Dissipazione termica modulo rettificatore a due diodi MBRP60035CTL

[Filibetto]

Buongiorno, averei utilità e curiosiotà di conoscere come è distribuita la capacità di trasportare la potenza termica sui contatti di questi moduli. Il dubbio esposto in forma di esempio è questo: se collegassi trascurando le differenze di perdita (termica) da contatto tra filo e dispositivo ad un filo di un metro da 35mm quadri di sezione sia i catodi che l'anodo comune e facessi scorrere una corrente di   100A la potenza termica come si distribuirebbe sui due lati del dispositivo? Potrei attendermi differenze di temperatura a 10 cm dal dispositivo sui due conduttori? Il dispositivo nel caso fosse dissipato termicamente tramite i contatti di anodo (al contrario di come è inteso normale dal datasheet) potrebbe non esserne contento? (a parte la superficie di contatto minore) Ringrazio chi vorrà aiutarmi  e spero non aver sbagliato a scegliere dove pubblicare. 

[Livio Orsini]

Bisogna conoscere:

1. La resistenza termica tra giunzione e morsetto di contatto elettrico.
2. La resitenza termica tra filo e superficie di contatto del morestto.
3. La resistenza termica del conduttore in °C/cm, similmente al medesimo parametro che viene fornito per i dissipatori.

Comunque la dispersino di calore di questa catena è molto piccola, pèoco soignificativa.

La dissipazione del calore deve avvenire tramite uno scambiatore appropriato su cui poggia il contenitore del semiconduttore.

[Filibetto]

Ringrazio della risposta che non mi aiuta nel dubbio che provo a riesporre: la mia ignoranza e interesse è di sapere se il componente diodo ha differente "capacità" di rilasciare potenza termica sul contatto per il catodo comune rispetto ai contatti degli anodi (assieme). In pratica: se il dissipatore di calore invece che come usualmente collegato al catodo comune venisse collegato agli anodi cambia? Oltre naturalmente, e trascurandola, la differenza di efficienza del contatto tra dissipatore e "device" che fissato al catodo ha area di 1790mm2 e gli anodi di 100+100 mm2. Chiedo questo perchè devo collegare gli anodi (di due moduli ognuno di due diodi che uso in parallelo)  alla piastra che dissipa il calore e il catodo dei due moduli agli estremi del secondario a presa centrale del trasformatore. In pratica vorrei sapere prima di trovarmici a constatarlo su una realizzazione se in questa configurazione il caldo si ripartisce in rapporto alle superfici di contatto e alla loro efficienza di scambio termico o esiste la variabile ulteriore che la potenza termica si distribuisce più su un lato che sull'altro. Estremizzando, come sulle celle di Peltier. 

[Filibetto]

Chiedo scusa se non si può, cancellate cortesemente quanto inquina questo bel Forum.

Ho provato questa intelligenza artificiale con molte riserve, ma la risposta che allego mi pare potrebbe anche essere. Voi cosa ne dite? 

 

"Sì, puoi aspettarti differenze di temperatura tra il lato anodo comune e il lato catodi, anche usando gli stessi cavi da 35 mm² e la stessa corrente di 100 A. Il motivo principale è che il calore non si distribuisce solo in funzione della corrente nel rame, ma soprattutto in funzione di dove viene generato internamente nel modulo e di come il package è progettato per evacuare quel calore.

Dato che parli di “anodo comune” e “catodi”, immagino un modulo a doppio diodo o SCR di potenza press-pack o modulo isolato.

1. Dove nasce il calore

La potenza dissipata interna è circa:

P=Vf⋅IP = V_f \cdot IP=Vf⋅I

Per esempio, con:

• Vf≈1.0–1.3 VV_f \approx 1.0\text{–}1.3\ \mathrm{V}Vf≈1.0–1.3 V
• I=100 AI = 100\ \mathrm{A}I=100 A

si hanno facilmente 100–130 W dissipati nel chip.

Questa potenza non nasce “simmetricamente” rispetto ai terminali: il chip è fisicamente costruito con:

• metallizzazione superiore,
• substrato,
• base rame/molibdeno,
• saldature,
• DBC o frame interno,
• terminali di uscita.

Quindi esiste una resistenza termica diversa verso ciascun terminale.

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2. Il terminale “termicamente dominante”

In moltissimi moduli:

• la base metallica o il lato previsto per il dissipatore è collegato internamente a uno degli elettrodi;
• l’altro terminale è pensato più per conduzione elettrica che termica.

Questo significa che:

• una parte molto maggiore del flusso termico esce da un lato specifico;
• i terminali non sono equivalenti dal punto di vista termico.

Quindi:

• se il datasheet prevede dissipazione dal lato anodo,
• e tu inverti la filosofia dissipando attraverso i catodi,
  potresti aumentare molto la temperatura di giunzione.

