Desde su introducción, mantener la temperatura de una fuente de alimentación a un nivel que garantice los más altos niveles de rendimiento y seguridad ha sido una de las principales preocupaciones de los diseñadores de potencia. Teniendo en cuenta el asombroso aumento de las densidades de potencia que hemos presenciado durante los últimos 20 años, la gestión térmica se ha convertido en una parte preponderante del proceso de diseño.

La disposición y el diseño mecánico son ahora tan importantes como las topologías de eficiencia, y la forma de evacuar las calorías de los módulos se ha convertido en un arte.
En 1822 el médico francés Joseph Fourier demostró que la tasa de transferencia de calor en el tiempo a través de un material es proporcional al gradiente negativo de la temperatura y al área. (crédito: PRBX)

La gestión térmica eficiente ha sido uno de los retos a los que me enfrenté a principios de los noventa cuando trabajaba en la empresa de microelectrónica Micro-Gisco. Participé en el diseño de un convertidor CC/CC de 100 W en un tamaño de encapsulado equivalente a lo que hoy se denomina un cuarto de ladrillo, para una aplicación en la que la temperatura ambiental experimentaba con la de la unión. En aquel momento, la única tecnología disponible era utilizar la tecnología de lámina gruesa y los chips unidos a un sustrato cerámico. En este tipo de aplicaciones, la única forma de garantizar una refrigeración eficaz era mediante una placa base unida a un intercambiador de fluido refrigerante. No hace falta explicar la importancia de la refrigeración por conducción y la gestión térmica eficiente, que sigue estando en la mente de todo diseñador de potencia.

Al mismo tiempo, con el desarrollo de las telecomunicaciones móviles, el aumento de la demanda de soluciones de potencia integradas contribuyó a la aparición de los llamados "ladrillos", y comenzó una carrera por empaquetar más potencia en tamaños más pequeños. Los aumentos de potencia han sido realmente impresionantes. Un ejemplo es el aumento de la densidad de potencia del llamado "cuarto de ladrillo". En marzo de 2000, la división de módulos de potencia de ERICSSON (EPM) lanzó un convertidor DC/DC de cuarto de ladrillo de última generación de 100W, la serie PKM 4000. 20 años después, FLEX Power Module (que adquirió EPM en 2017) lanzó un cuarto de ladrillo de 1300W, el BMR480 (Figura 01).

El aumento de la potencia de salida por un factor de más de 10 en menos de 20 años es el resultado de una combinación de topologías más eficientes, control digital, nuevos componentes, placas de circuito impreso multicapa de cobre pesado, magnetismo integrado y diseños extraordinarios, ¡pero no solo! - Para garantizar el pleno rendimiento de estos productos, es imprescindible una refrigeración eficaz.

Teniendo en cuenta la Ley de Fourier
En los últimos 20 años, los ingenieros de la electrónica de potencia han mejorado la eficiencia de los productos hasta un alto nivel, y todos aspiramos a alcanzar la mágica cifra del 99,99%. Pero hasta entonces tenemos que gestionar el calor generado por las pérdidas de potencia. Un convertidor DC/DC de 1000W con una eficiencia típica del 97% tendrá que disipar 31W [Pd = Pout x ((1-Ƞ) / Ƞ)]. Considerando una temperatura ambiente media en un equipo de telecomunicaciones o industrial de 55 grados centígrados, se necesitará una refrigeración eficaz para garantizar que la temperatura interna del módulo no supere el límite de seguridad especificado por el fabricante, por ejemplo, +105 grados C en el punto de prueba especificado.

Fórmula de la Ley de Fourier de la conducción térmica (Crédito: PRBX)

Como todos recordamos de la escuela, en 1822 el médico francés Joseph Fourier (figura 02) demostró que la tasa de transferencia de calor a través de un material es proporcional al gradiente negativo de la temperatura y al área. Las leyes de Fourier (Figura 03) de la conducción térmica rigen el principio del intercambio de calor desde el nivel más bajo, por ejemplo, la unión del semiconductor con el ambiente. La resistencia térmica es el recíproco de la conductancia térmica. Al igual que una resistencia eléctrica está asociada a la conducción de electricidad, una resistencia térmica puede estar asociada a la conducción de calor. Conseguir que la resistencia térmica sea lo más baja posible es un reto para todos los diseñadores de potencia y ahí es donde la electrónica se encuentra con la termodinámica.

Ilustración de un típico módulo de potencia refrigerado por un disipador de calor. Al igual que una resistencia eléctrica está asociada a la conducción de electricidad, una resistencia térmica puede estar asociada a la conducción de calor. (Crédito: PRBX)

Las prácticas de construcción de los módulos de potencia AC/DC y DC/DC están optimizadas para evacuar el calor a través de un mecanismo de refrigeración por conducción desde el silicio hasta una superficie de intercambio, por ejemplo, una placa base de aluminio. En las aplicaciones más comunes, se coloca un disipador en la placa base y se enfría mediante un flujo de aire, evacuando así el calor del módulo (Figura 04). En las aplicaciones de telecomunicaciones/datacom es muy común un flujo de aire de 400 LFM (2 m/s) que circula por el interior del rack para refrigerar el sistema en general, pero algunos sistemas de muy alta densidad de potencia pueden requerir hasta el doble (800 LFM (4 m/s), lo que es muy ruidoso y reduce la vida útil de los ventiladores y las turbinas de refrigeración.

