¿Cómo medir la conductividad térmica del material de enrutamiento en un disipador de calor IGBT?

Como proveedor de materiales de enrutamiento de disipadores de calor IGBT, es fundamental comprender cómo medir la conductividad térmica de nuestros materiales de enrutamiento. La conductividad térmica es una propiedad fundamental que determina la eficacia con la que un material puede transferir calor. En el contexto de los disipadores de calor IGBT, la transferencia de calor eficiente es esencial para mantener el rendimiento óptimo y la longevidad de los módulos IGBT. En esta publicación de blog, exploraré varios métodos para medir la conductividad térmica de los materiales de enrutamiento en disipadores de calor IGBT.

Importancia de la conductividad térmica en los disipadores de calor IGBT

Los módulos IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) se utilizan ampliamente en aplicaciones electrónicas de alta potencia, como vehículos eléctricos, sistemas de energía renovable y accionamientos de motores industriales. Durante el funcionamiento, estos módulos generan una cantidad significativa de calor. Si este calor no se disipa adecuadamente, la temperatura del módulo IGBT aumentará, lo que puede provocar una reducción de la eficiencia, una menor confiabilidad e incluso fallas del dispositivo.

El material de enrutamiento en un disipador de calor IGBT juega un papel clave en la transferencia de calor. Un material con alta conductividad térmica puede transferir rápidamente el calor generado por el módulo IGBT a las aletas del disipador de calor, donde puede disiparse al entorno circundante. Por lo tanto, medir con precisión la conductividad térmica del material de enrutamiento es vital para seleccionar el material correcto y optimizar el diseño del disipador de calor.

Métodos para medir la conductividad térmica.

1. Métodos de estado estacionario

a. Método de placa caliente protegida

El método de placa caliente protegida es uno de los métodos de estado estacionario más utilizados para medir la conductividad térmica. En este método, se coloca una muestra del material de fresado entre dos placas planas: una placa caliente y una placa fría. La placa caliente suministra un flujo de calor constante a la muestra y la placa fría absorbe el calor. Se utiliza un termopar para medir la diferencia de temperatura entre las dos placas.

La conductividad térmica (k) se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
[k=\frac{Q\cdot L}{A\cdot\Delta T}]
donde (Q) es el flujo de calor, (L) es el espesor de la muestra, (A) es el área de la sección transversal de la muestra y (\Delta T) es la diferencia de temperatura entre las placas frías y calientes.

La ventaja del método de placa caliente protegida es su alta precisión y confiabilidad. Puede medir la conductividad térmica de varios tipos de materiales, incluidos sólidos, líquidos y gases. Sin embargo, es un método relativamente lento, ya que requiere mucho tiempo para alcanzar una condición de estado estable.

b. Método del medidor de flujo de calor

El método del medidor de flujo de calor es otro método de estado estacionario. Es similar al método de placa caliente protegida, pero en lugar de medir el flujo de calor directamente, utiliza un medidor de flujo de calor para medir la tasa de transferencia de calor a través de la muestra.

El medidor de flujo de calor consta de una termopila que genera un voltaje proporcional al flujo de calor. Midiendo el voltaje y la diferencia de temperatura en la muestra, se puede calcular la conductividad térmica.

El método del medidor de flujo de calor es más rápido que el método de placa caliente protegida y es adecuado para medir la conductividad térmica de materiales delgados. Sin embargo, puede tener algunas limitaciones en cuanto a precisión, especialmente para materiales con baja conductividad térmica.

2. Métodos transitorios

a. Método de fuente de plano transitorio (TPS)

El método de fuente plana transitoria es un método transitorio popular para medir la conductividad térmica. En este método, se coloca un elemento calefactor circular delgado entre dos muestras del material de enrutamiento. El elemento calefactor se utiliza para generar un pulso de calor de corta duración y la respuesta de temperatura de las muestras se mide en función del tiempo.

La conductividad térmica se puede determinar analizando la curva temperatura-tiempo mediante un modelo matemático. El método TPS tiene varias ventajas, incluido un tiempo de medición rápido, la capacidad de medir materiales anisotrópicos y una amplia gama de valores de conductividad térmica aplicables.

b. Método de flash láser

El método del flash láser se usa comúnmente para medir la difusividad térmica de los materiales, que luego puede usarse para calcular la conductividad térmica. En este método, se aplica un pulso láser corto a un lado de la muestra y se mide el aumento de temperatura en el otro lado utilizando un detector de infrarrojos.

La difusividad térmica ((\alpha)) se calcula a partir del tiempo que tarda la temperatura en alcanzar una determinada fracción de su valor máximo. La conductividad térmica (k) se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
[k=\rho\cdot C_p\cdot\alpha]
donde (\rho) es la densidad del material y (C_p) es la capacidad calorífica específica.

El método de flash láser es adecuado para materiales de alta conductividad térmica y puede proporcionar resultados precisos en un tiempo relativamente corto. Sin embargo, requiere un control preciso de las condiciones experimentales y puede no ser adecuado para materiales con baja difusividad térmica.

Factores que afectan la medición de la conductividad térmica

1. Temperatura

La conductividad térmica depende de la temperatura. En general, la conductividad térmica de la mayoría de los materiales disminuye al aumentar la temperatura. Por lo tanto, es importante medir la conductividad térmica a la temperatura de funcionamiento del disipador de calor IGBT para garantizar resultados precisos.

2. Preparación de la muestra

La calidad de la preparación de la muestra puede afectar significativamente la medición de la conductividad térmica. La muestra debe tener un espesor uniforme, superficies lisas y sin espacios de aire ni impurezas. Cualquier falta de uniformidad o defecto en la muestra puede introducir errores en la medición.

3. Resistencia de contacto

La resistencia de contacto entre la muestra y el equipo de medición también puede afectar la precisión de la medición de la conductividad térmica. Para minimizar la resistencia de contacto, se pueden utilizar materiales de interfaz térmica adecuados entre la muestra y las placas o sensores.

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Conclusión

Medir con precisión la conductividad térmica del material de enrutamiento en un disipador de calor IGBT es esencial para garantizar el funcionamiento eficiente de los módulos IGBT. Para este propósito se pueden utilizar métodos tanto de estado estacionario como transitorio, cada uno con sus propias ventajas y limitaciones. Al considerar factores como la temperatura, la preparación de la muestra y la resistencia de contacto, podemos obtener resultados de medición más precisos.

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Referencias

• Zhang, X. y Chen, Y. (2018). Manual de conductividad térmica. Elsevier.
• ASTM Internacional. (2019). Métodos de prueba estándar para mediciones de flujo de calor en estado estacionario y propiedades de transmisión térmica mediante el aparato medidor de flujo de calor. ASTM C518.
• Maleki, M. y Haghdadi, A. (2015). Métodos transitorios para medir propiedades térmicas. En Conductividad térmica 42. Springer.