Hilfe bei der Dimensionierung von Mosfet als Schalter mit hohem Strom

Wählen Sie einen MOSFET, der die maximale Spannung blockieren kann

Im Datenblatt des Transistors, normalerweise unter dem Abschnitt Absolute Maximalwerte , wird es sein$V_{DSS}$(Drain-Source-Spannung). Wenn die Spannung vom Drain zur Source diesen Wert überschreitet, wird der MOSFET wahrscheinlich beschädigt. Berechnen Sie also die maximale Spannung, die in Ihrer Schaltung auftreten könnte, und berücksichtigen Sie dabei auch die Möglichkeit, Transienten zu schalten, und fügen Sie dann einen Spielraum von mindestens 20 % für die Robustheit hinzu.

Suchen Sie nach einem MOSFET (unter Verwendung der parametrischen Suchfunktion Ihres Anbieters oder Herstellers) mit$V_{DSS}$um diesen Wert. Ein Gerät mit$V_{DSS}$höher als Sie benötigen, funktioniert gut, ist aber wahrscheinlich teurer, langsamer zu wechseln oder weniger effizient als einer mit einem niedrigeren (aber nicht zu niedrigen!)$V_{DSS}$.

Widerstandsverluste berechnen

Der MOSFET sieht im eingeschalteten Zustand wie ein Widerstand aus. Das Datenblatt wird angeben$R_{DS(on)}$, der Widerstand zwischen Drain und Source, wenn der MOSFET vollständig eingeschaltet ist. Bestimmen Sie den maximalen Strom, den Ihr MOSFET durchlassen muss, und Sie können die Widerstandsverluste im MOSFET genau wie bei einem Widerstand berechnen:

$$P = I^2 R_{DS(on)}$$

Schaltverluste berechnen

MOSFETs (eigentlich alle Transistoren) brauchen Zeit zum Schalten. Während dieser Zeit liegen gleichzeitig hoher Strom und hohe Spannung im MOSFET, was hohe Verluste im MOSFET bedeutet ($P=IE$) für diesen kurzen Zeitraum. Wenn Sie kein PWM oder ähnliches verwenden, ist die Zeit, die Sie mit dem Schalten verbringen, im Verhältnis zu der Zeit, die Sie mit dem Ein- oder Ausschalten verbringen, sehr gering, und die Schaltverluste sind vernachlässigbar. Ist dies nicht der Fall, müssen Sie Schaltverluste in Ihre Berechnungen einbeziehen. Das reicht für eine weitere Frage. Machen Sie also entweder kein PWM oder fügen Sie Ihren Leistungsberechnungen einen gesunden Spielraum hinzu (z. B. 50 %), um auf Nummer sicher zu gehen.

Berechnen Sie die Sperrschichttemperatur

Sie haben jetzt eine Zahl, die die Verlustleistung im Transistor in Watt darstellt. Vergleichen Sie dies mit der maximalen Verlustleistung in den absoluten Höchstwerten . Wenn Sie dies überschritten haben, können Sie diesen MOSFET nicht verwenden, egal wie groß Ihr Kühlkörper ist. Andernfalls können Sie diesen MOSFET verwenden, benötigen jedoch möglicherweise einen Kühlkörper.

Faustregel: Wenn es weniger als ist$1W$, und Ihr Gerät ist in einem TO-220-Paket, Sie sind wahrscheinlich gut. Wenn Sie robust sein und das Ding anfassen können möchten, ohne sich zu verbrennen, werden Sie weniger als wollen$0.5W$, oder fügen Sie einen kleinen Kühlkörper hinzu.

Sie dürfen die maximale Sperrschichttemperatur, die in den absoluten Höchstwerten aufgeführt ist, auf keinen Fall überschreiten . Es ist wahrscheinlich in der Nähe von$175^\circ C$. Die Sperrschichttemperatur ist eine Funktion der Umgebungstemperatur, der Verlustleistung und des Wärmewiderstands von der Sperrschicht zur Umgebung.

Sie kennen die Umgebungstemperatur (schauen Sie auf ein Thermometer) und die Verlustleistung (haben Sie bereits berechnet). Um den gesamten Wärmewiderstand zu berechnen, addieren Sie den Wärmewiderstand aller Dinge zwischen der Verbindungsstelle und der Umgebung. Wenn Sie vorhaben, überhaupt ohne Kühlkörper zu arbeiten, ist das Datenblatt wahrscheinlich aufgeführt$R_{\theta JA}$oder thermischer Widerstand zwischen Übergang und Umgebung. Wenn Sie einen Kühlkörper verwenden, gibt das Datenblatt dieses Kühlkörpers seinen Wärmewiderstand an. Fügen Sie dazu den thermischen Widerstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse aus dem Transistordatenblatt sowie den thermischen Widerstand für die Schnittstelle zwischen dem Kühlkörper und dem Transistorgehäuse hinzu (typische Werte normalerweise im Transistordatenblatt; für einen TO-220 mit Wärmeleitpaste,$0.5^\circ C/W$ist typisch).

Jetzt haben Sie also Ihren gesamten Wärmewiderstand$R_\theta$In$^\circ C/W$, Ihre Gesamtverlustleistung in Watt und Ihre maximale Sperrschichttemperatur$T_{J(max)}$und Umgebungstemperatur$T_A$In$^\circ C$. Ihr Transistor wird nicht zerstört, wenn:

$$T_{J(max)} > T_A + P \cdot R_\theta$$

Wenn das stimmt, bist du gut. Andernfalls nimm einen größeren Kühlkörper, einen Transistor mit einem niedrigeren$R_{DS(on)}$, reduzieren Sie die Umgebungstemperatur oder reduzieren Sie den Strom im Transistor.

Beispiel

Lassen Sie uns diese Berechnungen mit FQP50N06 durchführen . Kein besonderer Grund, außer dass ich das Datenblatt auf meinem Desktop hatte.

Maximal$V_{DSS}$ist 60V. Dies liegt sicher über den 28 V in Ihrem Stromkreis.

Maximal$I_D$beträgt 35,4A. Dies liegt sicher über den 20 A in Ihrem Stromkreis.

Der Strom wird 20A betragen und das Datenblatt sagt$R_{DS(on)}$könnte so hoch sein$0.022\Omega$. Das heißt, meine Verlustleistung wird sein

$$(20\:\mathrm A)^2 \cdot 0.022\:\Omega = 8.88\:\mathrm W$$

Ich gehe davon aus, dass Sie kein PWM machen, daher sind Schaltverluste vernachlässigbar.

Kann ich das ohne Kühlkörper betreiben? Nehmen wir an, ich möchte, dass es bei so hohen Umgebungstemperaturen wie funktioniert$40^\circ C$. Das Datenblatt sagt, dass der thermische Widerstand zwischen Übergang und Umgebung ist$62.5^\circ C$. Die Sperrschichttemperatur beträgt also:

$$40^\circ \mathrm C + 8.88\:\mathrm W \cdot 62.5^\circ \mathrm C = 595^\circ \mathrm C$$

Dies liegt weit über der im Datenblatt angegebenen maximalen Sperrschichttemperatur,$175^\circ \mathrm C$, du hast also ein Problem. Sie könnten das lösen, indem Sie einen größeren Kühlkörper verwenden, der den Wärmewiderstand verringert. Oder Sie könnten einen Transistor mit einem niedrigeren finden$R_{DS(on)}$Dadurch wird die Leistung reduziert, die der Kühlkörper abführen muss.