¿Dos disipadores de calor separados conducen a menos volumen que uno?

Actualmente estoy diseñando un disipador de calor para manejar el calor de un diodo y un MOSFET. Puedo elegir dos o un disipador de calor, y mi objetivo es minimizar el volumen del disipador de calor.

Intuitivamente, pensaría que un disipador de calor tanto para el MOSFET como para el diodo daría lugar a la menor cantidad de volumen, pero mis resultados muestran que dos disipadores de calor separados (uno para el diodo y otro para el MOSFET) dan como resultado la menor cantidad de volumen total , ¿puede esto tener sentido? Si es así, agradecería mucho si alguien pudiera dar una explicación intuitiva de la misma.

Para obtener mis resultados utilicé el siguiente procedimiento:

Para obtener el R_ha=R_heatsink_to_ambient cuando MOSFET y diodo comparten disipador térmico, se utilizó el siguiente circuito térmico equivalente:

Diodo y Mosfet comparten disipador de calor

Al calcular la temperatura del disipador de calor que garantizaba una temperatura de unión de diodo y MOSFET inferior a los valores nominales, se encontró R_ha.

Cuando el diodo y el MOSFET no compartían disipador térmico, se usaba el siguiente equivalente térmico:

Diode y Mosfet no comparten disipador de calor

Luego se calculó R_ha_diode y R_ha_mosfet para satisfacer la temperatura nominal del diodo y MOSFET. Aquí es donde creo que estoy haciendo mal el procedimiento, porque el calor del MOSFET no influye en el diodo y viceversa.

Al usar la hoja de datos del disipador de calor, encontré el volumen para diferentes frecuencias de conmutación (los volúmenes mínimos factibles se seleccionaron de la hoja de datos):

Volumen total de disipador de calor/disipadores de calor

Como puede ver en el diagrama de dispersión, en todos los casos en los que se usaron dos disipadores térmicos, el volumen total de los dos disipadores térmicos fue menor que si se usara un solo disipador térmico. Por supuesto, no estoy preguntando si mis números son correctos, lo que me pregunto es:

  1. ¿Es lógico mi resultado, tiene sentido que el volumen total sea menor con dos disipadores de calor?
  2. ¿Es correcto el modelado térmico?
¿Es el volumen lo que controla la transferencia de calor o el área superficial?
De un vistazo rápido, parece que está calculando el disipador de calor más pequeño permitido (R_ha más alto permitido) para una temperatura de unión máxima. Según su modelo, parece que cuando los dos dispositivos están en el mismo disipador térmico, la temperatura máxima permitida será la unión térmica más baja permitida. Cuando los separa, el dispositivo que tolera temperaturas más altas necesitará arrojar menos calor, lo que lleva a una menor resistencia térmica general necesaria. (Si entendí bien lo que hiciste)
La transferencia de calor entre un sólido y un fluido suele ser MUY compleja.
esta no es una pregunta de electrónica... es una pregunta de geometría... investigue la relación entre forma, volumen y área de superficie
Piensa por qué en invierno los animales (incluidos los humanos) se acurrucan para calentarse. Esto es lo contrario de lo que desea para los componentes que intenta enfriar.

Respuestas (2)

El disipador de calor no solo disipa el calor.

Cuando conecta ambos dispositivos al mismo disipador de calor, el disipador de calor transportará el calor de un dispositivo al otro con bastante eficacia. Entonces, incluso cuando uno de los dispositivos no está disipando mucha energía (si la hay), si el otro dispositivo está disipando energía, ambos dispositivos se calentarán.

Para un ejemplo extremo, considere dos dispositivos. Uno puede funcionar a, digamos, 120C todo el día. El otro tiene una temperatura de unión máxima de 100C. Se disipa mucho mientras está encendido, pero tiene un ciclo de trabajo bastante bajo.

Si cada uno tiene su propio disipador de calor, la parte de ciclo de trabajo bajo solo necesita suficiente volumen de disipador de calor para evitar que su temperatura suba por encima de los 100 °C durante el breve tiempo que está encendida. Obviamente queremos un poco más, por lo que normalmente lo mantenemos por debajo de, digamos, 85 °C. Sin embargo, sigue siendo un disipador de calor bastante pequeño, porque cuando el dispositivo está apagado, el disipador sigue enfriando el dispositivo, por lo que el dispositivo se ha enfriado hasta, digamos, 50 °C antes del comienzo del siguiente ciclo.

Pero si conectamos los dos juntos, ahora tenemos que tener suficiente volumen no solo para evitar que el dispositivo de baja temperatura supere los 100 °C en su breve pico de uso, sino que también tenemos que disipar suficiente calor del dispositivo constantemente encendido para manténgalo por debajo de 100C todo el tiempo también, específicamente, lo suficientemente por debajo de 100C para dejar algo de espacio para que el dispositivo de ciclo corto agregue aún más mientras está encendido, y aún permanezca por debajo de 100C (y nuevamente, sin duda, realmente queremos dejar algo de colchón, por lo que probablemente queramos un máximo de 85 o algo así, no 100).

Por lo tanto, si el dispositivo encendido constantemente estuviera conectado solo a su propio disipador de calor, podría funcionar a 105 ° C todo el tiempo y aún así tener un colchón decente. Pero si conectamos los dos juntos, tenemos que disipar lo suficiente para mantenerlo a 85 ° C o menos para tener el mismo colchón.

Seguramente debe depender de los detalles del disipador de calor.

Puedo pensar en un ejemplo donde el volumen es idéntico.

Imagine un disipador de calor prismático con un dispositivo en cada mitad. El disipador de calor requeriría un cierto volumen y los dispositivos alcanzarían una cierta temperatura de unión.

Ahora divida el disipador de calor entre los dos dispositivos con un corte infinitesimal en un punto tal que no fluya calor entre las dos mitades del disipador de calor.

Ahora hay dos disipadores de calor con un volumen total idéntico al escenario anterior y tiene exactamente el mismo volumen de disipador de calor y exactamente las mismas temperaturas de unión.

El diodo y el MOSFET pueden tener diferentes temperaturas máximas de unión, así como también una disipación de potencia diferente que puede afectar el resultado. También puede ser ventajoso que el aire ambiente de refrigeración fluya primero sobre uno antes que sobre el otro.

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