Introdução: Projeto de Potência sob Pressão
Nos últimos anos, o ciclo típico de projeto de produtos tornou-se mais curto; ao mesmo tempo, a oferta de produtos das empresas aumentou em número e tornou-se mais adequada a diferentes aplicações. As equipas de projeto atuais também precisam de dedicar uma quantidade crescente de recursos para garantir a conformidade. Estas exigências adicionais são frequentemente satisfeitas em detrimento do design do estágio de potência, que envolve desafios elétricos e termomecânicos e muitas vezes requer trabalho intensivo em laboratório.
Perante a falta de opções para avaliar novos projetos que utilizem os dispositivos de potência mais avançados, os projetistas podem ser tentados a recorrer a uma solução conhecida e aprovada que utilize dispositivos mais antigos e menos eficientes. Isto pode afetar o produto final, por exemplo, exigindo um dissipador de calor relativamente grande e dispendioso, que poderia ser reduzido ou mesmo eliminado com a utilização de projetos mais recentes baseados em tecnologias de semicondutores de potência mais modernas.
Ferramentas orientadas para a aplicação:
As ferramentas de design online podem potencialmente ajudar a agilizar o design do estágio de potência, mas os seletores básicos de dispositivos baseados na Web têm um valor limitado. Um exemplo típico, como o apresentado na Figura 1, indica um conjunto de parâmetros-chave, mas não menciona o ambiente térmico nem a frequência de operação.
A ferramenta web de última geração da IR, lançada em 2011, representa um avanço significativo ao possibilitar a análise de parâmetros críticos de aplicação, como a temperatura e a frequência. Nas versões anteriores, um mecanismo de fundo calculava a temperatura de funcionamento da junção sob diversas condições de trabalho simples, mas representativas. A versão mais recente reduz ainda mais a discrepância entre o ambiente térmico e o próprio dispositivo, além de oferecer funcionalidades melhoradas que permitem considerar a resistência térmica do dissipador de calor, bem como a resistência térmica dos dispositivos de montagem superficial.
Entre as Figuras 2 e 6, pode ver como a ferramenta pode ajudar a avaliar vários IGBTs alternativos e técnicas de design ao criar um pequeno acionador de motor para uma aplicação como um eletrodoméstico.
As características do encapsulamento e as condições de funcionamento elétrico são introduzidas nos campos apropriados, incluindo o requisito padrão de tempo de curto-circuito de 10 µs. É especificado um suporte de dissipador de calor que se liga à ponte trifásica, e é inserida a sua resistência térmica de 12 °C/W.
A ferramenta utiliza estes dados para calcular as perdas de potência nas condições de aplicação especificadas. Apenas os dispositivos que operam a uma temperatura de junção abaixo de um limite predefinido são aceites como potenciais candidatos. O limite de temperatura é igual à temperatura máxima de junção menos a redução inserida na Figura 2. É importante relembrar que os valores de perda de potência e temperatura não são absolutos e devem ser utilizados apenas para comparar os potenciais candidatos.
Os IGBT que cumprem os requisitos apresentados na Figura 2 são os quatro apresentados na Figura 3. Estão ordenados de acordo com a temperatura de funcionamento da junção, que, naturalmente, está intimamente relacionada com a eficiência.
A ferramenta pode ser utilizada para explorar soluções alternativas, como a montagem superficial sem dissipador de calor. O projeto foi revisto para especificar um encapsulamento DPAK para montagem superficial e uma resistência térmica ao ambiente de 40 °C/W. Isto representa uma placa com laminado de cobre de 4 a 6 oz e ligações sob os IGBTs. As restantes condições de funcionamento mantêm-se as mesmas.
Desta vez, a ferramenta indica os dois IGBTs apresentados na Figura 4. A dissipação de potência é próxima da dos IGBTs da Figura 3, mas como o encapsulamento e o chip semicondutor são mais pequenos, é expectável que os dispositivos DPAK sejam menos dispendiosos. A temperatura de junção pode ser ligeiramente superior, mas mantém-se dentro dos limites da junção e da capacidade da placa de circuito impresso.
A redução do requisito de curto-circuito de 10 µs para 5 µs (perfeitamente dentro do tempo de resposta dos circuitos integrados de deteção de corrente típicos) pode ajudar a identificar outros dispositivos adequados que podem ser adaptados a esta aplicação.
Desta vez, a ferramenta indica os mesmos dois IGBTs apresentados na Figura 4, além de um novo (Figura 5) que reduz a dissipação de energia e a temperatura de junção. Como esperado, este IGBT mais eficiente é o novo dispositivo do tipo trincheira, enquanto os outros dois são do tipo plano.
A versão mais recente da ferramenta, que acaba de ser lançada, permite aos engenheiros avançar um passo nas suas análises, comparando o desempenho relativo dos IGBTs candidatos e, assim, obtendo uma melhor compreensão das suas capacidades.
O gráfico apresentado na Figura 6 é gerado seleccionando cada número de referência na janela da esquerda e clicando no botão "Gráfico de Corrente vs. Frequência". Os valores de corrente e frequência foram estabelecidos nas figuras anteriores. Note-se que, neste gráfico, a temperatura da junção se mantém constante apesar das variações de temperatura e de corrente; este é o resultado final.
