Disipadores de Calor
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1 www.inacap.cl APUNTES DISIPADORES DE CALOR PARA SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Thyristor Devices Data(Capitulo 8). On semiconductor.http://www.onsemi.com Power Semiconductor Applications. Philips semiconductor. Tema 7: Thermal management . http://www.semiconductor.philips.com Disipadores de calor Electrónica de Potencia III
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APUNTES DISIPADORES DE CALOR PARA SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Thyristor Devices Data(Capitulo 8).On semiconductor.http://www.onsemi.com
Power Semiconductor Applications. Philips semiconductor. Tema 7: Thermal management.http://www.semiconductor.philips.com
Disipadores de calor
Electrónica de Potencia III
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Introducción
Los semiconductores no son ideales, por lo que al manejar corrientedisipan potencia
La disipación de potencia se traduce en un aumento de temperatura
El silicio (Si) pierde sus propiedades semiconductoras por encimade 150 ºC
Debemos asegurar por diseño que esto no va a suceder
La evacuación de calor desde el interior del dispositivo hasta elambiente depende enormemente del encapsulado utilizado
Cada modelo tiene unas características geométricas que leproporcionan una cierta capacidad de evacuar calor
En caso de que el propio encapsulado no sea suficiente paraevacuar todo el calor, es necesario utilizar algún sistema paramejorar la transferencia: LOS RADIADORES
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Encapsulados
TO 220 ACD 61
DOP 31
TO 247
B 44
DO 5
En general, cuanto más grandes son y cuanto más superficie metálicatienen, más grande es la capacidad de evacuación de calor
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Ejemplo de disipadores
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)RR(RPTT dcdjcdaj AplicaciAplicacióón del principio den del principio de
analoganalogííaa
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MontajeMontaje
RcdRcd
RdaRda
RjcRjc
)RR(RPTT dcdjcdaj
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Si
j
c
a
oblea
encapsulado
ambiente
P(W)
Equivalente eléctrico
P(W)
RTHjc RTHca
Ta
j
c
a
Ta : Temperatura ambiente
Tensiones = Temperaturas
Corriente = Pérdidas (W)
TEMA 3: DISIPACIÓN DE POTENCIA
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La resistencia térmica unión – encapsulado es baja (0.5 ºC/W)
La resistencia térmica encapsulado- ambiente es alta (50 ºC/W)
P(1W)
RTHjc
(0.5 ºC/W)
RTHca
(50 ºC/W)
Ta(25 ºC)
jc a
Tjc Tca
Tca = RTHca·P = 50ºC/W · 1W = 50ºC
Tjc = RTHjc·P = 0.5ºC/W · 1W = 0.5ºC
Tj = Ta + Tca + Tjc =
= 25 + 50 + 0.5 = 75.5 ºC
Tj < 150 ºC Correcto
La temperatura de la unión es prácticamente la temperatura del encapsulado
El salto térmico se produce entre el encapsulado y el ambiente
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Para reducir la temperatura se puede colocar un radiador
Proporcionamos un camino de salida alternativo al calor
Equivale a conectar una resistencia en paralelo con la RTHca
j
c
a
La RTH del radiador debe ser baja en comparación con RTHcapara que sea efectivo
Ejemplo: RTHra = 5 ºC/W W/Cº5.4505
50·5RR
R·RR
THraTHca
THraTHcaTHeq
P(1W)
RTHjc(0.5 ºC/W)
RTHca(50 ºC/W)
Ta(25 ºC)
RTHra(5 ºC/W)
Tca = RTHeq·P = 4.5ºC/W · 1W = 4.5ºC
Tjc = RTHjc·P = 0.5ºC/W · 1W = 0.5ºC
Tj = Ta + Tca + Tjc =
= 25 + 4.5 + 0.5 = 30 ºC
Sin radiador, Tj = 75.5ºC
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RjcRjc==RthjRthj--mbmb= Resistencia t= Resistencia téérmica unirmica unióónn--contenedorcontenedor
d
cjmaxjc P
TTR
Curva de reducciCurva de reduccióón de Potencia.n de Potencia.Muestra la potencia máxima que es capaz de disipar el dispositivo en función de la Tª dela cápsula. La pendiente de la recta es la inversa de la resistencia unión contenedor.
