Рассеяние 1 Вт на ТО-220 без радиатора?

Может ли TO-220 без радиатора рассеивать 1 Вт в неподвижном воздухе?

Или другой способ задать вопрос: при условии, что температура окружающей среды составляет 25 ° C, как я могу рассчитать максимальную мощность, которую я могу рассеивать на MOSFET в упаковке TO-220? МОП-транзистор - FDP047N10, если это помогает. Он будет обрабатывать около 12,5 А постоянного тока (т.е. без переключения).

Я также хотел бы понять разницу в рассеиваемой мощности МОП-транзистора, который постоянно включен, и МОП-транзистора, который переключается с частотой 100 кГц (рабочий цикл 50% включен).

И последний вопрос: если я параллельно соединю два полевых МОП-транзистора, чтобы уменьшить рассеиваемую мощность для каждого полевого транзистора, могу ли я что-нибудь сделать, чтобы убедиться (или увеличить вероятность), что оба будут подавать одинаковое количество энергии?

Отвечая на ваш второй вопрос:

Переключающий MOSFET будет иметь два типа потерь; проводимость и коммутация. Потеря проводимости - это обычная потеря . Если вы управляете MOSFET таким образом, чтобы он работал с коэффициентом заполнения 50%, потеря проводимости составляет 50% от потери постоянного тока (всегда включенной).$I_D^2 \times R_{DS(on)}$

Потери на переключение включают количество энергии, необходимое для управления затвором и потерями в устройстве при его переходе из включенного состояния в выключенное. Когда вы включаете MOSFET, есть интервал, когда начинает течь, а напряжение V D S все еще находится на максимуме. V D S падает при насыщении канала MOSFET. Потребляемая за это время мощность называется потерей при включении . Аналогично, при выключении существует интервал, в котором V D S повышается до того, как I D начинает падать, что (что неудивительно) называется потерей при выключении .$I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$$V_{DS}$$I_D$

Вы должны учитывать потери при включении и отключении, когда говорите о работе на 100 кГц. Скорее всего, вы увидите меньше энергии, чем в режиме постоянного тока, но вы не сэкономите 50%.

Отвечая на ваш третий вопрос:

MOSFET имеет положительный температурный коэффициент - чем теплее, тем выше R D S ( o n ) . Если вы соединяете два MOSFET параллельно с одинаковыми характеристиками (то есть с одинаковым номером детали от одного и того же производителя), управляете ими одинаково, и не имеете большой асимметрии в вашей схеме печатной платы, MOSFET действительно будет довольно хорошо распределять ток. Всегда проверяйте, чтобы у каждого MOSFET был независимый резистор, включенный последовательно с каждым затвором (никогда не параллельные затворы без резисторов), так как затворы, связанные непосредственно вместе, могут странным образом взаимодействовать друг с другом - даже несколько Ом лучше, чем ничего.$R_{DS(on)}$$R_{DS(on)}$

Это просто: посчитай. Посмотрите на таблицу. Должна быть спецификация теплового сопротивления, которая говорит вам, сколько будет разность градусов Цельсия между матрицей и атмосферным воздухом на ватт. Затем добавьте это к вашей худшей температуре окружающей среды и сравните с максимально допустимой температурой матрицы.

Для большинства транзисторов и интегральных схем корпус TO-220 нагревается до 1 Вт, но обычно остается в пределах рабочего диапазона. В 1/2 W я бы не беспокоился об этом. В 1W я бы проверил таблицу и сделал расчет, но, вероятно, все будет в порядке.

Одна морщина: данные могут указывать только на то, что вы умерли от теплового сопротивления корпуса. Затем вы должны добавить тепловое сопротивление от корпуса к окружающей среде, которое будет намного выше. К счастью, это, в основном, функция корпуса TO-220, а не транзистора, поэтому вы сможете найти общую цифру для этого. Хорошие таблицы дают вам оба значения теплового сопротивления.

