Jak mocno mogę zamontować TO-220 na szynie?

12

Buduję mały obwód przełączający składający się z 8 tranzystorów MOSFET (blokowanie dwukierunkowe, 4 w każdym kierunku), które powinny przełączać 100-200A przy częstotliwości około 1 kHz.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Doszedłem do wniosku, że ponieważ płytka drukowana z grubą warstwą miedzi nie jest łatwo dostępna, znacznie lepszym rozwiązaniem jest po prostu montaż tranzystorów MOSFET bezpośrednio na szynie zbiorczej, do której przymocowane są również kable zasilające. Tak więc muszę tylko wlutować pin źródłowy między tranzystorami MOSFET (na wolnym powietrzu). Rozwiązuje to kilka problemów: dobre odprowadzanie ciepła, niski spadek napięcia z kabla na MOSFET i łatwy montaż / wymianę wszystkich elementów przy bardzo niewielkim lutowaniu.

Moje pytanie brzmi: jak mocno należy dokręcić pakiet TO-220 do szyny zbiorczej? Czy mam rację, zakładając, że cała elektronika znajduje się w czarnej plastikowej części i dlatego mogę ją dokręcić tak mocno, jak bym tego chciał? Czy są jakieś potencjalne problemy, np. Wygięcie termiczne powodujące słabe połączenie itp.?

Oto mój schemat dla ciekawskich:

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab

Edycja: Dodano link do arkusza danych MOSFET . Arkusz danych producenta pokazujący szczegóły opakowania, ale nie pokazujący D podłączony do karty.

użytkownik95482301
źródło
2
Aby wyjaśnić, szukasz wartości momentu obrotowego?
W5VO
9
Dokręć, aż nici odpadną, a następnie cofnij o ćwierć obrotu. Poważnie, nie wykonujesz połączenia nośnego, ale elektryczne i termiczne. Budujesz obwód, a nie most wiszący, po prostu zrób to ręcznie ręcznie za pomocą śrubokręta / nakrętki i możesz iść.
Wossname
2
Do 200 A przez 4 mosfety to 50 A każdy. Jeśli jest to ciągłe, prawdopodobnie stopisz przewody z mosfetu.
marcelm
8
Uważaj też na orzechy nylonowe w sytuacjach wysokiej temperatury. Lepiej służyć mogą podkładki zabezpieczające.
Wossname
2
@ MarcusMüller, Arkusz danych mówi „Ciągły prąd drenu 120A” i „Impulsowy prąd
drenu

Odpowiedzi:

22

Część, z której próbujesz uzyskać ciepło, znajduje się mniej więcej pośrodku czarnej plastikowej części i jest przymocowana do ramy ołowianej. Zniekształcenie ramy ołowianej (części metalowej) przez nadmierne dokręcenie spowoduje słabe przenoszenie ciepła i może nawet uszkodzić wiązanie matrycy z ramą ołowianą lub samą matrycą, jeśli nawet lekko ugnie miękką metalową ramę ołowianą.

Należy nie wystaje część, która zawiera matrycę, jak pokazano w lewej części swojej foto idealnie, który jest częścią chcesz w bliskim kontakcie z radiatora. Śruba jest przesunięta, ponieważ nie jest wygodne wkręcanie śruby przez środek matrycy, ale naprawdę próbujesz stworzyć kontakt i pewien nacisk między częścią pod plastikiem a radiatorem. Niektórzy producenci stosują zaciski sprężynowe, które dociskają sam plastik. Na stronie Infineon tutaj jest część z wielką wewnętrzną kością. Należy pamiętać, że matryca jest z kruchego krzemu, a rama z ołowiu jest miękka i ciągliwa.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Vishay Siliconix zaleca moment obrotowy 15 funtów (1,7 Nm) dla swoich pakietów TO-220. Przewaga nad 10 funtami, jak pokazano tutaj:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Dość często stosuje się wkrętaki dynamometryczne i klucze z urządzeniami zasilającymi i jak wszystko inne mogą wymagać regularnej kalibracji i testowania. Niedrogie, używane przez rusznikarzy itp., Zaczynają się od około 50 USD.

