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

Question

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

O, una forma diferente de plantear la pregunta es: Suponiendo una temperatura ambiente de 25C, ¿cómo puedo calcular la potencia máxima que puedo disipar en un MOSFET con embalaje TO-220? El MOSFET es un FDP047N10 si eso ayuda. Manejará unos 12,5 A de corriente continua (es decir, sin conmutación).

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

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

Answer 1

Esto es sencillo: haz las cuentas. Mira la hoja de datos. Debería haber una especificación de la resistencia térmica que te diga cuántos grados centígrados de diferencia habrá entre la matriz y el aire ambiente por vatio. A continuación, añada eso a su peor caso de temperatura ambiente y compárelo con la temperatura máxima permitida de la matriz.

Para la mayoría de los transistores y circuitos integrados, una caja TO-220 se calentará a 1 W, pero generalmente se mantendrá dentro del rango de funcionamiento. A 1/2 W no me preocuparía. A 1W, comprobaría la hoja de datos y haría el cálculo, pero probablemente no habrá problemas.

Un inconveniente: la hoja de datos sólo indica la resistencia térmica de la matriz a la carcasa. Luego hay que añadir la resistencia térmica de la carcasa al ambiente, que será mucho mayor. Afortunadamente, esto depende principalmente de la caja TO-220, no del transistor, por lo que debería poder encontrar una cifra genérica para ello. Las buenas hojas de datos te dan las dos cifras de resistencia térmica.

Añadido:

Antes no había seguido el enlace de la hoja de datos, pero ahora veo que todo lo que necesitas está bien especificado ahí. La resistencia térmica de la matriz al ambiente es de 62,5 C/W, y la temperatura máxima de funcionamiento de la matriz es de 175C. Has dicho que tu temperatura ambiente es de 25C. Sumando el aumento de allí a la matriz a 1W da 88C. Eso es 87C por debajo de la temperatura máxima de funcionamiento, así que la respuesta es claramente SÍ, su transistor estará bien a 1W en aire libre a 25C.

Answer 2

Respondiendo a su segunda pregunta:

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

Las pérdidas de conmutación incluyen la cantidad de energía necesaria para controlar la puerta y las pérdidas en el dispositivo cuando pasa del estado de encendido al de apagado. Cuando se enciende un MOSFET, hay un intervalo en el que \$I_D\$ comienza a fluir y el \$V_{DS}\$ La tensión sigue siendo máxima. \$V_{DS}\$ cae cuando el canal del MOSFET se satura. La potencia consumida durante este tiempo se denomina pérdida de encendido . Del mismo modo, al apagar, hay un intervalo en el que \$V_{DS}\$ se levanta antes de \$I_D\$ comienza a caer, lo que (no es sorprendente) se llama Pérdida por desconexión .

Hay que tener en cuenta las pérdidas de encendido y apagado cuando se habla de funcionamiento a 100kHz. Lo más probable es que veas menos potencia que en la condición DC, pero no estarás ahorrando el 50%.

Respondiendo a su tercera pregunta:

MOSFET \$R_{DS(on)}\$ tiene un coeficiente de temperatura positivo: cuanto más se calienta, mayor es el \$R_{DS(on)}\$ se pone. Si conectas dos MOSFETs en paralelo con características similares (es decir, el mismo número de pieza del mismo fabricante), los conduces de forma idéntica, y no tienes una gran asimetría en el diseño de tu PCB, los MOSFETs compartirán la corriente muy bien. Asegúrate siempre de que cada MOSFET tiene una resistencia independiente en serie con cada puerta (nunca pongas puertas en paralelo sin resistencias) ya que las puertas unidas directamente pueden interactuar de forma extraña entre sí - incluso unos pocos ohmios es mejor que nada.

Answer 3

Respondiendo a tu primera pregunta:

vamos a empezar con el consumo de energía. Hoja de datos dice 4.7 m\$\Omega\$ máximo en 75A, y en 12,5 este va a ser menos, así que es un valor seguro. A continuación,\$P = I_D^2 \times R_{DS(ON)} = 12.5^2 \times 4.7m\Omega = 735mW\$. Añadir algo de seguridad extra y 1W es un buen valor.
Lo que una parte puede disipar depende de

1. la cantidad de energía generada,
2. con qué facilidad la energía puede ser drenado para el medio ambiente

(El primer factor, dice que "la energía", y no "poder", porque es la energía que hace que la temperatura se eleva. Pero en nuestros cálculos hemos de suponer estado estacionario, y se puede dividir todo por el tiempo, así que podemos trabajar con el poder en vez de la energía).

