Prolongar a vida útil: Porque é que o arrefecimento adequado do MOSFET é importante

Introdução

Os transístores de efeito de campo de semicondutores de óxido metálico (MOSFET) são alguns dos componentes mais básicos da eletrónica moderna. Os MOSFETs têm finalidades críticas na indústria, uma vez que são utilizados em fontes de alimentação de comutação de alta velocidade para computadores ou controladores de motores para veículos eléctricos (EVs), bem como em sistemas de controlo complexos para máquinas industriais. A eficiência e o desempenho dos MOSFETs têm um efeito direto na fiabilidade e funcionalidade dos circuitos em que estão integrados.

Tal como outros componentes electrónicos, os MOSFETs geram calor quando manuseiam uma potência significativa. Por conseguinte, o controlo do sobreaquecimento não é apenas um aspeto de conceção, mas tende a ser o limite máximo de desempenho do dispositivo em termos de estabilidade de funcionamento e longevidade. Não aplicar boas soluções de arrefecimento a um MOSFET é tão mau como construir uma estrutura e ignorar os alicerces, o que acabará por resultar numa instabilidade intensa e numa diminuição do desempenho.

O objetivo deste artigo é analisar as principais causas de aquecimento de um MOSFET, os resultados prejudiciais de não o arrefecer adequadamente, as metodologias de arrefecimento que podem ser utilizadas e a forma como a regulação térmica ideal aumenta a fiabilidade e a longevidade.

Porque é que os MOSFETs aquecem? As raízes da geração de calor

Para compreender a geração de calor num MOSFET, temos de explorar o seu funcionamento num circuito como as aplicações de comutação, onde alterna entre estados condutores (ligados) e não condutores (desligados) a um ritmo rápido. Num caso ideal, um interrutor não dissiparia energia; no entanto, na prática, todos os MOSFETs do mundo real tendem a ter caraterísticas que causam alguma perda de energia, traduzindo-se em perda de potência sob a forma de calor.

Dois factores principais são responsáveis pela perda de potência num MOSFET: perdas de condução e perdas de comutação.

As perdas por condução ocorrem quando o MOSFET é energizado e permite a passagem de corrente do dreno para a fonte. O MOSFET possui um resistor entre o dreno e a fonte chamado R{DS(on)}, e seu valor também aumenta com a corrente. Embora num estado melhorado, os MOSFET não estão isentos de perdas resistivas. A perda de potência devido à condução é estimada utilizando a relação: Pcondução=ID(RMS)2×RDS(on), onde ID(RMS) é a corrente de dreno RMS. Esta perda estará ainda presente enquanto o dispositivo estiver no estado ligado. Tal como no caso de R{DS(on)}, o valor de R{DS(on)} tende também a aumentar com o aumento da temperatura, estabelecendo assim um difícil ciclo de feedback em que o aumento da temperatura resulta num aumento da resistência, o que resulta numa maior produção de calor.

As perdas durante a comutação ocorrem nos curtos intervalos em que o MOSFET está no processo de ligar e desligar. Durante estas transições, tanto a tensão através do MOSFET, VDS, como a corrente que o atravessa, I(D), não são nulas em simultâneo. A perda de comutação é proporcional à frequência de comutação, aos tempos de subida e descida da tensão e da corrente e à energia consumida durante a comutação por ciclo. Na eletrónica de potência moderna, a necessidade de concepções mais pequenas e eficientes leva a um aumento da frequência de comutação. Ao fazê-lo, outras funções críticas de um sistema são comprometidas. As perdas no acionamento da porta são as perdas associadas à carga e descarga da capacitância da porta do MOSFET. Apesar de, na maioria das aplicações, estas perdas serem inferiores às perdas de condução e comutação, continuam a contribuir para o calor global gerado.

As aplicações que comutam grandes correntes a altas frequências são consideradas aplicações de alta potência. Deslocam a barreira térmica para baixo do MOSFET. O calor associado aos parâmetros operacionais de um sistema de potência dependerá da energia eléctrica consumida. É de notar que, à medida que a matriz de silício do MOSFET aumenta de tamanho, a necessidade de dissipação de calor aumenta proporcionalmente.

O custo do sobreaquecimento: Degradação do desempenho e riscos potenciais

O funcionamento de um MOSFET a uma temperatura não controlada, devido à falta de arrefecimento, tem alguns inconvenientes, incluindo o seu desempenho, fiabilidade e outros problemas externos do sistema, como falhas, aumento dos tempos de recuperação e custos de manutenção.