Spehro Pefhany
źródło
Czy zgadzasz się z powyższym użytkownikiem, że w moim zastosowaniu lutowania przewodów odprowadzających razem przewody mogą gromadzić ciepło, które nie zostanie rozproszone w radiatorze / szynie zbiorczej wystarczająco szybko, aby zapobiec przegrzaniu?
user95482301
Dobra uwaga na temat zwisu. Sprawdziłem i na szczęście zwis części metalowej wynosi tylko ~ 1 mm - co mam nadzieję będzie akceptowalne. Miałem nadzieję, że układ nie będzie cieplejszy niż „ciepły w dotyku”, ale być może jestem zbyt optymistyczny. Jeśli prąd 100 A zostanie podzielony przez 4 tranzystory MOSFET, to będzie to tylko 25 A, przy rezystancji 2,5 mOhm (lub mniejszej) + ciepło przełączania (ale przełączanie 1 kHz powinno być dość niskie?)
95482301
2
@ user95482301 Przedstawione powyżej obliczenia mocy są wyjątkowo przypadkowe - coś tak potężnego wymaga znacznie dokładniejszej analizy termicznej, zwłaszcza gdy dzielą się mocą między MOSfetami. (Zakładanie równego udziału 25A jest zbyt optymistyczne).
glen_geek
@glen_geek, więc ... 5 MOSFETÓW? :) Jestem tylko hobbystą, więc nauka analizy termicznej jest prawdopodobnie bardziej kosztowna niż zbyt duże wymiary? Czy MOSFET-y nie osiągną równowagi w pewnym stopniu (+ / 20% nierównowagi prądu w porównaniu do średniej)? Np. Mógłbym założyć, że jeden ma 30A, a inny 10A? Na koniec mam nadzieję, że miedź pochłonie ciepło i że w razie potrzeby mogę po prostu dodać wentylator (i może dodać czujnik temperatury na szynie
zbiorczej
1
@glen_geek Nie jestem ekspertem od mosfetów, ale robiąc szybkie badania, aby napisać ten komentarz, natknąłem się na onsemi.com/pub_link/Collateral/AND8199-D.PDF . Artykuł ten wskazuje, że MOSFETY mają dodatnie współczynniki temperaturowe, więc mają ogólną tendencję do równoważenia obciążenia. Na pewno nie będzie to idealna równowaga, ale przynajmniej ten artykuł sugeruje, że nie będzie problemów z ucieczką termiczną.
Cort Ammon
11

Czy słusznie zakładam, że cała elektronika znajduje się w czarnej plastikowej części,

tak,

i że mogę to dokręcić tak mocno, jak bym tego chciał?

Nie, ponieważ odkształciłoby to metalową część, którą przykręcasz do szyny, a to nie będzie się dobrze bawić z wnętrzami czarnej plastikowej części :)

Ale zakładając, że nie planujesz używać surowej siły:

Dociskanie obudowy do metalowego pręta polega na zminimalizowaniu grubości warstwy termicznego smaru między obudową a prętem. W pewnym momencie wzrost ciśnienia nie zmniejszy już znacząco grubości. Nazwałbym to „ręcznym szybko wspólnym śrubokrętem”; ale jestem pewien, że oficjalny standard to dokumentuje.

EDYCJA z alternatywnym arkuszem danych, który faktycznie pokazuje, że karta jest podłączona do odpływu, twój obwód ma o wiele więcej sensu :)

Tak więc w takim przypadku nie ma smaru termicznego. Zamiast tego po prostu przylutowałem go do szyny autobusowej

  • nakładanie pasty lutowniczej i umieszczanie tranzystorów na szynie zbiorczej (niekoniecznie nawet zabezpieczanie ich śrubą, chyba że zespół może podlegać znacznym wibracjom: w takim przypadku śruba jest obowiązkowa, aby zmniejszyć ryzyko pękania połączeń lutowanych),
  • podgrzewanie szyny zbiorczej od dołu do punktu, w którym pasta lutownicza topi się i zapewnia dobry kontakt,
  • wyłącz ogrzewanie,
  • a następnie natychmiast zacznij go ochładzać, prawdopodobnie strumieniem świeżego powietrza, aby upewnić się, że „fala upałów” dochodząca z dołu nie osiągnie znacznie wyższej temperatury. Nie przesadzaj z ochładzaniem, ponieważ szybkie zmiany termiczne nie są dobre dla właściwości złącza lutowanego ani integralności tranzystora.

