Rozpraszanie 1W w TO-220 bez radiatora?

Czy TO-220 bez radiatora może rozproszyć 1 W w nieruchomym powietrzu?

Albo inny sposób zadawania pytań: przy założeniu, że temperatura otoczenia wynosi 25 ° C, jak mogę obliczyć maksymalną moc, jaką mogę rozproszyć na MOSFET-ie w pakiecie TO-220? MOSFET to FDP047N10, jeśli to pomaga. Będzie obsługiwał około 12,5 A prądu ciągłego (tj. Bez przełączania).

Chciałbym również zrozumieć różnicę w rozpraszaniu mocy MOSFET-a, który jest ciągle włączony, w porównaniu do MOSFET-u, który przełącza się przy 100 KHz (włączony cykl pracy 50%).

Jedno ostatnie pytanie: jeśli połączę równolegle dwa tranzystory MOSFET w celu zmniejszenia rozproszenia mocy na FET, czy mogę coś zrobić, aby upewnić się (lub zwiększyć prawdopodobieństwo), że oba dostarczą równe ilości mocy?

Odpowiadając na twoje drugie pytanie:

Przełączający MOSFET będzie miał dwa rodzaje strat; przewodzenie i przełączanie. Strata przewodzenia jest zwykle . Jeśli kontrolujesz MOSFET tak, aby był włączony przy 50% cyklu pracy, strata przewodzenia wynosi 50% straty DC (zawsze włączone).$I_D^2 \times R_{DS(on)}$

Straty przełączania obejmują ilość energii potrzebnej do sterowania bramą i straty w urządzeniu podczas przejścia ze stanu włączenia do stanu wyłączenia. Po włączeniu MOSFET-u następuje przerwa, w której zaczyna płynąć, a napięcie jest nadal na maksymalnym poziomie. spada wraz z nasyceniem kanału MOSFET. Energia zużywana w tym czasie nazywa się utratą włączania . Podobnie przy wyłączaniu jest przedział, w którym rośnie, zanim zacznie spadać, co (co nie jest zaskoczeniem) nazywa się stratą przy wyłączaniu .V D S V D S V D S I $I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$$V_{DS}$$I_D$

Musisz wziąć pod uwagę straty przy włączaniu i wyłączaniu, gdy mówisz o pracy z częstotliwością 100 kHz. Najprawdopodobniej zobaczysz mniej energii niż stan DC, ale nie zaoszczędzisz 50%.

Odpowiadając na twoje trzecie pytanie:

MOSFET ma dodatni współczynnik temperaturowy - im cieplejsze, tym wyższa . Jeśli podłączysz dwa tranzystory MOSFET równolegle o podobnych charakterystykach (tj. O tym samym numerze części od tego samego producenta), sterujesz nimi identycznie i nie będziesz mieć ogromnej asymetrii w układzie PCB, tranzystory MOSFET rzeczywiście będą ładnie dzielić prąd. Zawsze upewnij się, że każdy MOSFET ma niezależny rezystor szeregowo z każdą bramą (nigdy równoległe bramki bez rezystorów), ponieważ bramki połączone bezpośrednio mogą dziwnie ze sobą współdziałać - nawet kilka omów jest lepsze niż nic. R D S ( o n $R_{DS(on)}$$R_{DS(on)}$

To proste: zrób matematykę. Spójrz na arkusz danych. Powinna istnieć specyfikacja odporności termicznej, która mówi, ile różnic degC będzie między matrycą a powietrzem otoczenia na wat. Następnie dodaj to do najgorszego przypadku temperatury otoczenia i porównaj z maksymalną dopuszczalną temperaturą matrycy.

W przypadku większości tranzystorów i układów scalonych obudowa TO-220 nagrzeje się do 1 W, ale ogólnie pozostanie w zasięgu działania. Przy 1/2 WI nie martwiłby się tym. Przy 1W sprawdzę arkusz danych i wykonam obliczenia, ale prawdopodobnie będzie OK.

Jedna zmarszczka: arkusz danych może tylko powiedzieć, że umrzesz, aby obudować opór cieplny. Następnie należy dodać opór cieplny obudowy do otoczenia, który będzie znacznie wyższy. Na szczęście jest to głównie funkcja obudowy TO-220, a nie tranzystora, więc powinieneś być w stanie znaleźć ogólną liczbę do tego. Dobre arkusze danych dają obie wartości oporu cieplnego.

