Disipadores.pdf

Tema VII.
Dispositivos semiconductores de potencia.
Interruptores.
Lección 22
Radiadores
22.1 Generalidades
22.2 Modelo estático de la trasferencia térmica
22.3 Cálculo estático de radiadores
22.4 Modelo dinámico. Concepto de impedancia térmica
22.5 Cálculo dinámico de radiadores
22.6 Ejemplos
Lección 22. – Radiadores.
22.1 Generalidades.
PÉRDIDAS
PÉRDIDASDE
DE
POTENCIA
POTENCIA
ELEVACIÓN
ELEVACIÓNDE
DELA
LA
TEMPERATURA
TEMPERATURADE
DE
LA
LAUNIÓN
UNIÓN
Si
>T
SiTTUNION
UNION > TJMAX
JMAX
DESTRUCCIÓN!!
DESTRUCCIÓN!!
PROTECCIÓN TÉRMICA
DE LOS
SEMICONDUCTORES
EVACUACIÓN
EVACUACIÓNDEL
DEL
CALOR
CALORGENERADO
GENERADO
(RADIADORES)
(RADIADORES)
TTUNION <<TTJMAX
UNION
JMAX
PROTEGIDO!!
PROTEGIDO!!
Lección 22. – Radiadores.
1
22.1 Generalidades.
TO5/TO39
TO3
TO220
TO3
TO220
ALTA POTENCIA
Lección 22. – Radiadores.
22.1 Generalidades.
Lección 22. – Radiadores.
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22.1 Generalidades.
TRANSFERENCIA
TRANSFERENCIADE
DECALOR:
CALOR:UNIÓN
UNIÓN--CÁPSULA
CÁPSULA
(CONDUCCIÓN)
•
& = Tj − Tc
Q
R thjc
Q = Potencia a disipar.
Tj = Temperatura de la unión.
Tc = Temperatura de la cápsula.
Rthjc = Resistencia térmica entre la unión y la cápsula.
TRANSFERENCIA
TRANSFERENCIADE
DECALOR:
CALOR:CÁPSULA
CÁPSULA--AMBIENTE
AMBIENTE
(CONVECCIÓN + RADIACIÓN)
•
& = Tc − Ta
Q
R thca
Q = Potencia a disipar.
Tc = Temperatura de la cápsula.
Ta = Temperatura del ambiente.
Rthca = Resistencia térmica entre la cápsula y el ambiente.
Lección 22. – Radiadores.
22.2 Modelo estático de la transferencia térmica.
Analogía eléctrica:
Tj
- El fabricante da la Rthjc
Rthjc
Tc
Rthcr
del semiconductor.
- Si Tj > Tjmax ⇒ DESTRUCCIÓN!
Pdis
Rthca
Tr
Rthra
- Para reducir Tj se añade un
Ta
radiador, incorporando una Rthra
mucho menor al modelo.
El paralelo equivalente es pract. Rthra
Rthra
(ºC/W)
- El fabricante proporciona Rthra
en función de la longitud del radiador:
l
(mm)
Lección 22. – Radiadores.
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22.3 Cálculo estático de radiadores.
1.
Determinar Tjmax:
Es un dato proporcionado por el fabricante.
Si no lo diera, tomar: TjmaxSi = 135 ºC, TjmaxGe = 90 ºC.
2.
Determinar Rthjc:
Es un dato proporcionado por el fabricante.
Si no lo diera, calcularla a partir de la máxima potencia que el
semiconductor es capaz de disipar sin radiador (dato del fabricante):
Rthjc = (Tjmax-Tc) / Pdismax@25ºC
3.
Determinar Rthcr:
( tomando Tc = Ta= 25 ºC)
Depende del tipo de contacto y del encap. (tablas):
DIRECTO: El contacto térmico no suele ser bueno.
PASTA DE SILICONA: Mejora mucho el contacto térmico.
MICA: Aislante eléctrico, pero empeora mucho la transmisión térmica.
Rthcr:
directo + pasta de silicona > directo > mica+pasta > mica
(+
transmisión de calor
-)
Lección 22. – Radiadores.
22.3 Cálculo estático de radiadores.
Tabla de Rthcr:
4.
Determinar Rthra:
- Depende de su forma geométrica y de la longitud de la pieza.
(ver tablas adjuntas).
- Se debe colocar en el exterior.
- Se debe colocar en posición vertical
(Si posición horizontal multiplicar por 1,25).
- Es preferible el color negro (Si color blanco multiplicar por 1,1).
- El aire debe atravesar longitudinalmente el disipador.
Lección 22. – Radiadores.
4
22.3 Cálculo estático de radiadores.
4.
Determinar Rthra:
- Se puede incorporar un ventilador
para ayudar al disipador.
(Ver tablas de corrección).
- Posición del ventilador:
SOPLANTE
EXTRACTOR
Ventilador
Ventilador
(aire)
(aire)
Rthra=posición·color·ventilación·Rthra(fabr.)
Lección 22. – Radiadores.
22.3 Cálculo estático de radiadores.
4. Determinar Rthra:
- Centrar el dispositivo en el disipador.
- Se pueden colocar varios elementos sobre el mismo disipador,
distribuyéndolos.
T j1
T j2
R thjc1
R thjc2
Tc1
Tc2
R thcr1
Tr
R thcr2
R thra
Pdis1
Pdis2
Ta
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22.4 Modelo dinámico.
Pdis
- En general, Pdis no es constante.
(Por ejemplo, en el arranque puede
existir un pulso de potencia).
T
- La dinámica térmica es muy lenta.
(las masas al elevar su temperatura
absorben energía, actuando como
capacidades térmicas).
Rth
Cth
-Si la Pdis es pulsante, Tj puede no llegar
al régimen permanente.
