UNIVERSIDAD NACIONAL DE RIO CUARTO

FACULTAD DE INGENIERIA

TRABAJO PRÁCTICO Nº1

PERDIDAS DE POTENCIA EN DISPOSITIVOS

SEMICONDUCTORES

ELECTRONICA DE POTENCIA II (Cód. 471)

ALUMNO: OGGIER, GERMÁN ELÍAS

DNI: 34.414.615

PROFESORES: OGGIER, GERMÁN GUSTAVO

GARCÍA, GUILLERMO

AÑO 2013

PRACTICO 1 - PERDIDAS DE POTENCIA EN DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

1

Contenido

1. INTRODUCCION ............................................................................................................................... 2

2. CALCULOS ........................................................................................................................................ 4

2.1 CASO 1 – IGBT, DISIPADOR 7 ALETAS ..................................................................................... 4

2.2 CASO 2 - IGBT, DISIPADOR 9 ALETAS ...................................................................................... 4

2.3 CASO 3 – MOSFET, DISIPADOR 7 ALETAS ............................................................................... 4

2.4 CASO 4 - MOSFET, DISIPADOR 9 ALETAS ................................................................................ 4

2.5 TABLA COMPARATIVA ............................................................................................................... 5

3. CONCLUSION ................................................................................................................................... 5

PRACTICO 1 - PERDIDAS DE POTENCIA EN DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

2

1. INTRODUCCION

Se solicita calcular la máxima frecuencia de conmutación (fs) que soportará un IGBT (Toshiba

GT50J102) o un MOSFET (Toshiba TK62J60W) en el circuito de la figura 1.1 sin que su juntura

supere los 150ºC.

Estos serán montados sobre un disipador el cual puede ser un modelo con 7 (Artículo ZD-66) o con 9

aletas (Artículo ZD-44). Por lo tanto se analizarán las 4 combinaciones disponibles.

DATOS

𝐷𝑢𝑡𝑦 0.5 𝑉𝑑 300 𝑉 𝐼0 25 𝐴

𝑇𝐽𝑚𝑎𝑥 150º

𝑇𝐴 25º

fig.1.1

PÉRDIDA POR DISIPACIÓN DE POTENCIA TOTAL

Esta potencia será la que se disipa debido a la conmutación (𝑃𝑆) y debido a la conducción (𝑃𝑒𝑛𝑐 ):

𝑃𝑇 = 𝑃𝑆 + 𝑃𝑒𝑛𝑐 (1.1)

Para un dispositivo y disipador específico (Ver Fig.1.2) se define como:

𝑃𝑇 =𝑇𝑗 − 𝑇𝐴

𝑅𝐽𝐶 + 𝑅𝑐𝑠 + 𝑅𝑆𝐴 (1.2)

Donde:

RJC = Resistencia térmica (Juntura - Carcasa)

RCS = Resistencia térmica (Carcasa - Disipador) (considerada cero en este problema)

RSA = Resistencia térmica (Disipador - Ambiente)

fig.1.2

PRACTICO 1 - PERDIDAS DE POTENCIA EN DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

3

fig.1.3

PERDIDA DE POTENCIA POR CONDUCCION (𝑷𝒆𝒏𝒄)

Depende de:

La corriente circulante (𝐼0)

La tensión en conducción (𝑉𝑒𝑛𝑐 ) del orden de 1 𝑉 en el semiconductor

Del tiempo que se encuentre conduciendo en relación al periodo de conmutación

El tiempo de conducción resultante es al cual se le suma el tiempo que tardó en comenzar a apagarse

(𝑡𝑑𝑜𝑓𝑓 ) y se le resta el tiempo que tardo en el encendido (𝑡𝑜𝑛 ) porque durante 𝑡𝑑𝑜𝑛 no se disipó

potencia por considerar corrientes de fuga despreciables y 𝑡𝑟𝑖 y 𝑡𝑓𝑣 son considerados al analizar

potencia por conmutación:

𝑃𝑒𝑛𝑐 = 𝑉𝑒𝑛𝑐 𝐼0

𝑡𝑐𝑜𝑛𝑑 − 𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑑𝑜𝑓𝑓

𝑇𝑆 = 𝑉𝑒𝑛𝑐 𝐼0(𝐷 + 𝑡𝑑𝑜𝑓𝑓 − 𝑡𝑜𝑛 𝑓𝑆) (1.3)

PERDIDA DE POTENCIA POR CONMUTACION (𝑷𝒔)

Depende de la tensión de alimentación (𝑉𝐷) que se cruza por un cierto tiempo con la corriente 𝐼0,

dichos tiempos son 𝑡𝑐(𝑒𝑛𝑐 ) en el encendido, 𝑡𝑐(𝑜𝑓𝑓 ) en el apagado y de la frecuencia conmutación (𝑓𝑠):

𝑃𝑆 =1

2𝑉𝐷𝐼0𝑓𝑆 𝑡𝑐(𝑒𝑛𝑐 ) + 𝑡𝑐(𝑜𝑓𝑓 ) (1.4)

Reemplazando (1.2), (1.3) y (1.4) en (1.1) y despejando fs resulta:

𝑓𝑠 =

𝑇𝑗 − 𝑇𝐴

𝑅𝐽𝐶 + 𝑅𝑆𝐴 – 𝑉𝑒𝑛𝑐 𝐼0𝐷

𝑉𝐷𝐼0(𝑇𝑐 𝑒𝑛𝑐 + 𝑇𝑐 𝑜𝑓𝑓 )2 + 𝑉𝑒𝑛𝑐 𝐼0(𝑡𝑑𝑜𝑓𝑓 − 𝑡𝑜𝑛 )

