Wie finde ich einen passenden passiven Kühler/Kühlkörper für einen TO-220 Mosfet ? Nach welchen Parametern muss ich suchen?
Zuerst müssen Sie bestimmen, wie viel Leistung im Transistor abgeführt wird. Der zweite Faktor ist die maximale Umgebungstemperatur, die Sie für den Transistor erwarten. Entscheiden Sie schließlich, welche maximale Temperatur Sie am Transistorchip selbst wünschen ... vielleicht sind 75 ° C ein gutes Ziel. Subtrahieren Sie die Umgebungstemperatur von der maximalen Temperatur des Transistorchips und Sie haben den maximalen Temperaturanstieg vom Transistorchip zur Außenfläche des Kühlkörpers. Teilen Sie die Temperaturdifferenz durch die Verlustleistung und Sie haben einen Wert für den Wärmewiderstandin °C/W (Grad C pro Watt). Dies ist der maximale Wärmewiderstand, den Sie vom Transistorchip zur Umgebungsluft zulassen können. Finden Sie den thermischen Widerstand des Transistorgehäuses selbst heraus. Für den oben aufgeführten Transistor ist dieser im Datenblatt als „Thermal Resistance, Junction to Case“ angegeben und hat einen Wert von 6,25 °C/W. Subtrahieren Sie nun den Wärmewiderstand des Transistorgehäuses von dem zuvor berechneten zulässigen Wärmewiderstand. Gehen Sie jetzt zu den Katalogen und suchen Sie nach einem Kühlkörper, der zum TO-220-Gehäuse passt und einen Wärmewiderstand in ruhender Luft hat, der gleich oder kleiner als dieser Wert ist.
Wenn ein Bauteil Energie (Leistung während einiger Zeit) abgibt, erwärmt es sich. Wie viel hängt von den verwendeten Materialien und deren Masse ab. Die Temperatur steigt also weiter an, aber gleichzeitig beginnt das Teil, Wärme an die Umgebung abzugeben, und es verliert mehr Wärme, wenn der Temperaturunterschied zur Umgebung größer wird. Bei einer bestimmten Temperatur ist ein Gleichgewicht erreicht, wenn die zugeführte Wärme gleich der abgeführten Wärme ist.
Sie können die Temperaturdifferenz mit einer Spannungsdifferenz und den Energiefluss mit Strom vergleichen. Bei der Elektrizität ist das Verhältnis zwischen den beiden der Widerstand, und ebenso der entsprechende Parameter in der Thermodynamik: der thermische Widerstand . Je geringer der Wärmewiderstand, desto mehr Wärme kann abgeführt werden und desto geringer wird die Temperaturdifferenz.
Das Datenblatt sagt in Absolute Maximum Ratings, dass die Sperrschichttemperatur 150 °C nicht überschreiten sollte. Nehmen wir an, wir sind mit 125 °C sicher. Das Datenblatt gibt auch zwei Wärmewiderstände an:
Verbindung zum Gehäuse: 6,25 K/W (*)
Verbindung zur Umgebung: 83,3 K/W
Letzteres ist viel höher, da es sich um Konvektionswärmeaustausch handelt, während ersteres geleitet wird. Konvektion erlaubt auch niedrigere Werte, aber dann wird eine viel größere Kontaktfläche mit der Umgebungsluft benötigt, und genau die gibt uns ein Kühlkörper.
Bevor wir fortfahren können, benötigen wir einige Informationen: Wie viel Leistung soll der FET abführen? Sagen wir 10 W (Sie können die Berechnung jederzeit für eine andere Leistung wiederholen). Nehmen wir außerdem an, dass die Umgebungstemperatur 30 °C beträgt. Die Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und Umgebung beträgt dann 95 °C bei 10 W, sodass wir uns nur einen Gesamtwärmewiderstand von 9,5 K/W leisten können. Das ist nicht viel, wenn man bedenkt, dass wir bereits 2/3 davon für die Verbindung zum Gehäuse verbraucht haben (6,25 K/W ist ein ziemlich hoher Wert). Jetzt addieren Sie wie elektrische Widerstände in Reihe thermische Widerstände, um einen Gesamtwert zu erhalten. Wenn wir für den Widerstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper 1,5 K/W veranschlagen (erfordert genügend Wärmeleitpaste und einen guten mechanischen Kontakt), dann haben wir 9,5 K/W - 6,25 K/W - 1,5 K/W = 1,75 K/W.
Einkaufszeit! Digikey hat ein paar Kühlkörper, die passen, die meisten davon ziemlich teuer (Kühlkörper sind teuer!), aber dieser scheint in Ordnung zu sein: geeignet für TO-220 und 0,5 K/W, natürlicher Luftstrom. Bei erzwungener Luftströmung wird es niedriger sein.
Sie können auch umgekehrt rechnen: Wie viel Verlustleistung kann ich mir mit diesem Kühlkörper leisten?
(*) Einige Leute bevorzugen K/W, andere °C/W, aber da es um einen Temperaturunterschied geht, sind beide gleichwertig.
Das Photon