Добавлено:

Раньше я не следовал по ссылке на таблицу, но теперь вижу, что все, что вам нужно, там четко указано. Тепловое сопротивление от матрицы до температуры окружающей среды составляет 62,5 ° С / Вт, а максимальная рабочая температура матрицы составляет 175 ° С. Вы сказали, что ваша температура окружающей среды составляет 25C. Добавление подъема от матрицы к 1W дает 88C. Это на 87C ниже максимальной рабочей температуры, так что ответ очень ясен: ДА, ваш транзистор будет в порядке при 1 Вт в 25C свободного воздуха.

Отвечая на ваш первый вопрос:

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

1. количество произведенной энергии,
2. насколько легко энергия может быть сброшена в окружающую среду

(Первый фактор говорит «энергия», а не «мощность», потому что именно энергия вызывает повышение температуры. Но в наших расчетах мы принимаем устойчивое состояние и можем делить все по времени, чтобы мы могли работать с энергией, а не с энергией.)

Мы знаем мощность, это 1 Вт. То, насколько легко можно использовать энергию, выражается в тепловом сопротивлении (в К / Вт). Это тепловое сопротивление является суммой нескольких различных тепловых сопротивлений, которые вы обычно (должны) найти в техническом описании: есть сопротивление соединения между корпусом и сопротивление между корпусом . Первый очень низкий, потому что теплопередача осуществляется за счет теплопроводности , в то время как последний является гораздо более высоким значением, потому что здесь теплопередача происходит через конвекцию, Как говорит Олин, последний является свойством типа дела (TO-220), поэтому, возможно, мы не найдем его в таблице данных. Но нам повезло, таблица данных дает нам общее тепловое сопротивление, переход-окружение: 62,5 К / Вт. Это означает, что при рассеивании 1 Вт температура перехода будет на 62,5 К (или ° С) выше, чем температура окружающей среды. Если температура в корпусе составляет 25 ° C (это довольно низкая!), Тогда температура перехода составит 87,5 ° C. Это намного меньше, чем 125 ° C, который часто считается максимальной температурой для кремния, поэтому мы в безопасности. Температура корпуса будет почти такой же, как у перехода, поэтому полевой МОП-транзистор будет ГОРЯЧИМ, слишком горячим для прикосновения.

Примечание. На этой веб-странице приведено тепловое сопротивление между корпусами для разных упаковок.

В дополнение к другим ответам, здесь приведена эквивалентная схема, с помощью которой вы сможете определить, может ли ваш компонент выдерживать рассеиваемую мощность, будь то TO-220 или любой другой комплект, с радиатором или без него.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Если источник напряжения беспокоит вас при определении температуры перехода («напряжение»), вы можете удалить его и поработать над повышением температуры по отношению к температуре окружающей среды (теперь GND - это температура / потенциал окружающей среды).

• R1, R2 и C1 взяты из спецификации компонентов
• R3 берется из таблицы термической пасты, используемой, если таковая имеется, или из диаграмм термического сопротивления VS контактное давление (зависит от площади контакта) для материалов в контакте
• R4 и C2 взяты из спецификации радиатора, R4 должен зависеть от воздушного потока.

Как правило, «case» означает вкладку, если она есть (фактический случай в противном случае), но в противном случае вы должны соответствующим образом настроить эквивалентную цепь - просто подумайте об резисторах как о путях нагрева, и вы получите температуру элемента от его напряжения.

Для устойчивого состояния предположим, что тепловые конденсаторы сняты (полностью «заряжены» / нагреты). Например, без радиатора:

Когда рассеиваемая мощность переключается быстро по сравнению с тепловыми постоянными времени, вам, как правило, приходится умножать удельную емкость, которую могут дать производители (эмпирическое правило составляет 3 (Вт) / (кг), на соответствующую массу, чтобы получить мощности, и иметь дело с обычными зарядами RC.

Обратите внимание, что температура окружающей среды вокруг компонента может быть намного выше, чем температура окружающей среды вокруг вас, если воздух не циркулирует и / или если он закрыт. По этой причине, а также потому, что все значения, как правило, не очень точны, критически относитесь к T0 и принимайте, по меньшей мере, коэффициент безопасности или 1,5 (как указано выше) или предпочтительно 2 на T1.