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3. Il cavo da 35 mm² “uniforma” poco vicino al modulo

Il rame da 35 mm² ha bassa resistenza termica lungo l’asse, ma:

• il calore entra nel cavo attraverso una sezione relativamente piccola;
• il contatto terminale-cavo introduce un collo di bottiglia;
• nei primi centimetri domina la geometria del terminale.

Per questo è assolutamente plausibile vedere:

• a 10 cm dal modulo:
  • un conduttore sensibilmente più caldo dell’altro,
  • anche con identica corrente RMS.

Specialmente a 100 A continui.

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4. Quanto può essere la differenza?

Dipende dal package, ma differenze di:

• 5–15 °C sono del tutto plausibili,
• anche superiori nei moduli dove un terminale è direttamente collegato al leadframe principale.

Nei moduli press-pack o hockey-puck la differenza può essere ancora più marcata.

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5. Il dispositivo “potrebbe non esserne contento”?

Sì.

Perché il datasheet implicitamente assume:

• una certa direzione del flusso termico;
• determinate isoterme nel package;
• gradienti meccanici specifici.

Invertire il verso preferenziale di evacuazione può causare:

• aumento della TjT_jTj,
• hotspot locali,
• stress meccanici sulle saldature,
• distribuzione non uniforme della corrente nel chip.

La resistenza termica giunzione-case infatti spesso è definita solo verso il lato previsto:

Rth(j−c)=Tj−TcPR_{th(j-c)} = \frac{T_j - T_c}{P}Rth(j−c)=PTj−Tc

ma il “case” del datasheet non è genericamente qualsiasi terminale: è quello specificato dal costruttore.

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6. Un aspetto molto importante: corrente ≠ flusso termico

Elettricamente:

• 100 A entrano da un lato ed escono dall’altro.

Termicamente invece:

• il calore prende tutti i percorsi disponibili,
• ma segue le resistenze termiche minori.

Quindi puoi avere:

• corrente perfettamente simmetrica,
• ma flusso termico fortemente asimmetrico.

È un punto controintuitivo ma fondamentale.

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7. Cosa osserveresti praticamente

Con termocamera o termocoppie potresti vedere:

• terminale “termico” molto caldo vicino al modulo;
• gradiente termico lungo il cavo;
• lato opposto relativamente più freddo.

Tipicamente:

• il delta massimo è vicino al package;
• dopo decine di cm il rame tende a uniformare.

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8. Un dettaglio che spesso sorprende

In alcuni moduli il terminale elettricamente “più robusto” non è quello termicamente migliore.

Per esempio:

• il terminale con area metallica maggiore può avere percorso termico peggiore;
• mentre il lato connesso direttamente al substrato ceramico/baseplate dissipa meglio.

Per questo il datasheet termico è molto più importante della semplice geometria esterna.

[Livio Orsini]

Ti do una risposta semplice semplice.

Il progettista-costruttore di questo doppio diodo, ha stabilito che il dissipatore di calore deve essere applicato al fondo metallico del contenitore, di conseguenza ha collegato termicamente le giunzioni a questa piastra.

Contemporaneamente fornisce, all'utilizzatore, il dato di resisività termica tra giunzione e piastra del contenitore.

Una parte, poco significativa, del calore può essere estratta anche dai conduttori di collegamentoi degli anodi, ma questa quantitàè ininfluente.

 

Tutto il reso son solo speculazioni e chiacchere inutili.

Scusa la franchezza, ma a cosa ti serve sapere quanto puoi dissipare tramite i conduttori collegati agli anodi?

 

 

[Filibetto]

Grazie, è quello che volevo sapere. In realtà avendo da gestire correnti attorno ai 400A il dubbio di come potrebbe distribuirsi il calore sui contatti dei diodi credo positivo averlo.

[Livio Orsini]

8 ore fa, Filibetto ha scritto:

dubbio di come potrebbe distribuirsi il calore sui contatti dei diodi credo positivo averlo.

 

Il rame è un ottimo conduttore di temperatura, quindi se i morsetti collegati ai 2 anodi si riscaldano anche il cavo ad essi collegato aumenterà di temperatura; inoltre lo stesso passaggio di corrente tende a riscaldare il rame. 

[Filibetto]

Grazie, ci sono appunto anche questi fattori da considerare. Finora avevo costruito le mie (piccole) macchine elettriche abbondando su tutto quello che era superficie di contatto termico fra i componenti, i conduttori, ed anche sulle superfici dissipanti e non ho avuto problemi. Qui mi ritrovo con "dimensioni" su cui non ho esperienza a dover sottrarre calore ai conduttori del secondario, a sfruttare i riscaldamenti in alcune connessioni  per far lavorare i diodi attorno ai 100 gradi, tenere corti i collegamenti. Molto una bella cosa dover trovare soluzioni per me nuove.

[Livio Orsini]

Dove sono impiegati questi diodi? Di quale apparato si tratta?

