Menghamburkan 1W pada TO-220 tanpa heatsink?

Bisakah TO-220 tanpa heatsink menghilangkan 1W di udara diam?

Atau, cara lain untuk mengajukan pertanyaan adalah: Dengan asumsi suhu sekitar 25C, bagaimana saya bisa menghitung daya maksimum yang dapat saya habiskan pada TO-220 paket MOSFET? MOSFET adalah FDP047N10 jika itu membantu. Ini akan menangani sekitar 12.5A dari arus kontinu (yaitu, tidak ada switching).

Saya juga ingin memahami perbedaan dalam disipasi daya MOSFET yang terus-menerus AKTIF, vs MOSFET yang beralih pada 100KHz (siklus tugas 50% AKTIF).

Satu pertanyaan terakhir: Jika saya memparalelkan dua MOSFET untuk mengurangi disipasi daya per FET, adakah yang bisa saya lakukan untuk memastikan (atau meningkatkan probabilitas) bahwa keduanya akan memasok daya dengan jumlah yang sama?

Menjawab pertanyaan kedua Anda:

MOSFET switching akan memiliki dua jenis kerugian; konduksi dan switching. Kerugian konduksi adalah biasa kerugian. Jika Anda mengontrol MOSFET sehingga itu pada dengan duty cycle 50%, hilangnya konduksi adalah 50% dari DC (always-on) loss.$I_D^2 \times R_{DS(on)}$

Switching kerugian termasuk jumlah energi yang diperlukan untuk mengendalikan pintu gerbang dan kerugian dalam perangkat karena transisi dari pada-negara untuk off-negara. Ketika Anda menyalakan MOSFET, ada selang waktu di mana mulai mengalir dan V D S tegangan masih pada maksimum. V D S jatuh ketika saluran MOSFET jenuh. Daya yang dikonsumsi selama waktu ini disebut turn-on loss . Demikian pula, di turn-off, ada selang waktu di mana V D S naik sebelum aku D mulai jatuh, yang (tidak mengherankan) disebut turn-off kerugian .$I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$$V_{DS}$$I_D$

Anda harus mempertimbangkan turn-on dan turn-off loss ketika Anda berbicara tentang operasi 100kHz. Kemungkinan besar Anda akan melihat lebih sedikit daya daripada kondisi DC, tetapi Anda tidak akan menghemat 50%.

Menjawab pertanyaan ketiga Anda:

MOSFET memiliki koefisien temperatur positif - lebih hangat mendapat, semakin tinggi R D S ( o n ) mendapat. Jika Anda menghubungkan dua MOSFET secara paralel dengan karakteristik yang sama (yaitu nomor bagian yang sama dari produsen yang sama), drive mereka secara identik, dan tidak memiliki asimetri yang besar dalam tata letak PCB Anda, MOSFET memang akan berbagi arus dengan cukup baik. Selalu pastikan setiap MOSFET memiliki resistor independen secara seri dengan masing-masing gerbang (tidak pernah paralel dengan gerbang tanpa resistor) karena gerbang yang diikat secara bersamaan dapat berinteraksi secara aneh satu sama lain - bahkan beberapa ohm lebih baik daripada tidak sama sekali.$R_{DS(on)}$$R_{DS(on)}$

Ini sederhana: lakukan perhitungannya. Lihatlah lembar data. Harus ada spesifikasi ketahanan termal yang memberi tahu Anda berapa banyak perbedaan degC akan ada antara die dan udara sekitar per Watt. Kemudian tambahkan itu ke suhu lingkungan terburuk Anda dan bandingkan dengan suhu mati maksimum yang diizinkan.

Untuk sebagian besar transistor dan IC, case TO-220 akan menjadi panas pada 1W, tetapi umumnya tetap dalam jangkauan operasi. Pada 1/2 WI tidak akan khawatir tentang hal itu. Pada 1W saya akan memeriksa lembar data dan melakukan perhitungan tetapi mungkin akan baik-baik saja.

Satu kerutan: Lembar data hanya dapat memberi tahu Anda mati untuk ketahanan termal. Anda kemudian harus menambahkan tahanan termal dari kasing ke ambient, yang akan jauh lebih tinggi. Untungnya itu sebagian besar fungsi dari kasus TO-220, bukan transistor, jadi Anda harus dapat menemukan sosok generik untuk itu. Lembar data yang baik memberi Anda angka resistensi termal.

