Disipación Térmica en Transistores de Potencia

Cuando nos planteamos el diseño de un equipo con módulos de potencia nos centramos en las características eléctricas: tensión, corriente, frecuencia, pérdidas de conmutación, pérdidas en conducción, etc. Todas ellas las tenemos que combinar para optimizar nuestra aplicación pero hay un factor muy importante y que nunca debemos olvidar, la disipación térmica, pues una mala refrigeración puede afectar completamente al funcionamiento y fiabilidad de cualquier módulo IGBT.

En el post de hoy os vamos a explicar cuáles son los factores a considerar y qué opciones plantean algunos fabricante como Fuji para una refrigeración óptima.

Gama de módulos de potencia de Fuji Electric

Componentes que afectan a la Refrigeración

El componente de referencia en la refrigeración de semiconductores es el disipador (radiador pasivo, ventilador, refrigerador por líquido o una combinación de ellos) que nos fijará las condiciones de trabajo en relación con el punto térmico óptimo para nuestro equipo. De esta manera dejamos para el final la elección del conductor térmico que se coloca entre el módulo y el disipador, y que a nivel de resistencia térmica es el cuello de botella:

Rt (resistencia térmica total) = Rt Transistor + Rt Pasta + Rt Disipador

Una vez nos centramos en este aspecto, uno de los materiales más extendidos es la grasa o pasta térmica. Dicho material debe facilitar la transmisión térmica de nuestros transistores al disipador, evacuando de esta manera todo el calor generado por pérdidas de nuestros dispositivos de potencia.

Módulo IGBT con pasta térmica aplicada

Hay diversos factores a tener en cuenta en el momento de decidir qué material utilizamos:

• Conductividad térmica
• Rango de temperatura
• Capacidad de difusión
• Pérdida o merma de peso
• Sistema de aplicación y curado de la pasta
• Estabilidad de los parámetros durante la vida útil del equipo

Debemos evitar siempre que parámetros tan importantes como conductividad térmica, eléctrica o temperatura empeoren con el paso del tiempo o por la propia degradación que sufre el material.

Ambas superficies de contacto tienen que ser lo más planas posibles para mejorar el contacto con la pasta o que en su defecto la pasta minimice las irregularidades microscópicas que seguro que existen.

Aplicación sobre la Superficie

Otra consideración importante es cómo se aplica y cómo asegurar que la pasta, una vez aplicada, sea uniforme y no haya ninguna burbuja en la capa de material. Una burbuja de aire puede provocar un recalentamiento local en el módulo de potencia que puede afectar a su funcionamiento y fiabilidad.

La siguiente figura muestra tres ejemplos de cómo la difusión de la pasta puede afectar al buen funcionamiento del módulo. En los casos 1 y 2 las zonas remarcadas han tenido un déficit de pasta y esto ha generado huecos que han causado un funcionamiento ineficiente y peligroso. El  caso 3 muestra una difusión uniforme y óptima de la pasta que ha aumentado la fiabilidad del sistema. A menor estrés térmico mayor fiabilidad del equipo.

Ejemplos de efectos causados por diferentes aplicaciones de pasta térmica (casos 1, 2 y 3)

Ayuda del fabricante de IGBT

Nuestra representada Fuji Electric ofrece un servicio de aplicación de la pasta optimizado al factor de forma del módulo elegido y a las características de la aplicación. Con una línea de impresión de pasta completamente automatizada consiguen unos resultados óptimos en la elección y aplicación de la interfaz térmica entre el módulo y el elemento disipador.

Ello se debe a que disponen de un laboratorio completamente equipado para analizar las características técnicas de la pasta juntamente con los simuladores de aplicación y térmico.

Estudio de difusión térmica

Con todas las consideraciones de diseño, características del material, comportamiento frente al estrés térmico y la obtención de los resultados del laboratorio, Fuji nos ofrecerá una comparativa con los parámetros más destacados en la utilización de los TIM (Thermal Interface Materials) :

• Capacidad de difusión
• Evolución de la Resistencia térmica en función del tiempo de vida
• Test termogravimétrico: Análisis de la degradación o pérdida de masa con el aumento de la temperatura
• Análisis del número de ciclos en los que aparecen fatigas de soldadura en PCB
• Obtención de imágenes térmicas

Ejemplo de tabla Termogravimétrica

De este análisis exhaustivo se obtiene una tabla donde se pueden observar las ventajas e inconvenientes de cada pasta. Con toda esta información Fuji ha definido una pasta predeterminada para la última generación de módulos IGBT’s, la serie X, optimizando el funcionamiento del conjunto módulo más disipador y su nexo el TIM.

Tabla Rt y número de ciclos

Los transistores IGBT de Fuji y otros componentes de su catálogo están disponibles en España y Portugal a través del distribuidor local especializado Venco Electrónica.

Para más información contacta con nosotros en nuestra web www.vencoel.com o directamente en la dirección de correo electrónico: info@vencoel.com