Dissipare 1W su un TO-220 senza dissipatore di calore?

Un TO-220 senza dissipatore di calore può dissipare 1 W in aria calma?

Oppure, un modo diverso di porre la domanda è: supponendo una temperatura ambiente di 25 ° C, come posso fare per calcolare la potenza massima che posso dissipare su un MOSFET confezionato TO-220? Il MOSFET è un FDP047N10 se questo aiuta. Gestirà circa 12,5 A di corrente continua (cioè nessuna commutazione).

Vorrei anche capire la differenza nella dissipazione di potenza di un MOSFET che è continuamente acceso, rispetto a un MOSFET che commuta a 100 KHz (duty cycle 50% ON).

Un'ultima domanda: se parallelo due MOSFET per ridurre la dissipazione di potenza per FET, c'è qualcosa che posso fare per assicurarmi (o aumentare la probabilità) che entrambi forniranno uguali quantità di energia?

Rispondere alla tua seconda domanda:

Un MOSFET di commutazione avrà due tipi di perdite; conduzione e commutazione. La perdita di conduzione è la solita perdita di . Se si controlla il MOSFET in modo che sia attivo con un ciclo di funzionamento del 50%, la perdita di conduzione è del 50% della perdita CC (sempre attiva).$I_D^2 \times R_{DS(on)}$

Le perdite di commutazione includono la quantità di energia necessaria per controllare il gate e le perdite nel dispositivo mentre passa dallo stato acceso allo stato spento. Quando si accende un MOSFET, c'è un intervallo in cui inizia a fluire e la tensione V D S è ancora al massimo. V D S cade quando il canale MOSFET si satura. L'energia consumata durante questo periodo si chiama perdita all'accensione . Allo stesso modo, allo spegnimento, c'è un intervallo in cui V D S aumenta prima che I D inizi a cadere, che (non sorprendentemente) è chiamato perdita di spegnimento .$I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$$V_{DS}$$I_D$

È necessario considerare le perdite di accensione e spegnimento quando si parla di un funzionamento a 100 kHz. Molto probabilmente vedrai meno energia della condizione DC, ma non risparmierai il 50%.

Rispondere alla tua terza domanda:

MOSFET ha un coefficiente di temperatura positivo: più caldo diventa, più alto diventa R D S ( o n ) . Se si collegano due MOSFET in parallelo con caratteristiche simili (cioè lo stesso numero di parte dello stesso produttore), li si guida in modo identico e non si ha un'asimmetria enorme nel layout del PCB, i MOSFET condivideranno effettivamente la corrente abbastanza bene. Assicurati sempre che ogni MOSFET abbia una resistenza indipendente in serie con ciascuna porta (mai porte parallele senza resistori) poiché le porte collegate direttamente possono interagire stranamente tra loro - anche pochi ohm è meglio di niente.$R_{DS(on)}$$R_{DS(on)}$

Questo è semplice: fai i conti. Guarda la scheda tecnica. Dovrebbe esserci una specifica di resistenza termica che ti dice quante differenze di degC ci saranno tra la matrice e l'aria ambiente per Watt. Quindi aggiungilo alla tua temperatura ambiente peggiore e confronta con la massima temperatura dello stampo consentita.

Per la maggior parte dei transistor e dei circuiti integrati, un case TO-220 si surriscalda a 1 W, ma generalmente rimane nel raggio operativo. A 1/2 W non me ne preoccuperei. A 1W controllerei il foglio dati e farei il calcolo, ma probabilmente andrà bene.

Una ruga: la scheda tecnica può solo dirti di resistere alla resistenza termica. Devi quindi aggiungere la resistenza termica dal case all'ambiente, che sarà molto più alto. Fortunatamente questa è principalmente una funzione del case TO-220, non del transistor, quindi dovresti essere in grado di trovare una figura generica per questo. Buoni fogli dati forniscono entrambi i valori di resistenza termica.

Inserito il:

Non avevo seguito prima il collegamento al foglio dati, ma ora vedo che tutto ciò di cui hai bisogno è ben specificato lì. La resistenza termica dallo stampo all'ambiente è di 62,5 C / W e la temperatura operativa massima dello stampo è di 175 ° C. Hai detto che la tua temperatura ambiente è di 25 ° C. Aggiungendo l'aumento da lì al dado a 1W si ottiene 88 ° C. Questo è 87 ° C al di sotto della massima temperatura operativa, quindi la risposta è molto chiara SÌ, il transistor andrà bene a 1 W in 25 ° C di aria libera.

