Termicos_2013 972KB Feb 20 2014 12:20:49 AM

Análisis térmico en
Electrónica de Potencia
Los dispositivos electrónicos poseen 3
limitaciones básicas:
• Tensiones máximas.
• Corrientes máximas.
• Temperaturas máximas.
PD vs IFAV
Análisis térmico en
Electrónica de Potencia
No superar un valor máximo de Tj, ya que:
•Empeoran las características del dispositivo
•Disminuye la vida media
Para lograr esto, se debe:
• Limitar la potencia disipada (tensión y
corriente en directa)
• Evacuar el calor generado
Transmisión de calor
ΔT
T2
T1
P
A
P = Potencia o velocidad de transferencia del calor
P
ΔT = = PR
. th
hA
h = coeficiente de transferencia de calor.
A = área a través de la cual se establece el flujo.
Analogía térmico-eléctrica
Rth = R
ΔT = ΔV
P=I
ΔT 1
∴ Rth =
=
P hA
La Rth es menor si aumenta A o h.
h depende del método de transferencia de calor.
Métodos de transferencia de calor
Conducción
Métodos de
transferencia de
calor
Transferencia de calor a
través de un material sin
movimiento de masa.
Convección
Transferencia de calor por
movimiento de masa.
Radiación
Transferencia de calor por
ondas electromagnéticas.
Conducción
Transferencia de calor a través de un material
sin movimiento de masa.
conductividad térmica del material
h=
longitud del material
h = σθ /L
Rth =L / σθ A
Convección
Transferencia de calor por movimiento de masa.
• Convección natural: el movimiento se produce
debido a la existencia de un gradiente no nulo de
la densidad del fluido. El gradiente no nulo puede
producirse por la diferencia de temperaturas.
h = k (Tsup −Tamb )
1
4
Ejemplo: placa vertical de longitud L, en aire, al
nivel del mar.
h=
−3
2,21.10
1
4
L
(T
sup
−Tamb )
1
4
Convección
• Convección forzada: el movimiento del fluido es
forzado mecánicamente.
Ejemplo: flujo paralelo a una placa de longitud L.
1
3 4
⎛ vel ⎞
h = 6,63.10 ⎜
⎟
⎝ L ⎠
−3
Radiación
Transferencia de calor mediante ondas
electromagnéticas.
4
4
⎛
⎞
−
T
T
amb
sup
−12
h = 36,8.10 ε ⎜
⎟
⎜ T −T ⎟
⎝ sup amb ⎠
ε=emisividad
Conclusión
Para aumentar el h y por lo tanto
la disipación conviene:
• Conducción: material de buena conductividad
térmica, baja longitud y gran área.
• Convección natural: L lo menor posible, por lo
tanto orientar adecuadamente el material.
• Convección forzada: Aumentar la velocidad.
• Radiación: aumentar la emisividad: color
negro. Para el caso de convección natural, se
puede mejorar la disipación en un 25% usando
radiación.
Dispositivo semiconductor
•juntura
juntura pegamento
P
cápsula
ambiente
El calor se origina en el lugar donde se disipa la
potencia (juntura).
Rthjp: resistencia térmica juntura-pegamento.
Rthpc: resistencia térmica pegamento-cápsula.
Rthca: resistencia térmica cápsula-ambiente.
Resulta el siguiente modelo eléctrico:
Rthjc’
Rthjp
juntura
P
Rthpc
pegamento
Rthca
cápsula
ambiente
Tamb.
La Rthjc’ es mucho mayor que (Rthjp + Rthpc),
con lo cual se obtiene el siguiente circuito:
Rthjp
juntura
P
Rthpc
pegamento
Rthca
cápsula
ambiente
Tamb.
Los fabricantes proveen directamente la Rthja
y la Rthjc.
Ejemplo:
Averiguar si un Rectificador cuyos datos
térmicos son:
Rthjc = 2 ºC/W , Rthca = 14 ºC/W
Tjmax = 125 ºC
resiste las siguientes condiciones:
IF = 5 A, VF = 1 V , Tamb = 30 ºC
Rthjc
Rthca
juntura
P
ambiente
cápsula
Tamb.
Análisis de los transitorios de
temperatura
P
T(t1)
t1
t
Este tipo de problemas no se puede resolver
con el circuito visto. Falta incorporar el
concepto de capacidad térmica.
Capacidad térmica
Introduce el concepto de que la temperatura no
puede poseer discontinuidades, es decir, la
temperatura no puede aumentar o disminuir
abruptamente.
Rthjc
J
P
Cthja
C
Rthca
A
Cthca
Tamb.
Transitorios de temperatura
• En general los valores de las capacidades térmicas
no están disponibles. Además, el cálculo de la
temperatura a partir del circuito anterior no es
inmediato.
• Por esta razón los fabricantes introducen el
concepto de resistencia térmica transitoria.
Esto permite utilizar un circuito térmico donde sólo
existan resistencias y no aparezcan las capacidades.
• En este caso las resistencias son “transitorias”,
R(t), y dependen del tiempo ya que encierran el
concepto de capacidad térmica.
P
T(t1)
t1
t
T(t) = P. Rth(t)
Rth(t) = Rth.r(t)
T(t1) = P. Rth(t1)
Ejemplo
Verificar si un Tristor con Rthjc=3ºC/W y Tjmax=150ºC,
P
resiste las siguientes condiciones:
500
W
9ms
14ms
Tc = 70 ºC
t
Tren de pulsos
P2
P1
P
t
t0
t1
t2
t3
ΔT (t1) = P1.Rth(t1-t0)
ΔT (t2) = P1.Rth(t2-t0)- P1.Rth(t2-t1)
ΔT (t3) = P1.Rth(t3-t0)- P1.Rth(t3-t1)+ P2.Rth(t3-t2)
Tren de pulsos iguales
P P1
ton
Pfin
t
toff
P
Pfin
Pmedia
ton
t
Pulsos no rectangulares
Pulsos no rectangulares
Pulsos no rectangulares
A = P1 (t1-t0) + P2 (t2-t1)
Disipadores
cápsula
Conductor
térmico
disipador
ambiente
Rthcd Rthda
juntura
Rthjc
Rthca
amb.
cápsula
P
Tamb.
Dado que Rthcd + Rthda es mucho menor
que Rthca, el circuito equivalente queda:
juntura
P
Rthjc
Rthcd
cápsula
Rthda
amb.
Tamb.
Interfases térmicas (carcaza disipador)
Rthcd
Debido a las irregularidades de las superficies,
el contacto carcaza-disipador no es bueno.
Para mejorarlo se usan interfases térmicas. Las
interfases más comunes son la grasa siliconada
y los pads.
Grasa siliconada:
Rthcd = 2ºC/W/mm
Aire:
Rthcd=40ºC/W/mm
Aluminio:
Rthcd=0.01ºC/W/mm