Melhoria do Projeto:
Como mostra a Figura 6, a ferramenta demonstra claramente que o IRGR4045 apresenta características de acionamento superiores em comparação com os outros dois IGBTs, uma vez que consegue conduzir significativamente mais corrente a frequências mais baixas. É também evidente que a capacidade de condução de corrente se degrada muito mais rapidamente com o aumento da frequência, indicando maiores perdas de comutação. Como os designers experientes sabem, as frequências de comutação elevadas podem levar a problemas de EMI em vez de benefícios tangíveis, particularmente em acionamentos de motores.
A tabela também fornece pistas sobre a temperatura de funcionamento da junção e a dissipação de potência. Os gráficos correspondem a uma temperatura de junção 25 °C inferior ao valor máximo, com base nos dados introduzidos no primeiro ecrã. O IRGR4045 tem uma temperatura nominal de 175 °C, enquanto os outros têm uma temperatura nominal de 150 °C. Esta é uma das razões pelas quais a curva do IRGR4045 é muito mais elevada do que as outras duas.
Na prática, as limitações da placa de circuito impresso impediriam o acionador de motor em questão de tirar partido da temperatura nominal mais elevada do IRGR4045. No entanto, como se pode observar na Figura 5, o IRGR4045 apresenta a temperatura de funcionamento mais baixa para esta aplicação. Isto fornece outra pista para a otimização: eliminar as ligações na placa e utilizar cobre de 113 g pode reduzir o custo da lista de materiais. Os efeitos nas perdas e na temperatura podem ser confirmados regressando ao seletor de dispositivos, aumentando a resistência térmica de 40 °C/W para, digamos, 50 °C/W, e verificando os resultados.
Este exemplo demonstra que a nova versão desta ferramenta online é mais eficaz do que as versões anteriores para ajudar os projetistas a avaliar o desempenho dos seus sistemas de alimentação e a otimizar os projetos do ponto de vista do custo, eficiência e fiabilidade.
Ferramentas Futuras:
As ferramentas de design de potência baseadas na web mais avançadas ainda podem receber melhorias. A IR identificou duas áreas principais neste sentido. Uma delas passa pela obtenção de um cálculo mais representativo do ciclo de trabalho e das perdas do conversor. No esquema da Figura 6, são calculadas as perdas para um conversor buck a funcionar com um duty cycle de 50% em modo CC. Neste modo de funcionamento, o díodo encapsulado com o IGBT não conduz. O díodo complementar também não conduz e as suas perdas não são calculadas.
A temperatura de junção calculada para o dispositivo superior permanece formalmente correta porque o seu díodo não conduz, mas o cálculo não é representativo de uma aplicação real, uma vez que o ciclo de trabalho pode ser maior ou menor, e as perdas variariam em conformidade.
Para ultrapassar esta limitação, a IR começou a desenvolver ferramentas específicas para cada aplicação. Isto oferece a oportunidade de considerar fatores adicionais, tais como os efeitos de diferentes estratégias de modulação e o facto de um IGBT num acionador de motor conduzir apenas durante metade do ciclo de corrente do motor, enquanto o seu díodo conduz durante a outra metade. Uma ferramenta desenvolvida especificamente para os acionadores de motores teria em conta todos estes fatores, além de analisar o ambiente térmico. Esta ferramenta calcularia o ciclo de trabalho com base no índice de modulação e no fator de potência introduzidos pelo utilizador.
A segunda melhoria relaciona-se com o facto de o ambiente térmico não poder ser caracterizado com precisão por valores de resistência térmica, uma vez que o calor não flui linearmente de um ponto para outro, mas circula em todas as direções, dependendo da diferença de temperatura. Não existe uma única "temperatura do dissipador de calor" ou "temperatura da junção"; em vez disso, existe uma distribuição de temperatura na superfície da junção e uma distribuição de temperatura tridimensional dentro do dissipador de calor.
As ferramentas analíticas necessárias para modelar com precisão um ambiente térmico já estão disponíveis sob a forma de motores de análise de elementos finitos (FEA) que podem ser incorporados na ferramenta. O desafio reside na criação de um conjunto adequado de modelos de dissipadores de calor. Estes modelos são desenvolvidos em setores particularmente exigentes, como a indústria automóvel. O caminho a seguir é padronizar estes modelos e torná-los mais úteis para aplicações de propósito geral.
Conclusão:
As novas gerações de semicondutores de potência podem ajudar a reduzir o tamanho e o custo total das soluções, oferecendo simultaneamente níveis mais elevados de fiabilidade e eficiência. No entanto, estas limitações podem impedir os projetistas de explorar novas oportunidades e incentivar a reutilização de projetos antigos. As consequências são um desempenho abaixo do ideal no produto final. As ferramentas online de última geração são eficazes para acelerar o design de sistemas de energia e ajudar os engenheiros a tirar partido das tecnologias de ponta em novos designs de produtos.
Autor:
Steve Clemente, Diretor de Tecnologia da International Rectifier Corp.
