5 Diseño térmico

A
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.
4
5 Diseño térmico
PARTADO
Electrónica Industrial
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3.4
A Introducción
A.
Introducción
Siempre que por un elemento conductor circula una corriente eléctrica, se generan
unas pérdidas de potencia que elevan la temperatura del mismo. Estas pérdidas son
debidas el efecto Joule, y cobran especial protagonismo en los elementos semiconductores de potencia, puesto que por ellos circulan elevadas intensidades, y por tanto
el incremento de temperatura que se produce pone en peligro la vida del dispositivo.
El calor que se produce en el interior del semiconductor debe ser disipado rápidamente, con el fin de evitar que la temperatura interna llegue al límite máximo permitido,
límite por encima del cual la unión del semiconductor se fundiría provocando la destrucción del dispositivo.
En los últimos años, se ha experimentado un gran avance en los dispositivos electrónicos de potencia. La tendencia es integrar en pequeñísimas pastillas de silicio la mayor cantidad posible de funciones, tanto de control como de potencia (tecnología Smart
– Power, o circuitos integrados inteligentes). El principal freno para el desarrollo de las
nuevas tecnologías es precisamente la disipación del calor que se genera en el interior
de los chips.
En Electrónica de Potencia la refrigeración juega un papel muy importante en la optimización del funcionamiento y vida útil del semiconductor de potencia. En este tema
analizaremos los métodos más adecuados y seguros para la refrigeración y se tratará
de mostrar los aspectos más importantes en el cálculo y montaje de disipadores de
calor.
B.
Propagación del calor
En todo semiconductor un flujo de corriente eléctrica produce una pérdida de energía
que se transforma en calor. El calor elevará la temperatura en el dispositivo; si este
aumento es excesivo e incontrolado provocará una disminución de la fiabilidad del
componente, llegándose incluso a la destrucción de las uniones.
La capacidad de evacuación de calor al medio ambiente varía según el tipo de cápsula
o contenedor del dispositivo; en los semiconductores de potencia esta evacuación es
demasiado pequeña, por lo que es necesario facilitar la transferencia de calor generado. Esto se consigue mediante un dispositivo de mayor volumen y superficie llamado
radiador o disipador de calor, el cual hace de puente para evacuar el calor de la cápsula al medio ambiente.
La experiencia demuestra que el calor producido por un foco calorífico se propaga por
todo el espacio que lo rodea. Esta transmisión del calor puede producirse de tres formas:
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3.4
Diseño térmico
I.- CONDUCCIÓN:
Es el principal medio de transferencia de calor en un cuerpo sólido. Se realiza por la
transferencia de energía cinética entre moléculas contiguas. En este tipo de transmisión se debe tener en cuenta la conductividad térmica de las sustancias (cantidad de
calor transmitido por unidad de tiempo, superficie, gradiente de temperatura).
II.- CONVECCIÓN:
Es la transferencia de calor mediante la circulación de un fluido, que absorbe dicho
calor y lo transporta a otro lugar; a este proceso se le llama convección natural. Si la
circulación del fluido está provocada por un medio externo se denomina convección
forzada.
III.- RADIACIÓN:
La radiación térmica es la transferencia de calor mediante radiaciones electromagnéticas emitidas por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor a cero grados Kelvin.
El estado de la superficie influye en gran medida en la cantidad de calor radiado. Las
superficies mates son más favorables que las pulidas y los cuerpos negros son los de
mayor poder de radiación, por este motivo se efectúa un ennegrecimiento de la superficie radiante. La transferencia de calor por radiación no se tiene en cuenta puesto que
a las temperaturas a que se trabaja ésta es despreciable.
C.
Equivalente eléctrico
El paso de la corriente eléctrica produce un aumento de la temperatura de la unión
(Tj). Si ésta se quiere mantener a un nivel seguro, debemos evacuar al exterior la
energía calorífica generada por la unión. Para que se produzca un flujo de energía
calorífica de un punto a otro, debe existir una diferencia de temperatura. El calor pasará del punto más caliente al más frío, pero aparecen factores que dificultan este paso.