Rispondere alla tua prima domanda:

$\Omega$$P = I_D^2 \times R_{DS(ON)} = 12.5^2 \times 4.7m\Omega = 735mW$

1. la quantità di energia generata,
2. quanto facilmente l'energia può essere scaricata nell'ambiente

(Il primo fattore dice "energia", e non "potenza", perché è l'energia che causa l'innalzamento della temperatura. Ma nei nostri calcoli assumiamo uno stato stabile e possiamo dividere tutto per tempo in modo da poter lavorare con il potere invece che con l'energia.)

Conosciamo il potere, questo è 1W. La facilità con cui l'energia può essere scaricata è espressa in resistenza termica (in K / W). Questa resistenza termica è la somma di alcune diverse resistenze termiche che normalmente (dovresti) trovare nel foglio dati: c'è la resistenza di giunzione-caso e la resistenza da caso a ambiente . Il primo è molto basso, perché il trasferimento di calore avviene attraverso la conduzione , mentre il secondo ha un valore molto più elevato perché qui il trasferimento di calore avviene tramite convezione. Come dice Olin, quest'ultimo è una proprietà del tipo di caso (TO-220), quindi forse non lo troveremo nel foglio dati. Ma siamo fortunati, il foglio dati ci offre la resistenza termica totale, dalla giunzione all'ambiente: 62,5 K / W. Ciò significa che a una dissipazione di 1 W la temperatura di giunzione sarà di 62,5 K (o ° C) più elevata dell'ambiente. Se la temperatura nella custodia è di 25 ° C (è piuttosto bassa!), La temperatura di giunzione sarà di 87,5 ° C. Questo è molto inferiore ai 125 ° C che viene spesso assunto come temperatura massima per il silicio, quindi siamo al sicuro. La temperatura del case sarà quasi la stessa della giunzione, quindi il MOSFET sarà CALDO, troppo caldo per essere toccato.

Nota: questa pagina Web elenca la resistenza termica da case a ambiente per diversi pacchetti.

A complemento delle altre risposte, ecco un circuito equivalente con cui dovresti essere in grado di capire se il tuo componente può gestire la potenza dissipata, sia esso un TO-220 o qualsiasi altro pacchetto, con o senza dissipatore di calore.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Se la fonte di tensione ti dà fastidio quando risolvi la temperatura di giunzione ("tensione"), puoi rimuoverla e lavorare sull'aumento della temperatura rispetto alla temperatura ambiente (GND è ora Temperatura ambiente / potenziale).

• R1, R2 e C1 provengono dal foglio dati del componente
• R3 proviene dal foglio dati della pasta termica utilizzata, se presente, o dai grafici della resistenza termica VS pressione di contatto (dipende dall'area di contatto) per i materiali in contatto
• R4 e C2 provengono dalla scheda tecnica del dissipatore di calore, R4 dovrebbe dipendere dal flusso d'aria.

Generalmente "case" significa tab se ce n'è uno (altrimenti il ​​caso reale), ma altrimenti dovresti essere in grado di modificare di conseguenza il circuito equivalente - pensa ai resistori come percorsi per il calore e ottieni la temperatura di un elemento dalla sua tensione.

Per uno stato stazionario, supporre che i condensatori termici siano rimossi (completamente "caricati" / riscaldati). Ad esempio, senza dissipatore di calore:

Quando la potenza dissipata viene commutata rapidamente rispetto alle costanti di tempo termiche, in genere è necessario moltiplicare la capacità specifica che i produttori possono fornire (la regola empirica è 3 (Ws) / (K.kg)) con la massa associata per ottenere il capacità e gestire le normali cariche RC.

Si noti che la temperatura ambiente attorno al componente potrebbe essere molto più elevata della temperatura ambiente circostante, se l'aria non circola e / o se è chiusa. Per questo motivo, e poiché tutti i valori non sono generalmente molto precisi, sii critico su T0 e prendi almeno un fattore di sicurezza o 1,5 (come sopra) o preferibilmente 2 su T1.

