Dissipando 1W em um TO-220 sem dissipador de calor?

Um TO-220 sem dissipador de calor pode dissipar 1W no ar parado?

Ou, uma maneira diferente de fazer a pergunta é: Supondo uma temperatura ambiente de 25 ° C, como posso calcular a potência máxima que posso dissipar em um MOSFET embalado no TO-220? O MOSFET é um FDP047N10, se isso ajudar. Ele irá lidar com cerca de 12,5 A de corrente contínua (ou seja, sem comutação).

Eu também gostaria de entender a diferença na dissipação de energia de um MOSFET que está continuamente LIGADO, versus um MOSFET que muda a 100KHz (50% de ciclo de trabalho LIGADO).

Uma pergunta final: se eu paralelo a dois MOSFETs para reduzir a dissipação de energia por FET, há algo que eu possa fazer para garantir (ou aumentar a probabilidade) que ambos fornecerão quantidades iguais de energia?

Respondendo à sua segunda pergunta:

Um MOSFET de comutação terá dois tipos de perdas; condução e comutação. A perda de condução é a perda usual de . Se você controlar o MOSFET para que ele ative com 50% do ciclo de trabalho, a perda de condução será 50% da perda de CC (sempre ativa).$I_D^2 \times R_{DS(on)}$

As perdas de comutação incluem a quantidade de energia necessária para controlar o portão e as perdas no dispositivo à medida que ele passa do estado on para o off. Quando você está ligando um MOSFET, há um intervalo em que começa a fluir e a tensão ainda está no máximo. $I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$ cai quando o canal MOSFET se satura. A energia consumida durante esse período é chamada de perda de ativação . Da mesma forma, no desligamento, há um intervalo em que aumenta antes que D comece a cair, o que (não surpreendentemente) é chamado de perda por desligamento .$V_{DS}$$I_D$

Você deve considerar as perdas de ativação e desativação ao falar sobre operação de 100kHz. Provavelmente você verá menos energia que a condição DC, mas não economizará 50%.

Respondendo à sua terceira pergunta:

O MOSFET possui um coeficiente de temperatura positivo - quanto mais quente ele fica, mais alto o R D S ( o n ) fica. Se você conectar dois MOSFETs em paralelo com características semelhantes (ou seja, o mesmo número de peça do mesmo fabricante), conduza-os de forma idêntica e não possua uma grande assimetria no layout da sua PCB, os MOSFETs compartilharão a corrente de maneira bastante agradável. Sempre verifique se cada MOSFET tem um resistor independente em série com cada porta (nunca portas paralelas sem resistências), pois as portas ligadas diretamente juntas podem interagir estranhamente umas com as outras - mesmo alguns ohms é melhor que nada.$R_{DS(on)}$$R_{DS(on)}$

Isso é simples: faça as contas. Veja a folha de dados. Deve haver uma especificação de resistência térmica que informe quantas diferenças de degC haverá entre a matriz e o ar ambiente por Watt. Em seguida, adicione isso à pior temperatura ambiente e compare com a temperatura máxima permitida da matriz.

Para a maioria dos transistores e CIs, um gabinete TO-220 esquenta a 1W, mas geralmente permanece dentro da faixa de operação. Em 1/2 WI não se preocuparia com isso. No 1W, eu verificaria a folha de dados e faria o cálculo, mas provavelmente tudo ficará bem.

Uma dobra: A folha de dados pode indicar apenas que você morre devido a resistência térmica. Você precisa adicionar a resistência térmica do gabinete ao ambiente, que será muito maior. Felizmente, isso é principalmente uma função do gabinete do TO-220, não do transistor, então você deve encontrar uma figura genérica para isso. Boas folhas de dados fornecem os dois valores de resistência térmica.