Sabemos que el poder, que es de 1W. Con qué facilidad la energía puede ser drenado se expresa en la resistencia térmica (K/W). Esta resistencia térmica es la suma de un par de diferente resistencia térmica que normalmente (debe) buscar en la hoja de datos: ahí está el cruce a caso la resistencia y el caso-a-ambiental de la resistencia. El primero es muy baja, debido a la transferencia de calor es por conducción, mientras que el segundo es un valor mucho más alto, porque aquí la transferencia de calor es por convección. Como Olin dice que la última es una propiedad del tipo de caso (A-220), así que tal vez no vamos a encontrar en la hoja de datos. Pero estamos de suerte, la hoja de datos nos da la resistencia térmica total, de la unión-a-ambiente: 62.5 K/W. Que significa que en una 1W de la disipación de la temperatura de la unión será 62.5 K (o °C) superior a la del ambiente. Si la temperatura en el recinto es de 25°C (que es bastante bajo!), a continuación, la temperatura de la unión será el 87,5°C. Que es mucho menor que el 125°C que a menudo se asume como una temperatura máxima de silicio, por lo que estamos seguros. El caso de la temperatura será casi la misma que la unión, por lo que el MOSFET se CALIENTE, demasiado caliente al tacto.

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Nota: esta página web las listas de los casos-a-ambiente térmico de la resistencia a los diferentes paquetes.

Answer 4

Como complemento a las otras respuestas, aquí tienes un circuito equivalente con el que deberías ser capaz de averiguar si tu componente puede soportar la potencia disipada, sea un TO-220 o cualquier otro encapsulado, con o sin disipador.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

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

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

Por lo general, "caja" significa pestaña si hay una (la caja real de lo contrario), pero de lo contrario usted debe ser capaz de ajustar el circuito equivalente en consecuencia - sólo pensar en las resistencias como caminos para el calor, y se obtiene la temperatura de un elemento de su tensión.

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

$$T_1=T_0+(R_1+R_2)P=30+62.5*1=92.5°C<\frac{150°C}{1.5}$$

Cuando la potencia disipada se conmuta rápidamente en comparación con las constantes de tiempo térmicas, generalmente hay que multiplicar la capacidad específica que pueden dar los fabricantes (la regla general es 3 (W.s)/(K.kg)) con la masa asociada para obtener las capacidades, y tratar con las cargas RC habituales.

Tenga en cuenta que la temperatura ambiente alrededor del componente puede ser mucho más alta que la temperatura ambiente que le rodea, si el aire no circula y/o si está encerrado. Por esta razón, y porque todos los valores son generalmente poco precisos, sea crítico con T0 y tome al menos un factor de seguridad o 1,5 (como en el caso anterior) o preferiblemente 2 en T1.

Por último, puedes considerar la posibilidad de mirar los gráficos de temperatura de unión VS en la hoja de datos del componente y cambiar la temperatura máxima por una más baja, ya que una temperatura aceptable podría arruinar el rendimiento de tu circuito, todavía. En particular, los ciclos de temperatura reducen la vida útil del componente; una regla general es que la vida útil se reduce a la mitad por cada incremento de 10 °C.

Answer 5

La resistencia térmica "de la matriz al ambiente" significa que está montada en un disipador infinito, o, comúnmente, en una pcb de cobre de 1 pulgada cuadrada, o alguna prueba similar especificada por el fabricante. Cuando el dispositivo está montado así, la temperatura "ambiente" es la temperatura del disipador de calor. Si el dispositivo no está montado así, el "ambiente" para el dispositivo será la temperatura del aire caliente que rodea el dispositivo, no los 25C de algún aire en algún lugar más lejano.

La resistividad térmica del aire en reposo es de unos 0,1 - 0,2 K/W, por metro cuadrado, y el área de un envase TO-220 es de unos 300 mm2, por lo que una primera estimación de la resistencia térmica ambiente-ambiental sería de unos 500C/W. Esto coincide con el tipo de cifras 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 de la AN-2020 por Insite, no por Hindsight

Con una temperatura ambiental de unos 25C, una resistencia térmica de unos 500 entre la carcasa y el entorno, unos 50 entre la carcasa y una temperatura de unión máxima de 150C, la potencia admisible es de (150-25)/550 W, es decir, muy aproximadamente,

alrededor de 200 mW.