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TEMA 3: DISIPACIÓN DE POTENCIA
Un transistor (2N3055) nos dice el fabricante que puede disiparUn transistor (2N3055) nos dice el fabricante que puede disiparun mun mááximo de 116 vatios. Comprobar que disipando 90 vatios noximo de 116 vatios. Comprobar que disipando 90 vatios nocorremos riesgo de quemar el dispositivo, (no se necesitacorremos riesgo de quemar el dispositivo, (no se necesitadisipador). Sabemos que la temperatura de la unidisipador). Sabemos que la temperatura de la unióón es de 200n es de 200ººCCyy RRjaja de 35de 35ººC/W.C/W.
5 vatios es la m5 vatios es la mááxima potencia disipable sin disipadorxima potencia disipable sin disipador.
Si consideramos una aleta con una buena resistencia térmica(0.6ºC/W) y unas resistencias térmicas Rcd, Rjc de 0.12ºC/W y de1.5ºC/W respectivamente:
5WC/W35º
C25)º(200R
TTP
ja
ajmaxdmax(SD)
78.8W0.60.121.5
25200RRR
TTP
dcdjc
ajmaxdmax
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El los semiconductores, la parte metálica suele ser el cátodo o eldrenador del dispositivo
Esto implica que cuando el circuito está funcionando hay tensión en esaparte metálica
Si unimos directamente el semiconductor al radiador, al haber contactoeléctrico, el radiador queda conectado al mismo valor de tensión
400 V400 V
Típicamente, los radiadores son fácilmenteaccesibles para el operario
Resulta peligroso que están conectados a tensión
Hay que interponer una capa aislante
400 V
RcdRcd==RthmbRthmb--h= Resistencia th= Resistencia téérmica contenedorrmica contenedor--disipadordisipador
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Unión del contenedor al radiador
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Unión del contenedor al radiador
Atención al sistema de fijación
Un tornillo metálico es una conexión eléctrica.Se rompe el aislamiento
Se utilizan arandelas de plásticopara evitar el contacto eléctrico
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Unión del contenedor al radiadorLa lámina aislante interpone también una resistencia térmica adicional
Dependiendo del material utilizado, la RTH varía
Mica de espesor 60 m: RTH : 1.4 ºC/W
Mica de espesor 100 m: RTH : 2.2 ºC/W
Alúmina de espesor 250 m: RTH : 0.8 ºC/W
Para mejorar el contacto térmico, se utilizan pastas de silicona quereducen la resistencia térmica alrededor del 30%
jc
aRTHjc RTHca
Ta
rAislante
Radiador
Para hacer el cálculo de laRTHra necesaria se puededespreciar la resistencia delpropio dispositivo (RTHca)
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RcdRcd==RthmbRthmb--h= Resistencia th= Resistencia téérmica contenedorrmica contenedor--disipadordisipadorPor tanto esta resistencia térmica depende del tipo de contacto entre
contenedor y disipador y se pueden dar las siguientes combinaciones:
· Contacto directo, RD· Contacto directo más pasta de silicona, RD+S· Contacto directo más mica aislante, RD+M· Contacto directo más mica aislante más pasta de silicona, RD+M+S
El valor de la resistencia Rcd depende bastante del tipo de contacto, acontinuación se ordenan de menor a mayor.
RD+S < RD < RD+M+S < RD+M
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TEMA 3: DISIPACIÓN DE POTENCIA
RcdRcd==RthmbRthmb--h= Resistencia th= Resistencia téérmica contenedorrmica contenedor--disipadordisipador
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Modelos de radiadores
Los radiadores grandes se venden en barras de 1 ò 2 metros
El diseñador debe cortar la longitud que le interesa
La resistencia térmica depende de la longitud
El fabricante proporciona una curva con la RTH de cada perfil enfunción de la longitud
La curva es asintótica: a partir de una cierta longitud, pormucho que la aumentemos no disminuye la RTH
RdaRda==RdRd= Resistencia t= Resistencia téérmica disipadorrmica disipador--ambienteambienteTEMA 3: DISIPACIÓN DE POTENCIA
)R(RP
TTR cdjc
d
ajd
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Modelos de radiadores
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Modelos de radiadores
Hay modelos más pequeños adaptados para ciertosencapsulados: TO-220, TO-247, etc
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Factores que afectan a la RTH
Posición del radiador
La RTH del fabricante se especifica en posición vertical.
