O documento discute cálculos e projetos de dissipadores de calor para semicondutores. Aborda os principais componentes como diodos, tiristores, GTOs, BJTs, MOSFETs e IGBTs. Explica como esses dispositivos geram calor e como modelar dissipadores térmicos para mantê-los dentro de limites seguros de temperatura. Fornece exemplos de cálculos de perdas de potência e dimensões de dissipadores para aplicações específicas.

1. Cálculo e Projeto de Dissipadores
de Calor para Diodos e Tiristores
Guilherme de Azevedo e Melo

2. Diodo:
Tiristor:
GTO:
BJT:
MOSFET:
IGBT:
Geração de Calor
E
FvF i
R
D
D
vD+ -
+
-
vLRiLv(ωt)
T1 T2
D1 D2
+
vL
-
Rv t( )ω iL
( ) ( )2
DS(on) ef SD D DS(off) ef on off
f
P R I V I V I t t
2
 
= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + 
 
( ) 2
CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef ri fv rv f CE(Sat) Cef
f
P V I V I t t t t r I
2
 
= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + + + + ⋅ 
 
Simbologia
SEMIKRON
+ Parcela não linear multi-parâmetros)
( ) 2
CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef on off CE(Sat) Cef
f
P V I V I t t r I
2
 
= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅ 
 
2
(TO) FAV T FRMSP V I r I= ⋅ + ⋅
2
(TO) FAV T FRMS rr RM D
f
P V I r I t I V
2
= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅
2
(TO) FAV T FRMS rr RM D
f
P V I r I t I V
2
= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅
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3. ( ) 2
CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef ri fv rv f CE(Sat) Cef
f
P V I V I t t t t r I
2
 
= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + + + + ⋅ 
 
Diodo:
Tiristor:
GTO:
BJT:
MOSFET:
IGBT:
Geração de Calor
E
FvF i
R
D
D
vD+ -
+
-
vLRiLv(ωt)
T1 T2
D1 D2
+
vL
-
Rv t( )ω iL
2
(TO) FAV T FRMSP V I r I= ⋅ + ⋅
( ) ( )2
DS(on) ef SD D DS(off) ef on off
f
P R I V I V I t t
2
 
= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + 
 
Simbologia
SEMIKRON
+ Parcela não linear multi-parâmetros)
( )CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef on off
f
P V I V I t t
2
 
= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + 
 
Parâmetros Normalmente Inexistentes
2
CE(Sat) Cefr I+ ⋅P. N. I.
2
(TO) FAV T FRMS rr RM D
f
P V I r I t I V
2
= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅
2
(TO) FAV T FRMS rr RM D
f
P V I r I t I V
2
= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅
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4. Diodo
Tiristor
GTO
BJT
MOSFET
IGBT:
IGBT
90%
90%90%
10%
10%
t
t
t
VGE
VCE
CI
ont toff
tf
td(off)td(on) tr
t1 t3
10%
t2
início corrente
de cauda
( )CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef on off
f
P V I V I t t
2
 
= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + 
 
Perdas na Comutação
Perdas em Condução
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5. Diodo
Tiristor
GTO
BJT
MOSFET
IGBT
MOSFET
( ) ( )2
DS(on) ef SD D DS(off) ef on off
f
P R I V I V I t t
2
 
= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + 
 
Perdas na Comutação
Perdas em Condução
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6. Diodo
Tiristor
GTO
BJT
MOSFET
IGBT
Transistor de Junção Bipolar
BJT
( )CE(Sat) Cmed CE(off ) Cef ri fv rv f
f
P V I V I t t t t
2
 
= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + + + 
 
Parcelas Normalmente Insignificantes
Trabalhando de Forma Chaveada
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7. Diodo
Tiristor
GTO
BJT
MOSFET
IGBT
GTO
2
(TO) FAV T FRMSP V I r I= ⋅ + ⋅ Gráficos e Equações mais elaboradas
Perdas na Comutação
Perdas em Condução
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8. Diodo
Tiristor
GTO
BJT
MOSFET
IGBT
Diodo e Tiristor
D1 D2 D3
D5D4 D6
1v (ωt)
2v (ωt)
3v (ωt)
Ri
L
iD1
iD2
iD3
2π
ωt
ωt
ωt
3
2π
3
2π
3
2π
VD
V(TO)
2
(TO) FAV T FRMS rr RM D
f
P V I r I t I V
2
= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅
Perdas na Comutação
Perdas em Condução
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9. Modelo para Regime Permanente
Temperatura no conjunto semicondutor
+ dissipador não varia.
Modelo para Regime Transitório
Temperatura no conjunto semicondutor
+ dissipador varia.
Modelos para Cálculo
Térmico de Semicondutores
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10. Modelo para Regime
Permanente
Modelo utilizando analogia à circuitos elétricos
Rcd RdaRjc
TaTdTcTj
P
Tj: Temperatura de junção (°C) – Dado do fabricante Usualmente 125°C);
Tc: Temperatura da cápsula (°C);
Td: Temperatura do dissipador (°C);
Ta: Temperatura ambiente (°C);
Rjc: Resistência térmica junção-cápsula (°C/W);
Rcd: Resistência térmica cápsula-dissipador (°C/W);
Rda: Resistência térmica dissipador-ambiente (°C/W);
P: Potência térmica que flui da junção para o ambiente (W).
1 2V V R I− = ⋅
R
I
V2V1
( )j a jc cd daT T R R R P− = + + ⋅
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11. Modelo para Regime
Permanente
Rcd RdaRjc
TaTdTcTj
P
Rja: Resistência térmica junção-ambiente (°C/W);
Rjd: Resistência térmica junção-dissipador (°C/W);
Rca: Resistência térmica cápsula-ambiente (°C/W);
j a jaT T R P− = ⋅
Rja
TaTj
P
RdaRjd
TaTdTj
P
RcaRjc
TaTcTj
P
ja jc cd daR R R R= + +
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12. Modelo para Regime
Transitório
Zt: Impedância térmica (°C/W);
∆T: Variação de Temperatura (°C);
= +1 2P P P
Modelo utilizando analogia à circuitos elétricos
P
Rja
Tj
Ta
Cja
P1 P2
P
ja 2 1 j a
ja
1
R P P dt T T T
C
⋅ = ⋅ = − = ∆∫
= ⋅ +
⋅ ⋅
2 2
ja ja ja ja
dP PP
R C dt R C
ja ja
t
R C
ja t
T
R 1 e Z
P
−
⋅
 ∆
 = ⋅ − =
 
 
Resolvendo por Laplace e Manipulando
Fornecido pelo fabricante
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13. Característica dos
Dissipadores
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14. Metodologia de Projeto
• Calcula-se a potência média dissipada no semicondutor;
• Em função dos parâmetros de catálogo fornecidos pelo
fabricante, calcula-se a resistência térmica dissipador-
ambiente para que a temperatura de junção não
ultrapasse o valor desejado;
• A resistência térmica do dissipador deve ser menor que
a calculada.
– Calcula-se um Rda utilizando um dissipador com Rda exatamente
igual: Obtém-se uma Tj.
– Com Rda maior (Rda+): Tj+ > Tj
– Com Rda menor (Rda-): Tj- < Tj
( )j jc cd da aT R R R P T= + + ⋅ +
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15. Metodologia de Projeto
Resistência Térmica do Perfil:
0,73°C/W/4”
o
daR ~1,45 0,73 1,06 C/ W≅ ⋅ =
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16. Exemplo de Projeto
D
vD+ -
+
-
v
LRiLv(ωt)
f = 60Hz
R = 10Ω
D = SKN20/04
( ) ( )v t 2 220 sen tω = ⋅ ⋅ ω
2ππ 3π0
ωt
Vo2
A
R
V
I o
Dmed 9,9
10
22045,045,0
=
⋅
==
A
R
V
I o
Def 55,15
10
220707,0707,0
=
⋅
==
⇒+=
2
)( DefTDmedTO IrIVP WP 07,11)55,15(10119,985,0 23
=⋅⋅+⋅= −
Rjc = 2°C/W (Rthjc)
Rcd = 1°C/W (Rthcs)
Tj = 180°C
V(TO) = 0,85V
rT = 11mΩ
Ta = 50°C
⇒++=∆ )( dacdjc RRRPT WCR o
da /82,83
11
130
≅−=
o
daR (dissipador) 8,82 C/ W< 16/16

17. Exercícios
17/16