• Eficiência de conversão reduzida: Eficiência de conversão reduzida: É evidente que, com um aumento do calor, há uma escalada nos valores R{DS(on)} do MOSFET. Em termos mais simples, as perdas por condução pioram à medida que mais energia é dissipada sob a forma de calor do que é fornecida à carga. Isto resulta numa diminuição da eficiência dos circuitos de conversão de energia. Nas fases de potência menos eficientes, a energia fornecida é proporcionalmente superior à energia produzida, o que contribui para o sobreaquecimento do sistema e para o aumento dos custos operacionais.
• Impacto na estabilidade do sistema: As altas temperaturas de funcionamento podem fazer com que as caraterísticas eléctricas de um MOSFET, como a tensão de limiar e a transcondutância, se desviem. Em circuitos de controlo sensíveis ou fases de potência, este desvio pode levar a um comportamento imprevisível, problemas de temporização, aumento do ruído do sinal e, por fim, instabilidade do sistema ou falha completa. O sobreaquecimento é uma causa comum de falhas ou paragens inesperadas em dispositivos electrónicos.
• Tempo de vida reduzido do componente: A temperatura tem um impacto muito significativo na degradação dos semicondutores. O aumento da temperatura da junção também diminui o tempo de vida de um MOSFET. Diferentes mecanismos de falha que incluem, mas não estão limitados a, electromigração, danos na estrutura cristalina do silício e degradação dos materiais de embalagem, podem ocorrer muito mais rapidamente devido ao aumento do calor. Manter um MOSFET à sua temperatura de junção máxima nominal pode encurtar consideravelmente o seu tempo de vida quando comparado com o seu funcionamento a uma temperatura muito mais baixa.
• Potenciais danos no hardware: Em cenários extremos em que ocorre uma fuga térmica ou em que os limites definidos para as temperaturas são muito excedidos, o MOSFET corre o risco de sofrer danos irreversíveis. Componentes como os fios de ligação podem derreter, a matriz de silício pode rachar ou a embalagem pode ficar danificada, resultando numa perda de funcionalidade do componente e podendo também provocar danos noutras partes do circuito.

  Ultrapassar a temperatura nominal da junção durante longos períodos de tempo não é viável para a fiabilidade a longo prazo dos sistemas baseados em dispositivos de estado sólido. Uma estratégia bem definida para gerir o calor é vital para alcançar os resultados desejados e garantir a durabilidade.

Uma visão geral das soluções de arrefecimento MOSFET

Para minimizar os efeitos adversos do calor na junção sensível de um MOSFET, o calor deve ser removido do componente. Isto pode ser conseguido de várias formas, a maioria das quais são implementadas em combinação com outras, e cada uma tem as suas vantagens e desvantagens.

Arrefecimento passivo: Dissipadores de calor

Os MOSFETs são normalmente arrefecidos de forma passiva utilizando um dissipador de calor. Um dissipador de calor é um condutor térmico, frequentemente de alumínio ou cobre, com uma grande área de superfície para o seu volume. O principal objetivo de um dissipador de calor é absorver a energia térmica do MOSFET e libertá-la para um meio não alinhado (normalmente o ar).

A eficácia de um dissipador de calor é uma função composta dos seus vários atributos: o material de que é feito (o cobre é melhor do que o alumínio, mas é mais pesado e mais caro), as dimensões do dissipador de calor - especificamente a sua forma e a sua relação altura/largura (mais área de superfície e alhetas melhoram a dissipação), a resistividade térmica entre a caixa do MOSFSET e o dissipador de calor, o fluxo de ar à volta do dissipador de calor e, finalmente, a temperatura do ambiente.

Dependendo da construção, um dissipador de calor passivo pode depender da convecção natural e da radiação para arrefecimento. No entanto, funciona para algumas aplicações de baixa potência ou áreas abaixo da barreira térmica e onde o ar pode fluir. No entanto, enquanto estático, ou quando a dissipação de energia se torna iminente, a estagnação leva a rendimentos decrescentes.

Arrefecimento ativo: Arrefecimento assistido por ventoinha

Nos casos em que a convecção natural não funciona, são aplicadas técnicas de arrefecimento ativo com ar forçado, sendo as ventoinhas de arrefecimento as mais comuns. A adição de uma ventoinha de arrefecimento para soprar ar sobre um dissipador de calor aumenta a taxa de transferência de calor por convecção. O aumento do fluxo de ar coloca o ar mais frio em contacto com as alhetas do dissipador de calor e afasta o ar aquecido. A resistência térmica do dissipador de calor ao ar ambiente é reduzida significativamente, de modo a que o dissipador de calor, em combinação com o MOSFET, possa funcionar dentro de limites de temperatura aceitáveis.

