O Site do Hardware Livre - OSHW

Entenda as especificações dos semicondutores de potência (ART663)

Para utilizar corretamente um semicondutor de potência não é suficiente conhecer os seus limites de corrente . No Application Note AN949, a International Rectifier mostra que é preciso muito mais. Se o projetista não levar em conta outras informações importantes, a integridade do componente pode ser colocada em risco. Veja nesse artigo como usar corretamente as especificações de corrente para os semicondutores de potência. Na revisão de 2012 constatamos que este artigo mantém sua atualidade.

Todos os componentes que operam com correntes elevadas possuem especificações máximas de corrente indicando os limites de sua capacidade de operação.

Os fabricantes dos dispositivos semicondutores sabem quais são os limites de corrente para seus produtos, levando em conta uma determinada temperatura ambiente.

No entanto, esses mesmos fabricantes não sabem quais são as condições reais que o componente vai encontrar quando em uso. Elas podem ser bem diferentes das previstas e isso pode significar problemas.

Assim, para quem trabalha com semicondutores de potência, é importante levar em conta dois fatores importantes:

 

* As especificações de corrente não significam nada se não forem acompanhadas das condições de temperatura.

* A temperatura indicada para as condições limites de corrente não significam realmente a temperatura em que realmente o dispositivo vai operar.

 

Veja então que se temos a indicação de que um dispositivo é capaz de conduzir a corrente desejada numa aplicação a uma temperatura de 25º C isso não significa que ele pode ser usado numa aplicação real que pode alcançar temperaturas maiores.

O valor da corrente nessa temperatura pode ser bastante útil, entretanto, para se comparar suas características com a de componentes equivalentes.

 

Especificações de Corrente para Semicondutores de Potência

Todos os dispositivos semicondutores de potência devem operar dentro de sua faixa de dissipação, de modo a não ultrapassar nunca a sua temperatura máxima.

Assim, um primeiro cuidado importante em qualquer projeto que envolva esses dispositivos está na escolha correta do sistema de dissipação de calor. Não basta montar o dispositivo em qualquer dissipador para se garantir que ele se mantenha dentro da faixa de temperaturas permitida.

É preciso saber escolher o dissipador, o que leva em conta um "projeto térmico" cuidadoso, principalmente quando altas potências estão envolvidas.

 

Figura 1 - Dissipador de calor
Figura 1 - Dissipador de calor

 

Os semicondutores de potência, entretanto, precisam de informações adicionais além de sua temperatura máxima e capacidade de dissipação.

Os transistores de potência, por exemplo, precisam da SOA (Safe Operating Area), os tiristores da dv/dt e di/dt (taxa de crescimento da tensão e da corrente), etc.

Os transistores bipolares têm ainda o ganho a ser levado em conta e os IGBTs são menos sensíveis a esta característica.

Assim, quando encontramos essas informações numa folha de características de um componente, elas devem ser levadas em conta com o devido respeito.

.Devemos também diferenciar as especificações que levam em conta a circulação de correntes contínuas e em regime de sinais (pulsos ou corrente alternada).

 

Especificações de Corrente Contínua

As especificações para correntes contínuas são baseadas na capacidade que o componente tem de eliminar calor quando ele é gerado pela passagem de uma corrente contínua, conforme mostra a figura 2.

 

 

Nessas condições não estão presentes quaisquer efeitos produzidos por comutação.

É importante observar que nas especificações de dissipação, a quantidade de calor que um componente pode transferir para o meio ambiente depende da diferença de temperatura entre o componente e o ambiente.

Assim, é preciso tomar cuidado com essas especificações, já que em condições normais é difícil manter o componente em temperaturas inferiores à 90º C principalmente no caso dos semicondutores de potência elevada.

Dissipadores, conforme os mostrados na figura 3,levam em conta todas as variações de temperatura que ocorrem nas condições de operação.

 

Figura 3 - Dissipadores comuns
Figura 3 - Dissipadores comuns

 

Assim, um dissipador para componentes com invólucros TO-220 ou TO-3 permitem que o componente opere em temperaturas ambientes até 40º C com uma corrente que vai de 60% a 70% da máxima especificada para uma temperatura de 25º C, o que corresponde a uma temperatura real do invólucro que chega a 100º C.

