Dispositivos semiconductores de potencia. Interruptores. Radiadores

Transcripción

1 Tema VII. Lección 22 Dispositivos semiconductores de potencia. Interruptores. 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 22.1 Generalidades. PÉRDIDAS DE DE POTENCIA Si Si T UNION > UNION T JMAX JMAX ELEVACIÓN DE DE LA LA TEMPERATURA DE DE LA LA UNIÓN UNIÓN DESTRUCCIÓN!! PROTECCIÓN TÉRMICA DE LOS SEMICONDUCTORES EVACUACIÓN DEL DEL CALOR GENERADO (RADIADORES) T UNION < UNION T JMAX JMAX PROTEGIDO!! 1

2 22.1 Generalidades. TO5/TO39 TO220 TO3 TO3 TO220 ALTA POTENCIA 22.1 Generalidades. 2

3 22.1 Generalidades. TRANSFERENCIA DE DE CALOR UNIÓN UNIÓN --CÁPSULA (CONDUCCIÓN) Q = Potencia a disipar. T j = Temperatura de la unión. T c = Temperatura de la cápsula. Q& = = Resistencia térmica entre la unión y la cápsula. T T j R thjc c TRANSFERENCIA DE DE CALOR CÁPSULA --AMBIENTE (CONVECCIÓN + RADIACIÓN) Q = Potencia a disipar. Tc Q& = T c = Temperatura de la cápsula. R = Temperatura del ambiente. R thca = Resistencia térmica entre la cápsula y el ambiente. T thca a 22.2 Modelo estático de la transferencia térmica. Analogía eléctrica T j T c - El fabricante da la del semiconductor. - Si T j > T jmax DESTRUCCIÓN! R thca R thcr R - Para reducir T j se añade un radiador, incorporando una R mucho menor al modelo. El paralelo equivalente es pract. R R (ºC/W) - El fabricante proporciona R en función de la longitud del radiador l (mm) 3

4 22.3 Cálculo estático de radiadores. 1. Determinar T jmax Es un dato proporcionado por el fabricante. Si no lo diera, tomar T jmaxsi = 135 ºC, T jmaxge = 90 ºC. 2. Determinar 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) = (T jmax -T c ) / max@25ºc ( tomando T c = = 25 ºC) 3. Determinar R thcr 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. R thcr directo + pasta de silicona > directo > mica+pasta > mica ( + transmisión de calor - ) 22.3 Cálculo estático de radiadores. Tabla de R thcr 4. Determinar R - 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. 4

5 22.3 Cálculo estático de radiadores. 4. Determinar R - Se puede incorporar un ventilador para ayudar al disipador. (Ver tablas de corrección). - Posición del ventilador SOPLANTE EXTRACTOR Ventilador Ventilador (aire) (aire) R =posición color ventilación R (fabr.) 22.3 Cálculo estático de radiadores. 4. Determinar R - Centrar el dispositivo en el disipador. - Se pueden colocar varios elementos sobre el mismo disipador, distribuyéndolos. 1 R T thcr1 j1 T c1 R T thjc2 j2 T c2 R thcr2 R 1 2 5

6 22.4 Modelo dinámico. - En general, no es constante. (Por ejemplo, en el arranque puede existir un pulso de potencia). - La dinámica térmica es muy lenta. (las masas al elevar su temperatura absorben energía, actuando como capacidades térmicas). -Si la es pulsante, T j puede no llegar al régimen permanente. (El cálculo estático sobredimensionaría el disipador). -Otro error es calcularlo tomando med. (En los transitorios podríamos sobrepasar T jmax!!). T j T C th R th 22.4 Modelo dinámico. - Como se puede apreciar, T j = T j (t). - El fabricante proporciona (t). (Impedancia térmica transitoria) (t) (t1) T j (t1)= (t1) + t1 t Z thja (t) - Evolución de la impedancia térmica de un semiconductor montado sobre un disipador Z thja R thcr +R ( el disipador cambia su temperatura ) t 6

7 22.5 Cálculo dinámico de radiadores. - Para régimen pulsante de alta frecuencia, el fabricante da 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 med T j T c R thcr med R 22.6 Ejemplos. EJEMPLO 1 Se Se desea desea colocar un un disipador a un un transistor TO204 TO204 (encap. TO3), TO3), de de modo modo que que estén estén eléctricamente aislados. T jmax =115 jmax =115 ºC ºC =2,5 thjc =2,5 ºC/W ºC/W P max =10W max =10W a Si Si se se coloca coloca un un disipador de de 3 ºC/W. ºC/W. Determinar a) a) Qué Qué potencia se se puede puede disipar. b) b) En En caso caso afirmativo T T j y j T c c c) c) Se Se pueden disipar disipar W en en este este transistor a) Qué potencia se puede disipar Necesitamos conocer R thcr. Entrando en la gráfica correspondiente con el tipo de encapsulado (TO3) y de contacto (directo con mica)... R thcr =0,8 ºC/W = = 12 W 2,5 + 0,8 + 3 T jmax =115ºC 2,5 ºC/W R thcr 3 ºC/W 7

8 22.6 Ejemplos. EJEMPLO 1 b) En caso afirmativo T j y T c T j T c Conocida R thcr el cálculo de las temperaturas es inmediato. 10 W 2,5 ºC/W 0,8 ºC/W 3 ºC/W T = 40 + (0,8 + 3) 10 c T = 78 º C c T = ,5 10 j T = 103 ºC j c) Se pueden disipar 30 W en este transistor = 2,5 + 0,8 + R R 30 = 0,8 ºC / W La resistencia térmica es negativa. No existe ningún radiador que permita disipar esa potencia 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 + 40 Tr = 115 (2,5 + 0,8) 15 R = 0,85 ºC / W 115ºC 2,5 ºC/W 0,8 ºC/W R 15 W 2,5 ºC/W 15 W 0,8 ºC/W 8

9 22.6 Ejemplos. EJEMPLO 2 Supongamos el el caso caso anterior, pero pero en en régimen pulsante. P max =10W max =10W a R thcr =0,8 thcr =0,8 ºC/W ºC/W R =3 =3 ºC/W ºC/W Determinar T jmax, jmax, T c y c T d d P 10W 100µs 200µs t Lo primero que tenemos que calcular es la potencia media disipada, para calcular T c. t ON Pdismed = 40 = 5W T T = 5 (0,8 + 3) + 40 = 59º C c T = = 55 º C r 0,8 T j T c = 10W med =5W Ejemplos. EJEMPLO 2 A continuación, calcularemos la impedancia térmica transitoria,. Acudiendo a la gráfica suministrada por el fabricante D=100µs/200µs=0,5 t 1 =100µs =0,6ºC/W =0,6 ºC/W + Entonces T max j = 10 0, = 65 ºC 9