A eficácia do arrefecimento assistido por ventoinha depende da potência volumétrica e da pressão da ventoinha, da conceção das alhetas do dissipador de calor para maximizar o contacto do fluxo de ar e da configuração geral do sistema para garantir a entrada e saída de ar adequadas. Muitas fontes de alimentação de computadores e controladores electrónicos industriais recorrem a esta tecnologia.

As formas alternativas de arrefecimento incluem o arrefecimento por líquido, que utiliza um líquido de arrefecimento para fluir através de uma placa fria ligada ao MOSFET, transferindo o calor para um radiador noutra parte do sistema. Isto é típico para aplicações de potência muito elevada ou para aquelas em que é necessário um ruído mínimo.

Arrefecimento na prática: Considerações sobre o arrefecimento de MOSFETs em diferentes cenários

As restrições de potência, os factores ambientais e as limitações de conceção de um sistema têm um efeito marcante na sua aplicação, o que, por sua vez, tem impacto na estratégia de arrefecimento dos MOSFET utilizados.

Hardware para PC

A placa-mãe de um PC contém várias partes importantes, como a GPU, a RAM e a CPU, todas elas com a sua própria fonte de alimentação dedicada. Os módulos reguladores de tensão (VRMs) na placa-mãe usam MOSFETs como semicondutores. Durante tarefas exigentes, como jogos ou computação pesada, é provável que estes MOSFETs estejam sujeitos a uma carga de corrente intensa. Embora os fabricantes de placas-mãe instalem dissipadores de calor passivos no lado do VRM, as versões mais baratas das placas-mãe não oferecem uma eficiência impressionante devido ao fraco fluxo de ar da caixa. As plataformas de PC mais avançadas adicionam pequenas ventoinhas em cima dos dissipadores de calor do VRM ou substituem o arrefecimento líquido personalizado pelo sistema de arrefecimento do VRM do PC. Tal como as GPUs para estações de trabalho, as placas gráficas avançadas têm sistemas de arrefecimento potentes que, por vezes, integram dissipadores de calor e placas frias concentrados em MOSFETs de potência de controlo de carga para proporcionar um aumento de clock ideal sem atingir temperaturas de estrangulamento.

Eletrónica de potência

Para aplicações de alta potência, como fontes de alimentação industriais, accionamentos de motores e inversores, é efectuada a comutação de grandes correntes e tensões através de MOSFETs, o que conduz frequentemente a um aquecimento considerável. Neste caso, a gestão térmica serve para garantir a eficiência e a fiabilidade em ambientes operacionais difíceis e exigentes. Os engenheiros efectuam análises térmicas exaustivas, estimando a dissipação de energia para os piores cenários e escolhendo as dimensões do dissipador de calor, normalmente com arrefecimento forçado por ar através de ventoinhas potentes.

Os dados de fiabilidade da norma Telcordia SR-332 (Reliability Predictions Procedure for Electronic Equipment) afirmam reforçar a crença de que a taxa de falha de componentes semicondutores, como os MOSFET, tem uma dependência exponencial da temperatura da junção. A temperatura de junção de um dispositivo de silício típico de 105°C preveria uma taxa de falha ordens de grandeza superior a 55°C, enquanto uma temperatura mais moderada de 55°C mudaria a condição padrão para 55°C. Isto realça o impacto do arrefecimento na manutenção da fiabilidade do sistema durante períodos prolongados na eletrónica de potência. Inclui a conceção do MOSFET, do dissipador de calor e da placa de circuito impresso na qual o MOSFET está situado, que faz a interface com a caixa de fluxo de ar do sistema.

Outras aplicações

Para além das aplicações em PCs e em fontes de alimentação de grande escala, os MOSFETs têm aplicação em iluminação LED periférica, eletrónica de consumo, impressão 3D, eletrónica automóvel e muitos outros dispositivos. Aqui, uma restrição de design dominante é geralmente o espaço, para além do custo e da durabilidade a condições ambientais adversas como vibração, poeira e temperaturas extremas. Para MOSFETs de baixa potência com tecnologia de interconexão de alta densidade, a transferência de calor pode depender primeiro de PCBs revestidas de cobre e pequenos dissipadores de calor colados.

