Prolongar la vida útil: Por qué es importante una refrigeración adecuada del MOSFET

Introducción

Los transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) son algunos de los componentes más básicos de la electrónica moderna. Los MOSFET cumplen funciones críticas en la industria, ya que se utilizan en fuentes de alimentación conmutadas de alta velocidad para ordenadores o controladores de motores para vehículos eléctricos (VE), así como en complejos sistemas de control para máquinas industriales. La eficiencia y el rendimiento de los MOSFET repercuten directamente en la fiabilidad y funcionalidad de los circuitos en los que se integran.

Al igual que otros componentes electrónicos, los MOSFET generan calor cuando manejan una potencia significativa. Por lo tanto, controlar el sobrecalentamiento no es simplemente un aspecto de diseño, sino que tiende a ser el límite máximo de rendimiento del dispositivo en cuanto a estabilidad de funcionamiento y longevidad. No aplicar buenas soluciones de refrigeración a un MOSFET es tan malo como construir una estructura e ignorar los cimientos, lo que acabará provocando una intensa inestabilidad y una disminución del rendimiento.

El propósito de este artículo es analizar las principales causas de calentamiento en un MOSFET, los resultados perjudiciales de no refrigerarlo adecuadamente, las metodologías de refrigeración que se pueden emplear y cómo una regulación térmica óptima mejora la fiabilidad, así como la longevidad.

¿Por qué se calientan los MOSFET? Las raíces de la generación de calor

Para comprender la generación de calor en un MOSFET, debemos explorar su funcionamiento en un circuito como las aplicaciones de conmutación, donde alterna entre estados conductores (encendido) y no conductores (apagado) a un ritmo rápido. En un caso ideal, un conmutador no disiparía energía; sin embargo, en la práctica, todos los MOSFET del mundo real suelen tener características que provocan cierta pérdida de energía, que se traduce en pérdida de potencia en forma de calor.

Dos factores principales son responsables de la pérdida de potencia en un MOSFET: las pérdidas de conducción y las pérdidas de conmutación.

Las pérdidas por conducción se producen cuando el MOSFET se excita y permite el paso de corriente del drenador a la fuente. El MOSFET presenta una resistencia entre el drenador y la fuente denominada R{DS(on)}, y su valor también aumenta con la corriente. Aunque se encuentren en estado aumentado, los MOSFET no están exentos de pérdidas resistivas. Las pérdidas de potencia debidas a la conducción se estiman mediante la relación Pconducción=ID(RMS)2×RDS(on), donde ID(RMS) es la corriente de drenaje RMS. Esta pérdida estará presente mientras el dispositivo esté en estado encendido. Como en el caso de R{DS(on)}, el valor de R{DS(on)} también tiende a aumentar con el incremento de la temperatura, estableciéndose así un difícil bucle de realimentación en el que el aumento de la temperatura se traduce en un aumento de la resistencia, lo que se traduce en una mayor generación de calor.

Las pérdidas durante la conmutación se producen en los breves intervalos en los que el MOSFET está en proceso de encendido y apagado. Durante estas transiciones, tanto la tensión a través del MOSFET, VDS, como la corriente que circula por él, I(D), no son nulas al mismo tiempo. La pérdida de conmutación es proporcional a la frecuencia de conmutación, los tiempos de subida y bajada de la tensión y la corriente, y la energía consumida durante la conmutación por ciclo. En la electrónica de potencia moderna, la necesidad de diseños más pequeños y eficientes conduce a un aumento de la frecuencia de conmutación. Al hacerlo, otras funciones críticas de un sistema se ven comprometidas. Las pérdidas de accionamiento de puerta son las pérdidas asociadas a la carga y descarga de la capacitancia de puerta del MOSFET. A pesar de que estas pérdidas son menores que las de conducción y conmutación en la mayoría de las aplicaciones, siguen contribuyendo al calor total generado.

Las aplicaciones que conmutan grandes corrientes a altas frecuencias se consideran aplicaciones de alta potencia. Desplazan la barrera térmica hacia abajo en el MOSFET. El calor asociado a los parámetros operativos de un sistema de potencia dependerá de la energía eléctrica que se consuma. Cabe señalar que a medida que aumenta el tamaño de la matriz de silicio del MOSFET, crece proporcionalmente la necesidad de disipación de calor.

El coste del sobrecalentamiento: Degradación del rendimiento y riesgos potenciales

El funcionamiento de un MOSFET a una temperatura no controlada, debido a la falta de refrigeración, presenta algunos inconvenientes, como su rendimiento, fiabilidad y otros problemas externos del sistema, como fallos, mayores tiempos de recuperación y costes de mantenimiento.