Наконец, вы можете рассмотреть вопрос о графике зависимости температуры перехода VS на листе компонентов и изменении максимальной температуры на более низкую, поскольку нормальная температура все равно может ухудшить производительность вашей схемы. В частности, температурный цикл сокращает срок службы вашего компонента - эмпирическое правило - это половинки срока службы на каждые 10 ° C.

Согласно формуле вики и константа для температуры перехода воздуха в воздух TO-220 равна 62,5 градуса на ватт. Когда ваше соединение находится в 125C-70C окружающей среды (наихудший случай) /62,5 = 55 / 62,5 = 880 милливатт.

Это предел сказать для автомобильных приложений.

Таким образом, ответ - нет. Даже если вы в состоянии поддерживать предел 125C (ой).

Вы также спрашиваете, применимо ли это к полевым транзисторам. Это еще более сомнительно для полевых транзисторов, потому что они имеют режим теплового убегания, когда при повышении температуры перехода их электрические кривые имеют тенденцию к еще большему рассеиванию мощности. Таким образом, вы не можете поддерживать предел. Параллельные полевые транзисторы не будут ухудшать разгон, и они будут самоуравновешивать нагрузку, но небольшие различия в устройствах вызовут пусковой ток, вызванный кольцевым напряжением затвора (у вас есть большие пики тока рядом с выводами с высоким импедансом), поэтому он может колебаться и термически ухудшаться. (Редактировать: как сказал Безумец: Когда вы переключаетесь в нулевое время, скажем, в синхронном выпрямителе, вы можете игнорировать этот аспект).

Итак, окончательный ответ - нет и нет.

Моя консервативная оценка - 880, деленная на 3 = около 300 мВт, чтобы сохранить запас прочности на 200% превышения мощности.

Термическое сопротивление «умирает от температуры окружающей среды» означает установку на бесконечном радиаторе или, как правило, на 1-дюймовой квадратной медной печатной плате, или какой-либо подобный тест, указанный производителем. Когда устройство монтируется таким образом, «температура окружающей среды» - это температура радиатора. Если устройство не установлено таким образом, то «температурой окружающей среды» для устройства будет температура горячего воздуха, окружающего устройство, а не 25 ° С воздуха, находящегося где-то еще дальше.

Тепловое сопротивление неподвижного воздуха составляет около 0,1 - 0,2 К / Вт на квадратный метр, а площадь упаковки TO-220 - около 300 мм2, поэтому первое предположение о тепловом сопротивлении окружающей среды составляет около 500 ° С. / Вт. Это согласуется с номерами, доступными в Интернете: TI предполагает, что тепловое сопротивление от 1 см квадратного к воздуху из-за естественной конвекции составляет 1000 К / Вт. Тепловой дизайн Ан-2020 от Insite, а не назад

При температуре окружающей среды около 25 ° C, тепловом сопротивлении около 500 между корпусом, около 50 переходах в корпус и максимальной температуре перехода 150 C допустимая мощность составляет (150-25) / 550 Вт, или, что очень приблизительно,

около 200 мВт.

Дэвид Бэйсли сказал, что mosfet будет взрываться +1. Некоторыми другими причинами может быть неприятная положительная временная зависимость сопротивления, которая не работает в вашу пользу при фиксированном токе устройства. На самом деле, как и большинство других, он может легко удвоиться. он нагревается, поэтому ваш 1 Вт теперь равен 2 Вт. Высокая входная емкость приведет к потере мощности во внутреннем сопротивлении затвора, если ваш драйвер затвора быстрый. Эта мощность затвора значительна и должна учитываться. Если вы едете медленно, переключение потери будут расти, особенно если вы сильно переключаетесь, поэтому вы не можете сильно замедлить затвор. Если ваше напряжение DS достаточно высокое, эффект Миллера начинает усиливать емкость затвора стока. Эта дополнительная емкость добавляет к уже большой емкости источника затвора, что делает вещи еще хуже. Если всего этого недостаточно, рассмотрите возможность восстановления диода при включении.