Ejemplo de plataforma de conducción térmica, optimizada para la refrigeración por conducción, con todos los componentes disipadores fijados a la placa base. (Crédito: PRBX)

La refrigeración forzada por aire es el método más común para mantener la temperatura dentro de los límites de seguridad, aunque hay una serie de aplicaciones en las que estos métodos de refrigeración no son posibles, y hay un número creciente de preocupaciones sobre la fiabilidad y la sostenibilidad relacionadas con ello. Por lo general, el aire que se ventila en los centros de datos y otros equipos de alta potencia se expulsa al exterior del edificio, las calorías no se convierten en ningún recurso utilizable, y además la mayoría de los centros de datos que requieren sistemas de aire acondicionado consumen mucha energía, lo que constituye una gran preocupación.

Cuando la refrigeración por aire forzado no es una opción
Hay una serie de aplicaciones en las que no es posible o ni siquiera está permitido utilizar la ventilación activa. En entornos difíciles o en aplicaciones en las que el nivel de fiabilidad exigido impone la necesidad de eliminar todos los posibles riesgos de fallo, los ventiladores y extractores no están permitidos. He aquí algunos ejemplos.
La maquinaria industrial, como los equipos de corte por láser que generan partículas quemadas, humo y vapor, tienen sus cajas de control y supervisión selladas para evitar la contaminación y el riesgo de daños como resultado del proceso de corte. Para alimentar el sistema de control, la fuente de alimentación está encerrada en una caja sellada, lo que obliga a extraer el calor disipado por conducción del chasis o a fijarlo a una pared fría. Para que la refrigeración sea lo más eficiente posible, la fuente de alimentación se diseña con una gran placa base a la que se fijan todos los componentes disipadores (Figura 05).

En aplicaciones exigentes, se puede añadir un elemento de refrigeración líquida a la placa base de la fuente de alimentación para facilitar la evacuación de las calorías (Crédito: PRBX/SUNON)

En algunos equipos se requiere una refrigeración líquida para enfriar partes vitales, por ejemplo, un láser o una antorcha de plasma durante su funcionamiento. En estas aplicaciones, la fuente de alimentación se beneficia de la circulación del líquido y de la placa base unida a un elemento de refrigeración (figura 06).
Los equipos de vigilancia y seguridad industrial pueden instalarse en lugares remotos donde la exposición a condiciones climáticas extremas es habitual, y donde el mantenimiento puede resultar complicado. En estas instalaciones, la fiabilidad es extremadamente importante y los diseñadores de sistemas deben excluir todas las posibles causas de fallo. A pesar de las importantes mejoras en la calidad, los ventiladores y extractores están sujetos a fallos mecánicos y no son adecuados para estas aplicaciones. De nuevo, como en el ejemplo anterior, la refrigeración sólo puede lograrse mediante la conducción hacia el exterior de la caja sellada y un intercambiador de calor pasivo.

Cuando el silencio es oro
También hay una demanda creciente de equipos que se instalan en salas de supervisión o incluso en oficinas, que para la comodidad y la salud de los empleados, simplemente no producen ruido o lo limitan mucho.
Un ejemplo de ello son las oficinas con espacios abiertos, donde en algunos casos los niveles de ruido pueden llegar a ser de 60 a 65 decibelios. Esto puede parecer menor comparado con, por ejemplo, una carretera con mucho tráfico que genera 85 decibelios, pero puede dificultar la realización de un trabajo cognitivamente exigente, con los consiguientes efectos sobre la salud y la seguridad. De hecho, varias empresas exigen ahora que los niveles de ruido en las oficinas abiertas estén por debajo de los 55 decibelios y que se aplique la normativa local.
En estas situaciones, los equipos instalados en la sala, desde los ordenadores hasta las grandes pantallas, por ejemplo, como las que se utilizan en las oficinas de control de tráfico aéreo o de carreteras, deben reducirse los niveles de ruido al nivel más bajo posible, y se prohíbe la refrigeración ruidosa por aire forzado. En tales condiciones, la fuente de alimentación debe estar diseñada para poder funcionar sin ventilación, utilizando una solución de refrigeración por

En conclusión:
El diseño de una fuente de alimentación para la refrigeración por conducción requiere que los diseñadores de potencia trabajen de manera muy diferente en comparación con el diseño de una fuente de alimentación que se beneficia de un alto flujo de aire y una amplia refrigeración. Las fuentes de alimentación con refrigeración por conducción solían considerarse un segmento anecdótico, aunque es posible que las nuevas normativas medioambientales exijan pronto que varias aplicaciones con refrigeración por aire forzado se pasen a soluciones más respetuosas con el medio ambiente y a la refrigeración por conducción.

Referencias:
Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com/

Teoría analítica del calor por M. FOURRIER - 1822 https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k1045508v.texteImage#

Módulos de alimentación FLEX : https://flexpowermodules.com/

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