¿Disipando 1W en un TO-220 sin disipador de calor?

¿Puede un TO-220 sin disipador de calor disipar 1W en aire quieto?

O, una forma diferente de hacer la pregunta es: suponiendo una temperatura ambiente de 25 ° C, ¿cómo puedo calcular la potencia máxima que puedo disipar en un MOSFET empaquetado TO-220? El MOSFET es un FDP047N10 si eso ayuda. Manejará aproximadamente 12.5A de corriente continua (es decir, sin conmutación).

También me gustaría entender la diferencia en la disipación de potencia de un MOSFET que está continuamente encendido, frente a un MOSFET que se conecta a 100KHz (50% de ciclo de trabajo encendido).

Una última pregunta: si pongo en paralelo dos MOSFET para reducir la disipación de energía por FET, ¿hay algo que pueda hacer para asegurarme (o aumentar la probabilidad) de que ambos suministren cantidades iguales de energía?

Respondiendo a tu segunda pregunta:

Un MOSFET de conmutación tendrá dos tipos de pérdidas; conducción y conmutación. La pérdida de conducción es la pérdida habitual . Si controla el MOSFET para que esté encendido con un ciclo de trabajo del 50%, la pérdida de conducción es del 50% de la pérdida de CC (siempre encendida).$I_D^2 \times R_{DS(on)}$

Las pérdidas de conmutación incluyen la cantidad de energía necesaria para controlar la puerta y las pérdidas en el dispositivo a medida que pasa del estado encendido al estado apagado. Cuando enciende un MOSFET, hay un intervalo en el que comienza a fluir y el voltaje V D S todavía está en su máximo. V D S cae cuando el canal MOSFET se satura. La potencia consumida durante este tiempo se denomina pérdida de encendido . Del mismo modo, en el apagado, hay un intervalo en el que V D S aumenta antes de que I D comience a caer, lo que (como es lógico) se denomina pérdida de apagado .$I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$$V_{DS}$$I_D$

Debe tener en cuenta las pérdidas de encendido y apagado cuando habla de una operación de 100 kHz. Lo más probable es que vea menos energía que la condición de CC, pero no ahorrará un 50%.

Respondiendo a su tercera pregunta:

MOSFET tiene un coeficiente de temperatura positivo: cuanto más cálido se hace, mayor es el R D S ( o n ) . Si conecta dos MOSFET en paralelo con características similares (es decir, el mismo número de pieza del mismo fabricante), conduzca de manera idéntica y no tenga una gran asimetría en su diseño de PCB, los MOSFET compartirán la corriente bastante bien. Siempre asegúrese de que cada MOSFET tenga una resistencia independiente en serie con cada compuerta (nunca compuertas paralelas sin resistencias) ya que las compuertas conectadas directamente entre sí pueden interactuar de manera extraña, incluso unos pocos ohmios son mejor que nada.$R_{DS(on)}$$R_{DS(on)}$

Esto es simple: haz los cálculos. Mira la hoja de datos. Debe haber una especificación de resistencia térmica que le indique cuántas diferencias de grados C habrá entre el dado y el aire ambiente por vatio. Luego, agréguelo a su temperatura ambiente en el peor de los casos y compárelo con la temperatura máxima permitida del troquel.

Para la mayoría de los transistores e IC, una carcasa TO-220 se calentará a 1W, pero generalmente se mantendrá dentro del rango operativo. A 1/2 WI no te preocupes por eso. A 1W verificaría la hoja de datos y haría el cálculo, pero probablemente estará bien.

Una arruga: la hoja de datos solo puede decirle que muera para resistir la resistencia térmica. Luego debe agregar la resistencia térmica de la carcasa al ambiente, que será mucho mayor. Afortunadamente, eso es principalmente una función del caso TO-220, no del transistor, por lo que debería poder encontrar una figura genérica para eso. Las buenas hojas de datos le dan ambas cifras de resistencia térmica.

