Ableitung von 1 W auf einem TO-220 ohne Kühlkörper?

Beantwortung Ihrer zweiten Frage:

Ein schaltender MOSFET hat zwei Arten von Verlusten; Leitung und Schaltung. Leitungsverlust ist das Übliche$I_D^2 \times R_{DS(on)}$Verlust. Wenn Sie den MOSFET so steuern, dass er mit 50 % Einschaltdauer eingeschaltet ist, beträgt der Leitungsverlust 50 % des Gleichstromverlusts (immer eingeschaltet).

Schaltverluste beinhalten die Energiemenge, die benötigt wird, um das Gate zu steuern, und Verluste im Gerät, wenn es vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand übergeht. Wenn Sie einen MOSFET einschalten, gibt es ein Intervall, in dem$I_D$beginnt zu fließen und die$V_{DS}$Die Spannung ist immer noch auf dem Maximum.$V_{DS}$fällt, wenn der MOSFET-Kanal gesättigt ist. Die während dieser Zeit verbrauchte Leistung wird als Einschaltverlust bezeichnet . In ähnlicher Weise gibt es beim Abschalten ein Intervall wo$V_{DS}$steigt vor$I_D$zu fallen beginnt, was (wenig überraschend) als Abschaltverlust bezeichnet wird .

Sie müssen die Einschalt- und Ausschaltverluste berücksichtigen, wenn Sie über den 100-kHz-Betrieb sprechen. Höchstwahrscheinlich sehen Sie weniger Strom als im DC-Zustand, aber Sie sparen keine 50 %.

Beantwortung Ihrer dritten Frage:

MOSFET$R_{DS(on)}$hat einen positiven Temperaturkoeffizienten - je wärmer es wird, desto höher der$R_{DS(on)}$bekommt. Wenn Sie zwei MOSFETs mit ähnlichen Eigenschaften parallel schalten (dh dieselbe Teilenummer vom selben Hersteller), sie identisch ansteuern und keine große Asymmetrie in Ihrem PCB-Layout haben, teilen sich die MOSFETs den Strom tatsächlich recht gut. Stellen Sie immer sicher, dass jeder MOSFET einen unabhängigen Widerstand in Reihe mit jedem Gate hat (niemals parallele Gates ohne Widerstände), da direkt miteinander verbundene Gates seltsam miteinander interagieren können - selbst ein paar Ohm sind besser als nichts.

Das ist einfach: Rechnen Sie nach. Schau dir das Datenblatt an. Es sollte eine Wärmewiderstandsspezifikation geben, die angibt, wie viele ° C der Unterschied zwischen dem Chip und der Umgebungsluft pro Watt sein wird. Addieren Sie diese dann zu Ihrer Worst-Case-Umgebungstemperatur und vergleichen Sie sie mit der maximal zulässigen Die-Temperatur.

Bei den meisten Transistoren und ICs wird ein TO-220-Gehäuse bei 1 W heiß, bleibt aber im Allgemeinen innerhalb des Betriebsbereichs. Bei 1/2 WI würde ich mir darüber keine Gedanken machen. Bei 1W würde ich das Datenblatt überprüfen und die Berechnung durchführen, aber es wird wahrscheinlich in Ordnung sein.

Eine Falte: Das Datenblatt sagt Ihnen möglicherweise nur, dass Sie den thermischen Widerstand des Gehäuses sterben. Sie müssen dann den Wärmewiderstand vom Gehäuse zur Umgebung hinzufügen, der viel höher sein wird. Glücklicherweise ist dies hauptsächlich eine Funktion des TO-220-Gehäuses, nicht des Transistors, daher sollten Sie in der Lage sein, eine allgemeine Zahl dafür zu finden. Gute Datenblätter geben Ihnen beide Wärmewiderstandswerte an.

Hinzugefügt:

Ich war dem Datenblatt-Link früher nicht gefolgt, aber jetzt sehe ich, dass alles, was Sie brauchen, dort gut angegeben ist. Der Wärmewiderstand vom Chip zur Umgebung beträgt 62,5 C/W, und die maximale Betriebstemperatur des Chips beträgt 175 °C. Sie sagten, Ihre Umgebungstemperatur beträgt 25 ° C. Das Addieren des Anstiegs von dort zum Würfel bei 1 W ergibt 88 ° C. Das sind 87 ° C unter der maximalen Betriebstemperatur, daher lautet die Antwort ganz klar JA, Ihr Transistor ist bei 1 W in 25 ° C freier Luft in Ordnung.

Beantwortung Ihrer ersten Frage:

Beginnen wir mit dem Stromverbrauch. Datenblatt sagt 4,7m$\Omega$maximal bei 75A und bei 12,5A weniger, also ein sicherer Wert. Dann$P = I_D^2 \times R_{DS(ON)} = 12.5^2 \times 4.7m\Omega = 735mW$. Fügen Sie etwas zusätzliche Sicherheit hinzu und 1W ist ein guter Wert.
Was ein Teil abführen kann, hängt davon ab

1. die erzeugte Energiemenge,
2. wie leicht die Energie an die Umwelt abgegeben werden kann

(Der erste Faktor sagt "Energie" und nicht "Leistung", weil es Energie ist, die Temperaturanstiege verursacht. Aber in unseren Berechnungen gehen wir von einem stationären Zustand aus und können alles durch Zeit teilen, damit wir mit Leistung statt Energie arbeiten können.)

