Electronica de Potencia Rashid 3Ed cap 18

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    20-Oct-2015

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Electronica de Potencia Rashid 3Ed

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<ul><li><p>CAPTULO 1 8</p><p>Proteccin de dispositivosy circuitos</p><p>Los objetivos de aprendizaje para este captulo son los siguientes:</p><p> Comprender la analoga elctrica de los modelos trmicos, y los mtodos para enfriar dispositivosde potencia</p><p> Aprender los mtodos para proteger los dispositivos contra tasas de dildt y dv/dt excesivas, y contravoltajes transitorios debidos a desconexin de carga y suministro</p><p> Aprender cmo se seleccionan fusibles de accin rpida para proteger los dispositivos de potencia Aprender sobre las fuentes de interferencia electromagntica (EMI) y los mtodos para minimizar</p><p>sus efectos sobre los circuitos que las reciben</p><p>18.1 INTRODUCCiN</p><p>Debido al proceso de recuperacin en sentido inverso de los dispositivos de potencia, y las accio-nes de conmutacin en presencia de inductancias de circuito, pueden presentarse voltajes transi-torios en los circuitos convertidores. Aun en los circuitos diseados con cuidado, pueden existircondiciones de falla por cortocircuito, dando como resultado un flujo excesivo de corriente porlos dispositivos. El calor producido por las prdidas en un semi conductor se debe disipar de mo-do suficiente y eficaz para que las condiciones del circuito no se salgan de las especificaciones delos dispositivos de potencia, proporcionando proteccin contra sobrevoltaje, sobrecorriente ysobre calentamiento. En la prctica, los dispositivos de potencia se protegen contra 1) avalanchatrmico, con disipadores de calor, 2) altas tasas dv/dt y dildt, con amortiguadores, 3) estados tran-sitorios por recuperacin inversa, 4) estados transitorios en el lado de la alimentacin y de la car-ga, y 5) condiciones de falla, con fusibles.</p><p>18.2 ENFRIAMIENTO Y DISIPADORES DE CALOR</p><p>Debido a las prdidas en estado activo y por conmutacin, dentro del dispositivo de potencia segenera calor. Este calor se debe transferir del dispositivo a un medio de enfriamiento, para man-tener la temperatura de operacin en la unin dentro del intervalo especificado. Aunque esta</p><p>791</p></li><li><p>792 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos</p><p>FIGURA 18.1</p><p>Analoga elctrica de la transferencia de calor.</p><p>transferencia de calor se puede efectuar por conduccin, conveccin o radiacin, lo que ms seusa en aplicaciones industriales es la conveccin natural (enfriamiento natural) o forzada (en-friamiento forzado) con aire.</p><p>El calor debe pasar del dispositivo a su encapsulado y despus al disipador o radiador decalor en el medio de enfriamiento. Si PA es la prdida promedio de potencia en el dispositivo, laanaloga elctrica del mismo, cuando est montado en un disipador de calor, se ve en la figura18.1. La temperatura de unin de un dispositivo es T,y se determina con</p><p>(18.1)</p><p>donde R,c = resistencia trmica de unin a caja, CfWRcs = resistencia trmica del encapsulado al disipador, C/WRSA = resistencia trmica de disipador a ambiente, CfWTA = temperatura ambiente, C</p><p>En el caso normal, las resistencias R,c YRcs las especifican los fabricantes del dispositivode potencia. Una vez conocida la prdida de potencia PA, se puede calcular la resistencia trmi-ca requerida del disipador de calor, para determinada temperatura ambiente TA- El siguiente pa-so es elegir un disipador, y su tamao, que cumplan con el requisito de resistencia trmica.</p><p>Hay disponible una amplia variedad de disipadores de calor de aluminio extruido en el co-mercio, y usan aletas de enfriamiento para aumentar la capacidad de transferencia de calor. Lascaractersticas de resistencia trmica de un disipador de calor tpico, con enfriamiento por con-veccin natural y forzada se ven en la figura 18.2, donde se muestra la disipacin de potencia enfuncin del aumento de temperatura del disipador, para enfriamiento natural. En el enfriamien-to forzado, la resistencia trmica disminuye al aumentar la velocidad del aire. Sin embargo, msall de cierta velocidad, la reduccin de resistencia trmica no es importante. En la figura 18.3 seven disipadores de calor de diversos tipos.