• Eficiencia de conversión reducida: Eficiencia de conversión reducida: Es evidente que con un aumento del calor, se produce una escalada de los valores R{DS(on)} del MOSFET. En términos más sencillos, las pérdidas por conducción empeoran a medida que se disipa más energía en forma de calor de la que se suministra a la carga. Como consecuencia, los circuitos de conversión de potencia pierden eficiencia. En las etapas de potencia que no son tan eficientes, la potencia suministrada es proporcionalmente mayor que la energía generada, lo que aumenta aún más el sobrecalentamiento del sistema y los costes operativos.
• Impacto en la estabilidad del sistema: Las altas temperaturas de funcionamiento pueden provocar la desviación de las características eléctricas de un MOSFET, como la tensión umbral y la transconductancia. En circuitos de control sensibles o etapas de potencia, esta deriva puede provocar un comportamiento impredecible, problemas de temporización, un aumento del ruido de señal y, en última instancia, inestabilidad del sistema o un fallo completo. El sobrecalentamiento es una causa común de fallos o paradas inesperadas en dispositivos electrónicos.
• Reducción de la vida útil de los componentes: La temperatura tiene un impacto muy significativo en la degradación de los semiconductores. El aumento de la temperatura de unión también reduce la vida útil de un MOSFET. Los distintos mecanismos de fallo, que incluyen, entre otros, la electromigración, los daños en la red cristalina de silicio y la degradación de los materiales de embalaje, pueden producirse mucho más rápido debido al aumento del calor. Mantener un MOSFET a su temperatura de unión nominal máxima puede acortar considerablemente su vida útil en comparación con el funcionamiento a una temperatura mucho más baja.
• Posibles daños en el hardware: En situaciones extremas en las que se produce un desbordamiento térmico o se superan con creces los límites de temperatura establecidos, el MOSFET corre el riesgo de sufrir daños irreversibles. Componentes como los cables de conexión pueden fundirse, la matriz de silicio puede agrietarse o el envoltorio puede resultar dañado, con la consiguiente pérdida de funcionalidad del componente, y podría provocar daños también en otras partes del circuito.

  Superar la temperatura nominal de unión durante largos periodos de tiempo no es viable para la fiabilidad a largo plazo de los sistemas basados en dispositivos de estado sólido. Una estrategia bien definida para gestionar el calor es vital para lograr los resultados deseados y garantizar la durabilidad.

Visión general de las soluciones de refrigeración MOSFET

Para minimizar los efectos adversos del calor en la unión sensible de un MOSFET, hay que eliminar el calor del componente. Esto puede lograrse de diversas maneras, la mayoría de las cuales se aplican en combinación con otras, y cada una tiene sus ventajas e inconvenientes.

Refrigeración pasiva: Disipadores

Los MOSFET suelen refrigerarse pasivamente mediante un disipador térmico. Un disipador es un conductor térmico, a menudo de aluminio o cobre, con una gran superficie en relación con su volumen. El objetivo principal de un disipador térmico es absorber la energía térmica del MOSFET y liberarla a un medio desalineado (normalmente aire).

La eficacia de un disipador es una función compuesta de varios atributos: el material del que está hecho (el cobre es mejor que el aluminio, pero es más pesado y más caro), las dimensiones del disipador, concretamente su forma y su relación entre altura y anchura (más superficie y aletas mejoran la disipación), la resistividad térmica entre la carcasa del MOSFSET y el disipador, el flujo de aire alrededor del disipador y, por último, la temperatura del entorno.

Dependiendo de su construcción, un disipador térmico pasivo puede depender de la convección natural y la radiación para su refrigeración. No obstante, funciona en algunas aplicaciones de baja potencia o en zonas situadas por debajo de la barrera térmica y por las que pueda circular el aire. Sin embargo, mientras está estático, o cuando la disipación de potencia se hace inminente, el estancamiento conduce a rendimientos decrecientes.

Refrigeración activa: Refrigeración asistida por ventilador

En los casos en que la convección natural no funciona, se aplican técnicas de refrigeración activa con aire forzado, siendo los ventiladores de refrigeración los más comunes. La adición de un ventilador de refrigeración para soplar aire sobre un disipador térmico aumenta la velocidad de transferencia de calor por órdenes de convección. El aumento del flujo de aire pone en contacto el aire más frío con las aletas del disipador térmico y arrastra el aire caliente. La resistencia térmica del disipador al aire ambiente se reduce considerablemente, de modo que el disipador, en combinación con el MOSFET, puede funcionar por debajo de unos límites de temperatura aceptables.