Dodany:

Nie korzystałem wcześniej z łącza do arkusza danych, ale teraz widzę, że wszystko, czego potrzebujesz, jest tam dobrze określone. Odporność termiczna od matrycy do otoczenia wynosi 62,5 C / W, a maksymalna temperatura robocza matrycy wynosi 175 ° C. Powiedziałeś, że twoja temperatura otoczenia wynosi 25 ° C. Dodanie stamtąd wzrostu do matrycy przy 1 W daje 88 ° C. To 87 ° C poniżej maksymalnej temperatury roboczej, więc odpowiedź jest bardzo jasna TAK, twój tranzystor będzie w porządku przy 1 W przy 25 ° C wolnego powietrza.

Odpowiadając na twoje pierwsze pytanie:

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

1. ilość wytworzonej energii,
2. jak łatwo można odprowadzić energię do środowiska

(Pierwszy czynnik mówi „energia”, a nie „moc”, ponieważ to energia powoduje wzrost temperatury. Ale w naszych obliczeniach przyjmujemy stan ustalony i możemy podzielić wszystko przez czas, abyśmy mogli pracować z mocą zamiast energii.)

Znamy moc, czyli 1 W. To, jak łatwo można odprowadzić energię, wyraża się w oporze cieplnym (w K / W). Ten opór cieplny jest sumą kilku różnych oporów cieplnych, które normalnie (powinieneś) znaleźć w arkuszu danych: istnieje opór połączenia między obudową i opór od obudowy do otoczenia . Pierwszy z nich jest bardzo niski, ponieważ przenoszenie ciepła odbywa się przez przewodzenie , podczas gdy drugie ma znacznie wyższą wartość, ponieważ tutaj przenoszenie ciepła odbywa się przez konwekcję. Jak mówi Olin, ta ostatnia jest właściwością typu sprawy (TO-220), więc może nie znajdziemy jej w arkuszu danych. Ale mamy szczęście, arkusz danych daje nam całkowitą odporność termiczną w połączeniu z otoczeniem: 62,5 K / W. Oznacza to, że przy rozproszeniu 1 W temperatura złącza będzie o 62,5 K (lub ° C) wyższa niż temperatura otoczenia. Jeśli temperatura w obudowie wynosi 25 ° C (to raczej niska!), Temperatura złącza wyniesie 87,5 ° C. To znacznie mniej niż 125 ° C, które często przyjmuje się za maksymalną temperaturę krzemu, więc jesteśmy bezpieczni. Temperatura obudowy będzie prawie taka sama jak skrzyżowanie, więc MOSFET będzie GORĄCY, zbyt gorący, by go dotknąć.

Uwaga: na tej stronie wymieniono opór cieplny obudowy dla otoczenia dla różnych opakowań.

Jako uzupełnienie innych odpowiedzi, oto równoważny obwód, z którym powinieneś być w stanie ustalić, czy twój komponent może poradzić sobie z rozproszoną mocą, czy to TO-220, czy jakikolwiek inny pakiet, z radiatorem lub bez niego.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Jeśli źródło napięcia przeszkadza ci w rozwiązywaniu problemu temperatury złącza („napięcie”), możesz je usunąć i pracować na podwyższeniu temperatury w stosunku do temperatury otoczenia (GND to teraz temperatura / potencjał otoczenia).

• R1, R2 i C1 pochodzą z arkusza danych komponentu
• R3 pochodzi z arkusza danych użytej pasty termicznej, jeśli taka istnieje, lub z wykresów odporności termicznej VS nacisku kontaktowego (w zależności od powierzchni kontaktu) dla materiałów w kontakcie
• R4 i C2 pochodzą z arkusza danych radiatora, R4 powinien zależeć od przepływu powietrza.

Ogólnie rzecz biorąc, „obudowa” oznacza zakładkę, jeśli istnieje (w przeciwnym razie rzeczywisty przypadek), ale w przeciwnym razie powinieneś być w stanie odpowiednio zmodyfikować równoważny obwód - po prostu pomyśl o opornikach jako ścieżkach ciepła, a otrzymasz temperaturę elementu z jego napięcia.

W stanie ustalonym załóż, że kondensatory termiczne zostały usunięte (całkowicie „naładowane” / podgrzane). Na przykład bez radiatora:

Kiedy rozpraszana moc jest szybko przełączana w porównaniu do termicznych stałych czasowych, zazwyczaj trzeba pomnożyć pojemność właściwą, którą producenci mogą podać (ogólna zasada to 3 (Ws) / (K.kg)) z powiązaną masą, aby uzyskać pojemności i radzić sobie ze zwykłymi ładunkami RC.

Pamiętaj, że temperatura otoczenia wokół elementu może być znacznie wyższa niż temperatura otoczenia wokół ciebie, jeśli powietrze nie krąży i / lub jest zamknięte. Z tego powodu oraz ponieważ wszystkie wartości nie są ogólnie bardzo dokładne, należy krytycznie traktować T0 i przyjmować co najmniej współczynnik bezpieczeństwa 1,5 (jak wyżej) lub najlepiej 2 na T1.

