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

Introducción:

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

El paquete de los transistores utilizados es A-247-3, el área de metal es de 140 mm2 según: infineon el material de la interfaz (almohadilla de silicona, aislante y sin grasa) utilizado tiene una impedancia térmica de 0,23 °C-in2/W (@50 psi ), el espesor, la conductividad y otros parámetros se proporcionan en esta tabla:

tabla 1

El sensor de temperatura tiene una orejeta de montaje y se atornillará en el disipador de calor directamente cerca del transistor similar a este amplificador.

Amplificador

La potencia disipada por cada transistor es de 5 W, la temperatura máxima de unión es de 175 grados Celsius y Rjunc/caja es de 0,29 grados/W.

parámetros térmicos del transistor

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. 140 mm2 = 0,217 pulgadas2, por lo que la resistencia de la almohadilla de silicona es 0,23/0,217 = 1,05 grados C/vatio.
  2. la resistencia total desde la unión hasta el sumidero es 1,05+0,29= 1,34.
  3. delta T = 1,34*5w= 6,74 grados C. Entonces, ¿se permite que el disipador de calor alcance 150-6.74 = 143.25 grados Celsius?

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

Rds(on) MAX se encuentra a partir de esta curva a 125 grados.Resistencia

PREGUNTA: Siento que los números no se suman (porque otras partes en la placa de circuito impreso se tostarían si la carcasa está a una temperatura tan alta) corrija mis cálculos y dígame lo que me falta. e indique cuál es la temperatura de la carcasa a la que se alcanza el límite térmico.

¿Cómo sabes que son solo 5 vatios? ¿Cuál es la peor temperatura ambiente posible alrededor del disipador de calor? ¿Cuál es la resistencia térmica del disipador de calor?
He agregado cómo obtuve la cifra de 5w, no con respecto a la resistencia térmica del disipador de calor, desafortunadamente no tengo este número (pero es un gabinete completo de aluminio que pesa 1 kg y tiene algunas aletas, el ambiente máximo es de 40 a 45 grados centígrados.
pero ¿por qué es relevante la resistencia del disipador de calor y el ambiente? El sensor de temperatura se coloca al lado del transistor de potencia, para que podamos saber exactamente la temperatura del disipador de calor y volver a la unión. la idea de usar el sensor de temperatura es evitar los cálculos térmicos de la tinta térmica y las diferentes condiciones ambientales.
El sensor de temperatura es por seguridad, pero el disipador de calor debe estar correctamente dimensionado para las peores condiciones ambientales y de disipación. ¿Cómo piensas hacerlo?
lea la introducción: "Estoy actualizando un "amplificador de potencia" que un compañero ingeniero ha diseñado, mi trabajo es agregar protección térmica contra fallas en el uso prolongado (o si el operador no lo usa)". , otro ingeniero ha diseñado el producto y ha realizado sus pruebas y se supone que funciona correctamente.
Aunque 20kHz no es tan rápido, deberá tomar C o s s pérdidas en cuenta también.
Según el documento de Infineon citado, el área metálica del paquete TO247 es en realidad de 215 mm2 (parche de contacto rectangular de 17,52x14,02=245,6 mm2, menos el orificio de 8,85 mm => 4,6 mm2). ¿Veo esto incorrectamente?
el área de preocupación es el área de contacto térmico, que es la parte metálica, citaré la página 3, segundo párrafo: "El área típica de la almohadilla térmica de un TO-247-3 estándar es de aproximadamente 140 mm2, mientras que el área típica de la almohadilla térmica de la versión PLUS es de unos 190 mm2"

Respuestas (2)

A juzgar por la imagen (si ese es el amplificador en cuestión), es un disipador de calor bastante grande para 4 MOSFET que disipan 5W cada uno. Sin embargo, parece que hay otras fuentes de calor conectadas al disipador de calor, y aunque no dice qué se están disipando, o cuáles son las impedancias térmicas de otras fuentes de calor a los MOSFET en cuestión, estoy tentado a decir que el ¡ellos (en combinación con el disipador de calor) tienen la misma probabilidad de calentar sus MOSFET que de 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 (y suponiendo que no haya otras fuentes térmicas trabajando aquí). Los disipadores de calor son buenos, pero no perfectos, conductores de calor, y al menos parte del calor del transistor fluirá más allá del sensor de temperatura hacia otras partes del disipador de calor. Sin embargo, es poco probable que esto altere mucho sus conclusiones.

Como otros señalaron, 5 W no es una gran cantidad de energía para disipar en un transistor, y en este caso el transistor puede no ser el límite térmico operativo. ¡Podría considerar al usuario pobre, que ciertamente no querría manejar un amplificador con un disipador de calor de 150˚C! Los problemas de salud y seguridad bien pueden dictar un corte térmico mucho más bajo que 150 ˚C, y sugeriría que en cualquier corte térmico superior a 100 ˚C, usted está "jugando con fuego", en cuanto a salud y seguridad.