(1.5)

PRACTICO 1 - PERDIDAS DE POTENCIA EN DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

4

2. CALCULOS

2.1 CASO 1 – IGBT, DISIPADOR 7 ALETAS Venc = 2 [V] (VGS = 15V, I0 = 25A) tc(enc) = ton - tdon = 0.19 [us] (0.25us – 0.06us ambos para 25A) tc(off) = toff - tdoff = 0.35 [us] (0.50us – 0.15us ambos para 25A) RJC = 0.625 [ºC/W] RSA = 7.5 [ºC/W]

RESULTADOS: Pt = 15.3846; fs = -4.7601e+003

No es posible entregar dicha corriente con el presente dispositivo y disipador, la temperatura de

juntura superaría los 150ºC y se dañaría.

2.2 CASO 2 - IGBT, DISIPADOR 9 ALETAS Venc =2 [V] (VGS = 15V, I0 = 25A) tenc = ton - td = 0.19 [us] (0.25us – 0.06us ambos para 25A)

toff = toff - td = 0.35 [us] (0.50us – 0.15us ambos para 25A)

RJC = 0.625 [ºC/W]

RSA = 3.3 [ºC/W]

RESULTADOS: Pt = 31.847; fs = 3.3897e+003

Es decir que la frecuencia máxima de conmutación es de 3.3897 KHz

2.3 CASO 3 – MOSFET, DISIPADOR 7 ALETAS

Venc = 0.7 [V] (VGS=10V para Id = 25A)

tc(enc) = tri + tfv = 58 + 15 = 73 [ns]

tc(off) = tfi + trv = 15 + 58 = 73 [ns]

RJC = 0.313 [ºC/W]

RSA = 7.5 [ºC/W]

RESULTADOS: Pt = 15.9990; fs = 1.3189e+004

La frecuencia máxima de conmutación sin superar los 𝑇𝑗 = 150º es de 13.189 KHz.

De haber trabajado en zona lineal, por ejemplo por una falla en el driver que haga 𝑉𝐺𝑆 = 5 𝑉, para 𝐼𝐷 = 25𝐴 resultaría una tension 𝑉𝑒𝑛𝑐 = 1.3 𝑉 aumentando las pérdidas de conducción y el resultado calculado es una frecuencia negativa, el transistor se dañará.

2.4 CASO 4 - MOSFET, DISIPADOR 9 ALETAS Venc = 0.7 [V] (VGS=10V para Id = 25A)

tc(enc) = tri + tfv = 58 + 15 = 73 [ns]

tc(off) = tfi + trv = 15 + 58 = 73 [ns]

RJC = 0.313 [ºC/W]

RSA = 3.3 [ºC/W]

RESULTADOS: Pt = 34.5973; fs = 4.7026e+004

Es decir que la frecuencia máxima de conmutación es de 47.026 KHz

PRACTICO 1 - PERDIDAS DE POTENCIA EN DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

5

2.5 TABLA COMPARATIVA IGBT

𝑉𝑒𝑛𝑐 = 2 [𝑉] 𝑇𝑐𝑂𝑁 = 190 𝑛𝑠 𝑇𝑐𝑂𝐹𝐹 = 350 [𝑛𝑠]

MOSFET (𝑉𝑒𝑛𝑐 = 0.7 𝑉)

𝑇𝑐𝑂𝑁 = 73 𝑛𝑠 𝑇𝑐𝑂𝐹𝐹 = 73 [𝑛𝑠]

7 ALETAS (𝑅𝑆𝐴 = 7.5 º𝐶/𝑊)

NO 𝒇𝒔 = −𝟒. 𝟕 [𝑲𝑯𝒛] 𝑃𝑇 = 15.38 [𝑊]

SI 𝒇𝒔 = 𝟏𝟑. 𝟏𝟖 [𝑲𝑯𝒛] 𝑃𝑇 = 16 [𝑊]

9 ALETAS (𝑅𝑆𝐴 = 3.3 º𝐶/𝑊)

SI 𝒇𝒔 = 𝟑. 𝟑𝟗 [𝑲𝑯𝒛] 𝑃𝑇 = 31.84 [𝑊]

SI 𝒇𝒔 = 𝟒𝟕. 𝟎𝟐 [𝑲𝑯𝒛] 𝑃𝑇 = 34.6 [𝑊]

3. CONCLUSION

Según los resultados obtenidos, en ambos casos el disipador fue quien principalmente determinó la

capacidad o incapacidad de suministrar los 25A sin sobrecalentar la juntura, debido a la diferente

resistencia térmica con el ambiente. Utilizando el disipador de 9 aletas y 75mm de largo, tanto el IGBT

como el MOSFET pueden entregar dicha corriente.

En el caso del disipador de 7 aletas y la llave IGBT podría llegar a cumplir con los requerimientos si se

dispondría de mayor longitud, lo cual disminuiría la resistencia térmica y aumentaría la potencia de

disipación permitida. Pero de ser imposible modificar el disipador, podría indicarse una corriente

máxima de 12A y una frecuencia máxima de 3.5 KHz.

En el caso del disipador de 9 aletas, la frecuencia de conmutación máxima es mayor en el MOSFET

que en el IGBT, debido a que este ultimo presenta mayores tiempos de cruce en el encendido y

apagado aumentando así las perdidas por conmutación, además presenta mayores pérdidas en

estado de conducción por presentar una mayor tensión en conducción.