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Rodrigo Mauro Bauer Moritz
Rodrigo Mauro Bauer Moritz
Rodrigo Mauro Bauer Moritz
JOINVILLE – SC
2014
RODRIGO MAURO BAUER MORITZ
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Albert Einstein.
RESUMO
ma Índice de modulação
fs Frequência de chaveamento
Ø Defasagem entre a corrente de carga e a tensão de
referência
VGS Tensão Gate Source
VTO Fonte de tensão do semicondutor, quando ele esta em
condução
rT Resistência do semicondutor quando ele esta em
condução.
Imed Corrente média do semicondutor
Ief Corrente eficaz do semicondutor
Po Potência total de saída
Vin Tensão do barramento de entrada
Vo Tensão eficaz de saída
Ta Temperatura ambiente
TC Temperatura de cápsula
Td Temperatura de dissipador
Tj Temperatura de junção
Rda Resistência térmica dissipador ambiente
Rjc Resistência junção cápsula
Rcd Resistência cápsula dissipador
Eon Energia dissipada na entrada em condução
Eoff Energia dissipada na entrada em bloqueio
Pcon Perdas por condução
Pcom Perdas por comutação
Ip Corrente de pico na carga do inversor.
IO Corrente nominal no diodo
trr Tempo de recuperação reversa
Irr Corrente de recuperação reversa
Pdiodo Perdas totais no diodo
PIGBT Perdas totais no IGBT
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .......................................................................... 16
1.1 IMPORTÂNCIA DO CÁLCULO DE PERDAS E DO
CÁLCULO TÉRMICO ............................................................... 17
2 INVERSORES ............................................................................ 22
2.1 INVERSORES TRIFÁSICOS TIPO FONTE DE TENSÃO ...... 22
2.2 APLICAÇÕES DOS INVERSORES TRIFÁSICOS .................. 25
3 ESTUDO DE PERDAS .............................................................. 27
3.1 INTRODUÇÃO AO ESTUDO DE PERDAS ............................ 27
3.2 PERDAS NOS SEMICODUTORES .......................................... 31
3.2.1 Perdas em Diodos ........................................................................ 32
3.2.2 Cálculo de perdas para o MOSFET ............................................. 34
3.2.3 Calculo de perdas para o IGBT ................................................... 37
3.2.3.1 Perdas por condução.............................................................. 37
3.3 CÁLCULO TÉRMICO ............................................................... 47
3.3.1 Um Simples Semicondutor no Dissipador .................................. 48
3.3.2 Vários Semicondutores no Mesmo Dissipador ........................... 49
3.3.3 Um módulo no Dissipador .......................................................... 50
3.3.4 Dois módulos ou Mais no Mesmo Dissipador ............................ 52
3.4 DISSIPADORES......................................................................... 54
3.4.1 Dissipadores refrigerados por convecção natural ........................ 55
3.4.2 Dissipadores refrigerados por ventilação forçada. ...................... 56
3.4.3 Dissipadores refrigerados por líquido. ........................................ 57
3.4.4. Correção da altitude .................................................................... 58
3.4.7. Montagem do componente semicondutor no dissipador. ............ 61
4. ANÁLISE DO ESTUDO DE PERDAS DE UM INVERSOR
TRIFÁSICO ................................................................................ 63
4.1 Esforços nos interruptores ........................................................... 63
4.2 Perdas por condução nos semicondutores. .................................. 67