Infine, potresti prendere in considerazione la possibilità di esaminare i grafici della temperatura di giunzione VS sul foglio dati del componente e modificare la temperatura massima per una inferiore, poiché una temperatura OK potrebbe compromettere le prestazioni del circuito. In particolare, il ciclo della temperatura riduce la durata del componente - una regola empirica è la metà della durata per ogni incremento di 10 ° C.

Secondo la formula wiki e costante per TO-220 giunzione tra aria e ambiente pari a 62,5 gradi per watt. Quando la giunzione è a 125 ° C-70 ° C (caso peggiore) / 62,5 = 55 / 62,5 = 880 milliwatt.

Che il limite dice per le applicazioni automobilistiche.

Quindi la risposta è No. Anche se sei in grado di mantenere un limite di 125 ° C (ahi).

Chiedete anche se è applicabile ai FET. È ancora più discutibile per i FET, perché hanno una modalità di fuga termica, quando con l'aumento della temperatura di giunzione le loro curve elettriche tendono a puntare ancora più dissipazione di potenza. Quindi non puoi mantenere il limite. I FET in parallelo non degradano la fuga e bilanciano automaticamente il carico, ma piccole differenze nei dispositivi causano lo squillo indotto dalla corrente di spunto delle tensioni di gate (si hanno picchi di corrente elevati accanto ai pin ad alta impedenza), quindi può oscillare e degradare termicamente. (Modifica: come ha commentato Madman: quando si passa a zero-cross time, diciamo in raddrizzatore sincrono, è possibile ignorare questo aspetto).

Quindi la risposta finale è No e No.

La mia stima prudente è una divisione di 880 per 3 = circa 300 mW, per mantenere un margine di sicurezza in eccesso del 200% della potenza.

La resistenza termica "die to ambient" significa che è montato su un dissipatore di calore infinito, o, comunemente, un pcb quadrato in rame da 1 pollice o un test simile specificato dal produttore. Quando il dispositivo è montato in questo modo, la temperatura "ambiente" è la temperatura del dissipatore di calore. Se il dispositivo non è montato in questo modo, "ambiente" per il dispositivo sarà la temperatura dell'aria calda che circonda il dispositivo, non i 25 ° C di aria da qualche parte più lontano.

La resistività termica dell'aria statica è di circa 0,1 - 0,2 K / W, per metro quadrato e l'area di un pacchetto TO-220 è di circa 300 mm2, quindi una prima ipotesi sulla resistenza termica da ambiente a ambiente sarebbe di circa 500 ° C / W. Ciò concorda con il tipo di numeri disponibili su Internet: TI suggerisce che la resistenza termica da un quadrato di 1 cm all'aria dovuta alla convezione naturale è di 1000 K / W. AN-2020 Thermal Design di Insite, non Hindsight

Con la temperatura ambientale intorno a 25 ° C, la resistenza termica intorno a 500 caso-ambiente, circa 50 giunzione a scatola e la temperatura massima di giunzione 150 ° C, la potenza consentita è (150-25) / 550 W o, molto approssimativamente,

circa 200 mW.

David ha detto di base che il mosfet andrà a sbattere +1. Alcuni altri motivi sarebbero la cattiva temperatura positiva della resistenza che non funziona a tuo favore quando la corrente del dispositivo è fissa. Infatti, come la maggior parte dei fet, può facilmente raddoppiare come diventa caldo quindi il tuo 1 watt ora è 2 watt. L'elevata capacità di ingresso causerà uno spreco di energia nella resistenza interna del gate se il driver del gate è veloce. Questa potenza del gate è significativa e deve essere presa in considerazione. Se guidi rallentando la commutazione le perdite aumenteranno soprattutto se si sta effettuando una commutazione difficile, quindi non è possibile rallentare molto il gate. Se la tensione del DS è ragionevolmente alta, l'effetto del mugnaio inizia ad amplificare la capacità del gate di drain. Questa capacità aggiuntiva si aggiunge alla già grande capacità del gate rendendo le cose anche peggio. Se tutto ciò non è sufficiente, considerare il recupero del diodo all'accensione.