A estos factores se les denomina resistencias térmicas y expresan el grado de dificultad para evacuar el calor de un dispositivo. Se expresa en grados centígrados por vatio (ºC/W). En la siguiente figura se aprecia de manera gráfica el resultado de un sobrecalentamiento en la unión del semiconductor, como consecuencia de una refrigeración insuficiente.
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Electrónica Industrial
3.4
C Equivalente eléctrico
Identificamos primero las diferentes resistencias térmicas que aparecen en el proceso
desde la unión del semiconductor hasta el ambiente: Resistencia unión – contenedor o
cápsula del dispositivo (Rjc); Resistencia cápsula – disipador o radiador (Rcd); Resistencia disipador – ambiente (Rd). La evacuación de calor directamente de la cápsula al
ambiente es muy pequeña, puesto que la resistencia cápsula – ambiente (Rca) es muy
elevada, comparada con las resistencias cápsula – disipador más disipador – ambiente (Rcd + Rd), por lo que en el modelo equivalente de la siguiente figura se puede despreciar.
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3.4
Diseño térmico
Debemos prestar especial atención a que inicialmente, cuando no se tiene elemento
refrigerador, la resistencia es:
Rjc + Rca = Rja
que nos dará la máxima potencia que es capaz de disipar el dispositivo cuando no se
coloca ningún elemento refrigerador. Como Rca es elevada, introducimos un elemento
disipador que reducirá la resistencia final (Rca >> Rcd + Rd).
Aplicando el principio de analogía a las magnitudes eléctricas y térmicas, de forma que
si asemejamos las temperaturas a tensiones, las resistencias térmicas a las resistencias eléctricas y el flujo de calor (o potencia a disipar) a una corriente eléctrica podemos establecer la ley de Ohm térmica:
Tj -Ta = P·Rja
donde:
Tj
Ta
P
Rja
= temperatura de la unión semiconductora
= temperatura ambiente
= potencia que disipa el dispositivo
= resistencia térmica entre la unión y el ambiente
En la siguiente figura se pueden identificar claramente las resistencias que intervienen
en el proceso:
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3.4
D Sistemas de ventilación forzada
Del circuito equivalente mostrado con anterioridad se pueden deducir las siguientes
expresiones:
•
Semiconductor sin elemento disipador
P=
•
R jc + Rca
Semiconductor con elemento disipador
P=
D.
T j − Ta
T j − Ta
R jc + Rcd + Rd
Sistemas de ventilación forzada
Cuando la resistencia térmica obtenida en el cálculo es muy baja, se puede elegir entre pocos
radiadores, puesto que son pocos los que hay en el mercado que ofrecen una resistencia térmica inferior a 0.5 – 0.6 ºC/W.
En estos casos es en los que se utiliza un ventilador, el cual es capaz de reducir la resistencia
térmica equivalente. Los sistemas de convección forzada por aire pueden aumentar 10 veces la
evacuación de calor respecto a la convección natural, y los sistemas de refrigeración líquida
podrán evacuar hasta 10 veces más calor que los de aire forzado. La mejora de la refrigeración
tiene los inconvenientes de aumento del coste, potencia, ruido y complejidad. Como un sistema
sencillo es en general un sistema más fiable, la evacuación de calor por convección natural y
radiación debe utilizarse siempre que sea posible.
Para la convección forzada se dispone de ventiladores axiales de baja presión o soplantes
centrífugos de alta presión diseñados especialmente para su acoplo mecánico a los perfiles de
los disipadores.
Para valorar en términos numéricos la reducción de la resistencia térmica es absolutamente
necesario conocer un dato que nos proporciona el fabricante del ventilador. Este es el aire que
es capaz de mover el ventilador por unidad de tiempo.
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