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POWER 7 - marzo 2015
XVII
Come ricavare la temperatura del modulo
al variare della potenza
Configurazione sperimentale
Collegando il modulo in modo da iniettare
una corrente nota nei body diode dei due
MOSFET che costituiscono un ramo dell’in-
verter e, variando il valore della corrente, è
possibile esaminare la relazione tra area e
spessore delle piste del circuito stampato,
temperatura operativa del modulo e la dissi-
pazione di potenza. La caduta di tensione ai
capi dei due diodi è equivalente alla caduta
di tensione ai capi del modulo. Misurando
dunque questa tensione è possibile calcola-
re la dissipazione di potenza del modulo. Il
diagramma circuitale di figura 1 mostra una
versione semplificata della configurazione di
prova. Uno dei vantaggi di adottare questo
approccio è la sua semplicità. Questo espe-
rimento è facile da preparare e da eseguire.
Inoltre, effetti indesiderati come capacità e in-
duttanze parassite, picchi di corrente e di ten-
sione e il rumore vengono eliminati. Dato che
l’obiettivo dell’esperimento è quello di pro-
durre e misurare variazioni di temperatura in
risposta a variazioni della potenza dissipata, il
metododi iniezionedi una corrente continua
e l’assenza di questi effetti indesiderati non in-
fluenza l’accuratezza dei risultati.
Le prestazioni termiche sono state valutate
con sei diverse dimensioni e spessori delle
piste metalliche sul circuito stampato, come
illustrato in tabella 1.
Risultati
Per ogni geometria analizzata sono state ri-
cavate sperimentalmente le relazioni tra la potenza dissipata e la tem-
peratura di lavoro, variando la corrente iniettata nei diodi di substrato
dell’inverter e misurando la corrente di test e la tensione ai capi del
modulo insieme alla temperatura del package (case) e alla temperatu-
ra ambiente. Il grafico di figura 2 mostra l’andamento della differenza
di temperatura misurata tra il case e l’ambiente (ΔTc-a) al variare della
potenza dissipata. Dato che il package PQFN è caratterizzato da una re-
sistenza termica tra giunzione e case (R
THj-c
) molto bassa, pari a circa
2,2 °C/W, possiamo assumere che la temperatura del contenitore sia
uguale alla temperatura di giunzione (Tc=Tj) a regime.
Le due linee orizzontali a ΔTc-a = 40 ºC e 70 °Cmostrano come questo
grafico possa essere impiegato per prevedere le dimensioni della me-
tallizzazione richiesta per sostenere una data dissipazione di potenza,
mantenendo al contempo una temperatura di regime desiderata. In
alternativa, il grafico può essere usato per prevedere la temperatura del
case per una certa geometria del circuito stampato.
Se il modulo è impiegato come parte di un si-
stemadi controllodi una ventola, la rotazione
della ventola stessa può produrre un effetto
di raffreddamento sulla superficie del modu-
lo. Anche questo effetto deve essere preso in
considerazione durante la fase di progetto
termico del sistema. Per quantificare le pre-
stazioni inquesto tipodi applicazione, la sche-
da di test è stata posta in un contenitore chiu-
so con un flusso d’aria forzato compreso tra
0,8m/s e1,2m/s sulla superficiedelmodulo.
La velocità del flusso d’aria è stata misurata
con un anemometro. La figura 3 confronta
le prestazioni di due geometrie di metallizza-
zione delle schede con e senza il flusso d’aria
dovuto alla ventola.
Capacità termica
Spesso è desiderabile essere in gradodi predi-
re le prestazioni termiche del sistema durante
il periodo tra l’accensione e il raggiungimen-
to della temperatura di regime. Al fine di ana-
lizzare le prestazioni di transitorio termico, il
sistema può essere modellizzato come la serie
di una resistenza termica e di una capacità ter-
mica. Si può così calcolare la costante di tem-
po termica del sistema, inmodo da prevedere
la temperatura in ogni istante del transistorio.
Nel caso della scheda con l’area di metallo
minore, è stata applicata una variazione a gra-
dino della corrente iniettata e l’andamento
della temperatura è stato registrato contem-
poraneamente fino a raggiungimento della
condizione di regime. Dato che i valori di R
TH
sono noti per la temperatura iniziale e finale,
misurando la costante di tempo (Tau) è pos-
sibile ricavare il valore della capacità termica C
th
. La figura 4 mostra la
costante di tempo termica del sistema completo, dall’applicazione dello
gradino di corrente fino a regime.
I moduli di potenza intelligenti, largamente impiegati nel pilotaggio
del motori a bassa potenza, utilizzano package avanzati che combinano
un’elevata efficienza termica con dimensioni molto compatte. Essendo
tipicamente pensati per l’utilizzo senza dissipatore, per questi moduli
la dissipazione termica garantita dalle piste sul circuito stampato è un
aspetto fondamentale che influisce sia sullamassimapotenzadissipabile
sia sull’affidabilità. Lamodellizzazione delle prestazioni termiche a regi-
me e della capacità termica a partire dai dati sperimentali ricavati da un
circuitodi pilotaggiodi unmotore ha permessodi generare un insieme
di grafici per varie geometrie di metallizzazione delle schede, che può
essere impiegato per prevedere accuratamente il comportamento del
sistema, consentendoai progettisti di offrire almercato soluzioni ancora
più economiche e affidabili.
Fig. 2 – Differenza di temperatura
tra case e ambiente in funzione del-
la potenza dissipata per le geome-
trie di test delle piste metalliche
considerate
Fig. 3 – Effetto dovuto alla flusso d’aria
in applicazioni di controllo per ventole
Fig. 4 – La risposta termica del siste-
ma all’accensione ha una costante di
tempo di molti minuti
IPM