¿Cuál es la temperatura en la que se alcanza el límite térmico de un amplificador?

Question

Introducción:

Estoy mejorando un "amplificador de potencia" que ha diseñado un colega ingeniero, mi trabajo es agregar protección térmica contra fallas en el uso prolongado (o mal uso del operador).

El paquete de los transistores utilizados es To-247-3, el área de metal es 140mm2 de acuerdo a: Infineon, el material de interfaz (almohadilla de silicona, aislante y grasa libre) utilizado tiene una impedancia térmica de 0.23°C-in2/W (@50 psi), el grosor, conductividad y otros parámetros se proporcionan en esta tabla:

El sensor de temperatura tiene un montaje en forma de lengüeta y se atornillará directamente al disipador de calor cerca del transistor similar a este amplificador.

La potencia disipada por cada transistor es de 5W, la temperatura de unión máxima es de 175 grados Celsius y Rjunc/caja es de 0.29 grados/W.

Creo que deberíamos mantener la temperatura de unión por debajo de 150 para estar un poco lejos del máximo absoluto.

Ahora para los cálculos:

1. 140mm2 = 0.217 pulgadas2, por lo que la resistencia de la almohadilla de silicona es de 0.23/0.217= 1.05 grados C/ vatio.
2. la resistencia total de la unión al disipador es de 1.05+0.29= 1.34.
3. delta T = 1.34*5W= 6.74 grados C. Entonces, ¿se permite que el disipador de calor llegue a 150-6.74= 143.25 grados Celsius?!!

EDICIÓN: debido a comentarios y respuestas me gustaría agregar lo siguiente, los transistores utilizados son MOSFET utilizados conmutados 45 A en topología de puente medio a 20 kHz desde un controlador de puerta adecuado para minimizar las pérdidas por conmutación, las pérdidas de conducción son: RxIxI = 0.0022 x 45 x45 = aproximadamente 5W.

Rds(on) MÁX se encuentra en esta curva a 125 grados.

PREGUNTA: Siento que los números no cuadran (porque otras partes en el PCB se quemarían si la carcasa está a una temperatura tan alta) por favor corrige mis cálculos y dime qué estoy pasando por alto? ¿y cuál es generalmente la temperatura de la carcasa en la que se alcanza el límite térmico??

Answer 1

Según la imagen (si ese es el amplificador en cuestión), ese es un disipador de calor bastante grande para 4 MOSFET disipando 5W cada uno. Parece que hay otras fuentes de calor conectadas al disipador, sin embargo, y aunque no mencionas qué están disipando estas, ni cuáles son las impedancias térmicas de otras fuentes de calor hacia los MOSFET en cuestión, ¡me atrevería a decir que estas (en combinación con el disipador) son tan propensas a calentar tus MOSFET como a enfriarlos!

Otra cosa que falta en el cálculo de la temperatura en el sensor de temperatura es la resistencia térmica desde el transistor más lejano hasta el sensor de temperatura (asumiendo que no hay otras fuentes térmicas actuando aquí). Los disipadores de calor son buenos, pero no perfectos, conductores de calor, y al menos algo del calor del transistor fluirá más allá del sensor de temperatura hacia otras partes del disipador de calor. Sin embargo, esto es poco probable que altere mucho tus conclusiones.

Como señalaron otros, 5W no es una gran cantidad de potencia para disipar en un transistor, y en este caso el transistor bien podría no ser el límite térmico operativo. Podrías considerar al pobre usuario, ¡quien seguramente no querría manejar un amplificador con un disipador de calor de 150˚C! Las preocupaciones de salud y seguridad bien podrían dictar un límite térmico mucho más bajo que 150˚C, y sugeriría que cualquier límite térmico superior a 100˚C, estás "jugando con fuego" en términos de salud y seguridad.

Aparte de las 2 consideraciones térmicas no consideradas mencionadas anteriormente, creo que tus cálculos están bien. Tienes razón en que no quieres estar cocinando las otras PCBs con una temperatura de 150˚C, y es probable que la mayoría de tus otros componentes estén clasificados con una temperatura máxima de alrededor de 75˚C. Dado eso, y la consideración de salud y seguridad, incluso podrías considerar establecer 75˚C como tu temperatura de corte térmico.

Answer 2

Correlación entre Potencia y Temperatura...

Lo que creo que te estás perdiendo es que el transistor de ese tamaño y potencia probablemente no alcanzará los 150 grados Celsius con solo una salida de 5W. Es decir, no tendrás ambas condiciones al mismo tiempo.

Por lo tanto, tu resta no es una afirmación verdadera. Piensas:

$$T_{caja}(5W) + R_{sistema}(5W) = 150^oC$$

cuando en realidad, probablemente sea algo como...

$$T_{caja}(50W) + R_{sistema}(50W) = 150^oC$$

Esencialmente, hay otra función en el sistema de ecuaciones (la relación entre la potencia y la temperatura) y estás afirmando que dos cosas con una relación son independientes cuando no lo son.

¿Por qué molestarse con esto?

Parece que estás abordando una situación térmica compleja, donde no tienes todos los modelos térmicos relevantes, ni todos los detalles relevantes sobre la construcción y operación, intentando aplicar matemáticas sobre cualquier parámetro de la hoja de datos que parezca relevante. Esto probablemente no funcionará.

Propongo una alternativa: mide.

1. Crea un entorno ambiental de peor caso.

2. Carga el amplificador a su máxima potencia de salida diseñada

3. Mide la temperatura de la caja de los transistores

Repite este proceso de calentamiento y enfriamiento 10 veces en 10 unidades.

Los 3 Regímenes

Los resultados de tus 100 pruebas dirán cuál de estos son verdaderos:

• Sin problema -- La temperatura máxima observada estaba mucho por debajo de tu límite de diseño de 125oC. En este caso, establece el límite en producción en la tolerancia superior de tu sensor de temperatura por encima del máximo observado en las 100 pruebas. Probablemente esto es lo que verás.

• ¡Oh no! -- La temperatura máxima observada estaba mucho por encima de tu límite de diseño de 125oC. Necesitarás rediseñar el producto. El diseño no cumple con las especificaciones. Esto es muy probablemente no el caso para ti, ya que sabes que el producto ha funcionado exitosamente en el campo.

• Tal vez un problema -- La temperatura máxima observada estaba dentro del rango de tu límite superior de 125oC. Se necesitará realizar un análisis más detallado y preciso. Si esto es lo que observas en tus pruebas, ahora vale la pena el esfuerzo de una investigación más profunda o un rediseño que mejore tus márgenes operativos térmicos.