Come scegliere le dimensioni corrette del dissipatore di calore per SSR ad alta potenza per prevenire guasti termici

Introduzione: perché il calore è il nemico dei relè a stato solido

I relè a stato solido (SSR) ad alta potenza sono ampiamente preferiti nell'automazione industriale per il controllo di elementi riscaldanti ad alta corrente, motori e carichi di illuminazione industriale. Poiché gli SSR non contengono contatti meccanici mobili, sono esenti da usura meccanica. Tuttavia, la loro dipendenza da dispositivi semiconduttori di potenza (come tiristori, triac o MOSFET) introduce un importante vincolo fisico: la generazione interna di calore.

Durante il funzionamento, si verifica una piccola caduta di tensione diretta interna (tipicamente da 1,0 a 1,6 Volt) attraverso la giunzione semiconduttore del SSR. Questa caduta di tensione, moltiplicata per la corrente di carico che attraversa il dispositivo, genera calore. Ad esempio, un SSR che commuta un carico di 40 A può generare da 40 a 60 Watt di calore all’interno del suo involucro. Senza un dissipatore di calore adeguato per smaltire questa energia termica, la temperatura della giunzione semiconduttore interna supererà rapidamente il suo limite massimo (solitamente 125 gradi Celsius). Ciò provoca un immediato fenomeno di runaway termico, rendendo il SSR permanentemente danneggiato in uno stato di cortocircuito. Per gli ingegneri B2B e i costruttori di quadri di comando, la scelta delle dimensioni corrette del dissipatore di calore è fondamentale per garantire la longevità e la sicurezza del sistema. Questa guida illustra passo dopo passo il processo di calcolo termico.

La fisica della resistenza termica negli insiemi SSR

Per selezionare il dissipatore di calore appropriato, dobbiamo comprendere il concetto di resistenza termica, indicata con il simbolo Rth e misurata in gradi Celsius per Watt (°C/W). La resistenza termica rappresenta l’opposizione offerta da una sostanza o da un insieme al flusso di calore. Un valore più basso di Rth indica che il calore può fluire più facilmente, garantendo un raffreddamento migliore.
In un insieme costituito da un SSR e da un dissipatore di calore, il calore deve attraversare tre principali barriere di resistenza termica prima di disperdersi nell’aria ambiente circostante:

1. Resistenza termica giunzione-involucro (Rth-jc): si tratta della resistenza tra il chip semiconduttore interno e la piastra metallica posteriore dell’SSR. Questo valore è determinato durante la produzione ed è riportato sul foglio dati tecnici dell’SSR. Per gli SSR ad alta potenza DAQCN, tale valore è mantenuto eccezionalmente basso grazie all’impiego di basi in rame ad alta conducibilità termica.

2. Resistenza termica tra involucro e dissipatore di calore (Rth-cs): Questa è la resistenza termica tra la piastra metallica posteriore del SSR e la superficie di montaggio del dissipatore di calore. L'aria è un cattivo conduttore termico, quindi anche microscopici interstizi d'aria tra le due superfici possono ostacolare il trasferimento di calore. È necessario applicare uno strato sottile di grasso termico di alta qualità o utilizzare una guarnizione termica per ridurre al minimo questa resistenza.

3. Resistenza termica tra dissipatore di calore e ambiente (Rth-sa): Questa è la resistenza termica offerta dal dissipatore di calore stesso verso l'aria circostante. Questo è il valore che dobbiamo calcolare e selezionare al momento dell'acquisto del dissipatore di calore.
Guida passo-passo per il calcolo della resistenza termica del dissipatore di calore
Per determinare la resistenza termica massima accettabile del dissipatore di calore (Rth-sa), utilizzare la seguente formula ingegneristica:
Rth-sa = ((Tj - Ta) / Pd) - Rth-jc - Rth-cs
Analizziamo di seguito ciascuna variabile presente in questa formula e spieghiamo come ottenere il suo valore:

Passo 1: Identificare la temperatura massima di giunzione del semiconduttore (Tj)
Mentre la maggior parte dei semiconduttori di potenza è classificata per una temperatura massima di giunzione (Tj) di 125 gradi Celsius, far funzionare un dispositivo al suo limite assoluto ne riduce la durata. Per garantire sicurezza e affidabilità a lungo termine, gli ingegneri applicano tipicamente un fattore di derating di sicurezza, limitando la temperatura massima di giunzione (Tj) a 95 o 100 gradi Celsius.

Passo 2: Determinare la temperatura ambiente massima (Ta)
Si tratta della temperatura più elevata all'interno dell'armadio di controllo elettrico in cui verrà montato il relè statico (SSR). Si osservi che la temperatura all'interno di un quadro industriale è spesso significativamente superiore alla temperatura ambiente del pavimento dello stabilimento. Se il quadro non è ventilato o si trova vicino ad altri apparecchi che generano calore, si assuma, in via cautelativa, una Ta compresa tra 40 e 50 gradi Celsius.

Passo 3: Calcolare la dissipazione di potenza (Pd)
La dissipazione di potenza è la quantità totale di potenza termica generata dall'SSR, misurata in Watt. Una regola pratica affidabile per gli SSR AC standard prevede che generino circa 1,2 Watt di calore per ogni Ampere di corrente di carico.
Pd = Corrente di carico (I) × 1,2
Per un carico da 40 A:
Pd = 40 × 1,2 = 48 Watt di calore.

