28,
? Ábacos (P=Potência média)
ITmed ⇒ Fig. 1.28a - (θ = 120o) ⇒ P ≅ 17,5W
? Cálculo Rda
Ta = 50oC e P = 17,5W ⇒ Fig. 1.28b ⇒ R C Wja o= 4 5, /
R R R Rda ja jc cd= − − = − −4 5 0 94 0 5, , , ⇒ R C Wda o= 3 06, /
? Catálogo Fabricante ⇒ Escolhe-se o Dissipador (K3 – Limite!!!)
(K1,1 elevado volume e peso; Usar Ventilação ou Tiristor maior Capacidade)
c) Impedância Transitória
? Seja Diodo SKN20 (com dissipador K5) submetido ao regime da Fig. 1.34.
? Determinar Máximo valor de I tal que ⇒ TJ ≤ 180oC.
T o180 Cj 1s
iF
o30 C
I
Fig. 1.34 - Corrente impulsiva - SKN20+K5 ( V V e r mTO T( ) ,= =0 85 11 Ω )
? t = 1s (tempo grande, considerando-se CC)⇒ Fig. 1.27 ⇒ Z(th)t ≅ 1,5oC/W.
Z P T Tth t j a( ) = − ⇒ P T TZ W
j a
th t
= − = − =
( ) ,
180 30
1 5
100
P V I r ITO T= +( ) 2 ⇒ I A≅ 64
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d) Temperatura Média Instantânea de Junção
? Seja Tiristor SKT16 submetido ao regime da Fig. 1.35 (Dissipador K5)
? Determinar ⇒ TJ (média) e TJ (máxima).
I=20A
∆t
f=50Hz
θ=180o
Fig. 1.35 - Corrente através do Tiristor SKT16+K5 ( V V e r mTO T( ) ,= =1 0 20 Ω )
? P V I r IT TO T= +( ) 2 ⇒ P W= ⋅ + ⋅ =1 20 0 020 20 282, (Potência Instantânea)
? ∆t T f ms= = = ⋅ =2
1
2
1
2 50 10
P
P
Wmed = = ⋅ + ⋅ = =2
1 10 0 02 14 14
2
28
2 14
2( ) , ( , )
? Dissipador K5 :
W/C45,65,595,0R othja =+= (Rthjc; θ=180o e Onda Retangular)
? Adotando-se: Ta = 30oC
C3,120301445,6T oj =+⋅= (Temperatura Média)
? ∆t = 10ms ⇒ Fig. 1.31 ⇒ W/C15,0Z ot)th( = e W/C15,0Z oz)th( =
(Considerou-se: Zp=Zt+Zz)
? Assim,
C4,830,028Z.PT op)th(j =⋅==∆
? Portanto:
T
o124,5 C
t
o116,1 C
j
o120,3 C
10ms 20ms
? TJ (máxima) = 124,5oC ; TJ (mínima) = 116,1oC ⇒ TJ (média) = 120,3oC
? Para f = 50Hz ⇒ Constantes de tempo térmicas são baixas.