Nesse ponto o leitor pode perceber que os valores das especificações não são tão fixos quanto se pode esperar, e que na prática é preciso tomar cuidado para que limites não sejam superados.

Assim, ao analisar as especificações de corrente de um semicondutor de potência o projetista deve levar em conta três fatos importantes:

 

1. Os transistores de potência normalmente operam como comutadores e os ciclos ativos são sempre inferior a 100%, o que significa que numa aplicação importa realmente a capacidade de condução do componente nas condições reais de operação.

2. Quando operando como comutadores existem perdas no processo de comutação. Essas perdas devem ser calculadas e incluídas como energia a ser dissipada em forma de calor, juntamente com a gerada na queda de tensão por condução.

3. Na maioria dos casos é muito mais importante levar em conta a capacidade de comutação do dispositivo e o que ocorre no processo do que as perdas por condução contínua.

 

Especificações de Comutação

Quando um semicondutor de potência, como um MOSFET de Potência, trabalha em regime comutado, não basta levar em conta o calor gerado durante o ciclo em que ele permanece em condução. Conforme mostra a figura 4, esse calor é apenas uma parte do calor gerado no funcionamento do componente.

 

 

Assim, uma parte do calor gerado pode ser calculada facilmente levando-se em conta o valor médio da corrente conduzida, multiplicado pela queda de tensão no dispositivo. Mas isso não é tudo.

Os semicondutores de potência dissipam calor quando comutam. A passagem do estado de não condução para condução e vice-versa, gera calor e esse calor deve ser considerado nos projetos.

O importante nessa consideração é que o calor gerado não depende simplesmente do tempo que o componente demora para mudar de estado mas também da forma de onda envolvida.

Nas condições de surto, a temperatura da junção pode subir exponencialmente, não dando tempo para que o calor gerado seja transferido para as outras partes do componente. Isso pode causar a queima do componente.

Assim, os fabricantes também indicam a curva de impedância térmica do dispositivo. Ela ajudará a entender a velocidade de resposta às variações de temperatura.

Na figura 5 as curvas típicas de resposta a transientes térmicos de um dispositivo de potência.

 

 

A importância dessa característica pode ser avaliada se considerarmos um dispositivo operando em duas freqüências diferentes, mostradas na figura 6.

 

 

Conforme podemos ver, as variações da dissipação de potência na junção do dispositivo são diferentes nas duas freqüências.

Com o aumento da freqüência, a inércia térmica do dispositivo entra em cena e começa a predominar, causando menores variações da temperatura da junção no momento da aplicação dos pulsos.

De um modo geral, com freqüências a partir de alguns quilohertz e ciclos ativos acima de 20% as flutuações de temperatura nas junções dos dispositivos semicondutores se tornam menores e com isso menor a dissipação total do dispositivo em operação também levando o tempo de condução.

 

Conclusão

A maioria dos dispositivos semicondutores de potência trabalha com correntes intensas e em regime de pulsos.

No projeto que utilize tais dispositivos deve-se estar atentos aos máximos suportados pelo componente e também ao modo de operação.

Conforme vimos neste artigo, um semicondutor de potência pode ter uma considerável potência dissipada no processo de comutação e não somente na condução, gerando assim quantidades adicionais de calor que precisam ser dissipadas.

Mais do que isso, a própria inércia do dispositivo para transferir esse calor para o meio ambiente a partir da junção pode ser muito importante dependendo do regime de operação do dispositivo.

BUSCAR DATASHEET


N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

Opinião

Eventos e palestras pela frente (OP179)

Continuamos acelerando com nossas atividades participando de eventos, palestras e sempre colocando novas matérias no site. No próximo dia 12 estaremos embarcando para Natal, onde participaremos da Campus Party proferindo palestra. Também estaremos participando de eventos em São Carlos entre 7 e 11 de maio e para neste intervalos visitas e encontros importantes.

Leia mais...

Conselho
Os melhores conselhos não são dados por quem sabe mais, mas sim por alguém que nos estima
NCB - Ver mais frases


Instituto Newton C Braga
Entre em contato - Como Anunciar - Políticas do Site

Apoio Social
Lions Clube de Guarulhos Sul SOS Mater Amabilis
Advertise in Brazil
If your business is Electronics, components or devices, this site is the correct place to insert your advertisement (see more)