Adicional:

No había seguido el enlace de la hoja de datos anteriormente, pero ahora veo que todo lo que necesita está bien especificado allí. La resistencia térmica del troquel al ambiente es 62.5 C / W, y la temperatura máxima de operación del troquel es 175C. Dijiste que tu temperatura ambiente es de 25 ° C. Agregar el aumento desde allí al dado a 1W produce 88C. Eso es 87 ° C por debajo de la temperatura máxima de funcionamiento, por lo que la respuesta es muy clara SÍ, su transistor estará bien a 1 W en 25 ° C de aire libre.

Respondiendo tu primera pregunta:

$\Omega$$P = I_D^2 \times R_{DS(ON)} = 12.5^2 \times 4.7m\Omega = 735mW$

1. la cantidad de energía generada,
2. con qué facilidad se puede drenar la energía al medio ambiente

(El primer factor dice "energía", y no "energía", porque es la energía la que provoca los aumentos de temperatura. Pero en nuestros cálculos asumimos un estado estable y podemos dividir todo por tiempo para que podamos trabajar con energía en lugar de energía).

Conocemos el poder, eso es 1W. La facilidad con que se puede drenar la energía se expresa en resistencia térmica (en K / W). Esta resistencia térmica es la suma de algunas resistencias térmicas diferentes que normalmente (debería) encontrar en la hoja de datos: existe la resistencia de unión a caja y la resistencia de caja a ambiente . El primero es muy bajo, porque la transferencia de calor es a través de la conducción , mientras que el último es un valor mucho más alto porque aquí la transferencia de calor es a través de la convección.. Al igual que Olin dice que este último es una propiedad del tipo de caso (TO-220), por lo que tal vez no lo encontremos en la hoja de datos. Pero estamos de suerte, la hoja de datos nos brinda la resistencia térmica total, unión al ambiente: 62.5 K / W. Eso significa que con una disipación de 1W, la temperatura de la unión será 62.5 K (o ° C) más alta que el medio ambiente. Si la temperatura en el recinto es de 25 ° C (¡eso es bastante bajo!), Entonces la temperatura de la unión será de 87.5 ° C. Eso es mucho menos que los 125 ° C, que a menudo se supone que es la temperatura máxima para el silicio, por lo que estamos a salvo. La temperatura de la carcasa será casi la misma que la unión, por lo que el MOSFET estará CALIENTE, demasiado caliente para tocarlo.

Nota: esta página web enumera la resistencia térmica de caso a ambiente para diferentes paquetes.

Como complemento a las otras respuestas, aquí hay un circuito equivalente con el que debería poder determinar si su componente puede manejar la potencia disipada, ya sea un TO-220 o cualquier otro paquete, con o sin disipador de calor.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Si la fuente de voltaje le molesta al resolver la temperatura de la unión ("voltaje"), puede eliminarla y trabajar en la elevación de temperatura con respecto a la temperatura ambiente (GND ahora es temperatura / potencial ambiente).

• R1, R2 y C1 provienen de la hoja de datos del componente
• R3 proviene de la hoja de datos de la pasta térmica utilizada, si corresponde, o de tablas de resistencia térmica VS presión de contacto (depende del área de contacto) para los materiales en contacto
• R4 y C2 provienen de la hoja de datos del disipador de calor, R4 debe depender del flujo de aire.

En general, "caso" significa tabulación si hay uno (el caso real de lo contrario), pero de lo contrario debería ser capaz de ajustar el circuito equivalente en consecuencia: solo piense en las resistencias como rutas para el calor, y obtendrá la temperatura de un elemento de su voltaje.

Para el estado estacionario, suponga que los condensadores térmicos están retirados (completamente "cargados" / calentados). Por ejemplo, sin disipador de calor:

Cuando la potencia disipada se cambia rápidamente en comparación con las constantes de tiempo térmico, generalmente tiene que multiplicar la capacidad específica que los fabricantes pueden dar (la regla general es 3 (Ws) / (K.kg)) con la masa asociada para obtener el capacidades y hacer frente a las cargas habituales de RC.

Tenga en cuenta que la temperatura ambiente alrededor del componente puede ser mucho más alta que la temperatura ambiente alrededor de usted, si el aire no circula y / o está encerrado. Por esta razón, y debido a que todos los valores generalmente no son muy precisos, sea crítico con T0 y tome al menos un factor de seguridad o 1.5 (como arriba) o preferiblemente 2 en T1.