La eficacia de la refrigeración asistida por ventilador depende de la salida volumétrica y de presión del ventilador, del diseño de las aletas del disipador térmico para maximizar el contacto con el flujo de aire y de la configuración general del sistema para garantizar una entrada y salida de aire adecuadas. Muchas fuentes de alimentación de ordenadores y controladores electrónicos industriales recurren a esta tecnología.

Entre las formas alternativas de refrigeración se incluye la refrigeración líquida, que utiliza un refrigerante para fluir a través de una placa fría unida al MOSFET, trasladando el calor a un radiador en otra parte del sistema. Esto es típico para aplicaciones de muy alta potencia o aquellas en las que se requiere un ruido mínimo.

Refrigeración en la práctica: Consideraciones sobre la refrigeración de MOSFET en diferentes escenarios

Las restricciones de potencia, los factores ambientales y las limitaciones de diseño de un sistema tienen un marcado efecto en su aplicación, lo que a su vez repercute en la estrategia de refrigeración de los MOSFET empleados.

Hardware de PC

La placa base de un PC contiene varias piezas clave, como la GPU, la RAM y la CPU, todas ellas con su propia fuente de alimentación dedicada. Los módulos reguladores de tensión (VRM) de la placa base utilizan MOSFET como semiconductores. Durante tareas exigentes como los juegos o la informática pesada, es probable que estos MOSFET estén sometidos a una intensa carga de corriente. Aunque los fabricantes de placas base instalan disipadores pasivos en el lado del VRM, las versiones más baratas de las placas base no ofrecen una eficiencia impresionante debido al escaso flujo de aire de la carcasa. Los PC más avanzados añaden pequeños ventiladores sobre los disipadores del VRM o sustituyen la refrigeración líquida por el sistema de refrigeración del VRM del PC. Al igual que las GPU de las estaciones de trabajo, las tarjetas gráficas avanzadas cuentan con potentes sistemas de refrigeración que, en ocasiones, integran disipadores y placas frías en los MOSFET de control de carga para proporcionar un boost clock óptimo sin alcanzar temperaturas de estrangulamiento.

Electrónica de potencia

En aplicaciones de alta potencia, como fuentes de alimentación industriales, accionamientos de motores e inversores, se produce la conmutación de grandes corrientes y tensiones a través de MOSFET, lo que a menudo provoca un calentamiento considerable. Aquí, la gestión térmica sirve para la eficiencia y la fiabilidad en entornos operativos duros y exigentes. Los ingenieros realizan exhaustivos análisis térmicos estimando la disipación de potencia en el peor de los casos y eligiendo las dimensiones del disipador, normalmente con refrigeración forzada por aire mediante potentes ventiladores.

Los datos de fiabilidad de la norma Telcordia SR-332 (Procedimiento de predicción de fiabilidad para equipos electrónicos) afirman reforzar la creencia de que la tasa de fallos de los componentes semiconductores, como los MOSFET, tiene una dependencia de la temperatura de unión que es exponencial. Una temperatura de unión de 105°C en un dispositivo de silicio típico pronosticaría una tasa de fallos de órdenes de magnitud superiores a 55°C, mientras que una más moderada de 55°C desplazaría la condición por defecto a 55°C. Esto pone de relieve el impacto de la refrigeración a la hora de mantener la fiabilidad del sistema durante periodos prolongados en la electrónica de potencia. Esto incluye el diseño del MOSFET, el disipador térmico y la placa de circuito impreso en la que está situado el MOSFET, que interactúa con el recinto de flujo de aire del sistema.

Otras aplicaciones

Aparte de las aplicaciones para PC y fuentes de alimentación a gran escala, los MOSFET se utilizan en iluminación LED periférica, electrónica de consumo, impresión 3D, electrónica del automóvil y muchos otros dispositivos. En estos casos, una de las principales limitaciones de diseño suele ser el espacio, además del coste y la resistencia a condiciones ambientales adversas como vibraciones, polvo y temperaturas extremas. En el caso de los MOSFET de menor potencia con tecnología de interconexión de alta densidad, la transferencia de calor puede depender en primer lugar de placas de circuito impreso revestidas de cobre y pequeños disipadores pegados.