Pdis
(El cálculo estático sobredimensionaría
el disipador).
-Otro error es calcularlo tomando Pdismed.
Tj
(En los transitorios podríamos
sobrepasar T jmax!!).
Lección 22. – Radiadores.
22.4 Modelo dinámico.
- Como se puede apreciar, T j = Tj (t).
- El fabricante proporciona Zthjc(t).
Zthjc(t)
Z thjc(t1)
(Impedancia térmica transitoria)
Rthjc
T j (t1)= Zthjc(t1)·Pdis + Ta
t1
t
Zthja(t)
R thcr+Rthra
- Evolución de la impedancia
térmica de un semiconductor
montado sobre un disipador:
Zthja
Zthjc
Rthjc
t
( el disipador cambia su
temperatura )
Lección 22. – Radiadores.
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22.5 Cálculo dinámico de radiadores.
- Para régimen pulsante de alta frecuencia, el fabricante da Zthjc
para diferentes ciclos de trabajo:
- Los cambios de temperatura
solo los experimentará la unión.
La temperatura de la cápsula y del
disipador
pueden
calcularse
estáticamente a partir de Pdismed
Zthjc
Tj
Tc
Rthcr
Tr
Rthra
Pdismed
Pdis
Ta
Lección 22. – Radiadores.
22.6 Ejemplos.
EJEMPLO 1
Se
Se desea
desea colocar
colocar un
un disipador
disipador aa un
un transistor
transistor TO204
TO204 (encap.
(encap. TO3),
TO3), de
de
modo
que
estén
eléctricamente
aislados.
modo que estén eléctricamente aislados.
TTjmax=115
ºC
RRthjc=2,5
ºC/W
PPmax=10W
TTa=40ºC
jmax=115 ºC
thjc=2,5 ºC/W
max=10W
a=40ºC
Si
se
coloca
un
disipador
de
3
ºC/W.
Determinar:
Si se coloca un disipador de 3 ºC/W. Determinar:
a)
a)¿Qué
¿Quépotencia
potenciase
sepuede
puededisipar?.
disipar?.
b)
En
caso
afirmativo
¿T
y
T
j
b) En caso afirmativo ¿Tj y Tcc??
c)
c)¿Se
¿Sepueden
puedendisipar
disipar30
30W
Wen
eneste
estetransistor?
transistor?
a) ¿Qué potencia se puede disipar?
T jmax
2,5 ºC/W
=115ºC
¿Rthcr?
3 ºC/W
Necesitamos conocer Rthcr . Entrando en
la gráfica correspondiente con el tipo
de encapsulado (TO3) y de contacto ¿Pdis?
(directo con mica).... Rthcr=0,8 ºC/W
Pdis =
115 − 40
= 12 W
2,5 + 0,8 + 3
Ta
=40ºC
Lección 22. – Radiadores.
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22.6 Ejemplos.
EJEMPLO 1
¿Tj?
b) En caso afirmativo ¿Tj y Tc?
Conocida Rthcr el cálculo de las
temperaturas es inmediato.
¿Tc?
2,5 ºC/W
Tr
0,8 ºC/W
3 ºC/W
10 W
Tc = 40 + (0,8 + 3) ⋅ 10
Tc = 78 º C
Ta
=40ºC
Tj = 78 + 2,5 ⋅ 10
Tj = 103 º C
c) ¿Se pueden disipar 30 W en este transistor?
30 =
115 − 40
2,5 + 0,8 + R thra
⇒ R thra = −0,8 º C / W
La resistencia térmica
es negativa. No existe
ningún radiador que
permita
disipar
esa
potencia.
Lección 22. – Radiadores.
22.6 Ejemplos.
EJEMPLO 1
Si disponemos dos transistores en paralelo sobre el mismo disipador
quizá se puedan disipar los 30W.
En este caso, cada transistor disiparía 15W:
Tr = 30 ⋅ R thra + 40
115ºC
Tr = 115 − (2,5 + 0,8) ⋅ 15
⇒ R thra = 0,85 º C / W
15 W
Tr
2,5 ºC/W
0,8 ºC/W
2,5 ºC/W
0,8 ºC/W
¿R thra ?
15 W
Ta
=40ºC
Lección 22. – Radiadores.
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22.6 Ejemplos.
EJEMPLO 2
Supongamos
Supongamos el
el caso
caso anterior,
anterior, pero
pero en
en régimen
régimen
pulsante.
pulsante.
TTa=40ºC
RRthcr=0,8
ºC/W
PPmax=10W
max=10W
a=40ºC
thcr=0,8 ºC/W
ºC/W
ºC/W
Determinar:
, Tc yyTTd
Determinar: TTjmax
jmax , T
c
d
Lo primero que tenemos que
calcular es la potencia media
disipada, para calcular Tc.
¿Tj?
10W
RRthra=3
thra=3
t
100µs
200µs
Zthjc
¿Tc?
0,8
Tr
3
P dismed
=5W
P dis=
10W
t
Pdismed = ON ⋅ 40 = 5W
T
Tc = 5 ⋅ (0,8 + 3) + 40 = 59 º C
Tr = 5 ⋅ 3 + 40 = 55 º C
P
Ta=40ºC
Lección 22. – Radiadores.
22.6 Ejemplos.
EJEMPLO 2
A continuación, calcularemos la impedancia térmica transitoria, Zthjc.
Acudiendo a la gráfica suministrada por el fabricante:
D=100µ s/200µ s=0,5
Zthjc=0,6 ºC/W
+
t1=100µ s
⇒ Zthjc=0,6ºC/W
Entonces:
Tj max = 10 ⋅ 0,6 + 59 = 65 º C
Lección 22. – Radiadores.
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