Wir kennen die Leistung, das ist 1W. Wie leicht die Energie abgeführt werden kann, wird im Wärmewiderstand (in K/W) ausgedrückt. Dieser Wärmewiderstand ist die Summe einiger verschiedener Wärmewiderstände, die Sie normalerweise im Datenblatt finden (sollten): Da ist der Widerstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse und der Widerstand zwischen Gehäuse und Umgebung . Ersteres ist sehr niedrig, weil die Wärmeübertragung durch Leitung erfolgt, während letzteres einen viel höheren Wert darstellt, da hier die Wärmeübertragung durch Konvektion erfolgt. Wie Olin sagt, ist letzteres eine Eigenschaft des Gehäusetyps (TO-220), also werden wir es vielleicht nicht im Datenblatt finden. Aber wir haben Glück, das Datenblatt gibt uns den gesamten thermischen Widerstand, Junction-to-Ambient: 62,5 K/W. Das bedeutet, dass bei einer Verlustleistung von 1 W die Sperrschichttemperatur 62,5 K (oder °C) höher ist als die Umgebungstemperatur. Wenn die Temperatur im Gehäuse 25 °C beträgt (das ist ziemlich niedrig!), beträgt die Sperrschichttemperatur 87,5 °C. Das ist viel weniger als die 125°C, die oft als maximale Temperatur für Silizium angenommen wird, also sind wir auf der sicheren Seite. Die Gehäusetemperatur ist fast dieselbe wie die Verbindungsstelle, sodass der MOSFET HEISS ist, zu heiß zum Anfassen.

Hinweis: Diese Webseite listet den thermischen Widerstand zwischen Gehäuse und Umgebung für verschiedene Gehäuse auf.

Als Ergänzung zu den anderen Antworten finden Sie hier eine Ersatzschaltung, mit der Sie herausfinden können, ob Ihre Komponente die Verlustleistung bewältigen kann, sei es ein TO-220 oder ein anderes Gehäuse mit oder ohne Kühlkörper.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Wenn Sie die Spannungsquelle beim Auflösen nach der Sperrschichttemperatur ("Spannung") stört, können Sie sie entfernen und an der Temperaturerhöhung in Bezug auf die Umgebungstemperatur arbeiten (GND ist jetzt Umgebungstemperatur / -potential).

• R1, R2 und C1 stammen aus dem Bauteildatenblatt
• R3 stammt aus dem Datenblatt der verwendeten Wärmeleitpaste, falls vorhanden, oder aus Diagrammen des Wärmewiderstands gegen den Kontaktdruck (abhängig von der Kontaktfläche) für die Kontaktmaterialien
• R4 und C2 stammen aus dem Datenblatt des Kühlkörpers, R4 sollte vom Luftstrom abhängen.

Im Allgemeinen bedeutet "Fall" Tabulator, wenn es einen gibt (ansonsten der eigentliche Fall), aber ansonsten sollten Sie in der Lage sein, die Ersatzschaltung entsprechend zu optimieren - denken Sie einfach an die Widerstände als Pfade für die Wärme, und Sie erhalten die Temperatur eines Elements von seiner Spannung.

Nehmen Sie für einen stationären Zustand an, dass die thermischen Kondensatoren entfernt (vollständig "geladen" / aufgeheizt) sind. Zum Beispiel ohne Kühlkörper:

Wenn die Verlustleistung im Vergleich zu den thermischen Zeitkonstanten schnell geschaltet wird, müssen Sie im Allgemeinen die spezifische Kapazität, die der Hersteller angeben kann (Faustregel ist 3 (Ws)/(K.kg)), mit der zugehörigen Masse multiplizieren, um die zu erhalten Kapazitäten und kommen mit den üblichen RC-Gebühren zurecht.

Beachten Sie, dass die Umgebungstemperatur um die Komponente viel höher sein kann als die Umgebungstemperatur um Sie herum, wenn die Luft nicht zirkuliert und/oder wenn sie eingeschlossen ist. Aus diesem Grund und weil alle Werte im Allgemeinen nicht sehr genau sind, sollten Sie bei T0 kritisch sein und mindestens einen Sicherheitsfaktor von 1,5 (wie oben) oder besser 2 auf T1 nehmen.

Schließlich sollten Sie sich die Diagramme zur Sperrschichttemperatur auf dem Komponentendatenblatt ansehen und die maximale Temperatur auf eine niedrigere ändern, da eine OK-Temperatur die Leistung Ihrer Schaltung dennoch beeinträchtigen könnte. Insbesondere Temperaturwechsel reduzieren die Lebensdauer Ihres Bauteils – eine Faustregel lautet: Die Lebensdauer halbiert sich pro 10°C-Schritt.

