Calcolo Dissipatore Diodo Di Elevata Potenza

[gabbiano79]

Ciao a tutti, scrivo per porre un quesito elettronico che spero possiate risolvermi:

Devo calcolare quale aletta di raffreddamento (dissipatore) associare ad un diodo di elevata potenza riporto le caratteristiche con alcuni screenshot ed un link ad un manuale pdf

http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/0fe4/0900766b80fe48f7.pdf

In particolare, si evidenzia che la massima potenza dissipabile è 900W...

Devo quindi identificare un dissipatore (certamente di grandi dimensioni) da associargli.

Premetto che non sono un elettronico, ricercando su internet ho trovato un documento pubblicato dall'ITIS di Novara in cui è presente un metodo di calcolo per ottenere il giusto valore di un dissipatore.

Ho trovato quindi la formula Tj - Tamb = Pd · [Rt(j-c) + Rt(c-d) + Rt(d-a)] che penso molti di voi conosceranno.

riporto link della fonte e qualche screenshot di alcune pagine

http://www.itiomar.it/pubblica/Telecomunicaz/lezioni/4_anno/dissipaz.pdf

Ho provato ad applicare la formula Tj - Tamb = Pd · [Rt(j-c) + Rt(c-d) + Rt(d-a)] al mio specifico caso ma, con stupore, essendo elevatissimo il valore di Pd (potenza dissipata), considerando i miei dati, ottengo un risultato di valore negativo!

In particolare i miei dati sarebbero

Tj (temperatura massima del diodo) 100 °C

Tamb (temperatura ambiente) 25 °C

Pd (potenza dissipabile) 900W

Rt(j-c) resistenza termica fra giunzione e contenitore fornita dal costruttore: 0,12 °C/W

Rt(c-d) [resistenza termica fra contenitore e dissipatore] che dipende dal modo di fissaggio del componente al dissipatore 1,5 °C/W

Rt(d-a) [resistenza termica fra dissipatore e ambiente detta anche semplicemente “resistenza termica del dissipatore”]

Dovendo ricavare Rt(d-a) cioé la resistenza termica del dissipatore per sceglierne uno, la formula diventa

100-35=900*[0,12+1,5+x] quindi 100-35=108+1350+900x quindi x=1393/900 = -1,54 °C/W

ovviamente questo è un paradosso, nel senso che ottengo un valore di resistenza termica negativa... e non può essere.

suppongo che la formula utilizzata non sia adatta a questo tipo di calcolo, ma sia valida solo entro certi valori di potenza. In effetti, 900W di dissipazione di elettronico ha poco :-)

Qualcuno di voi può darmi una dritta... dove sbaglio? Nel calcolo? Nella formula? Quale criterio di valutazione o formula dovrei usare per ottenere il corretto dissipatore?

Grazie mille...

[Livio Orsini]

Non sto li a leggere tutto ed a verificare se no ci spendo ore.

Il problema è semplice, semplice si tratta di applicare la legge di ohm termica. Pensa di avere un partitore elettrico con 2 resistori in serie: il primo è la resistenza giunzione-case, il secondo è la resistenza case-aria; la temperatura stabilita per l'aria ambiente è come se fosse un valore fisso di tensione, così come la temperatuare di giunzione è il valore del generartore di tensione.

Questa è la teoria.

In pratica.

Devi dissipare 900 W vuoi tenere la temperatura di giunzione a 100^oC e presumi di avere la temperatura ambiente a 25^oC.

Il datasheet ti dice che la resitenza termica tra giunzione e case vale 0.12^oC/W, quindi con giunzione a 100^oC e 900 W dissipati il case avrà una temperatura pari a 100 - (900*0.12) = 100 - 108 = - 8^oC

In altri termini se vuoi dissipare 900 W devi mantenere il case a -8^oC!

hai 3 soluzioni:

1. Scegli un altro diodo
   
2. Diminuisci la dissipazione rivedendo il progetto
   
3. Raffreddi il case sino a -8^oC usando, ad esempio, un dissipatore in cui circola glicole raffreddato da un frigorifero.
   

[tesla88]

Di sicuro sbagli qualcosa nei calcoli , ora son di fretta , però la prima cosa che mi vien da pensare è che con Rt(c-d) di 1,5 °C/W , se hai 900W , ne consegue un aumento di temperatura enorme ...

Comunque non devi tenere conto della massima potenza dissipabile , ma di quella del caso specifico , ovvero quanti Amperé andrai a prelevare da tale diodo ?