Adicionado:

Eu não tinha seguido o link da folha de dados anteriormente, mas agora vejo que tudo o que você precisa está bem especificado lá. A resistência térmica da matriz ao ambiente é de 62,5 C / W e a temperatura máxima de operação da matriz é de 175 ° C. Você disse que sua temperatura ambiente é de 25 ° C. Adicionando o aumento de lá para o dado em 1W produz 88C. Isso é 87C abaixo da temperatura máxima de operação, então a resposta é muito clara: SIM, seu transistor ficará bem a 1W em ar livre de 25C.

Respondendo à sua primeira pergunta:

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

1. a quantidade de energia gerada,
2. com que facilidade a energia pode ser drenada para o meio ambiente

(O primeiro fator diz "energia", e não "energia", porque é a energia que causa o aumento da temperatura. Mas, em nossos cálculos, assumimos um estado estacionário e podemos dividir tudo pelo tempo, para podermos trabalhar com energia, e não com energia.)

Conhecemos o poder, isso é 1W. A facilidade com que a energia pode ser drenada é expressa em resistência térmica (em K / W). Essa resistência térmica é a soma de algumas resistências térmicas diferentes que você normalmente (deveria) encontrar na folha de dados: há a resistência da junção ao caso e a resistência do caso ao ambiente . O primeiro é muito baixo, porque a transferência de calor é por condução , enquanto o último é um valor muito mais alto, porque aqui a transferência de calor é por convecção. Como Olin diz que o último é uma propriedade do tipo de caso (TO-220), talvez não a encontremos na folha de dados. Mas estamos com sorte, a ficha técnica nos fornece a resistência térmica total, da junção ao ambiente: 62,5 K / W. Isso significa que, em uma dissipação de 1W, a temperatura da junção será 62,5 K (ou ° C) mais alta que o ambiente. Se a temperatura no gabinete for de 25 ° C (isso é bastante baixo!), A temperatura da junção será de 87,5 ° C. Isso é muito menor que os 125 ° C, que geralmente é considerado como uma temperatura máxima para o silício, por isso estamos seguros. A temperatura da caixa será quase a mesma da junção, portanto o MOSFET estará QUENTE, quente demais para tocar.

Nota: esta página da web lista a resistência térmica caso a ambiente para diferentes pacotes.

Como complemento às outras respostas, aqui está um circuito equivalente com o qual você deve saber se o seu componente pode lidar com a energia dissipada, seja um TO-220 ou qualquer outro pacote, com ou sem um dissipador de calor.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Se a fonte de tensão o incomodar na resolução da temperatura da junção ("tensão"), você pode removê-la e trabalhar na elevação da temperatura em relação à temperatura ambiente (GND agora é temperatura / potencial ambiente).

• R1, R2 e C1 são provenientes da folha de dados do componente
• R3 vem da folha de dados da pasta térmica usada, se houver, ou dos gráficos de resistência térmica VS pressão de contato (depende da área de contato) para os materiais em contato
• R4 e C2 vêm da folha de dados do dissipador de calor, R4 deve depender do fluxo de ar.

Geralmente, "caso" significa tabulação se houver um (o caso real, caso contrário), mas, caso contrário, você poderá ajustar o circuito equivalente adequadamente - pense nos resistores como caminhos para o calor e obtém a temperatura de um elemento da sua voltagem.

Para estado estacionário, suponha que os capacitores térmicos sejam removidos (totalmente "carregados" / aquecidos). Por exemplo, sem dissipador de calor:

Quando a energia dissipada é alternada rapidamente em comparação com as constantes de tempo térmicas, geralmente é necessário multiplicar a capacitância específica que os fabricantes podem fornecer (regra geral é 3 (Ws) / (K.kg)) com a massa associada para obter a capacidades e lidar com as taxas usuais de RC.

Observe que a temperatura ambiente ao redor do componente pode ser muito mais alta que a temperatura ambiente ao seu redor, se o ar não estiver circulando e / ou se estiver fechado. Por esse motivo, e como todos os valores geralmente não são muito precisos, seja crítico com T0 e tome pelo menos um fator de segurança ou 1,5 (como acima) ou preferencialmente 2 em T1.