4.3 Perdas por comutação nos semicondutores ................................. 71
4.4 Potência Total Dissipada nos semicondutores ............................. 75
4.5 Cálculo Térmico .......................................................................... 76
4.6 Simulação .................................................................................... 79
4.7 Variação das Perdas em Função do Indice de Modulação........... 86
4.8 Variação das Perdas em Função do ângulo de defasagem da Carga
..................................................................................................... 87
4.9 Variação Das Perdas de Comutação em Função da Frequência de
Chaveamento. .............................................................................. 88
4.10 Resistência Térmica do Dissipador de Acordo com a Potência de
Saída ............................................................................................ 89
4.11 Dissipadores utilizados ................................................................ 90
4.12 Fatores de Correção ..................................................................... 92
4.13 Ensaios Utilizando os Dissipadores Propostos ............................ 97
5. RESULTADOS PRÁTICOS ..................................................... 103
5.1 Driver e circuito de comando .................................................... 103
5.2 MEDIÇÃO DA RESISTÊNCIA TÉRMICA DO DISSPADOR
................................................................................................... 106
5.3 INVERSOR TRIFÁSICO ......................................................... 109
5.3.1 Análise das perdas utilizando os parâmetros de catálogo .......... 112
5.3.2 Casos Utilizando o P16/400 e o P-0,71 ..................................... 113
6. CONCLUSÕES ......................................................................... 117
REFERÊNCIAS ................................................................................... 119
16
1 INTRODUÇÃO
1.3 OBJETIVOS
2 INVERSORES TRIFÁSICOS
A B C
S4 S5 S6
E/2 D4 D5 D6
Fonte: [29]
27
3 ESTUDO DE PERDAS
G (gate)
S (source)
Fonte: Produção do autor.
G (gate)
E(emissor)
Fonte: Produção do autor.
(3.1)
(3.2)
34
Onde:
QGS: Capacitância gate- source.
QGD: Capacitância gate-dreno.
QDS: Capacitância dreno-source.
Onde:
Sendo:
a) Carga resistiva
b) Carga Indutiva
(3.15)
Onde:
Sendo:
Onde:
Rjcn Rcd3
Tj3 Td3
Fonte: Produção do autor.
a) b)
Rjc(D2)
Tj4 Tc(D2)
a) b)
Rjc(D1) Rcd(mód1)
Td1 Rda
Tj2 Ta
Tc(D1)
Rjc(IGBT2)
Tj3 Tc(IGBT2)
Rjc(D2) Rcd(mód2)
Tj4 Td2
Tc(D2)
Rjc(IGBT3)
Tj5 Tc(IGBT3)
Rjc(D3) Tc(D3)
Tj6
Fonte: Produção do autor.
3.4 DISSIPADORES
Sendo:
.
63
S1 S2 S3
E/2 D1 D2 D3
A B C
S4 S5 S6
E/2 D4 D5 D6
Onde:
Fonte: [4]
(4.8)
rt(mΩ) Vce(V)
16,8 0,953
rt(mΩ) Vf(V)
13,5 0,906
Sendo:
8
7
6
5
4
3
2
1
0 Ic(A)
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Sendo:
Vcc: tensão do barramento de entrada;
Io: corrente nominal do diodo;
trr :tempo de recuperação reversa;
Irr: corrente de recuperação reversa.
74
Onde:
Rjc IGBT
Tc1
Rjc Diodo
Tc2 Rcd módulo 2
Td Rda Ta
Rjc IGBT
Tc3
Rjc Diodo
Tc4
Rjc IGBT
Tc1
Rjc Diodo
Tc2 Rcd módulo 3
Rjc IGBT
Tc3
Rjc Diodo
Tc4
Sendo:
4.6 SIMULAÇÃO
Td
A
A Tj
0,16
0,12
0,08
0,04
0
Po (kW)
5 10 15 20 25 30 35
Onde:
2,5
Fator Eon = -0,0001 Rg2 + 0,0328 Rg + 0,5604
2
1,5
0,5
Rg(Ω)
0
15 25 35 45 55 65
5 RESULTADOS PRÁTICOS
(5.2)
Figura 59 - Comparador que gera o PMW para uma das fases do inversor.
Va
Indutor
Vb
Vc Carga
Va
Vb V
Vc
A
V
V
Fonte: Produção do autor.
6 CONCLUSÕES
REFERÊNCIAS