Sin embargo, estos métodos pasivos no suelen funcionar con niveles de potencia elevados ni con restricciones de flujo de aire en carcasas compactas o selladas. Aquí es donde la refrigeración activa adicional, en particular con el uso de ventiladores de refrigeración dedicados, adquiere mayor importancia. En algunos casos, como los controladores LED de mayor potencia o las cajas de control cerradas para impresoras 3D, se suelen incorporar ventiladores de CC compactos para controlar las temperaturas de los MOSFET. Esto es importante para evitar parpadeos o fallos de impresión debidos al sobrecalentamiento, con el fin de aumentar la fiabilidad y longevidad de los dispositivos. La necesidad y el uso recurrente de ventiladores en estas diversas aplicaciones ilustran la demanda de rendimiento y las expectativas puestas en los límites térmicos básicos definidos por el entorno que deben superarse si se quiere mantener una funcionalidad fiable de los MOSFET a lo largo del tiempo.

Elección del método adecuado de refrigeración del MOSFET

Las consideraciones relativas al método de refrigeración seleccionado para el MOSFET son específicas de su aplicación, por lo que es esencial tener en cuenta numerosas variables situacionales. No existe un método óptimo universal. Las consideraciones antes mencionadas se combinan mejor para obtener un resultado favorable en cuanto a eficacia de rendimiento térmico, coste, espacio, condiciones ambientales, fiabilidad y sostenibilidad. Recuerde estos factores al tomar la decisión:

Evalúe la disipación de energía: La disipación de potencia es el aspecto más significativo en relación con el calor generado por el MOSFET. En el caso de una disipación de potencia muy baja, normalmente inferior a 1-2 vatios por dispositivo, dependiendo de su encapsulado, basta con utilizar la superficie de cobre de la placa de circuito impreso. Los rangos de potencia más moderados, que incluyen unos pocos vatios, suelen requerir disipadores pasivos. Los métodos de refrigeración activa, como los ventiladores o la refrigeración líquida, tienen que utilizarse para niveles de potencia más altos debido al aumento de la disipación de potencia. En algunos casos, pueden ser necesarias densidades de potencia muy elevadas.

Considere el espacio y el factor de forma: La forma, el tamaño y el diseño limitan el espacio disponible, que es una de las principales consideraciones. Toda la gama de disipadores de perfil se ha adaptado para incorporar ventiladores de disipación de calor. Los ventiladores no sólo requieren espacio adicional en su conjunto, sino que también hay que diseñar las vías de paso y el flujo de aire. Los componentes adicionales, como bombas, radiadores y tubos para la refrigeración líquida, también necesitan zonas de montaje adecuadas.

Evaluar las condiciones medioambientales: La región del entorno operativo que se encuentra en las proximidades del MOSFET (ipason) es de especial importancia en este caso. Tenga en cuenta los aspectos térmicos y mecánicos: polvo, humedad, vibraciones o componentes corrosivos en el entorno, que pueden requerir diseños de refrigeración robustos, como ventiladores de alta clasificación IP o sistemas de refrigeración líquida sellados.

Determinar las necesidades de rendimiento y fiabilidad: Alcanzar niveles extremos de rendimiento (por ejemplo, overclocking) o una mayor fiabilidad a largo plazo (para algunas aplicaciones industriales exigentes) requeriría soluciones de refrigeración más eficientes. En comparación con la refrigeración por ventilador controlada activamente, la refrigeración pasiva no es tan competente a la hora de gestionar cargas térmicas variables.

Analizar el coste y la complejidad: Pos disipadores térmicos activos, junto con la falta de refrigeración adicional, tienden a ser la opción más barata y de menor complejidad. En comparación con los ventiladores, la refrigeración líquida suele ser la más cara y compleja, pero suele reservarse para aplicaciones especializadas de gama alta.

Factor de sensibilidad al ruido: El ruido no deseado en algunas aplicaciones (como la electrónica de consumo casi silenciosa) lo generan los ventiladores. Aparte de los ventiladores, todos los demás métodos de refrigeración mencionados (pasiva y líquida) son silenciosos, aunque en algunos casos la refrigeración líquida es más silenciosa que la potente refrigeración por ventilador. El ajuste del ruido también se consigue utilizando ventiladores con control PWM sensibles a la temperatura.

La solución de ACDCFAN: Usar "aire" para resolver los problemas de refrigeración de los MOSFETs

Aunque los disipadores pasivos pueden servir como punto de partida para refrigerar un MOSFET, no son suficientes en el caso de aplicaciones de alta densidad de potencia o entornos térmicos difíciles. En esos casos, se requiere un flujo de aire activo. Aquí es donde resultan de gran utilidad los potentes ventiladores de refrigeración, que convierten las ventajas que ofrecen los disipadores pasivos en potentes soluciones térmicas.

