Ingenieria

CAPÍTULO 29

CONTROL DE LA TEMPERATURA
DE COMPONENTES Y
DISIPADORES DE CALOR
Este capítulo trata de la necesidad de controlar la temperatura interna de componentes de la electrónica de
potencia y los factores por considerar en la selección de componentes pasivos, como resistencias, capacitores y disipadores de calor. Como las temperaturas internas excesivas son perjudiciales para todos loscomponentes electrónicos de potencia, en especial para los dispositivos semiconductores de potencia, en la
mayor parte de este capítulo analizaremos los mecanismos de transmisión térmica como conducción, radiación y convección. La comprensión fundamental de la transmisión térmica se necesita no sólo para el diseño y la especificación de disipadores de calor, sino también para el diseño deinductores y transformadores,
del que las consideraciones térmicas forman parte fundamental.

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CONTROL DE LAS TEMPERATURAS DE DISPOSITIVOS
SEMICONDUCTORES
El límite superior teórico de la temperatura interna de un dispositivo semiconductor es la llamada temperatura intrínseca Ti, que es la temperatura en la que la densidad intrínseca de portadores en la zona menos
dopada del dispositivosemiconductor es igual a la densidad de dopaje de los portadores mayoritarios en
dicha zona. Por ejemplo, en una región de arrastre un poco dopada de un diodo de silicio, donde la densidad
de los donantes es de 1014 cmϪ3, la temperatura intrínseca es más o menos de 280ЊC. Si se excede esta
temperatura, se pierden las características rectificadoras de la unión, pues la densidad intrínseca de losportadores excede por mucho la densidad de dopaje, y los portadores intrínsecos eliminan la zona de degradación que da pie a la barrera de potencial.
Sin embargo, las máximas temperaturas internas especificadas en hojas de datos son mucho menores
que este límite. La disipación de energía en semiconductores de potencia por lo general aumenta con la
temperatura interna, y las pérdidas se vuelvenexcesivamente altas incluso a temperaturas de 200ЊC. Los
fabricantes de dispositivos suelen garantizar los valores máximos de los parámetros de dispositivos, como
voltajes de conducción en estado activo, tiempos de conmutación y pérdidas por conmutación, a una temperatura máxima especificada, que varía de un tipo de dispositivo a otro y con frecuencia es de 125ЊC.
En un proceso de diseño, unfactor es la temperatura de la unión en el peor de los casos. Un sistema
planeado para una confiabilidad alta se diseñaría para el peor caso de temperatura de la unión en los dispositivos semiconductores de 20 a 40ЊC debajo de 125ЊC. Por lo demás, un valor de 125ЊC es lo común como
factor del diseño para los peores casos. Una excepción es la temperatura máxima de la unión de tiristores, los
cualesse deben mantener debajo de 125ЊC. Los tiristores pueden dispararse de nuevo o fallar si su temperatura de unión excede los 125ЊC y al mismo tiempo se aplica el máximo dv/dt permisible al dispositivo.
Algunos dispositivos semiconductores y transistores de nivel de señales y CI operan a temperaturas
incluso un poco mayores que 200ЊC. Sin embargo, su confiabilidad (tiempo de vida operativaesperada) es
baja, y las características de desempeño pueden ser deficientes en comparación con la operación a 125ЊC,
por ejemplo. Además, el fabricante no garantiza los parámetros superiores a la temperatura máxima espe-

29-2 Transmisión térmica por conducción

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cificada. Si el diseñador o el fabricante de un convertidor electrónico de potencia deciden operar los dispositivossemiconductores por arriba de la temperatura máxima de la hoja de especificaciones, el diseñador/
fabricante debe revisar (medir las características de temperaturas altas) un gran número de dispositivos para
la aplicación. A menos que se examinen los componentes de todos los convertidores fabricados según este
diseño particular, no es posible ofrecer la seguridad de que algunos componentes no tengan...