En horizontal, el calor se evacua peor.
Se produce un “efecto chimenea”
El propio calor crea una corriente de aireascendente que mejora la refrigeración
En horizontal puede ser un 25% peorPEOR
MEJORColor del radiador
Cada color tiene un coeficiente térmico distinto
Hay varios colores de radiadores: negro, oro, aluminio
El mejor es el negro
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Factores que afectan a la RTH
Ventilación
Para mejorar la capacidad de evacuación de calor es posible utilizarventilación forzada
Con esto se consigue reducir la resistencia termíca
Atención a la dirección del flujo de aire
CORRECTO INCORRECTO
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Cálculo dinámico de radiadores
Hasta ahora hemos supuesto que la potencia disipada era constante
Sin embargo, la potencia instantánea no suele serlo
P(t) PMAX
PMED
TempPor tanto, la temperatura estarávariando en torno a un valor medio
¿Qué valor de potencia debo utilizar para el dimensionamientodel radiador?
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Cálculo dinámico de radiadores
Las pérdidas se producen en la oblea de silicio
Al tener poca masa, su inercia térmica es muy pequeña y puedecambiar de temperatura rápidamente
El radiador tiene mucha masa con lo que su inercia es mucho mayory los cambios de temperatura son mucho más lentos
Para modelar correctamente el comportamiento, se deben incluircondensadores para simular las inercias de los elementos
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Cálculo dinámico de radiadores
En la práctica, se utiliza un método simplificado
El fabricante proporciona unas curvas de impedancia térmica transitoria
t1
T D = t1/T
P
t1
ZTHtD = 0.3
Zt
Se plantean 2 circuitos:
j c c ra
Ta
TC ?
PMAX PMedia
Zt RTHra?
Tenemos 2 ecuacionescon 2 incógnitas:
TC y RTHra
PMAX
PMedia
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Temperatura de la unión en funcióndel pulso aplicado. La temperatura,aumenta con la duración del pulso,hasta que se alcanza el régimenpermanente. (Cortesía Motorola)
tt CR
-t
dt12 e1PRttT Rt Resistencia térmica del grupo Rt CtCt Capacidad térmica del grupo Rt Ct
jc
jc
R
(t)Zr(t)
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jc
jc
R
(t)Zr(t)
Impedancia TImpedancia Téérmica normalizadarmica normalizadaT
tD on
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Dada la curva de la impedancia tDada la curva de la impedancia téérmica transitoria normalizada enrmica transitoria normalizada enfuncifuncióón de la anchura del pulso aplicado y del ciclo de trabajon de la anchura del pulso aplicado y del ciclo de trabajo(r(t(r(tonon,D)) del transistor 2N3716, encontrar el m,D)) del transistor 2N3716, encontrar el mááximo valor queximo valor quealcanzaralcanzaráá la temperatura de la unila temperatura de la unióón al aplicar un tren de impulsos.n al aplicar un tren de impulsos.Datos:Datos:
PPdd = 40W= 40W ttonon = 10ms= 10ms t = 50mst = 50ms TTcc = 50= 50ººCC RRjcjc = 1.17= 1.17ººC/WC/W
De la curva suministrada por el fabricante para D = 0.2 y ton = 10msobtenemos r(ton,D) = 0.56
0.250ms10ms
tt
D on djconcj PRD),r(tTT
C76.2º40WC/W1.17º0.56C50ºT j
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DisipaciDisipacióón de potencia continuan de potencia continuaDiferentes casosDiferentes casos
RcdRjcP
TTR
P
TTR
AVT
ajda
AVT
ajja
)()(T(AV)
cjmaxjc P
TTR
Funcionamiento discontinuoFuncionamiento discontinuo
Tren de pulsos de cortaTren de pulsos de cortaduraciduracióónn
jcTMAXdacdAVTa
jcTMAXcjMAX
jcTMAXjc
ZPRRPT
ZPTT
ZPTT
)(
ZTT
P
)(
jc
cjmaxTMAX
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Un solo pulso de larga y corta duraciUn solo pulso de larga y corta duracióónn
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Otras formas de ondaOtras formas de onda
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Otras formas de ondaOtras formas de onda
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Pavg
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Encapsulados característicos