[Filibetto]

Sona a valle di un trasformatore con presa centrale, (227 V / 5-0-5 V)  due (doppi) in parallelo per ramo (quattro moduli in tutto) collegati agli estremi del secondario a presa centrale del trasformatore col catodo comune e i 2+2+2+2 catodi al corpo della cella  per avere il positivo sulla presa centrale del trasformatore collegato alla testa della cella. Alimentano una cella ossidrogeno per orafi con 400A massimi e un consumo (totale) a 220V di 10,5A. Il controllo è effettuato riducendo la tensione al primario collegando in serie un secondario da circa 60V di un altro trasformatore a sua volta alimentato da 0 a 220 con un Variac. La macchina pesa circa 75Kg.

 

 

Modificato: 22 ore fa da Filibetto

[Livio Orsini]

Pensavo ad un grosso convertitore.

Quindi se ho capito bene serve a produrre idrogeno per elettrolisi.

[Filibetto]

Si, questa cella produce una miscela di ossigeno ed idrogeno, altre configurate opportunamente riescono a rendere prelevabili alla stessa pressione i due gas separati. Questa miscela molto esplosiva viene in uscita dalla macchina fatta transitare in un gorgogliatore contenente alcool metilico con disciolto acido borico che fermano il ritorno di fiamma ed arricchiscono la miscela dei vapori dell'alcool metilico così addizionato che rende la fiamma disossidante per molti metalli.

La questione termica la ho pensata così: i due capi del trasformatore il cui avvolgimento è piattina di rame  2,8 x 8 mm  parallelata tripla, (circa 9x8) vengono ogniuno collegati fissandovi ai lati tramite 2 cavi flessibili AWG5 (16,8 mmq) terminati doppi per diventare quattro; questi quattro, terminati e fissati singolarmente alla piastra in alluminio al lato alto 330mm (500 x 330 spessore 4 mm). Due di questi capi sugli spigoli a 40mm dai bordi e gli atri 2 distribuiti fra i primi due allo scopo di ottimizzare nella piastra le sue capacità di conduttore sia termico che elettrico. I diodi, all'estremità opposta, lontani 350, 400mm dovrebbero così essere nel posto dove possono scaldare col minimo trasferimento di calore al secondario. La piastra, riscaldata ai due lati corti ed impegnata nel trasporto della corrente evitando concentrazioni locali dovrebbe avere minimizzato il suo autoriscaldamento ed ottimizzato la capacità di dispersione. Se ci sono riuscito si vedrà, perchè con queste correnti si scalda localmente subito laddove non è fatto bene.

[Livio Orsini]

È molto importante la coppia di serraggio delle viti sui morsetti corrispondenti ai due anodi.

Per evitare capicorda considera anche l'impiego di flexibar, come si fa nei convertitori di potenza medio alte.

Modificato: 9 ore fa da Livio Orsini

[Leone2285]

Scusami se il calore creato è così critico per il funzionamento del tuo dispositivo dovresti pensare a dissiparlo meglio in modo attivo magari forzando dell'aria attraverso una ventolina o cercando di applicare dei dissipatori che aumentino la superficie di contatto con l'aria. Come detto da Livio il corretto serraggio garantisce una migliore dissipazione ma non può fare miracoli se il tuo sistema è sottodimensionato. 

[Filibetto]

Si, per gli anodi è proprio prevista una specie di "flexibar"; sono tutti verso una piastrina centrale alta 350 e larga 170mm  di rame da 2,5mm che per ridurre lo spazio fra le lastre esterne da 34,5mm a 26mm è conformata a fisarmonica conle punte appiattite. Per cercare un contatto ottimale tra la lastra fine di rame e le piazzole rotonde dei diodi ho pensato di usare rondelle di rame 6,5 x 12mm spessa 2mm e collocare l'assemblato in modo da poter controllare i serraggi.

 

Grazie, non sto risolvendo problemi, sto ottimizzando, cerco efficienza; la macchina per altri funzionava bene così. Per me scalda troppo, fa troppa aria e troppo rumore. Rispetto a come era messa prima, potrò contare su una dissipazione dei diodi almeno dimezzata, la superficie radiante delle piastre in alluminio raddoppiata, ed è aggiunta quella piccola in rame ed i conduttori dal trasformatore che dissipano più di quanto scaldano per dove sono rispetto al flusso d'aria. Anche i flussi interni alla macchina sono stati "controllati" attraverso le dimensioni dei passaggi per attraversarla. La ventola che ora è fissa, molto forte e rumorosa vorrei ridurne la potenza o sostituirla con una regolabile che faccia poco rumore. Sì i serraggi sono molto importanti come la considerazione delle dilatazioni termiche, per me è molto complesso modificare soluzioni ma è il mio divertimento.        

Modificato: 5 minuti fa da Filibetto