MOSFET de potencia: Cálculo de disipador y temperaturas

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1 ¿Cuanta potencia va a disipar mi MOSFET?

2 Teoría

3 Ejemplos y simulaciones

3.1 1W sin disipador

3.2 1W con disipador pequeño

3.3 1W con disipador sobredimensionado

4 Diseño usando ejemplo real.

4.1 Paso 1: Leyendo datasheets de MOSFETS

4.2 Paso 2: Análisis sin disipador

4.3 Paso 3: Cálculo del disipador

4.4 Paso 4: Entendiendo datasheets de disipadores

4.5 Resultados

Últimamente me ha rondado la cabeza hacerme una carga electrónica (Ya la he hecho), para probar fuentes de voltaje. Uno de los principales componentes de una carga activa, es el transistor de potencia que controla la corriente que pasa hacia las resistencias. Esto provoca que aumente mucho la potencia que tiene que disipar el transistor, por lo que generalmente vamos a necesitar un buen disipador de calor.

Así, que en esta entrada vamos a ver cómo podemos calcular la potencia que disipa el transistor, y cómo calcular el disipador/radiador que necesitamos. Vamos, a intentar hacerlo de la manera más sencilla posible.

¿Cuanta potencia va a disipar mi MOSFET?

El primer paso para empezar a hacer el análisis, es necesario saber la potencia que queremos disipar desde nuestro MOSFET. Aunque el análisis de verdad, acerca de la potencia disipada, es bastante compleja, y si hay que tener en cuenta el tiempo de subida y bajada…

Al final, como lo queremos para mantener una corriente constante en nuestra carga activa, la potencia disipada se puede calcular como: $P = V_{DS}\cdot I_D$ (Voltaje entre el drenador y el surtidor, y la corriente del drenador).

Circuito MOSFET

Por ejemplo, imaginemos que queremos que circule 0.2A por el circuito. El voltaje de la resistencia será 0.2V y por tanto, $V_{DS} = 4.8$ y por tanto la potencia total disipada será alrededor de $(0.2 A\cdot 4.8V = 1W)$

Teoría

La parte que necesitamos nosotros de teoría acerca de la transferencia del calor es bastante sencilla. Además, existe una analogía con los circuitos electrónicos, así que podemos hacer las cuentas y las ecuaciones de una manera ya conocida. Esta manera, es con circuitos electrónicos de resistencias y fuentes de corriente.

Y como relacionamos las propiedades físicas de temperatura, con las eléctricas?

Intensidad de corriente: Es la potencia.
Voltaje: Temperatura
Resistencia: Resistencia térmica.

Simplemente, de esta manera modelamos lo que le cuesta (resistencia), a la temperatura (voltaje), pasar de una capa a otra del MOSFET. La Resistencia termica nos indica cuantos grados va a subir un componente con respecto a otro, en función de la potencia que está soportando. Por ejemplo, si tenemos una resistencia entre chip y ambiente $R_{\theta JA} = 65^{\circ}/W$ , significa que el chip va a estar 65 grados por encima de la temperatura ambiente por cada vatio de potencia que esté soportando.

Ahora vamos a ver cómo se transmite el calor paso por paso, primero se calienta el chip, ya que es por él por donde pasa más corriente. La temperatura a la que está el chip es la $T_J$ o junction temperature y es la más importante de todas, ya que en los datasheets es el parámetro que te limita generalmente.

Luego, el calor generado en el chip se va moviendo hacia otras partes, generalmente el encapsulado o case, además el paso de temperatura lo hace a un ritmo concreto $R_{\theta JC}$ , que viene de resistencia entre la junction y la case. Este parámetro suele estar especificado en el datasheet.

En este punto dependerá, de si tenemos radiador o no. Si no tenemos radiador, el calor que está en el encapsulado ya pasa directamente al ambiente (empieza a calentar el aire de alrededor), este parámetro llamado $R_{\theta JA}$ (junction-to-ambient), también está siempre en los datasheet, y en los TO-220 suele estar entre 60-70º/W. Pero no nos adelantemos.

Por otro lado, si el transistor tiene disipador, el calor antes de ir al ambiente, irá al disipador, de ahí la $R_{\theta CH)$ , y por último del radiador al ambiente $R_{\theta HA}$ . Hasta aquí, más o menos lo podemos seguir, verdad? Aunque aún no sepamos operar con ello, nos hacemos una idea de como van las cosas. A continuación os dejo un esquema de esto que acabo de decir.

Hay que tener en cuenta que todas estas cuentas son temperaturas por encima de la temperatura ambiente. Es decir, con estas cuentas lo que calculamos es el incremento de temperatura sobre la temperatura ambiente.

Esquema de temperaturas y circuito equivalente

Por lo tanto la forma de hacer todo el cálculo, siguiendo los circuitos electrónicos es:

$T_J = ( R_{\theta JC} + R_{\theta CH} + R_{\theta HA} ) \cdot P + T_A$

Ejemplos y simulaciones

Antes de meternos con un caso real, vamos a ver con simulaciones como actúan los disipadores, y cómo podemos jugar con los datos…

Supongamos que estamos en el ejemplo de arriba, en el que nuestro MOSFET va a disipar 1W de potencia.

