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 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 )

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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

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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

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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.

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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

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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

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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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