Aparte de las 2 consideraciones térmicas no contabilizadas mencionadas anteriormente, creo que sus cálculos están bien. Tiene razón en que no quiere cocinar los otros PCB con una temperatura de 150˚C, y la mayoría de sus otros componentes probablemente tengan una temperatura nominal de algo así como una temperatura máxima de 75˚C. Dado eso, y la consideración de H&S, incluso podría considerar establecer 75˚C como su temperatura de corte térmico.

+1 por incluir TODAS las fuentes de calor que comparten el mismo disipador térmico. La temperatura ambiente también juega un factor importante si no se controla. Los mosfets del lado derecho parecen un convertidor DC-DC. La pared trasera es de rectificadores. El lado izquierdo son las salidas de audio. Todo eso es calor acumulado.
La última vez que tuve este problema, 75 grados era para conductores térmicos deficientes como el plástico, que permitía subir más (el mismo principio que caminar sobre carbón incandescente), pero para buenos conductores como el acero y el aluminio, el límite para cuando hay un amarillo PRECAUCIÓN: SUPERFICIE CALIENTE la pegatina que se necesitaba era de 65 grados.
muchas gracias Andy, Sparky y Winny, este es exactamente el tipo de comentarios que estaba buscando. solo como aclaración, este no es el amplificador con el que estoy trabajando, es algo similar. así que ahora, gracias a ustedes, sé que el sensor de temperatura debe cortarse a un máximo de 65-75 grados. Eso significa que puedo empujar más potencia del transistor :)) sí :)) el límite inferior será algo así como 45-55 grado de histéresis. Mantendré la recompensa abierta en caso de que otros quieran brindar más ayuda y experiencia.

Correlación entre potencia y temperatura...

Lo que creo que te estás perdiendo es que el transistor de ese tamaño y potencia nominal probablemente no alcance los 150 grados C con solo una salida de 5W. Es decir, no tendrá simultáneamente ambas condiciones verdaderas.

Por lo tanto, tu resta no es un enunciado verdadero. Crees:

T C a s mi ( 5 W ) + R s y s t mi metro ( 5 W ) = 150 o C

cuando en realidad, es probablemente algo como...

T C a s mi ( 50 W ) + R s y s t mi metro ( 50 W ) = 150 o C

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

¿Por qué molestarse con esto?

Parece que se está acercando a una situación térmica compleja, en la que no tiene todos los modelos térmicos relevantes, ni todos los detalles relevantes sobre la construcción y el funcionamiento, al intentar aplicar matemáticas sobre cualquier parámetro de la hoja de datos que parezca relevante. Esto no es probable que funcione.

Propongo una alternativa: medirlo.

  1. Cree un entorno ambiental en el peor de los casos.

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

  3. Medir la temperatura de la caja de los transistores.

Repita este proceso de calor y frío 10 veces en 10 unidades.

Los 3 Regímenes

Los resultados de sus 100 ensayos le dirán cuáles de estos son verdaderos:

  • No hay problema : la temperatura máxima observada estuvo muy por debajo del límite de diseño de 125 °C. En este caso establezca el límite en la producción a la tolerancia superior de su sensor de temperatura por encima del máximo observado en los 100 ensayos. Esto es probablemente lo que verás.

  • ¡Oh, no! -- La temperatura máxima observada estuvo muy por encima de su límite de diseño de 125oC. Deberá rediseñar el producto. El diseño no cumple con las especificaciones. Es muy probable que este no sea su caso, ya que sabe que el producto ha funcionado con éxito en el campo.

  • Tal vez un problema : la temperatura máxima observada estuvo dentro del rango de su límite superior de 125oC. Será necesario realizar un análisis más detallado y preciso. Si esto es lo que ve en sus pruebas, ahora vale la pena el esfuerzo de una investigación más profunda o un rediseño que mejore sus márgenes operativos térmicos.

¿Excesiva exponenciación?
Al OP: en otras palabras, sus cálculos son correctos para el caso en que solo está disipando 5W. Pero no sé de dónde sacaste esa cifra. A menos que sea un amplificador de clase D, o uno muy silencioso, el transistor probablemente disipará más de 5W.
Es una especie de amplificador de Clase D, como se puede inferir de la pregunta de ElectronS: "utilizó 45 A conmutados en topología de medio puente a 20 kHz desde un controlador de puerta decente para minimizar las pérdidas de conmutación"
@AndyW, hace dos días, cuando escribí mi comentario, la parte sobre el medio puente aún no estaba incluida en la pregunta.
ah Veo. Tienes mis simpatías. Ese es el problema con la edición de preguntas... las respuestas y la pregunta comienzan a divergir. Una respuesta perfectamente buena se vuelve incorrecta después de que se edita y cambia una pregunta... He tenido respuestas negativas debido a esto.
Sin embargo, @AndyW, en este caso estoy contento con eso. No respondí, comenté porque algo parecía un poco sospechoso. Luego, el OP agregó más información a la pregunta que lo hizo más claro. Así que todo está bien.
¿Cuál es la temperatura a la que se alcanza el límite térmico de un amplificador?
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