A 3.4 P A R T A D O 5 Diseño térmico 52
A Introducción 3.4 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: 53
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 (T j ). 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. 54
C Equivalente eléctrico 3.4 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 (R jc ); Resistencia cápsula disipador o radiador (R cd ); Resistencia disipador ambiente (R d ). La evacuación de calor directamente de la cápsula al ambiente es muy pequeña, puesto que la resistencia cápsula ambiente (R ca ) es muy elevada, comparada con las resistencias cápsula disipador más disipador ambiente (R cd + R d ), por lo que en el modelo equivalente de la siguiente figura se puede despreciar. 55
3.4 Diseño térmico Debemos prestar especial atención a que inicialmente, cuando no se tiene elemento refrigerador, la resistencia es: R jc + R ca = R ja que nos dará la máxima potencia que es capaz de disipar el dispositivo cuando no se coloca ningún elemento refrigerador. Como R ca es elevada, introducimos un elemento disipador que reducirá la resistencia final (R ca >> R cd + R d ). 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: donde: T j T a P R ja T j -T a = P R ja = 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: 56
D Sistemas de ventilación forzada 3.4 Del circuito equivalente mostrado con anterioridad se pueden deducir las siguientes expresiones: Semiconductor sin elemento disipador T P = R j jc T a + R ca Semiconductor con elemento disipador P = R jc T j + R T cd a + R d D. 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. 57