Verlustleistung von 1 W bei einem TO-220 ohne Kühlkörper?

Kann ein TO-220 ohne Kühlkörper 1 W an ruhender Luft abgeben?

Oder eine andere Art, die Frage zu stellen: Wie kann ich bei einer Umgebungstemperatur von 25 ° C die maximale Verlustleistung eines MOSFET im TO-220-Gehäuse berechnen? Der MOSFET ist ein FDP047N10, wenn das hilft. Es wird ungefähr 12,5 A Dauerstrom verarbeiten (dh kein Schalten).

Ich möchte auch den Unterschied in der Verlustleistung eines MOSFETs, der ständig eingeschaltet ist, im Vergleich zu einem MOSFET, der bei 100 kHz (50% Einschaltdauer) schaltet, verstehen.

Eine letzte Frage: Wenn ich zwei MOSFETs parallel schalte, um die Verlustleistung pro FET zu verringern, kann ich dann sicherstellen (oder die Wahrscheinlichkeit erhöhen), dass beide die gleiche Leistung liefern?

Beantwortung Ihrer zweiten Frage:

Ein schaltender MOSFET weist zwei Arten von Verlusten auf; Leiten und Schalten. Leitungsverlust ist die übliche Verlust. Wenn Sie den MOSFET so steuern, dass er mit einem Tastverhältnis von 50% eingeschaltet ist, beträgt der Leitungsverlust 50% des Gleichstromverlusts (immer eingeschaltet).$I_D^2 \times R_{DS(on)}$

Schaltverluste umfassen die Energiemenge, die zur Steuerung des Gates benötigt wird, und Verluste in der Vorrichtung beim Übergang vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand. Wenn Sie auf einem MOSFET drehen und es ist ein Intervall , in dem zu fließen beginnt und die V D S Spannung ist immer noch an seinem Maximum. V D S fällt als die MOSFET - Kanal sättigt. Der in dieser Zeit verbrauchte Strom wird als Einschaltverlust bezeichnet . In ähnlicher Weise beim Ausschalten, gibt es ein Intervall , in der V D S ansteigt , bevor I D fallen beginnt, die (nicht überraschend) genannt wird Ausschaltverlust$I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$$V_{DS}$$I_D$ .

Sie müssen die Ein- und Ausschaltverluste berücksichtigen, wenn Sie von einem 100-kHz-Betrieb sprechen. Höchstwahrscheinlich sehen Sie weniger Strom als die Gleichstrombedingung, aber Sie sparen nicht 50%.

Beantwortung Ihrer dritten Frage:

MOSFET einen positiven Temperaturkoeffizienten hat - je wärmer es wird, desto höher ist die R D S ( O n ) erhält. Wenn Sie zwei MOSFETs mit ähnlichen Eigenschaften (dh derselben Teilenummer desselben Herstellers) parallel schalten, diese identisch ansteuern und keine große Asymmetrie in Ihrem PCB-Layout aufweisen, werden die MOSFETs in der Tat den Strom recht gut teilen. 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 seltsamerweise miteinander interagieren können - selbst ein paar Ohm sind besser als nichts.$R_{DS(on)}$$R_{DS(on)}$

Das ist ganz einfach: Rechnen Sie nach. Schauen Sie sich das Datenblatt an. Es sollte eine Wärmewiderstandsspezifikation geben, die angibt, wie viel Grad Celsius Unterschied zwischen der Düse und der Umgebungsluft pro Watt bestehen wird. Addieren Sie dies zu Ihrer ungünstigsten Umgebungstemperatur und vergleichen Sie sie mit der maximal zulässigen Düsentemperatur.

Bei den meisten Transistoren und ICs wird ein TO-220-Gehäuse mit 1 W heiß, bleibt jedoch im Allgemeinen im Betriebsbereich. Bei 1/2 W würde ich mir keine Sorgen machen. Bei 1 W würde ich das Datenblatt überprüfen und die Berechnung durchführen, aber es wird wahrscheinlich in Ordnung sein.

Eine Falte: Das Datenblatt sagt möglicherweise nur, dass Sie sterben müssen, um einen Wärmewiderstand zu erhalten. Sie müssen dann den Wärmewiderstand vom Gehäuse zur Umgebung addieren, was viel höher ist. Glücklicherweise ist dies hauptsächlich eine Funktion des TO-220-Gehäuses und nicht des Transistors. Sie sollten also in der Lage sein, eine generische Zahl dafür zu finden. Gute Datenblätter geben Ihnen beide Wärmewiderstandszahlen.

