¿Qué métodos de refrigeración se utilizan en la electrónica de potencia?
Mantener unos niveles óptimos de temperatura en un sistema de alimentación es una prioridad fundamental para los diseñadores de sistemas de alimentación, ya que garantiza un rendimiento inigualable y la máxima seguridad. Premium PSU es consciente de la importancia de una refrigeración eficaz en las fuentes de alimentación y ha desarrollado técnicas de refrigeración avanzadas para afrontar este reto. La gestión térmica forma parte del proceso de diseño. En este artículo exploramos dos métodos de refrigeración empleados en las fuentes de alimentación de Premium PSU: la refrigeración líquida y la refrigeración por conducción.
Técnicas de refrigeración para fuentes de alimentación
Se necesita una refrigeración eficaz en un entorno industrial para garantizar que la temperatura interna del módulo no supere el límite de seguridad; pero en condiciones extremas, la fiabilidad es extremadamente importante para no tener riesgo de fallo.
Nuestros productos se pueden configurar con distintas opciones en el sistema de refrigeración: ventilador o redundancia de ventiladores, por convección, por conducción y refrigeración líquida. Hablemos de las últimas! Algunas aplicaciones necesitan garantizar una refrigeración eficaz, por lo que la importancia de la refrigeración por conducción y de una gestión térmica eficiente es clave en el diseño de ingeniería. Los ingenieros de electrónica de potencia han ido mejorando la eficiencia del producto.
Refrigeración líquida y refrigeración por conducción: Un dúo dinámico
El sistema de refrigeración líquida combina la refrigeración por conducción con una placa de refrigeración para disipar eficazmente el calor generado por los componentes de la unidad de alimentación. Este enfoque híbrido maximiza la eficacia de la refrigeración y ayuda a mantener temperaturas de funcionamiento estables.
Placa de refrigeración y temperaturas ambiente: Factores a tener en cuenta
A la hora de decidir el método de refrigeración adecuado, es esencial tener en cuenta la relación entre la temperatura de la placa de refrigeración y la temperatura ambiente. Los métodos de refrigeración líquida o por conducción crean un ambiente interno frío dentro de la fuente de alimentación, lo que seguramente repercute en el rendimiento y la vida útil de determinados componentes.
Mientras que los componentes de potencia pueden soportar altas temperaturas, otros componentes sensibles como los circuitos analógicos, los circuitos digitales, los condensadores electrolíticos y los optoacopladores se pueden ver afectados negativamente. Por este motivo, se recomienda combinar la refrigeración líquida con aire forzado cuando la temperatura ambiente externa sea inferior a la del sistema de refrigeración líquida. Este enfoque reduce eficazmente la temperatura interna, mejorando así el tiempo medio entre fallos (MTBF) y la vida útil general del producto.
¿Cómo conducir el calor a la placa de refrigeración?
Para garantizar una transferencia de calor eficaz a la placa de refrigeración, existen varias técnicas:
- Componentes de potencia refrigerados por conducción: Premium PSU prioriza el uso de componentes de potencia refrigerados por conducción siempre que sea posible. Estos componentes especializados están diseñados para facilitar una transferencia de calor eficaz, mejorando el rendimiento general de refrigeración de la fuente de alimentación.
- Consideraciones de diseño para la refrigeración por conducción: El equipo de diseño de Premium PSU incorpora principios de refrigeración por conducción en sus proyectos. Esto incluye optimizar el diseño y la disposición de los componentes de potencia inductiva para mejorar la disipación del calor.
- Encapsulado: El encapsulado, una técnica en la que se aplica una resina protectora, ayuda a mejorar la conducción del calor minimizando los espacios de aire y aumentando la superficie disponible para la transferencia de calor dentro de la fuente de alimentación.
- Gap Fillers: En Premium PSU se utilizan materiales de interfaz térmica de alta calidad, como los gap fillers, para promover una conducción eficiente del calor desde la placa de circuito impreso (PCB) hasta la placa de refrigeración. Estos materiales cubren los huecos y facilitan la transferencia de calor, garantizando una refrigeración eficaz en toda la fuente de alimentación.