Passo 4: Ottenere le costanti del datasheet (Rth-jc e Rth-cs)

• Rth-jc: Fare riferimento al datasheet del prodotto DAQCN. Per un tipico SSR industriale da 40 A, questo valore è solitamente pari a circa 0,3 °C/W.
  
• Rth-cs: Se il grasso termico di alta qualità viene applicato correttamente, la resistenza tra la custodia e il dissipatore di calore è estremamente bassa, tipicamente pari a circa 0,1 °C/W.
  

Passo 5: Eseguire il calcolo
Utilizzando il nostro esempio con carico da 40 A, con una temperatura di giunzione Tj deratata per sicurezza di 95 gradi Celsius e una temperatura ambiente dell’incapsulamento Ta di 45 gradi Celsius:
Tj = 95 °C
Ta = 45 °C
Pd = 48 W
Rth-jc = 0,3 °C/W
Rth-cs = 0,1 °C/W
Rth-sa = ((95 - 45) / 48) - 0,3 - 0,1
Rth-sa = (50 / 48) - 0,4
Rth-sa = 1,04 - 0,4 = 0,64 °C/W
Per mantenere la temperatura di giunzione del SSR al di sotto dei 95 gradi Celsius, è necessario selezionare un dissipatore di calore con una resistenza termica pari o inferiore a 0,64 °C/W. Un dissipatore di calore con una resistenza termica di 0,5 °C/W o 0,6 °C/W rappresenterebbe una scelta eccellente e sicura per questa applicazione.
Fattori pratici da considerare nella selezione dei dissipatori di calore
Sebbene le formule matematiche forniscono una base precisa, diversi fattori reali possono influenzare le prestazioni del dissipatore di calore e devono essere presi in considerazione durante la fase di progettazione:

• Flusso d'aria e convezione forzata: il valore di resistenza termica di un dissipatore viene solitamente specificato per convezione naturale (aria ferma). L'introduzione di un ventilatore di raffreddamento all'interno dell'involucro migliora drasticamente la dissipazione del calore, riducendo la resistenza termica effettiva del dissipatore fino al 50 percento. Se lo spazio è limitato, spesso si preferisce un dissipatore più piccolo dotato di ventola a flusso forzato rispetto a un grande dissipatore passivo.
  
• Orientamento di montaggio: i dissipatori si basano sulle correnti di convezione naturale per far salire l'aria calda verso l'alto. Per massimizzare l'efficienza, montare sempre il dissipatore in posizione verticale, in modo che le alette di raffreddamento siano disposte verticalmente. Il montaggio orizzontale può ridurre l'efficienza del dissipatore dal 20 al 30 percento.
  
• Ventilazione dell'involucro: un dissipatore non è in grado di raffreddare un SSR se l'aria calda rimane intrappolata all'interno di un involucro sigillato. Assicurarsi che il quadro di comando sia dotato di griglie di ventilazione adeguate, fessure di aerazione o ventilatori di estrazione attivi per scambiare l'aria interna calda con quella esterna più fresca.
  
• Approvvigionamento di unità preassemblate: Per eliminare i rischi legati alla progettazione e ridurre i tempi di assemblaggio sul pavimento della fabbrica, i grossisti B2B e i costruttori di quadri elettrici spesso acquistano combinazioni di SSR e dissipatori di calore già pretestate e certificate come singola unità dal produttore.
  

Perché DAQCN è il vostro partner affidabile per le soluzioni di gestione termica

DAQCN produce una vasta gamma di relè a stato solido ad alta potenza e dissipatori di calore in alluminio abbinati, progettati per operare in ambienti industriali gravosi. Le nostre soluzioni di gestione termica offrono:

• Dissipatori di calore in alluminio estruso ad alta purezza con superfici alettate ottimizzate per un trasferimento termico massimo.
  
• Pads termici ad alta conducibilità già applicati sui nostri assiemi SSR, eliminando il disordine e l’incoerenza derivanti dall’applicazione manuale della pasta termica.
  
• Dati termici completamente caratterizzati per tutti i prodotti, che consentono agli ingegneri di effettuare calcoli precisi senza ricorrere a stime approssimative.
  Che tu stia acquistando singoli componenti o moduli integrati SSR con dissipatore di calore, DAQCN garantisce che i tuoi sistemi industriali di riscaldamento e di controllo del motore rimangano freschi, efficienti e affidabili.
  

Conclusione: protezione del tuo investimento industriale

Il guasto termico è la principale causa di danneggiamento degli SSR, ma è completamente prevenibile. Calcolando accuratamente la resistenza termica richiesta del dissipatore di calore, utilizzando materiali di interfaccia termica di alta qualità e assicurando un’adeguata circolazione dell’aria, gli ingegneri B2B possono garantire l'affidabilità a lungo termine dei propri sistemi. Collaborare con un fornitore specializzato come DAQCN offre accesso a componenti ad alte prestazioni e all’esperienza tecnica necessaria per eliminare del tutto i guasti termici.