Hinzugefügt:

Ich war vorher nicht dem Datenblattlink gefolgt, aber jetzt sehe ich, dass dort alles, was Sie brauchen, gut spezifiziert ist. Der Wärmewiderstand von der Düse zur Umgebung beträgt 62,5 C / W und die maximale Betriebstemperatur der Düse beträgt 175 ° C. Sie sagten, Ihre Umgebungstemperatur sei 25 ° C. Addiert man den Anstieg von dort zu der Düse bei 1 W, erhält man 88 ° C. Das sind 87 ° C unter der maximalen Betriebstemperatur. Die Antwort lautet also ganz klar: JA, Ihr Transistor ist bei 1 W in 25 ° C freier Luft in Ordnung.

Beantwortung Ihrer ersten Frage:

$\Omega$$P = I_D^2 \times R_{DS(ON)} = 12.5^2 \times 4.7m\Omega = 735mW$ . Fügen Sie etwas mehr Sicherheit hinzu und 1W ist ein guter Wert.
Was ein Teil zerstreuen kann, hängt davon ab

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

(Der erste Faktor lautet "Energie" und nicht "Leistung", weil es Energie ist, die zu einem Temperaturanstieg führt. In unseren Berechnungen gehen wir jedoch von einem stationären Zustand aus und können alles durch die Zeit teilen, sodass wir mit Leistung anstelle von Energie arbeiten können.)

Wir kennen die Leistung, das ist 1W. Wie leicht die Energie abgeleitet werden kann, wird in Wärmewiderstand (in K / W) ausgedrückt . Dieser Wärmewiderstand ist die Summe einiger verschiedener Wärmewiderstände, die Sie normalerweise im Datenblatt finden (sollten): es gibt den Widerstand von Anschlussstelle zu Gehäuse und den Gehäuse Umgebung . Ersteres ist sehr gering, da die Wärmeübertragung durch Leitung erfolgt , während letzteres einen viel höheren Wert aufweist, weil hier die Wärmeübertragung durchläuft Konvektion erfolgt. Wie Olin sagt, ist Letzteres eine Eigenschaft des Gehäusetyps (TO-220), sodass wir sie möglicherweise nicht im Datenblatt finden. Wir haben Glück, das Datenblatt gibt uns den Gesamtwärmewiderstand zwischen Kontakt und Umgebung an: 62,5 K / W. Dies bedeutet, dass bei einer Verlustleistung von 1 W die Sperrschichttemperatur 62,5 K (oder ° C) über der Umgebungstemperatur liegt. 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 Maximaltemperatur für Silizium angenommen werden, also sind wir sicher. Die Gehäusetemperatur entspricht fast der der Verbindungsstelle, daher ist der MOSFET HEISS und zu heiß zum Berühren.

Hinweis: Auf dieser Webseite wird der Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Umgebung für verschiedene Pakete aufgeführt.

Ergänzend zu den anderen Antworten finden Sie hier eine Ersatzschaltung, mit der Sie herausfinden sollten, ob Ihre Komponente mit der Verlustleistung fertig wird, sei es ein TO-220 oder ein anderes Gehäuse mit oder ohne Kühlkörper.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Wenn Sie die Spannungsquelle bei der Ermittlung der Sperrschichttemperatur ("Spannung") stört, können Sie diese entfernen und die Temperaturerhöhung in Bezug auf die Umgebungstemperatur bearbeiten (GND ist jetzt Umgebungstemperatur / Potenzial).

• R1, R2 und C1 stammen aus dem Komponentendatenblatt
• R3 stammt aus dem Datenblatt der gegebenenfalls verwendeten Wärmeleitpaste oder aus den Diagrammen des Wärmewiderstands gegen den Kontaktdruck (abhängig von der Kontaktfläche) für die in Kontakt befindlichen Materialien
• R4 und C2 stammen aus dem Datenblatt des Kühlkörpers, R4 sollte vom Luftstrom abhängen.

Im Allgemeinen bedeutet "case" Registerkarte, wenn es eine gibt (der tatsächliche Fall ist anders), aber ansonsten sollten Sie in der Lage sein, die Ersatzschaltung entsprechend zu optimieren - stellen Sie sich die Widerstände als Pfade für die Wärme vor und Sie erhalten die Temperatur eines Elements von seiner Spannung.

