Se chiedete perché un raddrizzatore ad alta tensione si è guastato, la risposta è spesso "era vecchio". L'età non è un meccanismo. Ciò che invecchia un raddrizzatore è la temperatura, e la temperatura che conta è quella all'interno del chip, non quella che si può misurare all'esterno dell'involucro.

Il numero che non si può misurare

La temperatura di giunzione è la temperatura effettiva a cui si trova il silicio. Alla base di tutto c'è una relazione semplice:

Tj = Tambientale + (dissipazione totale × resistenza termica)

Nessun elemento di quell'equazione è specifico dei raddrizzatori; è valido per qualsiasi semiconduttore di potenza. Ciò che rende interessante la sua trattazione è il terzo termine. In un circuito ad alta tensione, tutte le perdite dell'intera stringa si generano in un unico componente e devono essere dissipate attraverso l'involucro, il supporto e qualsiasi altro elemento a cui sia fissato.

Quel percorso, ovvero la resistenza termica, è il punto in cui la progettazione meccanica del componente si manifesta come parametro elettrico.

Perché la forma di montaggio determina la corrente nominale

Confronta due componenti della stessa linea di prodotti, entrambi stampati in resina epossidica nera, entrambi della stessa classe di tensione:

  • Un raddrizzatore a modulo stampato semplice: fino a 2 A a 10 kV.
  • Un gruppo con montaggio a flangia nella stessa classe di tensione: fino a 14 A a 10 kV e 15 A a 3 kV.

Non si tratta di una differenza nel silicio in sé, bensì nel modo in cui il silicio dissipa il calore. Il componente con flangia si fissa a un dissipatore di calore o a una paratia metallica, e la flangia funge da percorso termico. Il modulo stampato, invece, si basa sulla stabilità dell'aria e sulla ridotta superficie del proprio corpo.

La stessa logica si applica a tutta la gamma. Quando si osserva un valore di corrente nominale che sembra elevato rispetto alle dimensioni del contenitore, il motivo è quasi sempre che il contenitore è progettato per essere raffreddato e il montaggio non è opzionale.

Perché la temperatura di giunzione e la durata sono correlate

La dipendenza del tasso di guasto dalla temperatura di giunzione è una delle relazioni più ampiamente documentate nell'ambito dell'affidabilità dei semiconduttori. L'andamento della curva è costante: al di sotto di una certa temperatura il tasso di guasto è sostanzialmente costante, mentre al di sopra di essa aumenta bruscamente per ogni ulteriore decina di gradi.

Ne conseguono due conseguenze, entrambe di natura pratica:

  1. Un componente che si surriscalda non si guasta in un momento prevedibile, bensì con una frequenza molto maggiore. Non esiste un'affermazione utile del tipo "durerà altri due anni". Esiste invece un'affermazione molto più utile: far funzionare il sistema a una temperatura inferiore di trenta gradi può ridurre il tasso di guasto di un ordine di grandezza.
  2. Il percorso termico fa parte dell'apprendimento. Un componente di ricambio elettricamente identico ma montato in modo diverso funzionerà a una temperatura di giunzione differente e, di conseguenza, avrà una durata di vita diversa.

Cosa controllare quando si sostituisce un

  • L'interfaccia di montaggio. Stesso schema di foratura, stesso diametro della flangia, stessa filettatura del prigioniero. Se il ricambio tocca il dissipatore di calore in modo diverso, la resistenza termica cambia anche se le caratteristiche elettriche corrispondono.
  • L'interfaccia termica. Il tipo di contatto utilizzato per l'assemblaggio, che sia a tampone, a pasta abrasiva o a metallo nudo, è parte integrante della progettazione, non un dettaglio da officina.
  • La temperatura della cassa in esercizio. Se il pezzo originale funziona ancora, misuralo e confrontalo dopo la sostituzione. Questo è il metodo di allarme precoce più economico disponibile.
  • Se la posizione ha margine. Un componente di ricambio che si surriscalda più dell'originale non è ancora un guasto, ma un conto alla rovescia.

I due estremi della gamma

Nella linea di raddrizzatori HVC è possibile osservare entrambi gli estremi dello spettro di progettazione termica:

Entrambi i componenti sono progettati correttamente per le rispettive posizioni. Il problema si verifica quando uno viene sostituito con l'altro senza verificare la funzione del montaggio sul percorso termico.