Finalmente, convém considerar a temperatura da junção VS dos lotes na folha de dados do componente e alterar a temperatura máxima para uma mais baixa, pois uma temperatura OK pode prejudicar o desempenho do seu circuito. Em particular, o ciclo de temperatura reduz a vida útil do seu componente - uma regra prática é a metade da vida útil para cada incremento de 10 ° C.

De acordo com a fórmula wiki e constante para a junção ar-ar TO-220, térmica para ambiente igual a 62,5 graus por watt. Quando sua junção está em ambiente de 125 ° C a 70 ° C (pior caso) /62,5 = 55 / 62,5 = 880 miliwatt.

Que o limite diz para aplicações automotivas.

Portanto, a resposta é não. Mesmo se você conseguir manter o limite de 125 ° C (ai).

Você também está perguntando se é aplicável aos FETs. É ainda mais questionável para os FETs, porque eles têm um modo de fuga térmica, quando, com o aumento da temperatura da junção, suas curvas elétricas tendem a ter ainda mais dissipação de energia. Então você não pode manter o limite. Os FETs paralelos não degradam a fuga e equilibram a carga automaticamente, mas pequenas diferenças nos dispositivos causam o toque induzido pela corrente de irrupção das tensões da porta (você tem grandes picos de corrente próximos aos pinos de alta impedância), para que possa oscilar e degradar termicamente. (Edit: como Madman comentou: Quando você alterna no tempo de cruzamento zero, digamos no retificador síncrono, você pode ignorar esse aspecto).

Então a resposta final é Não e Não.

Minha estimativa conservadora é de 880 dividido por 3 = cerca de 300 mW, para manter a margem de segurança de um excesso de 200% da potência.

Os meios de resistência térmica "morrer para o ambiente" são montados em um dissipador de calor infinito, ou, geralmente, em uma placa de cobre quadrada de 1 polegada ou em algum teste semelhante especificado pelo fabricante. Quando o dispositivo é montado assim, a temperatura "ambiente" é a temperatura do dissipador de calor. Se o dispositivo não estiver montado assim, o "ambiente" para o dispositivo será a temperatura do ar quente ao redor do dispositivo, não os 25 ° C de um pouco de ar em algum lugar mais distante.

A resistividade térmica do ar parado é de cerca de 0,1 - 0,2 K / W, por metro quadrado, e a área de uma embalagem TO-220 é de cerca de 300 mm2, portanto, um primeiro palpite sobre a resistência térmica de ambiente para ambiente seria de cerca de 500 ° C /W. Isso concorda com o tipo de números disponíveis na internet: a TI sugere que a resistência térmica de um quadrado de 1 cm ao ar devido à convecção natural seja de 1000 K / W. Projeto térmico AN-2020 da Insite, não retrospectiva

Com a temperatura ambiente em torno de 25 ° C, a resistência térmica em torno de 500 caso a ambiente, em torno de 50 junções a caso e a temperatura máxima de junção 150C, a potência permitida é (150-25) / 550 W, ou, aproximadamente,

cerca de 200 mW.

david tem basicley disse que o mosfet vai estrondar +1. Algumas outras razões seriam a temperatura positiva desagradável da resistência que não funciona a seu favor quando a corrente do dispositivo é fixa. Na verdade, como a maioria dos fets, pode facilmente dobrar como fica quente, então seu 1watt é agora de 2 watts. A alta capacitância de entrada fará com que a energia seja desperdiçada na resistência do portão interno, se o seu driver de portão for rápido. Esse poder de portão é significativo e deve ser levado em consideração. as perdas subirão especialmente se você mudar com dificuldade, de modo que você não pode desacelerar muito o portão. Se a tensão do seu DS for razoavelmente alta, o efeito do moleiro começará a amplificar a capacitância do portão de drenagem. ainda pior. Se tudo isso não for suficiente, considere a recuperação do diodo ao ligar.