Uwaga: może to być łatwiejsze w przypadku pakietu 263.

Marcus Müller
źródło
Nie będę stosować smaru termicznego, ponieważ chcę maksymalnej przewodności elektrycznej. Czy powiedziałbyś, że moja aplikacja jest nadal odpowiednia?
user95482301 24.01.17
O ile czytałem arkusz danych MOSFET-a, którego używasz na swoim schemacie, nie znalazłem żadnych oznak połączenia metalowego kołnierza z Bramą, Źródłem lub Odpływem, więc założyłem, że jest izolowany!
Marcus Müller
1
@SpehroPefhany dzięki! tak, ten drugi arkusz danych jest katastrofą.
Marcus Müller
3
@ user95482301 Cóż, jeśli tak, to nie powiedzenie tego w arkuszu danych, że wielu inżynierów pomyliło się z właściwym, jest katastrofą samą w sobie.
Marcus Müller
3
@ MarcusMüller W pierwszej kuli być może nie doceniasz znaczenia śruby (nawet jeśli OP lutuje zakładkę): jeśli zespół będzie podlegał znacznemu i stałemu poziomowi wibracji, połączenia lutowane mogą w końcu pęknąć. OP nie dał pojęcia o konkretnym zastosowaniu, ale nie jest nierozsądne myśleć o jakimś ciężkim środowisku przemysłowym (coś przymocowanego do ciężkiego podwozia maszynowego?).
Lorenzo Donati - Codidact.org
5

Sugerowałbym, że jeśli wytrwasz przy wysokoprądowych połączeniach z pakietami TO-220, sam tworzysz koszmarny scenariusz serwisu / naprawy w terenie. Dla każdej profesjonalnej aplikacji jest znacznie lepiej wybrać urządzenie w oparciu o moduł taki jak ten . Moduły są zdecydowanie najlepsze, jeśli weźmiemy pod uwagę wszystko, co musi być przykręcone do zestawu szyn zbiorczych i nie są dziś zbyt drogie.
Kiedy znajdziesz się w zakresie 50-100 A, rozmiary kabli stają się nieporęczne i muszą być mocno zakotwiczone. Proste połączenia lutowane są zawsze zagrożone i z czasem mogą stać się kruche.

W przypadku hobby należy wziąć pod uwagę:

  1. Śruba przytrzymująca pakiet do szyny zbiorczej dla TO-220 jest zdecydowanie za mała. Nawet jeśli użyjesz całej średnicy otworu montażowego TO-220, jest mało prawdopodobne, abyś był w stanie uzyskać nacisk zakładki> 10 cali / funtów przy jakiejkolwiek rzeczywistej długoterminowej stabilności, nawet przy podkładce ze stali i sprężyny. Styki ciśnieniowe takie jak ten nie są wykonalne przy wysokich prądach.

  2. Lutowanie pakietu TO-220 jest zawsze opcją, ale lutowanie wielu urządzeń do szyny zbiorczej jest niewykonalnym rozwiązaniem, jest mało prawdopodobne, aby można go było kiedykolwiek naprawić.
    Przylutuj paczkę do paska miedzianego ( w tym celu używam miedzianych wypustek 0,125 x 0,5 x 1,25 ETP ). Można je łatwo przylutować w szufladzie SMT (dodać języczek, a następnie, gdy do temperatury dodać urządzenie z topnikiem z tyłu), takie języczki pozwalają na wiele i znacznie większe rozmiary śrub montażowych z rozsądnym momentem obrotowym. Po przykręceniu zaczepów do szyny zbiorczej oczyść złącza, ale nie używaj smaru do radiatora, ponieważ nie przewodzi prądu. Zawsze używaj płaskiej podkładki ze stali i sprężyny pod nakrętką i płaskiej podkładki pod łbem śruby.