Análisis térmico y simulaciones: La experiencia de Premium PSU
Premium PSU cuenta con un equipo dedicado en sus instalaciones de Investigación, Desarrollo e Innovación (RDI), equipado con las herramientas y los conocimientos necesarios para optimizar los diseños térmicos. Aprovechando software avanzado como FloEFD, perfectamente integrado con el software de diseño mecánico en 3D Solid Edge de SIEMENS, se realizan simulaciones precisas y eficaces del flujo de fluidos y la transferencia de calor. Estas simulaciones nos permiten identificar posibles retos térmicos y desarrollar soluciones de refrigeración eficaces para cada proyecto.
La Ley de Fourier
La ley de Fourier es un principio fundamental de la física térmica que describe la transferencia de calor a través de un material. Establece que la velocidad de transferencia de calor a través de un material es proporcional al gradiente negativo de temperatura y al área a través de la cual se transfiere el calor. Esta ley es de gran importancia para la eficiencia térmica en diversas aplicaciones, incluida la electrónica de potencia. Aquí algunas razones por las que la ley de Fourier es importante:
- Comprender la transferencia de calor: La ley de Fourier proporciona un marco matemático para comprender cómo el calor se desplaza de una región de mayor temperatura a otra de menor temperatura. Ayuda a ingenieros y diseñadores a analizar y predecir el comportamiento de la transferencia de calor en distintos materiales y sistemas.
- Gestión térmica: En la electrónica de potencia, la gestión térmica eficiente es crucial para mantener los componentes dentro de temperaturas de funcionamiento seguras. La ley de Fourier ayuda a determinar la velocidad de disipación del calor y a diseñar sistemas de refrigeración capaces de eliminar eficazmente el exceso de calor de los componentes sensibles.
- Optimización de soluciones de refrigeración: Al comprender la ley de Fourier, los ingenieros pueden optimizar el diseño de los sistemas de refrigeración para mejorar la eficiencia térmica. Pueden analizar factores como la superficie, la conductividad del material y los gradientes de temperatura para determinar los métodos de refrigeración más eficaces, como la convección, la conducción o la refrigeración líquida.
- Fiabilidad de los componentes: El calor excesivo puede acelerar el envejecimiento y la degradación de los componentes electrónicos, reduciendo su fiabilidad y vida útil. La ley de Fourier ayuda a evaluar las distribuciones de temperatura y a diseñar soluciones de refrigeración que minimicen los puntos calientes y mantengan temperaturas uniformes, mejorando así la fiabilidad y longevidad de los sistemas electrónicos de potencia.
- Eficiencia energética: Una gestión térmica eficiente basada en la ley de Fourier puede contribuir al ahorro de energía. Al disipar eficazmente el calor y evitar el sobrecalentamiento, los sistemas electrónicos de potencia pueden funcionar más.
Estos puntos se aprecian en la ecuación. Es importante porque sabemos que el calor total transferido dependerá siempre de la conductividad del material, del gradiente de temperatura y también de las zonas en contacto. Por eso los disipadores tienen aletas para aumentar la superficie.
Para comprender mejor la conductividad térmica, he aquí algunos ejemplos:
- Diamante: 1000 W/mK
- Aluminio : 237 W m−1 K−1
- Fibra de vidrio (0.04 W/mK): Material aislante
Por otro lado, el gradiente de temperatura indica la diferencia de calor entre los componentes críticos (transistores, transformadores, inductores, etc.) y la temperatura ambiente. eficientemente, reduciendo el consumo de energía y minimizando los residuos.
En resumen, la ley de Fourier es importante para la eficiencia térmica, ya que permite a los ingenieros comprender y optimizar los procesos de transferencia de calor, diseñar soluciones de refrigeración eficaces, aumentar la fiabilidad de los componentes y mejorar la eficiencia energética en la electrónica de potencia y otras aplicaciones.
