Perdas e margem térmica em transistores

Em uma condição contínua já informada, a potência que vira calor no BJT pode ser estimada por:

P_BJT ≈ V_CE × I_C + V_BE × I_B

Há duas parcelas: a potência associada ao caminho coletor-emissor e a potência exigida pelo caminho base-emissor. Use as tensões medidas ou fornecidas diretamente entre os respectivos terminais.

Não substitua V_CE pela tensão da fonte, nem pela tensão na carga. Se houver uma carga em série com o coletor, a fonte se divide entre a carga e o transistor; para a dissipação do transistor, interessa somente V_CE.

Para uma condição contínua informada, estime a dissipação no MOSFET pela tensão que está efetivamente entre dreno e source e pela corrente de dreno:

P_MOS ≈ V_DS × I_D

Use essa relação quando V_DS e I_D forem valores da mesma condição de operação. Não substitua V_DS automaticamente pela tensão da fonte: parte dela pode estar na carga, e V_DS depende do estado e do circuito.

Exemplo: se V_DS = 2 V e I_D = 1,5 A, a dissipação estimada é 3 W. Essa é potência transformada em calor no MOSFET, não a potência total fornecida ao circuito.

Quando o MOSFET está na região ôhmica, ele se comporta aproximadamente como uma resistência ligada. Nesse caso, uma forma prática de calcular a perda de condução é:

P_condução ≈ I_D² × R_DS(on)

Ela é coerente com V_DS ≈ I_D × R_DS(on). Portanto, é uma aproximação para o trecho ôhmico; não use R_DS(on) para representar um ponto fora dessa região.

Escolha o valor de R_DS(on) especificado para a tensão V_GS disponível e para a temperatura considerada no caso. Um valor indicado, por exemplo, para V_GS = 10 V não confirma o mesmo desempenho com gate a 4,5 V.

Para uma condição em que o MOSFET está na região ôhmica, V_GS e temperatura são compatíveis com R_DS(on) = 40 mΩ, e I_D = 3 A, complete a estimativa de perda de condução.

As perdas de condução descrevem o transistor enquanto ele permanece em um estado. Na comutação, existe um intervalo curto em que tensão e corrente coexistem no dispositivo.

Ao ligar, a corrente sobe enquanto a tensão entre os terminais principais cai. Ao desligar, acontece o inverso. Em ambos os casos, o produto instantâneo tensão × corrente forma um pulso de potência que se transforma em calor.

A energia associada ao pulso de ligar é E_liga; a do pulso de desligar é E_desliga. Neste step, essas energias serão fornecidas. Não vamos calcular sua forma detalhada.

Se há um evento de ligar e um de desligar em cada ciclo, a potência média de comutação é:

P_com = (E_liga + E_desliga) × f

Use unidades compatíveis: energia em joules (J) e frequência em hertz (Hz). Como 1 Hz equivale a 1 ciclo por segundo, o resultado é J/s, ou watts.

Conversões úteis:

• 1 µJ = 10⁻⁶ J
• 1 kHz = 10³ Hz

A expressão usa uma energia total por ciclo e a quantidade de ciclos por segundo.

Agora use um caso novo, no qual as demais perdas foram declaradas desprezíveis:

• E_liga = 15 µJ
• E_desliga = 9 µJ
• f = 40 kHz
• P_condução,média = 0,35 W

Primeiro, encontre P_com. Faça a conversão de µJ e kHz antes de multiplicar.

Antes de usar E_liga e E_desliga, confira as condições às quais esses números se referem. As energias de comutação não são constantes universais do transistor: elas dependem, entre outros fatores, da tensão aplicada, da corrente comutada, da temperatura e da condição de acionamento declarada.

Se esses aspectos forem incompatíveis ou estiverem ausentes, a conta pode estar aritmeticamente correta, mas a previsão de aquecimento não será confiável. Não tente corrigir essa falta apenas alterando a frequência na fórmula.

Uma potência dissipada no transistor vira calor. Em regime térmico permanente, esse calor percorre um caminho: junção → encapsulamento → montagem/placa → ar ambiente.

A resistência térmica junção-ambiente, R_θJA, resume quanta elevação de temperatura ocorre para cada watt dissipado, nas condições de montagem especificadas. Quanto maior R_θJA, mais a junção aquece para a mesma potência.

Use esta estimativa somente para uma condição de regime permanente e para uma R_θJA válida para a montagem informada:

ΔT ≈ P_diss × R_θJA

T_j ≈ T_amb + ΔT

• ΔT é a elevação da junção acima do ambiente.
• T_j é a temperatura final estimada da junção.
• P_diss deve ser a dissipação total média já calculada: condução e, quando pertinentes, comutação.