1W sin disipador

Si tenemos una potencia de 1W (que es nuestra intensidad en el circuito equivalente en las resistencias) y no tenemos radiador, podemos coger de los datasheet el valor de $R_{\theta JA}$ que nos da la relación entre la temperatura en el chip y en el ambiente, y multiplicarlo por la potencia.

Si ponemos en el simulador a disipar 1W desde dentro del MOSFET, vemos que en nuestro caso (no estoy simulando ningún MOSFET concreto), la temperatura sube a 123.7ºC, siendo la ambiente siempre 25º. Usaremos esta misma temperatura ambiente en todas las simulaciones que quedan.

MOSFET 1W sin radiador

Es decir, pasando 1W de potencia nos sube unos 100ºC/W, es decir la $R_{JA}$ de nuestro MOSFET es de 100.

1W con disipador pequeño

Para este ejemplo he cogido un pequeño disipador de RS , según el datasheet, el modelo ICKSMDF17, tiene un $R_{\theta}$ de 42 ºC/W (Es lo mismo poner K/W que C/W). Ya os aviso, que generalmente a este valor hay que multiplicarlo por 1.25-1.3, ya que las pruebas se hacen dando calor uniformemente a los disipadores, y nosotros solo lo estamos aplicando en una sola zona. Por lo tanto, vamos a usar el valor 42*1.3 = 54…

Y la casualidad… que hemos obtenido un valor de temperatura máxima alrededor de 50 grados menos que en el caso anterior… A ver si va a funcionar lo que os he contado!

Lo que hemos hecho aquí es cambiar el $R_{\theta CA}$ por $R_{\theta CH} + R_{\theta HA}$ . Es decir, hemos añadido el paso de calor del encapsulado al disipador y de ahí al aire, lo cual es mucho más eficiente.

Hay que tener en cuenta que no hemos mirado el juntion-to-case, suele ser un valor bastante bajo en comparación (1-2ºC/W), y lo tendremos en cuenta cuando hagamos un ejemplo con un MOSFET real.

1W con disipador sobredimensionado

En este caso vamos a hacerlo a lo bestia y vamos a coger este otro disipador. He modelado el de 100mm de largo y según el datasheet su $R_\theta$ es 1ºC/W. Es decir, si la temperatura ambiente son 25º, el disipador no debería pasar de 26º…

Si lo conectamos y lo simulamos…

Parece que los datos concuerdan más o menos!

Diseño usando ejemplo real.

Vale muy bien, pero y todo esto como lo usamos en nuestro diseño? Si queremos, diseñar el disipador de nuestro MOSFET, ¿Cómo sabemos si nuestro transistor va a aguantar la potencia? ¿Cómo elegimos el disipador?

Lo primero que necesitamos es saber, qué necesitamos… ¿Qué queremos diseñar? Vamos a suponer que queremos un MOSFET que soporte 10W de potencia. Vamos a coger el archi-conocído IRFZ44N.

Paso 1: Leyendo datasheets de MOSFETS

Lo primero que necesitamos saber son los datos térmicos y de potencia de nuestro MOSFET. Para ellos vamos al datasheet (link al IRFZ44N)y generalmente por el principio los tenemos que tener. Os recuerdo que si queries apoyar este contenido y necesitáis unos cuantos IRFZ44N podéis comprarlos a través de este link.

Valores máximos permitidos en el IRFZ44N.

Lo más importante, de cara al análisis de temperatura del MOSFET, son los valores que os he marcado: la potencia máxima y sobre todo la Junction Temperature (temperatura del chip). Después, si seguís avanzando en el documento podréis encontrar la sección ‘Thermal Resistance‘, donde se encuentran el resto de parámetros que nos interesan: las resistencias $R_{\theta JC}$ y $R_{\theta JA}$

Tabla de Resistencias Térmicas del IRFZ44N

Paso 2: Análisis sin disipador

Primero, vamos a comprobar que cumplimos todos los requisitos para que nuestro MOSFET funcione, ya que igual, no necesitamos disipador… Lo primero, los 10W están dentro del máximo permitido por el datasheet que son 94W. Lo siguiente es calcular la temperatura del chip (Junction), que se hace $R_{\theta JA}\cdot P = 62\cdot 10 = 620 ^{\circ}$ …

Ehh… Sí, lo habéis leído bien. Si dejamos al MOSFET sin disipación, soportando 10W de potencia, en teoría subiría hasta 620 ºC por encima de la temperatura ambiente. Por suerte esto no va a pasar, porque antes explotaría o se derretiría. De todas formas, lo que nos interesa es que esta temperatura esté por debajo de la $T_J$ máxima del datasheet 155ºC. Como estamos muy por encima de esa temperatura, significa que necesitamos disipar ese calor mediante un disipador/radiador.