No entanto, estes métodos passivos muitas vezes não conseguem lidar com níveis de potência mais elevados ou restrições de fluxo de ar em caixas compactas ou seladas. É aqui que o arrefecimento ativo adicional, particularmente com a utilização de ventoinhas de arrefecimento dedicadas, se torna mais importante. Em alguns casos, como os controladores LED de maior potência ou as caixas de controlo fechadas para impressoras 3D, são frequentemente incorporadas ventoinhas DC compactas para controlar as temperaturas do MOSFET. Isto é importante para evitar cintilações ou falhas de impressão devido a sobreaquecimento, de modo a aumentar a fiabilidade e a longevidade dos dispositivos. A necessidade e a utilização recorrente de ventiladores nestas diversas aplicações ilustram a exigência de desempenho e as expectativas colocadas nos limites térmicos básicos definidos pelo ambiente que têm de ser ultrapassados para manter a funcionalidade fiável do MOSFET ao longo do tempo.

Escolher o método correto de arrefecimento do MOSFET

As considerações relevantes para o método de arrefecimento selecionado para o MOSFET são específicas da sua aplicação, sendo essencial ter em conta inúmeras variáveis situacionais. Não existe um método universalmente ótimo. As considerações acima mencionadas são melhor combinadas para produzir um resultado favorável em termos de eficiência de desempenho térmico, custo, espaço, condições ambientais, fiabilidade e sustentabilidade. Lembre-se destes factores ao tomar a decisão:

Avaliar a dissipação de energia: A dissipação de potência é o aspeto mais significativo no que respeita ao calor gerado pelo MOSFET. No caso de uma dissipação de potência muito baixa, tipicamente inferior a 1-2 Watts por dispositivo, dependendo da sua embalagem, a utilização da área de cobre da placa de circuito impresso é suficiente. As gamas de potência mais moderadas, que incluem alguns watts, requerem normalmente dissipadores de calor passivos. Os métodos de arrefecimento ativo, como ventoinhas ou arrefecimento líquido, têm de ser utilizados para níveis de potência mais elevados devido ao aumento da dissipação de potência. Nalguns casos, podem ser necessárias densidades de potência muito elevadas.

Considere o espaço e o fator de forma: A forma, o tamanho e o design limitam o espaço disponível, o que é uma das principais considerações. Toda a gama de perfis de dissipadores de calor foi concebida para incorporar ventoinhas de dissipação de calor. As ventoinhas não só requerem espaço extra como um todo, mas também têm de ser concebidas em torno de entradas e saídas de ar. Componentes adicionais, como bombas, radiadores e tubos para arrefecimento líquido, também necessitam de zonas de montagem adequadas.

Avaliar as condições ambientais: A região do ambiente de funcionamento que está na proximidade do MOSFET (ipason) é de particular importância aqui. Considere os componentes térmicos e mecânicos: poeira, humidade, vibração ou componentes corrosivos no ambiente, o que pode exigir designs de arrefecimento robustos, como ventoinhas com elevada classificação IP ou sistemas de arrefecimento líquido selados.

Determinar as necessidades de desempenho e fiabilidade: Atingir níveis extremos de desempenho (por exemplo, overclocking) ou fiabilidade prolongada a longo prazo (para algumas aplicações industriais exigentes) requer soluções de arrefecimento mais eficientes. Em comparação com o arrefecimento por ventoinha controlado ativamente, o arrefecimento passivo não é tão competente para lidar com cargas térmicas variáveis.

Analisar o custo e a complexidade: POs dissipadores de calor activos, em conjunto com a falta de arrefecimento adicional, tendem a ser a opção mais económica e de baixa complexidade. Quando comparado com as ventoinhas, o arrefecimento líquido é frequentemente o mais dispendioso e complexo, mas está normalmente reservado para aplicações especializadas de topo de gama.

Fator de sensibilidade ao ruído: O ruído indesejado em algumas aplicações (como eletrónica de consumo quase silenciosa) é gerado pelas ventoinhas. Para além das ventoinhas, todas as outras abordagens de arrefecimento mencionadas (passiva e líquida) resultam em silêncio, embora, em alguns casos, o arrefecimento líquido resulte num funcionamento mais silencioso do que o arrefecimento por ventoinhas potentes. O ajuste do ruído também é conseguido através da utilização de ventoinhas com controlo PWM sensíveis à temperatura.

A solução do ACDCFAN: Usando o "ar" para resolver os problemas de arrefecimento do MOSFET

Embora os dissipadores de calor passivos possam servir como ponto de partida para o arrefecimento de um MOSFET, não são suficientes no caso de aplicações de elevada densidade de potência ou de ambientes térmicos adversos. Nesses casos, é necessário um fluxo de ar ativo. É aqui que as ventoinhas de arrefecimento potentes são muito úteis, transformando as vantagens oferecidas pelos dissipadores de calor passivos em soluções térmicas potentes.

