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Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Implementação de protótipo de resfriador termoelétrico por efeito Peltier aplicado a dispositivos semicondutores de potência
Author: Moraes, Thiago Finotti de
First Advisor: Vieira Júnior, João Batista
First coorientator: Pereira, Adriano Alves
First member of the Committee: Freitas, Luiz Carlos Gomes de
Second member of the Committee: Costa, Admarço Vieira da
Summary: Em qualquer circuito elétrico ou eletrônico, a energia térmica é uma grandeza que está sempre presente e em geral deve ser levada em conta nas especificações de qualquer aplicação. Em vários casos, o calor decorrente do efeito joule, bem como de outras perdas internas e irreversíveis, representam a parcela mais impactante da quantidade de calor limítrofe que um sistema consegue dissipar em operação normal. São de particular importância em Eletrônica de Potência o estudo e a aplicação de chaves semicondutoras. Várias soluções têm sido desenvolvidas ao longo dos anos no sentido de mitigar as perdas elétricas em chaves semicondutoras, bem como o aumento de temperatura nas mesmas durante operação. É importante frisar que atualmente a quantidade de pesquisas disponíveis ao público acadêmico e geral sobre os efeitos térmicos em chaves semicondutoras não é tão ampla quanto sobre as aplicações dessas chaves. É particularmente reduzida a quantidade de trabalhos ligados ao resfriamento ativo de chaves e componentes elétricos, assim como de trabalhos voltados ao comportamento de chaves e componentes mediante resfriamento ativo. Sendo assim, existe uma carência de estudos que objetivem a investigação do comportamento de chaves semicondutoras mediante distintas cargas térmicas. Diante desta carência, o foco deste trabalho é apresentar uma proposta de equipamento que atue termicamente, seja aquecendo ou resfriando, sobre chaves semicondutoras utilizadas em eletrônica de potência, particularmente aquelas comumente usadas em fontes elétricas chaveadas. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver um equipamento para uso em bancada baseado na tecnologia Peltier que resfrie ativamente chaves semicondutoras, possibilitando a avaliação de comportamento das mesmas mediante diferente exposições térmicas e temperaturas. Primeiramente a tecnologia Peltier foi investigada e, posteriormente, foi desenvolvida uma solução que permite a utilização desta tecnologia em dispositivos semicondutores de distintos encapsulamentos. Uma descrição detalhada e os cálculos de dimensionamento do sistema termoelétrico desenvolvido são apresentados. Os resultados deste trabalho são apresentados em forma de estudo comparativo sobre o comportamento e limites de desempenho de MOSFETs em conversores CC-CC Boost mediante resfriamento ativo frente aos tradicionais dissipadores passivos. Durante resfriamento ativo o MOSFET foi resfriado à temperatura subambiente e constante, garantindo sua a segurança térmica relacionada à temperatura do encapsulamento. Os resultados experimentais confirmam a operação do protótipo conforme a proposta deste trabalho. As principais vantagens confirmadas foram maior potência dissipada, aumento da margem térmica e capacidade de transferir ativamente calor de uma área sobrecarregada para outro local.
Abstract: In any electrical or electronic circuit, thermal energy is a quantity that is always present and generally must be considered in the specifications of any application. In many cases, the heat from the Joule effect, as well as from other internal and irreversible losses, represent the biggest share of maximum heat that a system can dissipate under normal operation. In Power Electronics, the study and application of semiconductor power switches are particularly important. Many solutions have been developed over the years aiming to mitigate electrical losses and heat built-up in semiconductor power switches. It is important to state that the current amount of research available to academics and the general public into thermal effects on semiconductor power switches is not as wide as that concerning the applications of those switches. It is remarkably reduced the amount of work concerning active cooling of semiconductor power switches and components, as well as concerning the behavior of semiconductor power switches and components under active cooling. Thus, there is a lack of studies aiming the investigation of the behavior of electric switches under different thermal loads. Because of this lack, this work is focused on a proposal of an equipment actively cools semiconductor power switches used in Power Electronics, particularly those usually found in switched mode power supplies. The main purpose of this work is to develop an equipment for being used on a lab bench based on Peltier technology that sets thermal action on semiconductor power switches, making possible the evaluation of the behavior of these switches under different thermal exposures and temperatures. Fist, the Peltier technology was investigated and, later on, a solution was developed allowing the usage of this technology on semiconductor power switches. A detailed description and the calculations of the developed thermoelectric system are presented. The results of this work are presented as a comparative study of the behavior and limits of performance of MOSFETs in DC-DC Boost converters under active cooling compared to traditional passive heat sinks. During active cooling the MOSFET was cooled below ambient temperature, assuring its external thermal safety. The experimental results confirm the operation as intended. The main confirmed advantages were greater dissipated power, increase of thermal margin and capacity of actively transferring heat to an overloaded area to another place.
Keywords: Peltier
Termoelétrico
Carga térmica
Margem térmica
Chaves semicondutoras
Resfriamento ativo
Thermoelectric
Themal load
Thermal margin
Semiconductor power switches
Active cooling
Eletrônica de potência
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Language: por
Country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Institution Acronym: UFU
Department: Engenharias
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Quote: MORAES, Thiago Finotti de. Implementação de protótipo de resfriador termoelétrico por efeito Peltier aplicado a dispositivos semicondutores de potência. 2014. 216 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2014.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14598
Date of defense: 27-Nov-2014
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Engenharia Elétrica

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