Os MOSFET’s são responsáveis por grande parte da perda de eficiência de energia. Assim, alguns aspectos devem ser analisados para a escolha do componente a ser utilizado. O MOSFET escolhido foi o IRFB4019. Tal escolha se explica devido alguns fatores que otimizam sua aplicação em amplificadores de áudio, dentre eles pode-se citar:
• Baixa resistência de condução RDS(on) de 80mΩ; • Parâmetro de carga de gate (Qg) de 13nC;
• Corrente contínua no Drain (Continuous Drain Current) de 17A a 25° C ; • Corrente contínua no Drain (Continuous Drain Current) de 12A a 100° C ; • Carga de recuperação reversa (Qrr) de 160nC;
• Tempo de recuperação reversa (trr) de 64ns;
• Tempo de subida e descida da corrente de 13ns e 7,8ns respectivamente; • Resistência interna de 2,4 Ω;
• Máxima tensão entre dreno e fonte (BVDSS) de 150V; e • Temperatura de junção máxima (TJmax) de 175°C.
Definido o MOSFET a ser utilizado, consegue-se calcular as perdas no componente.
4.3.1 Temperatura da Junção do MOSFET
Quando uma corrente circula por qualquer componente, uma potência é dissipada. Essa potência é igual ao produto do quadrado da corrente pela resistência pela qual a corrente está percorrendo (BERTOLDI, 2016). Tal potência dissipada é convertida essencialmente em calor, o que se denomina de efeito Joule.
O cálculo da tempera da junção do MOSFET, se faz necessário para saber se há necessidade de utilizar dissipadores de calor para ajudar a dissipar a potência em cima do MOSFET.
O IRFB4019 tem como temperatura de junção máxima o valor de 175° C. Para se saber a tempera na junção necessita-se saber as perdas totais do MOSFET e o valor da resistência térmica da junção até o ambiente. Como torna-se difícil chegar-se ao valor exato das perdas, segundo Edison Schwaab (2012) são considerados dois tipos de perdas em aplicações de áudio, sendo elas, perdas por condução e perdas na comutação, esta é dividida em perdas no bloqueio e perdas na entrada em condução.
Para o cálculo das perdas por condução, é preciso identificar o valor da resistência de condução ( RDSon ), que após ser submetido ao aumento da temperatura seu valor é alterado. O IRFB4019 varia sua resistência de condução de 80mΩ a temperatura ambiente (25°C) até 95mΩ á 175°C. Para fazer os cálculos será utilizado uma temperatura de 130°C onde o valor de RDSon é aproximadamente 87mΩ.
Para se fazer os cálculos preciso saber da frequência de comutação do circuito, que neste caso é de 400kHz, definidos pelo fabricante do CI e por consequência um período
(Tfs) de 2,5us, e também se supõe que a razão cíclica seja de 0,5 se o sinal de entrada for 0 e de 1 se o sinal de entrada tiver seu valor máximo. Assim os cálculos devem ser realizados considerando um sinal senoidal de 1kHz, valor esse que ocorre o pior caso de distorção do sinal de entrada.
Sabendo de todos estes parâmetros pode-se dar início ao cálculo das perdas, que primeiramente precisa-se saber o valor da corrente de pico do projeto. A corrente de pico pode ser expressa pela equação (13).
Ip=
√
PRcarga
∗
√
2=√
200 W4 Ω ∗
√
2=10 A (13)A perda por condução é calculada pela equação (14), (15) e (16), onde se encontra um valor aproximado da energia em um determinado período do sinal de entrada e por fim calcula-se o valor da perda por condução.
Rds (on)∗(Ip∗sen(¿i∗π 200)) 2 ∗(0,5+0,5∗sen(i∗π 200))∗Tfs(14) E=
∑
i=0 200 ¿ 87 m∗(10∗sen (¿i∗π 200)) 2 ∗(0,5+0,5∗sen(i∗π 200))∗2,5 us=2,01 mJ E=∑
i=0 200 ¿ (15)Pcond=E∗Fsenoide=2,01 mJ∗1 kHz=2,01 W (16) Onde:
Ip = Corrente de pico de condução. Rds(on) = Resistência de condução. Tfs = Período da frequência de comutação. E = Energia.
Fsenoide = Frequência da senoide (1kHz).
Pcond = Perdas de condução.
Rcarga = Impedância de saída do amplificador.
Para o cálculo da perda por comutação, devem ser conhecidos os valores de corrente que circula pelo MOSFET, ou seja, a corrente que passa entre o Drain e Source do componente, o valor de tr (Tempo de Subida) que é o tempo que o MOSFET leva para mudar o estado de bloqueio para o estado de condução e também o valor de tf (Tempo de Descida) que é o tempo que ele leva para mudar o estado de condução para o estado de bloqueio. O valor da corrente de condução é definido pela equação (17).
Icond=Ip
π =
10
π =3,18 A (17)
Os valores de tr e tf para o IRFB4019 são respectivamente 13ns e 7,8ns. A tensão do MOSFET para este tipo de circuito é igual a tensão da fonte 50V e a corrente é igual a corrente de pico calculada em (18). Assim a perda por bloqueio é calculada por:
Pbloq=1
2∗Vcc∗Icond∗tf ∗fc= 1
2∗100∗3,18∗7,8 n∗400 k =0,49W (18)
Para o cálculo da perda por entrada em condução, deve ser levado em consideração o valor das perdas causadas tempo de recuperação reversa do diodo do MOSFET, ou seja, o valor de Qrr, que para o IRFB4019 é de 160nC. O valor da perda por entrada em condução e calculado pelas equações (19) e (20).
Pecond=1
2∗Vcc∗Icond∗tr∗fc+Qrr∗Vcc∗fc(19)
Pecond=1
2∗100∗3,18∗13 n∗400 k +160 n∗100∗400 k=7,22 W (20) Onde:
Icond = Corrente de condução.
Pbloq = Perdas por bloqueio.
Pecond = Perda por entrada em condução.
fc = Frequência de comutação tr = Tempo de subida da corrente.
tf = Tempo de descida da corrente. Vcc = Tensão da fonte.
Qrr = Carga acumulada no diodo do MOSFET enquanto este se encontra
diretamente polarizado.
Assim a perda total é calculada pela equação (21).
Ptotal=Pcond+Pbloq+Pecond¿>Ptotal=2,01W +0,49W +7,22W =9,72 W (21)
Para se calcular o valor da temperatura na junção equação (22) é preciso saber o valor da resistência térmica da junção até o ambiente ( RӨJa ) que para o MOSFET escolhido é de 62 °C/W.
TJ=
(
RӨJa∗Ptotal)+TAmb=(62∗9,72)+ 25=627 ° C( 22)Onde:
RӨJa = Resistencia térmica da junção até o ambiente.
TJ = Temperatura na junção.
Ptotal = Perda totais
TAmb = Temperatura ambiente.
Como o MOSFET IRFB4019 suporta uma temperatura máxima de 175°C, tem-se a necessidade de utilizar um dissipador de calor. Para o amplificador projetados será utilizado um dissipador encontrado comercialmente que atende as necessidades.