</p><p>Tiene importancia extrema el rea de contacto entre el dispositivo y el radiador de calor,para minimizar la resistencia trmica entre el encapsulado y el disipador. Las superficies debenser planas, lisas y sin polvo, corrosin ni xidos superficiales. En el caso normal, se aplican grasasde silicona para mejorar la capacidad de transferencia trmica y para minimizar la formacin dexidos y corrosiones.</p><p>El dispositivo se debe montar en forma correcta sobre el disipador de calor, para obtenerla presin correcta de montaje entre las superficies correspondientes. Los fabricantes del dispositi-vo suelen recomendar los procedimientos adecuados de instalacin. En el caso de dispositivos</p></li><li><p>18.2 Enfriamiento y disipadores de calor 793</p><p>Velocidad del aire (pies/min)</p><p>~ 1000~~ 90Q).s8 80'"</p><p>100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001.0~</p><p>0.9~O)</p><p>0.8 ~:o</p><p>0.7 ~co</p><p>0.6 o"O</p><p>'"0.5.~:o0.4 :g</p><p>'"u0.3 '..'B</p><p>0.2 '"Te</p><p>0.1 ~.;;Q)O ::;:</p><p>500</p><p>70</p><p>//431/ /-71 I4331/ J- ~,rY..../ V "</p></li><li><p>794 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos</p><p>FIGURA 18.4</p><p>Fuentede calor</p><p>(dispositivo)</p><p>Tubos de calor. Aletas de enfriamiento</p><p>evapora al lquido y entonces el vapor va bacia el lado de condensacin, donde se condensa, y ellquido regresa aliado de la fuente de calor. El dispositivo de potencia puede estar a alguna dis-tancia del disipador de calor.</p><p>En aplicaciones con altas potencias, los dispositivos se enfran mejor con lquidos, que en elcaso normal son aceite o agua. El enfriamiento con agua es muy eficiente, unas tres veces mseficiente que el enfriamiento con aceite. Sin embargo, es necesario usar agua destilada para mi-nimizar la corrosin, y agregarle anticongelante. El aceite es inflamable. El enfriamiento poraceite, que puede estar restringido a algunas aplicaciones, proporciona un buen aislamiento y eli-mina los problemas de corrosin y congelamiento. Los tubos trmicos y los disipadores de calorenfriados con lquido se consiguen en el comercio. En la figura 18.5 se ven dos interruptores deea enfriados por agua. Los convertidores de potencia se consiguen en unidades para ensamblar,como los de la figura 18.6.</p><p>La impedancia trmica de un dispositivo de potencia es muy pequea, y el resultado es quela temperatura de unin del dispositivo vara en funcin de la prdida instantnea de potencia.La temperatura instantnea de la unin siempre debe mantenerse ms baja que el valor acepta-ble. Los fabricantes de dispositivo proporcionan una grfica de la impedancia trmica de estadotransitorio en funcin de la duracin de un pulso cuadrado, como parte de sus bojas de datos. Apartir del conocimiento de la onda de corriente por un dispositivo, se puede determinar una gr-fica de prdida de potencia en funcin del tiempo, y a continuacin las caractersticas de impe-dancia transitoria se pueden usar para calcular las variaciones de temperatura en funcin deltiempo. Si el medio de enfriamiento falla en los sistemas prcticos, en el caso normal el aumentode temperatura de los disipadores de calor sirve para desconectar los convertidores de potencia,en especial en aplicaciones con grandes potencias.</p><p>Se puede aplicar la respuesta escaln de un sistema de primer orden, para expresar la impe-dancia trmica transitoria. Si Zo es la impedancia trmica del encapsulado a la unin en estado</p><p>FIGURA 18.5</p><p>Interruptores de ea enfriador poragua. (Cortesa de Powerex, Inc.)</p></li><li><p>18.2 Enfriamiento y disipadores de calor 795</p><p>FIGURA 18.6</p><p>Unidades de ensamble. (Cortesa de Powerex, Inc.)