Impedancia termica transitoria MOSFET

#1
Hola

Estoy haciendo un driver para controlar un motor DC a través de un Mosfet IRF3205. Trabajará a través de pulsos de 490Hz a un Duty Cycle del 50%.

He calculado la potencia de conducción y la potencia de conmutación y la suma me sale una potencia total de 16.2W

Ahora calculo el disipador:

Tjmax = 175ºC
Rtjc = 0.75ºC/W
Pasta silicona TO-220 = 0.5ºC/W

Calculo Tj con un coeficiente de 0.7

Tj = Tjmax * 0.7 = 175 * 0.7 = 122.5ºC

Luego calculo el disipador con una temperatura ambiente de Ta=40ºC

Rthda = (122.5 - 40 /16.2) - 0.5 - 0.75 = 3.84 ºC/W

Pero mi duda es que cuando el Mosfet trabaja en modo transitorio (por pulsos), existe una impedancia térmica transitoria (Zthjc) que se representa en la gráfica del datasheet que adjunto.
La Zthjc afecta al Tjmax y proporciona unas formulas. Aplicando la primera formula se encuentra la Zthjc a través de la gráfica. En mi caso tengo que D=0.5 y mirando la gráfica encuentro que Zthjc = 0.5. Para poder aplicar la segunda fórmula, se necesita calcular la temperatura de la capsula Tc.

Tc = 16.2 * (0.5 + 3.84) + 40 = 110.31 ºC

Y finalmente podemos calcular Tjmax a través del valor de Zthjc

Tjmax = Tc + Pmax * Zthjc = 110.31+ 16.2 * 0.5 = 118.408 ºC

Mi duda es esta Tjmax que se calcula con Zthjc. ¿Que significa?

-¿Es la temperatura máxima que llegará la unión y por lo tanto he sobre-dimensionado el disipador?
o
-¿Esta Tjmax (118.408 ºC) sustituye a la Tjmax original (175 ºC) y por lo tanto se debe re-calcular el disipador con esta nueva Tjmax?

Necesitaría ayuda. Gracias
 

Adjuntos

#2
Hola,
En mi caso tengo que D=0.5 y mirando la gráfica encuentro que Zthjc = 0.5. Para poder aplicar la segunda fórmula, se necesita calcular la temperatura de la capsula Tc.
No hace falta, simplemente puedes utilizar la Zthjc de 0.5ºC/W en vez de 0.75ºC/W
Zthjc significa inpedancia termica, y Rthjc resistencia termica. Al igual que con los electrones, con la temperatura, en alterna,... digamos que la "resistencia cambia", y la llamamos impedancia. Segun entiendo, esto se deve a la inercia termica.

Podrias calcular todo con resistencias termicas, como lo tienes al principio, que segun veo, tienes todos los calculos correctos...
O, podrias aplicar impedancias termicas, y asi mejoraria el escenario, y te darias cuenta de que al calcular solo teniendo en cuenta la resistencia termica estas sobredimensionando... Pero ten en cuenta que no solo el transistor (encapsulado To-220) tiene inercia termica, tambien el disipador, incluso la pasta termica (aunque se suele despreciar).

http://www.infineon.com/dgdl/Infine...n.pdf?fileId=db3a30431a5c32f2011aa65358394dd2
 
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#3
Hola

Por lo tanto, se puede calcular el disipador sin tener en cuenta la impedancia térmica.

O por otro lado, a la hora de aplicar la formula de calculo del disipador en vez de utilizar Rtjc utilizas Zthjc que obtienes de la gráfica del datasheet, y así no sobre-dimensionas el disipador. ¿Es correcto?

Gracias por tu respuesta
 
#4
Por lo tanto, se puede calcular el disipador sin tener en cuenta la impedancia térmica.
Si, suele ser lo tipico.
Ademas, en aplicaciones donde el ancho de pulso sea variable conviene tomar el peor caso, que digamos seria usando solo la resistencia termica.

O por otro lado, a la hora de aplicar la formula de calculo del disipador en vez de utilizar Rtjc utilizas Zthjc que obtienes de la gráfica del datasheet, y así no sobre-dimensionas el disipador. ¿Es correcto?
La cuestion es que si solo aplicas la inercia termica del transistor, pues los calculos no te variaran mucho, (a no ser que trabajes con disipadores monstruosos).

Puedes entender que has sobredimensionado el disipador:
Rthda = (122.5(ºC) - 40(ºC) )/16.2(W) - 0.5(ºC/W) - 0.5(ºC/W) = 4.09 ºC/W

O que has dado un margen mayor de temperatura:
(tomando los 3.84 ºC/W de tus calculos)
Tjmax = 40(ºC) + 16.2(W) * (3.84(ºC/W) + 0.5(ºC/W) + 0.5(ºC/W)) = 118.408 ºC

Que yo sepa, se suele tomar en cuenta la impedancia termica para aplicaciones especiales.

Y los fabricantes de disipadores no suelen dar el dato de la impedancia termica.
http://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Ohmite%20PDFs/W_Series.pdf
Aunque podrias estimar algo, sabiendo la masa del disipador y el material, tampoco te lo recomiendo... porque estos calculos termicos son mas una aproximacion que ciencia cierta, cuando se requiere algo mas avanzado se echa mano de simulaciones (tanto como de modelos termicos del tipo del PDF adjunto en el post anterior), hasta a programas avanzados de elementos finitos (aunque esto si que es para casos muy muy especiales).


EJEMPLO:

He aqui una simulacion que hice, donde se muestra la diferencia entre tener en cuenta o no la impedancia termica, la question es que, esto es para una frecuencia de conmutacion de unos 10kHz y duty 50% (creo).

Solo se aplicaba esta potencia durante 200ms, por lo tanto, el disipador se tomo como un radiador ideal, ya que, era lo suficientemente grande como para que con la potencia disipada durante 200ms, la temperatura del radiador no subia ni medio grado.

Por otro lado, la temperatura maxima del radiador estaba limitado a unos 80ºC, por seguridad, asi que, se tomo el peor caso de cuando el radiador estaba a 80ºC. Lo que me salia que en el peor caso, cada 200ms la temperatura de la union del semiconductor llegaba a unos 95ºC (aproximadamente).

En la siguiente imagen se puede ver el aumento de temperatura (en negativo por questiones de simulacion):
MOSFET temperature rise.png
El rojo es el aumento con inercia termica. El verde y el azul podria decirse que son la media de esta. y el amarillo es el aumento de temperatura sin tener en cuenta la inercia termica (con la potencia media).

En esta aplicacion, diria que es relevante tener en cuenta la inercia termica, ya que, de otro modo los calculos dicen que necesitas un radiador como una casa de grande. Y resultaria imposible validar el diseño.
 
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