Im eingeschwungenen Zustand wird davon ausgegangen, dass die Wärmekondensatoren entfernt sind (vollständig aufgeladen / aufgeheizt). Zum Beispiel ohne Kühlkörper:

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

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 T0 kritisch gegenüberstellen und mindestens einen Sicherheitsfaktor von 1,5 (wie oben) oder vorzugsweise 2 für T1 annehmen.

Schließlich sollten Sie sich die Diagramme mit der VS-Sperrschichttemperatur im Komponentendatenblatt ansehen und die Maximaltemperatur durch eine niedrigere Temperatur ersetzen, da eine OK-Temperatur die Leistung Ihres Stromkreises immer noch beeinträchtigen kann. Insbesondere durch Temperaturwechsel wird die Lebensdauer Ihres Bauteils verkürzt. Als Faustregel gilt, dass sich die Lebensdauer in Abständen von jeweils 10 ° C halbiert.

Laut Wiki-Formel und Konstante für TO-220-Luft-Wärmeleitung entspricht dies 62,5 Grad pro Watt. Wenn sich Ihre Abzweigung bei 125 ° C bis 70 ° C befindet (schlechtester Fall) / 62,5 = 55 / 62,5 = 880 Milliwatt.

Das sind die Grenzen für Automobilanwendungen.

Die Antwort lautet also Nein. Auch wenn Sie in der Lage sind, ein Limit von 125C (autsch) einzuhalten.

Sie fragen auch, ob es auf FETs anwendbar ist. Für FETs ist es sogar noch fragwürdiger, weil sie einen thermischen Runaway-Modus haben, wenn ihre elektrischen Kurven bei einer Erhöhung der Sperrschichttemperatur dazu neigen, noch mehr Verlustleistung abzuleiten. So kann man das Limit nicht einhalten. Parallele FETs beeinträchtigen nicht das Durchgehen und gleichen die Last selbst aus, aber kleine Unterschiede in den Bauelementen verursachen ein durch Einschaltstrom induziertes Überschwingen der Gatespannungen (Sie haben große Stromspitzen neben hochohmigen Pins), sodass sie oszillieren und sich thermisch verschlechtern können. (Edit: wie Madman kommentiert: Wenn Sie zum Beispiel im Synchrongleichrichter zur Nulldurchgangszeit schalten, können Sie diesen Aspekt ignorieren).

Die endgültige Antwort lautet also Nein und Nein.

Meine konservative Schätzung ist 880 dividiert durch 3 = ungefähr 300 mW, um die Sicherheitsmarge von 200% über der Wattzahl zu halten.

Der "Chip gegen Umgebungstemperatur" -Wärmewiderstand bedeutet, dass er auf einem unendlichen Kühlkörper oder üblicherweise einer 1-Zoll-Quadratkupferplatine oder einem ähnlichen vom Hersteller angegebenen Test montiert ist. Wenn das Gerät so montiert ist, ist die "Umgebungstemperatur" die Temperatur des Kühlkörpers. Wenn das Gerät nicht so montiert ist, entspricht die "Umgebungstemperatur" des Geräts der Temperatur der das Gerät umgebenden heißen Luft und nicht der Temperatur von etwas Luft, die weiter entfernt ist.

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

Bei einer Umgebungstemperatur von ca. 25 ° C, einem Wärmewiderstand von ca. 500 ° C im Verhältnis zur Umgebung, einem Übergang von ca. 50 ° C zum Gehäuse und einer maximalen Übergangstemperatur von 150 ° C beträgt die zulässige Leistung (150-25) / 550 W, oder sehr grob

etwa 200 mW.

David hat grundsätz- lich gesagt, dass der Mosfet +1 knallen wird. Einige andere Gründe wären die unangenehme positive Temperatur des Widerstands, die sich nicht zu Ihren Gunsten auswirkt, wenn der Gerätestrom festgelegt ist. Tatsächlich kann er sich wie die meisten Fets leicht verdoppeln Es wird heiß, sodass Ihr 1 Watt jetzt 2 Watt beträgt. 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, schalten Sie langsamer Die Verluste steigen vor allem, wenn Sie hart schalten, so dass Sie das Gate nicht stark verlangsamen können. Wenn Ihre DS-Spannung einigermaßen hoch ist, verstärkt der Miller-Effekt die Drain-Gate-Kapazität. Diese zusätzliche Kapazität erhöht die bereits große Gate-Source-Kapazität Wenn all dies nicht ausreicht, sollten Sie die Diodenwiederherstellung beim Einschalten in Betracht ziehen.