Na koniec warto rozważyć przyjrzenie się wykresom temperatury połączenia VS w arkuszu danych komponentu i zmianę maksymalnej temperatury na niższą, ponieważ temperatura OK może nadal zepsuć wydajność obwodu. W szczególności cykliczne zmiany temperatury skracają żywotność elementu - ogólną zasadą są połówki okresu użytkowania na każdy przyrost 10 ° C.

Według formuły wiki i stałą dla termicznego połączenia TO-220 z powietrzem do otoczenia równego 62,5 stopnia na wat. Gdy twoje skrzyżowanie ma temperaturę otoczenia 125C-70C (najgorszy przypadek) / 62,5 = 55 / 62,5 = 880 miliwatów.

To ograniczenie mówi o zastosowaniach motoryzacyjnych.

Tak więc odpowiedź brzmi nie. Nawet jeśli jesteś w stanie utrzymać limit 125C (ouch).

Pytasz także, czy ma to zastosowanie do FET. Jest to jeszcze bardziej wątpliwe w przypadku tranzystorów polowych, ponieważ mają one tryb wybiegu termicznego, gdy wraz ze wzrostem temperatury złącza ich krzywe elektryczne dążą do jeszcze większego rozproszenia mocy. Więc nie możesz utrzymać limitu. Równoległe tranzystory polowe nie będą ulegać niekontrolowanemu rozkładowi i samoczynnie równoważą obciążenie, ale niewielkie różnice w urządzeniach powodują indukowane prądem rozruchowym dzwonienie napięć bramki (masz duże skoki prądu obok styków o wysokiej impedancji), więc może oscylować i degradować termicznie. (Edycja: jak skomentował Madman: Kiedy przełączasz się w czasie zerowego przejścia, powiedzmy w prostowniku synchronicznym, możesz zignorować ten aspekt).

Ostateczna odpowiedź brzmi: nie i nie.

Moje ostrożne oszacowanie wynosi 880 podzielone przez 3 = około 300 mW, aby zachować margines bezpieczeństwa 200% nadwyżki mocy.

Odporność termiczna „matryca do otoczenia” oznacza zamontowany na nieskończonym radiatorze lub, zwykle, 1-calowej kwadratowej płytce miedzianej lub innym podobnym teście określonym przez producenta. Gdy urządzenie jest tak zamontowane, temperatura „otoczenia” jest temperaturą radiatora. Jeśli urządzenie nie jest tak zamontowane, „otoczeniem” dla urządzenia będzie temperatura gorącego powietrza otaczającego urządzenie, a nie 25 ° C jakiegoś powietrza gdzieś dalej.

Rezystywność cieplna nieruchomego powietrza wynosi około 0,1 - 0,2 K / W na metr kwadratowy, a powierzchnia pakietu TO-220 wynosi około 300 mm2, więc pierwsze przypuszczenie na temat oporu cieplnego od otoczenia do otoczenia wyniesie około 500 ° C / W. Jest to zgodne z liczbami dostępnymi w Internecie: TI sugeruje, że opór cieplny od kwadratu 1 cm do powietrza z powodu naturalnej konwekcji wynosi 1000 K / W. AN-2020 Projekt termiczny opracowany przez Insite, a nie z perspektywy czasu

Przy temperaturze otoczenia wynoszącej około 25 ° C, odporności termicznej około 500 między obudowami, około 50 połączeń między skrzynkami i maksymalnej temperaturze złącza 150 ° C, dopuszczalna moc wynosi (150–25) / 550 W lub, z grubsza,

około 200 mW.

dawid powiedział, że mosfet trafi w +1. Innymi innymi przyczynami byłaby paskudna dodatnia temperatura co do rezystancji, która nie działa na twoją korzyść, gdy prąd urządzenia jest ustalony. W rzeczywistości, jak większość fet, może łatwo podwoić robi się gorąco, więc twój 1 wat ma teraz 2 waty. Wysoka pojemność wejściowa spowoduje marnowanie mocy na rezystancję bramy wewnętrznej, jeśli sterownik bramy jest szybki. Ta moc bramy jest znacząca i należy ją uwzględnić. Jeśli jedziesz powoli, przełączanie straty wzrosną, szczególnie jeśli jesteś trudny w przełączaniu, więc nie możesz znacznie spowolnić bramki. Jeśli twoje napięcie DS jest dość wysokie, efekt młynarza zaczyna zwiększać pojemność bramki drenażowej. Ta dodatkowa pojemność zwiększa już i tak dużą pojemność źródła bramki, czyniąc rzeczy nawet gorzej. Jeśli to wszystko nie wystarczy, rozważ odzyskanie diody po włączeniu.