1. Los fundamentos del flujo térmico
Cada componente de un sistema térmico puede clasificarse como uno o una combinación de:
- Fuente de calor — Componentes que generan calor (por ejemplo, transistores, transformadores)
- Disipador de calor — Superficies o estructuras que liberan calor al aire o al líquido.
- Conductor de calor — Materiales que transportan calor entre fuentes y disipadores
Fuentes de calor
En los convertidores CC/CC, las fuentes de calor incluyen componentes que transportan corriente eléctrica o campos magnéticos. Las pérdidas en estos materiales generan calor.
Disipadores de calor
Los disipadores de calor y los sistemas de flujo de aire disipan el calor al aire. Su eficiencia depende de superficie, diseño y flujo de aire. La resistencia térmica mide cuánto aumenta la temperatura ante una determinada pérdida de potencia.
Conductores de calor
Los metales como el cobre, pero también incluso las cerámicas, son excelentes conductores térmicos. El cobre es particularmente interesante porque conduce tanto electricidad como calor. Sin embargo, cuando las pistas de cobre transportan corriente, también generan calor, convirtiendo un conductor en una fuente. Esta naturaleza dinámica explica por qué La resistencia térmica no es un valor fijo..
2. Masa térmica y constantes de tiempo
Los materiales tienen masa térmica, es decir, la energía necesaria para cambiar su temperatura. El aire tiene una masa térmica baja, mientras que el agua tiene una masa térmica alta. Esto afecta comportamiento térmico transitorio debido a las diferentes constantes de tiempo térmicas dentro del sistema:
- chip FET: 10–50 ms
- Convertidor CC/CC: 2–10 s
- Sistema completo: minutos
Esto significa que los transistores de efecto de campo (FET) reaccionan rápidamente a los cambios de carga y a los cambios de temperatura, mientras que el sistema en general responde más lentamente.
3. Diseño para la eficiencia térmica
El objetivo es simple: minimizar la resistencia térmica cerca de las fuentes de calor y que el calor se extienda progresivamente a zonas más amplias.
Ejemplo:
- Un FET con una almohadilla térmica de 2×2 mm que disipa 1 W → 250 mW/mm²
- El calor fluye hacia una placa base y luego hacia un disipador de calor.
- Incluso con una placa base de cubierta abierta (35% abierta), el flujo térmico se reduce a 25 mW/mm²
Sorprendentemente, cubrir toda la placa base no siempre mejora el rendimiento, ya que el cuello de botella suele estar cerca de los transistores.
4. Dispersión del calor y disipadores de calor
Los disipadores de calor distribuyen el calor en el plano XY y aumentan la superficie de contacto con los disipadores térmicos. Sin embargo, a medida que aumenta el flujo de calor, la distribución se dificulta, lo que requiere disipadores más gruesos.
Diseño del disipador de calor
- La base del disipador de calor ayuda a mover el calor, complementando la placa base de CC/CC.
- La orientación de las aletas es importante en lo que respecta a la disipación del calor.
- El área de superficie y la orientación juegan un papel importante en el rendimiento.
- Los disipadores de calor de cobre ofrecen el mejor rendimiento en el manejo de la distribución desigual del calor.
Bloques térmicos (líquidos)
Los bloques térmicos son excelentes para disipar el calor de pequeñas áreas de contacto, reduciendo los gradientes de temperatura. Sin embargo, estas mayores capacidades de refrigeración suelen conllevar mayores requisitos de energía, lo que genera nuevos desafíos.
5. Bases de cubierta abierta: ventajas y desventajas
Los diseños de cubierta abierta dejan huecos para los materiales magnéticos altos como la ferrita, que tienen alta resistencia térmica y bajo auto calentamiento. Cubrir estos huecos con aluminio delgado solo ayuda cuando la solución de refrigeración no puede salvar el espacio.
Los diseños integrados de disipador de calor y placa base han sido probados y funcionan técnicamente, pero su adopción comercial sigue siendo limitada.
6. Modelado térmico
El análisis térmico es complejo, ya que involucra múltiples fuentes y conductores. Generalmente existen dos enfoques:
- Pruebas empíricas — Medir la resistencia térmica en entornos controlados.
- Simulación — Modelar durante la fase de diseño y refinar con datos del mundo real.
Las simulaciones modernas son cada vez más precisas gracias a los bucles de retroalimentación iterativos.
7. Revolución térmica
El término puede sonar atrevido, pero la evolución en el diseño térmico ha sido nada menos que revolucionaria. Si observamos los convertidores digitales de cuarto de ladrillo de los módulos de potencia Flex a lo largo de los años, la potencia de salida ha aumentado drásticamente, desde Potencia continua de 400 W a 2 kW.
¿Qué hizo posible este salto? Si bien la mejora de los componentes y las topologías influye, una parte significativa del progreso proviene de mejores propiedades térmicas.
Por ejemplo:
- Comparando los primeros BMR453 módulos a la última versión BMR491 y en BMR352, la resistencia térmica desde el punto caliente hasta la placa base ha disminuido en 3-4 veces.
- En términos prácticos, donde el BMR453 podría disiparse 25 W a una pared fría, los productos más nuevos pueden manejar 75–100 W en condiciones similares.
Esta mejora significa que una vez que el calor llega al disipador de calor, velocidad del flujo de aire, tamaño del disipador de calor o incluso refrigeración líquida Se convierten en consideraciones necesarias para liberar todo el potencial de rendimiento.