Nuova elettronica aveva un articolo per calcolare le alette di raffreddamento fatto abbastanza bene ... se lo trovo te lo mando in privato

[Livio Orsini]

ovvero quanti Amperé andrai a prelevare da tale diodo ?

Tesla il discorso è identico.

La tensione diretta sul diodo è pari a 1.2 V (data sheet) per dissipare 900 W dovrebbe avere una corrente di 750 A che è un valore inammissibile per quel diodo.

Quasi certamente Gabbiano ha calcolato male potenza dissipata.

Rimane il fatto che il metodo di calcolo descritto dal tutorial citato è corretto.

L'uso di dissipatori in cui circola liquido di raffreddamento a temperatura negativa non è poi una cosa tanto strana. Ad esempio è normale nel caso di stack di SCR di elevatissima potenza.

[patatino59]

Scegli un altro diodo !

In un caso reale e' stato utilizzato un diodo di tipo Shottky che notoriamente ha una caduta di tensione molto bassa, per limitare moltissimo la potenza dissipata.

Inoltre e' consigliabile utilizzare un case metallico o a vitone e isolare il dissipatore, se necessario.

Modificato: 13 maggio 2013 da patatino666

[Livio Orsini]

In particolare, si evidenzia che la massima potenza dissipabile è 900W...

Mi era sfuggita questa tua affermazione, quindi sono andato a leggermi per intero il datasheet completo, ma non sono riuscito a reperire questo dato ne alcun dato che faccia riferimento diretto alla amssiam potenza dissipabile.

Probabilmente hai estrapolato questo dato considerando la cdt diretta massima di1.5 V moltiplicata per la massima corrente su carico resistivo pari a 600 A.

Però questo non è corretto, anche senza considerare il fatto che dovresti avere il case a 25^oC.

Più corretto considerare il case alla temperatura di 100^oC, con corrente di 300A e cdt massima pari ad 1.3 V, con dissipazione pari 390 W. In questo caso la giunzione raggiungerà 146.8^oC, praticamente il limite di funzionamento.

Se fissi invece, come temperatura di case 85^oC, scendi ad un più affidabile 131.8^oC di giunzione.

Per mantenere il case a 85^oC, con t_amb pari a 25^oC, dovrai montare il diodo su di un dissipatore avente una resistenza termica pari a 0.16^oC/W.

Avrai 390 * 0.16^o = 58.5^oC di salto termico tra ambiente e case e 390 * 0.12^o = 46.8oC di salto termico tra case e giunzione; in totale avrai un salto termico pari a 105.3^oC tra ambiente e giunzione, ovvero a 25^oC di ambiente la giunzione avrà una temperatura pari a 130.3^oC. Considerando che tra dissipatore e case ci sarà comunque una, seppur piccola, differenza termica sei al limite. E' consigliabile quindi montare un dissipatore con una costante di resistenza termica <0.16^oC/W.

[gabbiano79]

Ciao Livio,

giusto a completamento del tuo ragionamento, la potenza dissipabile non l'ho ricavata nei calcoli ma l'ho letta nel datasheet, in una pagina che ho anche riportato qui nel forum nel mio primo post.

Nella tabella "Absolute Maximun Ratings" c'è come ultima voce il valore di Pd "maximun power dissipation" e riporta 900W

La scelta di questo diodo è dettata proprio dalla portata in Ampere dello stesso... 300A per me sarebbero pochi, non dico 600A che è il limite massimo previsto ma... 450/500A potrebbero anche passarci.

Alla luce di questo dato, cioé dovendo considerare una simile corrente, il tuo ragionamento è ancora valido?

Continuo a non capire in linea teorica perché sia riportata la Pd max di 900W, un dato di targa (estremo certo, ma comunque nominale) di 600A ma comunque è nella pratica impossibile farlo funzionare a quei valori... mi spiego meglio: mi è facile comprendere come realmente dissipare 900W sia difficilissimo e magari richieda una energia eccessivamente dispendiosa... ma... se gli Ampere hanno questi valori, anche cambiando diodo (esagero, ci sono diodi da 1200A o più ad esempio) non avrei indicativamente sempre, con appunto quegli Ampere da far circolare, lo stesso problema?

[tesla88]

Tesla il discorso è identico

Ho postato mentre scrivevi anche tu , se avessi visto il tuo primo messagio , nemmeno avrei risposto

450/500A potrebbero anche passarci.