Laut Wiki-Formel und Konstante für TO-220-Verbindung-zu-Luft-Thermik zu Umgebung gleich 62,5 Grad pro Watt. Wenn sich Ihre Verbindung bei einer Umgebungstemperatur von 125 ° C bis 70 ° C befindet (schlechtester Fall) / 62,5 = 55 / 62,5 = 880 Milliwatt.

Das ist die Grenze für Automobilanwendungen.

Die Antwort lautet also Nein. Auch wenn Sie in der Lage sind, die Grenze von 125 ° C aufrechtzuerhalten (autsch).

Sie fragen auch, ob es für FETs gilt. Noch fragwürdiger ist es bei FETs, weil sie einen thermischen Runaway-Modus haben, wenn ihre elektrischen Kurven mit steigender Sperrschichttemperatur dazu neigen, noch mehr Verlustleistung zu erzielen. Sie können das Limit also nicht halten. Parallel geschaltete FETs beeinträchtigen das Durchgehen nicht und gleichen die Last selbst aus, aber kleine Unterschiede in den Geräten verursachen ein durch Einschaltströme induziertes Klingeln der Gate-Spannungen (Sie haben große Stromspitzen neben hochohmigen Pins), sodass sie schwingen und sich thermisch verschlechtern können. (Bearbeiten: Wie Madman kommentierte: Wenn Sie zur Nulldurchgangszeit schalten, z. B. im Synchrongleichrichter, können Sie diesen Aspekt ignorieren).

Die endgültige Antwort lautet also Nein und Nein.

Meine konservative Schätzung ist 880 geteilt durch 3 = etwa 300 mW, um eine Sicherheitsmarge von 200 % Überschuss an Leistung zu erhalten.

Der Wärmewiderstand "Die zur Umgebung" bedeutet, montiert auf einem unendlichen Kühlkörper oder üblicherweise einer 1-Zoll-Quadrat-Kupferplatine oder einem ähnlichen Test, der vom Hersteller angegeben ist. Wenn das Gerät so montiert ist, ist die "Umgebungs"-Temperatur die Temperatur des Kühlkörpers. Wenn das Gerät nicht so montiert ist, ist die "Umgebung" für das Gerät die Temperatur der heißen Luft, die das Gerät umgibt, nicht die 25 ° C einer weiter entfernten Luft.

Der Wärmewiderstand von ruhender Luft liegt bei etwa 0,1 - 0,2 K/W pro Quadratmeter, und die Fläche eines TO-220-Gehäuses beträgt etwa 300 mm2, sodass eine erste Schätzung des Wärmewiderstands von Umgebung zu Umgebung bei etwa 500 °C liegen würde /W. Dies stimmt mit den im Internet verfügbaren Zahlen überein: TI schlägt vor, dass der Wärmewiderstand von einem 1-cm-Quadrat zur Luft aufgrund natürlicher Konvektion 1000 K/W beträgt. AN-2020 Thermal Design von Insite, nicht Hindsight

Bei einer Umgebungstemperatur von etwa 25 °C, einem thermischen Widerstand von etwa 500 von Gehäuse zu Umgebung, von etwa 50 von Sperrschicht zu Gehäuse und einer maximalen Sperrschichttemperatur von 150 °C beträgt die zulässige Leistung (150–25)/550 W oder grob gesagt:

etwa 200 mW.

David hat im Grunde gesagt, dass der Mosfet +1 knallen wird. Einige andere Gründe wären der unangenehme positive Temperaturwiderstand des Einschaltwiderstands, der sich nicht zu Ihren Gunsten auswirkt, wenn der Gerätestrom festgelegt ist. Tatsächlich kann er sich wie die meisten Fets leicht verdoppeln Es wird heiß, also sind Ihre 1 Watt jetzt 2 Watt. Die hohe Eingangskapazität führt dazu, dass Strom im internen Gate-Widerstand verschwendet wird, wenn Ihr Gate-Treiber schnell ist. Diese Gate-Leistung ist erheblich und sollte berücksichtigt werden. Wenn Sie langsam fahren Ihr Schalten Verluste werden steigen, besonders wenn Sie hart schalten, so dass Sie das Gate nicht viel verlangsamen können. Wenn Ihre DS-Spannung ziemlich hoch ist, beginnt der Miller-Effekt, die Drain-Gate-Kapazität zu verstärken. Diese zusätzliche Kapazität trägt zu der bereits großen Gate-Source-Kapazität bei, die Dinge macht noch schlimmer. Wenn dies alles nicht ausreicht, sollten Sie die Diodenwiederherstellung beim Einschalten in Betracht ziehen.

Die Frage, die ich nicht gesehen habe, aber auch beantwortet werden sollte: welche Größe des Kühlkörpers wird dann benötigt.

Dieser Link kann hilfreich sein, um das zu beantworten (es läuft auf Ihre Kühlsituation und Ihren Temperaturunterschied hinaus).

https://celsiainc.com/resources/calculators/heat-sink-size-calculator/