Não substitua P_diss por apenas uma parcela se outras perdas relevantes já foram identificadas.

Em uma montagem para a qual foi informado R_θJA = 75 °C/W, a dissipação total média é P_diss = 0,80 W e a temperatura ambiente é T_amb = 25 °C.

Resolva em duas etapas: primeiro calcule a elevação ΔT; depois some essa elevação à temperatura ambiente para obter T_j.

• R_θJA relaciona potência dissipada e elevação de temperatura nas condições especificadas.
• Calcule ΔT = P_diss × R_θJA antes de calcular T_j = T_amb + ΔT.
• Use a dissipação total média e uma R_θJA aplicável à montagem.
• A conta em regime permanente não determina sozinha picos térmicos de pulsos.

A temperatura máxima de junção, T_j,max, é um limite absoluto do componente, não uma temperatura para perseguir no projeto. Depois de estimar a temperatura de junção para uma condição, calcule a distância até esse limite:

ΔT_margem = T_j,max − T_j,estimada

Uma margem positiva indica que a estimativa está abaixo do máximo. Margem nula ou negativa reprova a condição térmica. Mesmo uma margem positiva pequena não é, por si só, uma meta adequada: variações de ambiente, montagem e parâmetros podem elevar a temperatura real.

Para a mesma montagem, a potência média que mantém a junção no teto de projeto é estimada por:

P_adm,térmica ≈ (T_j,projeto − T_amb,max) / R_θJA

Use a expressão somente se T_amb,max < T_j,projeto e se R_θJA for aplicável à montagem analisada. O resultado é um limite de dissipação média definido pelo critério térmico adotado. Ele não substitui outras verificações elétricas necessárias para a condição de operação.

O valor de R_θJA não pertence apenas ao transistor. Ele descreve o conjunto componente + montagem + ambiente, nas condições declaradas. Encapsulamento, área de cobre ligada aos terminais, posição na placa, circulação de ar e método de ensaio podem alterar a elevação de temperatura.

Por isso, antes de usar T_j ≈ T_amb + P_diss × R_θJA, confira se a condição da sua montagem é comparável à condição que acompanha esse valor na folha de dados.

Também mantenha coerência entre perdas e temperatura. Por exemplo, se R_DS(on) foi fornecida para uma temperatura específica, ela só apoia o cálculo naquela condição ou com a correção indicada nos dados. O mesmo cuidado vale para V_CE(sat), energias de comutação e demais parâmetros usados.

Uma conta pode estar aritmeticamente certa e ainda não demonstrar que o componente ficará dentro da margem.

A área de operação segura (SOA) reúne combinações admissíveis de tensão no transistor, corrente e duração, sob condições declaradas pelo fabricante.

Para verificar uma condição, não compare apenas cada grandeza com seu máximo individual. Localize a tensão e a corrente no limite correspondente ao tempo de aplicação: operação contínua, pulso único ou pulso repetitivo quando houver essa especificação.

Um ponto é aceitável somente se ficar dentro da região permitida e se as condições da curva forem compatíveis com o caso analisado.

A tabela abaixo traz uma SOA didática como corrente máxima para cada tensão indicada. Cada célula já representa uma combinação de tensão, corrente e duração; portanto, não forme novas combinações juntando máximos de linhas ou colunas diferentes.

Use apenas os pontos apresentados nesta atividade, sem supor interpolação entre eles.

Um caso informa 30 V e 1,0 A por 10 ms, repetidos a cada 1 s. A análise térmica média já fornecida estima T_j = 90 °C para um teto de projeto de 120 °C.

Usando a tabela didática, qual conclusão é adequada?

Para justificar uma condição de operação, siga sempre esta sequência: modelo de perdas → soma das parcelas → dados térmicos compatíveis → T_j e margem → SOA aplicável.

A decisão só pode ser “atende” se todas as verificações necessárias passarem. Uma temperatura média abaixo do teto de projeto não libera uma condição fora da SOA. E uma conta térmica sem dados de montagem compatíveis não sustenta uma conclusão.

Os dados abaixo são completos apenas quando isso é declarado. Use-os como um dossiê didático: não tente reproduzir as condições fisicamente.

No caso A, calcule a perda do BJT com as duas parcelas. No caso B, a perda média de condução já foi fornecida; some a potência de comutação. O teto de projeto indicado é um critério do caso, não uma margem universal.