Ditambahkan:

Saya belum mengikuti tautan lembar data sebelumnya, tetapi sekarang saya melihat bahwa semua yang Anda butuhkan ditentukan dengan baik di sana. Tahanan termal dari die ke ambien adalah 62,5 C / W, dan suhu operasi die maksimum adalah 175C. Anda bilang suhu sekitar 25C. Menambahkan kenaikan dari sana ke mati di 1W menghasilkan 88C. Itu 87C di bawah suhu operasi maksimum, jadi jawabannya sangat jelas YA, transistor Anda akan baik-baik saja pada 1W di udara bebas 25C.

Menjawab pertanyaan pertama Anda:

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

1. jumlah energi yang dihasilkan,
2. betapa mudahnya energi dapat dikeringkan bagi lingkungan

(Faktor pertama mengatakan "energi", dan bukan "kekuatan", karena itu adalah energi yang menyebabkan suhu naik. Tetapi dalam perhitungan kami, kami mengasumsikan keadaan stabil, dan dapat membagi semuanya berdasarkan waktu sehingga kami dapat bekerja dengan kekuatan alih-alih energi.)

Kami tahu kekuatannya, itu 1W. Bagaimana dengan mudah energi dapat dikeringkan dinyatakan dalam tahan panas (di K / W). Resistansi termal ini adalah jumlah dari beberapa resistansi termal yang berbeda yang biasanya (harus) Anda temukan dalam datasheet: ada resistansi persimpangan-ke-kasus dan resistansi kasus-ke-sekitar . Mantan sangat rendah, karena perpindahan panas melalui konduksi , sedangkan yang kedua adalah nilai yang jauh lebih tinggi karena di sini perpindahan panas adalah melalui konveksi. Seperti Olin mengatakan yang terakhir adalah properti dari kasus jenis (TO-220), jadi mungkin kita tidak akan menemukannya dalam datasheet. Tapi kami beruntung, datasheet memberi kita tahan panas total, persimpangan-to-ambient: 62,5 K / W. Itu berarti bahwa pada disipasi 1W suhu persimpangan akan 62,5 K (atau ° C) lebih tinggi dari lingkungan. Jika suhu di kandang adalah 25 ° C (yang agak rendah!), Maka suhu persimpangan akan 87,5 ° C. Itu jauh lebih sedikit daripada 125 ° C yang sering diasumsikan sebagai suhu maksimum untuk silikon, sehingga kita aman. Suhu kasus akan hampir sama dengan persimpangan, sehingga MOSFET akan HOT, terlalu panas untuk disentuh.

Catatan: web ini halaman list kasus-to-ambient tahan panas paket yang berbeda.

Sebagai pelengkap jawaban lainnya, berikut ini adalah rangkaian setara yang dengannya Anda harus dapat menentukan apakah komponen Anda dapat menangani daya yang hilang, baik paket TO-220 atau paket lainnya, dengan atau tanpa pendingin.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Jika sumber tegangan mengganggu Anda saat menyelesaikan untuk suhu persimpangan ("voltase"), Anda dapat melepasnya dan mengerjakan peningkatan suhu sehubungan dengan suhu lingkungan (GND sekarang adalah suhu / potensi sekitar).

• R1, R2 dan C1 berasal dari datasheet komponen
• R3 berasal dari datasheet dari thermal paste digunakan jika ada, atau dari grafik tahan panas VS tekanan kontak (tergantung pada bidang kontak) untuk bahan dalam kontak
• R4 dan C2 berasal dari lembar data pendingin, R4 harus bergantung pada aliran udara.

Secara umum, "case" berarti tab jika ada satu (case sebenarnya sebaliknya), tetapi jika tidak, Anda harus dapat mengubah sirkuit ekuivalen sesuai - hanya berpikir tentang resistor sebagai jalur untuk panas, dan Anda mendapatkan suhu elemen. dari tegangannya.

Untuk kondisi mapan, anggap kapasitor termal dihilangkan ("terisi penuh" / panas). Misalnya, tanpa pendingin:

Ketika daya yang hilang beralih cepat dibandingkan dengan konstanta waktu termal, Anda biasanya harus melipatgandakan kapasitansi spesifik yang dapat diberikan oleh produsen (aturan praktisnya adalah 3 (Ws) / (K.kg)) dengan massa yang terkait untuk mendapatkan kapasitas, dan berurusan dengan biaya RC biasa.

Perhatikan bahwa suhu sekitar di sekitar komponen mungkin jauh lebih tinggi dari suhu sekitar di sekitar Anda, jika udara tidak bersirkulasi dan / atau jika tertutup. Untuk alasan ini, dan karena semua nilai umumnya tidak terlalu akurat, kritislah terhadap T0 dan ambil setidaknya faktor keamanan atau 1,5 (seperti di atas) atau lebih disukai 2 pada T1.