Paso 3: Cálculo del disipador

Como hemos visto en el diagrama al principio del todo la temperatura del chip $T_J$ la podemos calcular a partir de la concatenación de todas las resistencias térmicas. Cómo vimos antes la ecuación de la temperatura es:

$T_J = ( R_{\theta JC} + R_{\theta CH} + R_{\theta HA} ) \cdot P + T_A$

De está ecuación tenemos casi todos los datos: El valor de $R_{\theta JC}$ lo podemos obtener del datasheet, como hemos visto anteriormente, para nuestro MOSFET sería de 1.5 ºC/W.

Por otro lado, el valor de $R_{\theta CH}$ es el más difícil de estimar ya que depende de la calidad del contacto entre el encapsulado y el radiador:

Si el MOSFET está simplemente atornillado sin ningún tipo de pasta térmica, $R_{\theta CH}$ se puede aproximar entre 1 y 2 ºC/W.
Si por el contrario estás usando pasta térmica, lo que hacemos es mejorar el contacto entre ambas superficies, y la resistencia estaría entre 0.2 – 0.6 ºC/W

Como la potencia del MOSFET la tenemos por diseño, y $T_J$ es la temperatura que queremos en el chip, podemos despejar la incógnita que nos falta $R_{\theta HA}$ . Hay que tener cuidado del valor que elegimos para $T_J$ , ya que el dispositivo durará más cuanto más baja sea esta temperatura. En el IRFZ44N el máximo es 155 ºC, pero habría que dejar un margen de seguridad, así que intentaremos que no pase de los 100ºC.

Además, acordaos que hemos dicho más arriba que el valor de resistencia térmica que nos da el datasheet de los disipadores, hay que multiplicarla por 1.3 aproximadamente.

La ecuación despejada sería:

$R_{\theta HA} = \frac{(T_J-T_A)/P - R_{\theta JC} - R_{\theta CH}}{1.3} = \frac{ 75/10 - 1.5 - 1.5}{1.3} = 3.46 ºC/W$

Paso 4: Entendiendo datasheets de disipadores

Vamos a coger este disipador del RS (datasheet). Además, os dejo una página de Aliexpress dónde podéis encontrar muchos disipadores para MOSFETs, eso sí sin datasheet 🙁

En muchos casos os darán un valor de $R_\theta$ numérico, os puede servir como referencia, pero es mejor buscar las curvas características. Ya que el valor de $R_\theta$ depende de la potencia y además hay que tener en cuenta que si se ventilan el rendimiento mejora y baja mucho el $R_\theta$ del radiador.

Disipador elegido

Generalmente todas las gráficas tienen el mismo aspecto, unas líneas que están relacionadas con el eje izquierdo e inferior, y otra línea para los ejes derecho y superior. Las flechas indican qué línea va a qué eje y como podemos ver la escala superior tiene “Air Velocity” lo que nos indica que la línea relacionada con esa escala está suponiendo que tenemos aire forzado (un ventilador).

Características del disipador

Vamos a suponer que estamos usando la serie 5335XX (línea continua). Podemos observar que para la disipación de 10W, sin aire forzado (ejes izquierdo e inferior), la temperatura del disipador subiría unos 42 ºC, por lo que su $R_\theta = 42/10 = 4.2 ^{\circ}C/W$ que es superior a la resistencia térmica que necesitabamos de $3.46$ , por lo que este disipador no nos permitiría cumplir los 100 ºC de $T_J$ .

Sin embargo, podríamos ponerle una fuente de aire a nuestro radiador que por ejemplo generase aire a 400 pies por minuto. Cómo ahora tenemos aire forzado, tendríamos que mirar la otra línea y vemos que en $400 ft/min$ la resistencia térmica (ahora nos dan el valor directamente) es de aproximadamente $1.8 ^{\circ}C/W$ . Es decir, si ponemos aire forzado, podemos usar radiadores más pequeños. Y además ya sería suficiente para nuestro caso.

Resultados

Como ya hemos encontrado el radiador que más o menos nos sirve vamos a ver a qué temperatura llegaría nuestro MOSFET en cada caso:

Sin radiador: $T_J = 620 + 25 = 645 ^{\circ}C$
Radiador sin aire extra: $T_J = (1.5 + 1.5 + 4.2\cdot 1.3) \cdot 10 + 25 = 109^{\circ}C$
Radiador con aire a 400 ft/min: $T_J = (1.5 + 1.5 + 1.8\cdot 1.3)\cdot 10 + 25 = 78.4^{\circ}C$

En este caso podríamos optar por varias opciones, buscar un radiador más grande y que sin aire tuviera una resistencia térmica algo menor, quedarnos con el que tenemos que hacer que funcione a 109º (todavía estamos dentro de los márgenes máximos), o podemos ponerle un ventilador y conseguir bajar mucho más la temperatura.

En este punto es donde entra la famosa solución de compromiso, dónde no podemos ganar en todo: O gastamos más espacio, o tenemos temperatura más alta, o tenemos más componentes (ventilador).

Espero que os haya parecido práctico e interesante, y no dudéis en dejarme cualquier duda en los comentarios.

MOSFET de potencia: Cálculo de disipador y temperaturas

Publicado por Gluón en 18/04/202018/04/2020

¿Cuanta potencia va a disipar mi MOSFET?

Teoría