  3. Połączenia ramy TO-220 nie są przeznaczone do swobodnych połączeń drutowych, szczególnie przy wyższych prądach. Jeśli musisz to zrobić, a następnie użyć króćca przewodu lutować jak ten , aby zapewnić bezstresowe przegub darmo lutowniczej mniej prawdopodobne wieku temperatury. Musisz także podeprzeć drut, ponieważ rama ołowiowa pęknie, jeśli masz nawet średnie środowisko wibracji. Ołów nie powinien być narażony na działanie sił bocznych ani zginających. Dobrym pomysłem jest wspieranie takich połączeń za pomocą dwuczęściowej bariery w celu odprężenia.

Jack Creasey
źródło
Obawiałem się, że moduły SOT-227 wydają się mieć wysoki Rdson i wydają się drogie w porównaniu do surowych danych arkusza danych (np. 18 USD za 155 A / 12,9 mOhm nie wydaje się bardzo atrakcyjne w porównaniu z 1 USD za 120 A / 2,5 mOhm ... ). Ale oczywiście moduł jest znacznie łatwiejszy w zarządzaniu. Wszystko jest łatwiejsze do opanowania, jeśli chcesz rzucić pieniądze na specjalistyczny produkt.
user95482301
Czy uważasz, że takie podejście byłoby lepsze? Zakładam, że rozwiązałoby to kilka problemów: np. Przenoszenie prądu / pojemność cieplna nóg, brak problemów z wibracjami / lutami ... ale nie byłoby oporności bramki mogłoby stanowić problem (a lutowanie rezystora do bramki przywróciłoby problem wibracji w stawie): turtlesarehere.com/assets/images/Gate-Source.jpg
user95482301
@ user95482301 Seria Rezystancja bramki nie jest istotna w projekcie, a wszystkie konstrukcje mają nieodłączne ograniczenie prądu ładowania I (bramki). Problem z lutowaniem prowadzi do Bramy i Źródła polega na tym, że pakiet nie jest przeznaczony do tego typu implementacji. Twój przykład kosztów jest znacznie bardziej skomplikowany niż sama cena. Załóż, że przy 120 A potrzebujesz co najmniej 1-4 AWG drutu do przeniesienia tego prądu (i rozproszenia ciepła z połączenia). Jak zapewniłbyś złącze lutowane? Jaką inną formę rozwiązania lub wsparcia chciałbyś / mogłabyś zbudować? Prawie wszystko, co tu robisz, jest mechanicznie obarczone wysokim ryzykiem.
Jack Creasey
@ user95482301. Przez lata stosowałem to podejście (miedziane zakładki) w kilku sytuacjach hobby i zawsze było łatwo je naprawić (kiedy wydobywa się dym). Pracowałem również nad profesjonalnymi 3-fazowymi zasilaczami (era Supermini) z prądem w setkach amperów i wykrywaniem zwarcia w zakresie 1000 A. To nie tylko dym, który się tu wydostaje, ale także niebieskie światło ucieka ... i to zwykle pozostawia wrak.
Jack Creasey
1

Z wykresu wynika, że ​​momentem obrotowym, którego należy użyć, jest 10 funtów.

Ze względu na możliwe problemy z ogrzewaniem i mechaniczne zalecam stosowanie metalowej podkładki zabezpieczającej między łbem śruby a języczkiem TO-220. Ponadto należy zminimalizować zwis, ale nie tak krótki, aby przewody były w pozycji podatnej na zwarcie do szyny zbiorczej.
Jestem głęboko przekonany, że nie ma lepszego nauczyciela niż doświadczenie, więc idź dalej i zbuduj obwód, to „pokaże” wszelkie niedociągnięcia, jakie może mieć Twój projekt. Pamiętaj, że jest to w porządku w przypadku prototypu , a nie gotowego produktu komercyjnego.

Guill
źródło
0

Jak mocno jest 7 nm. Użyj nakrętki i śruby z zewnętrzną podkładką zamka gwiazdowego, a odrobina trwałej nici do lokowania szafki bezpiecznie utrzyma pakiet to220.

danny117
źródło