Terakhir, Anda mungkin ingin mempertimbangkan untuk melihat plot junction VS temperatur pada lembar data komponen dan mengubah suhu maks untuk yang lebih rendah, karena suhu OK-ish mungkin merusak kinerja sirkuit Anda, masih. Secara khusus, siklus suhu mengurangi masa pakai komponen Anda - aturan praktisnya adalah separuh masa pakai untuk setiap kenaikan 10 ° C.

Menurut wiki rumus dan konstan untuk TO-220 junction-to-air panas ke lingkungan yang sama 62,5 derajat per watt. Ketika persimpangan Anda di 125C-70C ambien (kasus terburuk) /62.5 = 55 / 62,5 = 880 milliwatt.

Bahwa batas mengatakan untuk aplikasi otomotif.

Jadi jawabannya tidak. Bahkan jika Anda mampu mempertahankan batas 125C (aduh).

Anda juga bertanya apakah itu berlaku untuk FET. Hal ini bahkan lebih dipertanyakan untuk FET, karena mereka memiliki modus pelarian termal, ketika dengan inrease dari suhu persimpangan kurva listrik mereka cenderung bertujuan disipasi daya bahkan lebih. Jadi Anda tidak bisa mempertahankan batasnya. Paralel FET tidak akan melarikan diri mendegradasi dan mereka akan diri menyeimbangkan beban, tetapi perbedaan kecil dalam perangkat akan menyebabkan lonjakan arus induksi dering gerbang tegangan (Anda memiliki lonjakan arus besar sebelah pin impedansi tinggi), sehingga dapat berosilasi dan menurunkan termal. (Edit: sebagai Madman berkomentar: Ketika Anda beralih di nol-lintas waktu, katakan dalam penyearah sinkron, Anda dapat mengabaikan aspek ini).

Jadi jawaban terakhir adalah Tidak dan Tidak.

Estimasi konservatif saya adalah 880 dibagi 3 = sekitar 300 mW, untuk menjaga margin keamanan 200% kelebihan watt.

Resistansi termal "die to ambient" berarti dipasang pada heatsink yang tak terbatas, atau, umumnya, PCB tembaga 1 inci persegi, atau tes serupa yang ditentukan oleh pabrikan. Ketika perangkat dipasang seperti itu, suhu "ambient" adalah suhu heat sink. Jika perangkat tidak dipasang seperti itu, "ambient" untuk perangkat akan menjadi suhu udara panas di sekitar perangkat, bukan 25C udara di suatu tempat yang lebih jauh.

Tahanan termal dari udara diam sekitar 0,1 - 0,2 K / W, per meter persegi, dan luas paket TO-220 adalah sekitar 300 mm2, jadi tebakan pertama pada resistensi termal sekitar-terhadap-lingkungan sekitar 500C / W. Ini sesuai dengan jenis angka yang tersedia di internet: TI menunjukkan bahwa hambatan termal dari 1 cm persegi ke udara karena konveksi alami adalah 1000 K / W. AN-2020 Thermal Design oleh Insite, bukan Hindsight

Dengan suhu lingkungan sekitar 25C, Tahan termal sekitar 500 kasus-ke-lingkungan, sekitar 50 persimpangan ke kasus, dan suhu persimpangan 150C maksimum, daya yang diizinkan adalah (150-25) / 550 W, atau, sangat kasar,

sekitar 200 mW.

david memiliki basicley mengatakan bahwa MOSFET akan pergi bang +1. Beberapa alasan lain akan menjadi suhu positif jahat pada perlawanan yang tidak bekerja dalam mendukung Anda ketika perangkat saat ini diperbaiki. Bahkan seperti kebanyakan fets dapat dengan mudah berfungsi ganda itu menjadi panas sehingga 1watt Anda sekarang 2 watt. Kapasitansi input yang tinggi akan menyebabkan daya terbuang dalam hambatan gerbang internal jika driver gerbang Anda cepat. Daya gerbang ini penting dan harus diperhitungkan. Jika Anda mengemudi dengan lambat Anda beralih kerugian akan naik terutama jika Anda sulit beralih sehingga Anda tidak bisa memperlambat gerbang terlalu banyak. Jika tegangan DS Anda cukup tinggi efek penggiling mulai memperkuat kapasitansi gerbang drain. Kapasitansi ekstra ini menambah kapasitansi sumber gerbang yang sudah besar membuat berbagai hal bahkan worse.If semua ini tidak cukup mempertimbangkan pemulihan dioda pada gilirannya pada.