ACDCFAN, un proveedor de ventiladores de confianza, sabe perfectamente que el flujo de aire fiable de los ventiladores utilizados en la refrigeración de componentes electrónicos desempeña un papel crucial en la gestión de las operaciones térmicas de los componentes electrónicos. Esto es especialmente cierto cuando se trata de refrigerar el exigente MOSFET. El alcance de nuestras operaciones incluye desde la fabricación y producción de distintos tipos de ventiladores diseñados para cumplir los requisitos estándar de ventilación industrial hasta soluciones de refrigeración industrial especializadas.

Nuestra oferta de ventiladores especializados para una refrigeración eficaz de los MOSFET

ACDCFAN es también el proveedor líder de ventiladores axiales totalmente metálicos. A diferencia de los ventiladores con piezas de plástico propensos al calor que deteriora el rendimiento, nuestros ventiladores totalmente metálicos utilizan materiales resistentes a altas temperaturas, por lo que son fiables hasta 150 grados Celsius. Estos ventiladores son ideales para fuentes de alimentación críticas y aplicaciones industriales en las que los MOSFET están sometidos a condiciones de temperatura cada vez más elevadas, debido a su mayor vida útil y fiabilidad en comparación con otras soluciones.

Además de los ventiladores PWM DC, en los que somos especialistas, también fabricamos ventiladores EC. Estos ventiladores ofrecen un control preciso de la velocidad, lo que permite adaptar la refrigeración a la carga térmica presentada, minimizando el ruido y optimizando la eficiencia. El ruido se reduce aún más gracias a nuestro diseño de motor sin escobillas y a la avanzada tecnología de ventilación inferior que permite a nuestros ventiladores alcanzar el grado de protección IP68.

Este nivel de protección contra la penetración garantiza un funcionamiento fiable en condiciones adversas debidas al polvo, la humedad, el agua u otros contaminantes, como ocurre a menudo en la industria electrónica o en los sistemas de exterior que utilizan MOSFET.

ACDCFAN no tiene una solución única. Entendemos que la refrigeración de un MOSFET suele estar muy adaptada a un uso concreto. Por eso ofrecemos un alto grado de personalización, que incluye cambios en el tamaño y el diseño del ventilador, cambios funcionales y muchos más para satisfacer las variadas demandas de nuestros clientes. Ya se trate de la necesidad de un ventilador de flujo de aire particular con un diseño de elemento de refrigeración específico o un sofisticado ventilador para condiciones ambientales severas, nuestros servicios OEM, ODM y OBM están dirigidos a superar los retos más desconcertantes en relación con la gestión térmica no lineal de sus MOSFETs. Cuando trabaja con nosotros, ACDCFAN se convierte en su proveedor de soluciones de refrigeración, equipándole con sistemas personalizados de alto rendimiento diseñados para una gestión térmica eficiente, mejorando así la vida útil y la fiabilidad de sus MOSFET y otros sistemas electrónicos.

Conclusión

La modulación eficaz de la temperatura es esencial para el funcionamiento fiable y la vida útil de los MOSFET. Los fallos en la gestión térmica provocan invariablemente un sobrecalentamiento que, a su vez, reduce la eficiencia, el envejecimiento, la inestabilidad, daña el hardware y acorta la vida útil.

Las técnicas de refrigeración sólidas basadas en principios de diseño electrónico, como los disipadores térmicos pasivos, los sistemas basados en ventiladores activos y otros métodos más avanzados, deben ser características inclusivas y no opcionales en un diseño electrónico fiable. Una instalación precisa, el uso de materiales de interfaz térmica y la atención a los detalles mejoran aún más la refrigeración.

Comprender los retos térmicos y emplear soluciones de refrigeración activa de alta calidad, como las que ofrece ACDCFAN, permite a los ingenieros y diseñadores gestionar el riesgo, garantizando una temperatura segura para el funcionamiento eficiente de los MOSFET. Este enfoque fomenta una mayor vida útil, un rendimiento óptimo del sistema y la resistencia de los dispositivos electrónicos de última generación. Los sistemas de refrigeración optimizados y adaptados estratégicamente mejoran fundamentalmente el valor del producto, la fiabilidad y los beneficios generales para el cliente. Por tanto, la inversión en soluciones de refrigeración está directamente relacionada con el éxito y la longevidad de los productos.