Finalmente, es posible que desee considerar mirar las gráficas de la temperatura de la unión VS en la hoja de datos del componente y cambiar la temperatura máxima por una más baja, ya que una temperatura aceptable puede arruinar el rendimiento de su circuito. En particular, el ciclo de temperatura reduce la vida útil de sus componentes: una regla general son las mitades de vida útil por cada incremento de 10 ° C.

De acuerdo con la fórmula wiki y constante para TO-220 unión aire-aire a ambiente igual a 62.5 grados por vatio. Cuando su unión está a 125C-70C ambiente (peor caso) /62.5 = 55 / 62.5 = 880 milivatios.

Eso dice el límite para aplicaciones automotrices.

Entonces la respuesta es No. Incluso si puede mantener el límite de 125C (ouch).

También pregunta si es aplicable a los FET. Es aún más cuestionable para los FET, porque tienen un modo de fuga térmica, cuando con el aumento de la temperatura de la unión, sus curvas eléctricas tienden a apuntar aún más a la disipación de potencia. Entonces no puedes mantener el límite. Los FET paralelos no se degradarán y equilibrarán la carga por sí mismos, pero pequeñas diferencias en los dispositivos provocarán un zumbido inducido por la corriente de entrada de los voltajes de la puerta (tiene picos de corriente grandes junto a los pines de alta impedancia), por lo que puede oscilar y degradarse térmicamente. (Editar: como comentó Madman: cuando cambias a tiempo de cruce por cero, por ejemplo, en un rectificador síncrono, puedes ignorar este aspecto).

Entonces la respuesta final es No y No.

Mi estimación conservadora es 880 dividir por 3 = aproximadamente 300 mW, para mantener un margen de seguridad del 200% de exceso de potencia.

La resistencia térmica de "morir al ambiente" significa montado en un disipador de calor infinito, o, comúnmente, una PCB de cobre cuadrado de 1 pulgada, o alguna prueba similar especificada por el fabricante. Cuando el dispositivo se monta así, la temperatura "ambiente" es la temperatura del disipador de calor. Si el dispositivo no está montado de esa manera, el "ambiente" para el dispositivo será la temperatura del aire caliente que lo rodea, no los 25 ° C de algún aire más alejado.

La resistividad térmica del aire quieto es de alrededor de 0.1 - 0.2 K / W, por metro cuadrado, y el área de un paquete TO-220 es de alrededor de 300 mm2, por lo que una primera aproximación a la resistencia térmica de ambiente a ambiente sería de alrededor de 500C / W. Esto concuerda con el tipo de números disponibles en Internet: TI sugiere que la resistencia térmica de un cuadrado de 1 cm al aire debido a la convección natural es de 1000 K / W. Diseño térmico AN-2020 por Insite, no en retrospectiva

Con la temperatura ambiental alrededor de 25 ° C, la resistencia térmica alrededor de 500 de caja a ambiente, alrededor de 50 de unión a caja y la temperatura máxima de unión de 150 ° C, la potencia permitida es (150-25) / 550 W, o, más o menos,

alrededor de 200 mW.

David ha dicho básicamente que el mosfet se disparará +1. Algunas otras razones serían la desagradable temperatura positiva de la resistencia que no funciona a su favor cuando la corriente del dispositivo es fija. De hecho, como la mayoría de los pies, puede duplicarse fácilmente. se calienta, por lo que su 1 vatio es ahora de 2 vatios. La alta capacitancia de entrada hará que se desperdicie energía en la resistencia de la compuerta interna si el controlador de la compuerta es rápido. Esta potencia de la compuerta es importante y debe tenerse en cuenta. las pérdidas aumentarán especialmente si está cambiando de modo difícil, por lo que no puede ralentizar mucho la puerta. Si su voltaje DS es razonablemente alto, el efecto miller comienza a amplificar la capacitancia de la compuerta de drenaje. Esta capacitancia adicional se suma a la capacitancia de la fuente de compuerta ya grande haciendo cosas aún peor. Si todo esto no es suficiente, considere la recuperación de diodos al encender.