Sì ma continuativi o di picco , anche noi usiamo dei ponti di taglia simile per alimentare in DC bus alcuni azionamenti servo , ma i 400 Ampere sono MOLTO dalla parte della ragione , la corrente di lavoro è intorno ai 50-60 Amperé

[gabbiano79]

Sì ma continuativi o di picco , anche noi usiamo dei ponti di taglia simile per alimentare in DC bus alcuni az...

posso dirti che la stima è di avere 300-350A continuativi, con punte di picco (intese per qualche minuto, magari anche una decina) di 450-500A.

Come dire, 75% del tempo 350A, un 20% in un valore tra 350 e 450 ma inferiore a 450, un 5% tra 450-500A.

[ludo69]

attenzione, la massima potenza dissipata è sempre TEORICA e presuppone un dissipatore infinito senza resistenza di contatto, è quindi un dato ASINTOTICO del dispositivo e si ottiene, ipotizzando una temperatura ambiente di 25 gradi, dividendo il massimo salto termico (ovvero massima temperatura sopportabile dalla giunzione meno i 25 gradi ambiente) per la resistenza termica INTERNA al dispositivo ovvero quella tra giunzione e contenitore.

Purtroppo questa resistenza viene espressa solo come "massima" (che genera la minima "potenza massima" dissipabile), inoltre vedo un probabile errore nel possibile scambio dei dati tra la massima temperatura della giunzione quando lavora e quando è stoccata in magazzino: ben strano che la si bruci prima in magazzino che facendola lavorare....

Per tornare alla domanda del post forse è bene riggirare la frittata: quanti Watt è in grado di gestire il tuo sistema dissipato? ovvero trova un dissipatore, diciamo (invento...) 0,35 C/W aggiungi una resistenza di contatto diciamo (invento ancora...) 0,03 C/W allora mettendo tutto in serie troverai una resistenza tra la giunzione e il mondo esterno che è la somma di tutto, ovvero (partendo dalla giunzione) 0,12 + 0,03 + 0,35 = 0,5 C/W ovvero la giunzione si riscalderà di mezzo grado per ogni watt dissipato, quindi se hai aria a 40 gradi e vuoi limitara a 110 gradi la temperatura vuol dire che accetti un salto termico di 110-40=70 ovvero al massimo puoi dissipare 140W.

Il limite teorico del sistema in ipotesi è: 150 gradi di giunzione (ipotesi errore dei dati...) 50 gradi ambiente (altrimenti d'estate lo tieni spento...) salto termico 150-50= 100gradi, ovvero (0,5 C/W) massimo 200W teorici...

Attenzione , i 200W sono da riferirsi al caso del dissipatore come in ipotesi, altrimenti tutto cambia....

P.S.

Las fig.4 dei data certificano la mia ipotesi: il limite di funzionamento è 150 gradi....

Modificato: 13 maggio 2013 da ludo69

[Livio Orsini]

Ho postato mentre scrivevi anche tu , se avessi visto il tuo primo messagio , nemmeno avrei risposto

Tesla questo lo avevo intuito, il mio commento è più che altro volto ad evitare fraintendimenti da parte di chi legge.

Nella tabella "Absolute Maximun Ratings" c'è come ultima voce il valore di Pd "maximun power dissipation" e riporta 900W

Mi sa che devo cambiare gli occhiali.

Las fig.4 dei data certificano la mia ipotesi: il limite di funzionamento è 150 gradi....

Purtroppo è il limite fisico delle giunzioni di silicio.

se gli Ampere hanno questi valori, anche cambiando diodo (esagero, ci sono diodi da 1200A o più ad esempio) non avrei indicativamente sempre, con appunto quegli Ampere da far circolare, lo stesso problema?

Certo che no!

Sia io che Tesla ti abbiamo spiegato, affrontando il problema da due punti di partenza differenti, come calcolare i limiti di dissipazione.

In linea di principio non importa il valore di corrente massima ammissibile, ma quanto può dissipare la giunzione e qual'è la ressitenza termica giunzione - case.

Se, per assurdo, avessi u resistenza termica giunzione-case uguale a 0, non avresti problemi di sorta.

Come ti ho accennato in precedenza, in casi estremi si arriva al raffreddamento tramite liquido a temperatura inferiore allo zero.

Poi tieni presente che quando si parla di minuti, non è più un valore impulsivo ma continuo. Si può ipotizzare come valore istantaneo di corrente se, come dice il data sheet, quel valore di corrente è limitato ad una sola semionda.