1

w w w . i n a c a p . c l

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

2

w w w . i n a c a p . c l

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

[3_1]

3

w w w . i n a c a p . c l

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

4

w w w . i n a c a p . c l

Ejemplo de disipadores

5

w w w . i n a c a p . c l

)RR(RPTT dcdjcdaj AplicaciAplicacióón del principio den del principio de

analoganalogííaa

6

w w w . i n a c a p . c l

MontajeMontaje

RcdRcd

RdaRda

RjcRjc

)RR(RPTT dcdjcdaj

7

w w w . i n a c a p . c l

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

8

w w w . i n a c a p . c l

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

9

w w w . i n a c a p . c l

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

10

w w w . i n a c a p . c l

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.

[3_13]

11

w w w . i n a c a p . c l

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

12

w w w . i n a c a p . c l

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

13

w w w . i n a c a p . c l

Unión del contenedor al radiador

14

w w w . i n a c a p . c l

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

15

w w w . i n a c a p . c l

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)

16

w w w . i n a c a p . c l

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

17

w w w . i n a c a p . c l

TEMA 3: DISIPACIÓN DE POTENCIA

RcdRcd==RthmbRthmb--h= Resistencia th= Resistencia téérmica contenedorrmica contenedor--disipadordisipador

18

w w w . i n a c a p . c l

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

19

w w w . i n a c a p . c l

Modelos de radiadores

20

w w w . i n a c a p . c l

Modelos de radiadores

Hay modelos más pequeños adaptados para ciertosencapsulados: TO-220, TO-247, etc

21

w w w . i n a c a p . c l

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

22

w w w . i n a c a p . c l

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

23

w w w . i n a c a p . c l

24

w w w . i n a c a p . c l

25

w w w . i n a c a p . c l

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?

26

w w w . i n a c a p . c l

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

27

w w w . i n a c a p . c l

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

28

w w w . i n a c a p . c l

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)

29

w w w . i n a c a p . c l

jc

jc

R

(t)Zr(t)

Impedancia TImpedancia Téérmica normalizadarmica normalizadaT

tD on

30

w w w . i n a c a p . c l

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

31

w w w . i n a c a p . c l

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

32

w w w . i n a c a p . c l

Un solo pulso de larga y corta duraciUn solo pulso de larga y corta duracióónn

33

w w w . i n a c a p . c l

Otras formas de ondaOtras formas de onda

34

w w w . i n a c a p . c l

Otras formas de ondaOtras formas de onda

35

w w w . i n a c a p . c l

36

w w w . i n a c a p . c l

37

w w w . i n a c a p . c l

38

w w w . i n a c a p . c l

39

w w w . i n a c a p . c l

40

w w w . i n a c a p . c l

41

w w w . i n a c a p . c l

42

w w w . i n a c a p . c l

Pavg

43

w w w . i n a c a p . c l

44

w w w . i n a c a p . c l

Encapsulados característicos