ACDCFAN - um fornecedor de ventiladores de confiança sabe perfeitamente que o fluxo de ar fiável dos ventiladores utilizados na refrigeração de componentes electrónicos desempenha um papel crucial na gestão das operações térmicas dos componentes electrónicos. Isto é especialmente verdade quando se trata de arrefecer o exigente MOSFET. O âmbito das nossas operações inclui o fabrico e a produção de diferentes tipos de ventiladores concebidos para satisfazer os requisitos de ventilação industrial padrão, para soluções de arrefecimento industriais especializadas.

As nossas ofertas de ventiladores especializados para um arrefecimento eficaz do MOSFET

A ACDCFAN é também o principal fornecedor de ventiladores axiais totalmente metálicos. Ao contrário das ventoinhas com peças de plástico, propensas à deterioração do desempenho pelo calor, as nossas ventoinhas totalmente metálicas utilizam materiais resistentes a altas temperaturas, pelo que são fiáveis até 150 graus Celsius. Estes ventiladores são ideais para fontes de alimentação críticas e aplicações industriais em que os MOSFETs estão sujeitos a condições de temperatura crescente, devido à sua maior duração e fiabilidade em comparação com outras soluções.

Para além das ventoinhas PWM DC, em que nos especializamos, também fabricamos ventoinhas EC. Estas ventoinhas oferecem um controlo preciso da velocidade, permitindo que o arrefecimento seja adaptado à carga térmica apresentada, minimizando o ruído e optimizando a eficiência. O ruído é ainda mais reduzido graças ao design do nosso motor sem escovas e à tecnologia avançada de subventilação que permite que as nossas ventoinhas atinjam a proteção IP68.

Este nível de proteção contra a entrada garante um funcionamento fiável em condições adversas devido a poeira, humidade, água ou outros contaminantes, como acontece frequentemente na indústria eletrónica ou em sistemas exteriores que utilizam MOSFETs.

O ACDCFAN não tem uma solução única para todos os casos. Compreendemos que o arrefecimento de um MOSFET é frequentemente muito adaptado a uma utilização específica. É por isso que fornecemos um elevado grau de personalização, incluindo alterações ao tamanho e ao design do ventilador, alterações funcionais e muito mais para satisfazer as exigências abrangentes dos nossos clientes. Quer se trate da necessidade de um ventilador de fluxo de ar específico com um design de elemento de arrefecimento específico ou de um ventilador sofisticado para condições ambientais severas, os nossos serviços OEM, ODM e OBM destinam-se a ultrapassar os desafios mais intrigantes relativamente à gestão térmica não linear dos seus MOSFETs. Quando trabalha connosco, a ACDCFAN torna-se o seu fornecedor de soluções de arrefecimento, equipando-o com sistemas personalizados e de elevado desempenho concebidos para uma gestão térmica eficiente, aumentando assim a vida útil e a fiabilidade dos seus MOSFETs e de outros sistemas electrónicos.

Conclusão

A modulação eficaz da temperatura é essencial para o funcionamento fiável e a vida útil dos MOSFETs. Uma gestão térmica deficiente conduz invariavelmente a sobreaquecimento, o que, por sua vez, resulta em eficiência reduzida, envelhecimento, instabilidade, danos no hardware e vida útil reduzida.

Técnicas de arrefecimento robustas baseadas em princípios de conceção eletrónica, tais como dissipadores de calor passivos, sistemas activos baseados em ventoinhas e métodos mais avançados, devem ser caraterísticas inclusivas e não opcionais numa conceção eletrónica fiável. A instalação exacta, a utilização de materiais de interface térmica e a atenção aos detalhes proporcionam uma melhoria adicional do arrefecimento.

Compreender os desafios térmicos e utilizar soluções de arrefecimento ativo de alta qualidade, como as fornecidas pelo ACDCFAN, permite aos engenheiros e projectistas gerir o risco, garantindo uma temperatura segura para um funcionamento eficiente do MOSFET. Esta abordagem promove uma vida útil melhorada, um desempenho ótimo do sistema e a resiliência dos dispositivos electrónicos da próxima geração. Os sistemas de arrefecimento optimizados e estrategicamente adaptados melhoram fundamentalmente o valor do produto, a fiabilidade e os benefícios gerais para o cliente. Assim, o investimento direcionado para soluções de arrefecimento está diretamente relacionado com o sucesso e a longevidade do produto.