</p><p>permanente, la impedancia trmica instantnea se puede expresar entonces como sigue:</p><p>(18.2)</p><p>donde Tth es la constante de tiempo trmico del dispositivo. Si la prdida de potencia es Pd, elaumento instantneo de temperatura en la unin, respecto al encapsulado, es</p><p>T, = PdZ(t) (18.3)</p><p>Si la prdida de potencia es de tipo pulsado, como la de la figura 18.7, se puede aplicar laecuacin (18.3) para graficar las respuestas escaln de la temperatura T,(t) de la unin. Si t; esla duracin del n-simo pulso de potencia, las impedancias trmicas correspondientes al principioy al final del n-simo pulso son Zo = Z(t = O) = y Z; = Z(t = tn), respectivamente. La impedanciatrmica Z; = Z(t = tn) correspondiente a la duracin de tn se puede determinar a partir de las ca-ractersticas de impedancia trmica transitoria. Si P1, P2, P3, ... , son los pulsos de potencia con P2 =P4 = ... = 0, la temperatura de la unin al final del m-simo pulso se puede expresar como sigue:</p><p>(18.4)m= T,o + L Pn(Zn - Zn+l)</p><p>n=1,3, ...</p><p>donde T,o es la temperatura inicial de la unin. Los signos negativos de Z2, Z4, ... , indican que latemperatura de la unin baja durante los intervalos t2, t4, t6, ...</p><p>P(t)~ ----------------- ~</p><p>P3PIO~--~--~--~L---~--~L---~--~L-~</p><p>tII I I I</p><p>~</p><p>II:I</p><p>I I I II I I</p><p>I I II I I II I I II I I I</p><p>FIGURA 18.7</p><p>Temperatura de unin con pulsosrectangulares.</p></li><li><p>796 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos</p><p>FIGURA 18.8</p><p>Aproximacin a un pulso de potencia Tjomedian te pulsos recta ngulares. O '----'---'---'--~-----'---'----'---'--"---'-- .</p><p>O</p><p>El concepto de respuesta escaln de la temperatura de unin se puede extender a otrasformas de onda de potencia [13]. Cualquier forma de onda se puede representar, en forma apro-ximada, por pulsos rectangulares de duracin igualo desigual, siendo la amplitud de cada pulsoigual a la amplitud promedio del pulso real durante el mismo periodo. Se puede mejorar la exacti-tud de esas aproximaciones, aumentando la cantidad de pulsos y reduciendo la duracin de cadauno. Esto se ve en la figura 18.8.</p><p>La temperatura de la unin al final del m-simo pulso se puede determinar con</p><p>m= TIo + L Zn(Pn - Pn-1)</p><p>n=1,2 ...</p><p>(18.5)</p><p>donde Z; es la impedancia al final del n-simo pulso de duracin tn = St. Pn es la prdida de po-tencia para el n-simo pulso, y Po =O;t es el intervalo de tiempo.</p><p>Ejemplo 18.1 Grfica de la temperatura de unin instantnea</p><p>La prdida de potencia de un dispositivo se ve en la figura 18.9. Graficar el aumento instantneo de la tem-peratura respecto al encapsulado. P2 = P4 = P6 = O,PI = 800 W, P3 = 1200 W y Ps = 600 W. Para tI = t3 =ts = 1 ms, la hoja de datos indica</p><p>Z(t = tI) = ZI = Z3 = Zs = 0.035 CfW</p><p>P(W)</p><p>1200</p><p>800600</p><p>--------</p><p>f-----I I</p><p>1 0.5 1 0.5 I 1 10.5 I t(ms)FIGURA 18.9</p><p>Prdida de potencia en dispositivo. O</p></li><li><p>18.3 Modelado trmico de los dispositivos conmutadores de potencia 797</p><p>~Tj(t)</p><p>50 -------</p><p>20 IIIIII</p><p>O L- __ --'-_-'-- ~---' ~_..!..I __ ~ t(ms) Aumento de temperatura de unin para el1 1.5 2.5 3.0 4 4.5 ejemplo 18.1.</p><p>50</p><p>2640</p><p>30</p><p>10 FIGURA 18.10</p><p>SolucinSe puede aplicar en forma directa la ecuacin (18.4) para calcular el aumento de temperatura en la unin.</p><p>tl.T(t = 1 ms) = T(t = 1 ms) - To = ZlP = 0.035 X 800 = 28Ctl.T(t = 1.5 ms) = 28 - ZZPl = 28 - 0.025 X 800 = 8Ctl.T(t = 2.5 ms) = 8 + Z3P3 = 8 + 0.035 X 1200 = 50Ctl.T(t = 3 ms) = 50 - Z4P3 = 50 - 0.025 X 1200 = 20Ctl.T(t = 4 ms) = 20 + ZsPs = 20 + 0.035 X 600 = 41Ctl.T(t = 4.5 ms) = 41 - Z6PS = 41 - 0.025 X 600 = 26C</p><p>El aumento de temperatura de la unin, respecto al encapsulado, se ve en la figura 18.10.</p><p>Puntos clave de la seccin 18.2</p><p> Se deben proteger los dispositivos de potencia contra el calor excesivo que se genere debi-do a la potencia disipada, mediante disipadores de calor.</p><p> La temperatura instantnea de la unin no debe ser mayor que la temperatura mxima es-pecificada por el fabricante.</p><p>8.3 MODELADO TRMICO DE LOS DISPOSITIVOS CONMUTADORES DE POTENCIA</p><p>La potencia generada dentro de un dispositivo aumenta la temperatura del mismo, lo cual, a suvez, afecta en forma importante sus caractersticas. Por ejemplo, la movilidad (valores tanto en elinterior como en la superficie), el voltaje de umbral, la resistencia de drenaje y diversas capaci-tancias debidas al xido en un transistor metal xido semi conductor (MOS), todos dependen dela temperatura. La dependencia de la movilidad en el interior respecto a la temperatura causaun aumento en la resistencia al aumentar la temperatura, y con ella afecta a la disipacin de po-tencia. Esos parmetros de dispositivo pueden afectar la exactitud del modelo de transistor. En</p></li><li><p>798 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos</p><p>TABLA18.1 Equivalencias entre las variables elctricas y trmicas</p><p>Trmicas Elctricas</p><p>Temperatura, T,en KFlujo de calor, P, en wattsResistencia trmica, R,h, en K!WCapacitancia trmica, C'h' en Ws/K</p><p>Voltaje, V, en voltsCorriente, I, en amperesResistencia, R, en V/A (O)Capacitancia, C, en A.sN</p><p>consecuencia, el calentamiento instantneo del dispositivo se debe incorporar, acoplar, en formadirecta con su modelo trmico y con su disipador trmico. Esto es, la disipacin instantnea depotencia en el transistor est determinada en todo momento, y se debe alimentar una corrienteproporcional a la potencia disipada a la red trmica equivalente [13]. La tabla 18.1 muestra laequivalencia entre las variables elctricas y trmicas.</p><p>18.3.1 Equivalente elctrico del modelo trmico</p><p>La trayectoria del calor del semiconductor al disipador de calor se puede modelar con un anlo-go de la lnea de transmisin elctrica que se ve en la figura 18.11. Se necesitan la resistencia y lacapacitancia trmica por unidad de longitud para caracterizar con exactitud las propiedades tr-micas. La fuente de alimentacin elctrica P(t) representa la disipacin de potencia (flujo de ca-lor) interna del semiconductor, en el equivalente trmico.</p><p>Rth YCth son los parmetros equivalentes concentrados de los elementos en el interior deun dispositivo. Se pueden deducir en forma directa de la estructura del elemento, cuando pre-senta bsicamente flujo unidimensional (o unidireccional) de calor. La figura 18.12 muestra loselementos del equivalente trmico de un transistor tpico en un encapsulado con perno para di-sipador (por ejemplo, TO-220 o D-Pak). Los elementos equivalentes trmicos se pueden deter-minar en forma directa a partir de la estructura fsica. La estructura se segmenta en volmenesparciales (normalmente por un factor de 2 a 8) con constantes trmicas de tiempo (Rth,v eth,)progresivamente mayores en direccin de la propagacin de calor.</p><p>Si el rea inductora de calor es menor que la seccin transversal del material conductor,sepresenta un efecto de "reparticin de calor" como se ve en la figura 18.12. Se puede tener encuenta ese efecto aumentando la seccin transversal conductora de calor A [1]. La capacitancia</p><p>Rth.n----------~--~-,</p><p>11T</p><p>,+~--------~------~----------~--------------------~------~</p><p>P(t)</p><p>FIGURA 18.11</p><p>Circuito equivalente a una lnea de transmisin elctrica, para modelar la conduccin de calor.</p></li><li><p>18.3 Modelado trmico de los dispositivos conmutadores de potencia 799</p><p>.----+-------cthS-t---------\---..,</p><p>//// Cth6/</p><p>./ Marco de plomo</p><p>._._._._._._._._.-\-.~.Rth5 \</p><p>\\\</p><p>Rtb6 \.</p><p>FIGURA 18.12</p><p>l.dT</p><p>d IR = A,nA-C(I = c-p-d=A I</p><p>--</p><p>Elementos del equivalente trmico para modelar la conduccin de calor. [Ref. 1,M. Marz.]</p><p>trmica ell depende del calor especfico e y de la densidad de masa p. Para que el calor se propa-gue en medios homogneos se supone que el ngulo de propagacin es de unos 40, y que las ca-pas siguientes no obstruyen la propagacin de calor por baja conductividad trmica. El tamaode cada elemento de volumen se debe determinar con exactitud, porque su capacitancia trmicatiene una influenci...</p></li></ul>