Изчисление на топлина MOSFET-а и как да се намери подходящ охлаждащ радиатор

Част 1: Изчисляване на постоянен ток и топлина радиатор

На пръв прост случай изчисляването на радиатора според топлината на постоянен ток.

Помислете например за изчисляване на радиатора за MOSFET-и IRLR024N

Този пример се приема, че MOSFET е включен за дълго време и е в напълно отворено положение. Например, превключване се извършва не повече от 1 Hz.

В параметрите фиша ние се интересуваме от Junction до дело термична устойчивост (резистентност кръстовище на случай), Junctione към околната среда (PCB Mount) (кръстовище до околната среда при монтиране на 1kv.dyuym мед запълване на дъската), Junction до Ambient (тяло-среда).

R # 952; JC = 3.3 K / W
R # 952; JApcb = 50 K / W
R # 952; JA = 110 K / W

(Келвин и Целзий не е от значение, тъй като ние сме за разликите).

Digital 110 K / Watt означава, че силата на излъчваната 1W температурна разлика между външната среда и на прехода е 110 градуса. Например, ако границата на жилища въздух е 40 градуса, това означава, че транзистор има преход в рамките на температура 40 + 110 = 150 градуса. Ако разпределени 2W, от вътрешната страна е 40 + 110 * 2 = 260 градуса.

Да предположим, че напрежението на гейта е 3.3V. А ток 3A. графиката «Типична характеристика Прехвърляне» На откриват, че при напрежение 3.5V напрежението е 8А. Т.е. устойчивост на 0.4375 ома. В този случай, погледнете графика «Нормализирано On-Resistance Vs. Температура »и да видим, че на 90 градуса повишава устойчивостта от 1,5 пъти.

Признайте дизайна се загрява до 90 градуса, а съпротивата вярвам 0.4375 * 1.5 = 0.6563 ома.

Ние считаме, че на транзистора ще се разсеят P = I ^ 2 * R = 3 * 3 * 0.6563 = 5.9067 = 6 вата.

Предполага се, че на транзистора ще работи в среда, където температурата ще бъде 30 градуса (което е оптимист, тъй като тя загрява въздуха около тях).

По този начин температурата на подаване е 90-30 = 60 градуса. Оказва се, че максималната обща топлинното съпротивление е (90-30) / 10 = 6 W / W

възел на резистентност към случай вече яли 3,3 K / W. Все още имаме 8,3 K / W.

Монтаж на радиатора ще бъдат произведени върху силиконово лепило. Да предположим, че нашата лепило - HC910. Неговата проводимост 1,7 W / m * К.

Ние се придържат област ще 0.25d 0.24d * = 0.01 m * 0.009М = 0.0000054 кв.м.

Дебелината на 0.0001m покриващия слой (0.1 mm). Тази оценка се потвърждава от документацията за такива лепила.

Термично съпротивление е равна на адхезивния слой = дебелина / (Район * проводимост) = 0.53 K / W

Остава 7.77 K / W на радиатора. Изборът за съхранение на някои.

И това ще бъде доста голям радиатор. За 10h10h5 см за нормална пари.

Сега реши проблема, и какво допустимия ток, в които можете да направите, без радиатора изобщо.

Вземете опция, когато транзистор е заварена към подложката за Q1 на PCB област. инч. R # 952; JApcb = 50 K / W. Да приемем, че цялото устройство работи в една кутия и въздухът в него се дължи на други компоненти и това MOSFET-а, може да се нагрява до 50 градуса. Границата на отопление на избраните транзистор 175 градуса. Но ние ще вземем максимум 125. След това максимално допустимата мощност ще бъде (125к-50K) / 50K / W = 1,5 вата.

Ако не е заварена към подложката, на R # 952; JA = 110 K / W, и получаване на максимална мощност (50K-125к) / 110 K / W = 0.6 w.

При 125 градуса Rds (В) ще бъдат 1,75 * Rds (на) при 20 градуса, т.е. 0.4375 * 1.75 = 0.765625 ома. P = I ^ 2 * R => I = SQRT (P / R)

Ние считаме, че с подложка запояване на борда е максималния ток Imax = корен (1.5 / 0,765625) = 1.4a Нито един тампон Imax = корен (0,6 / 0,765625) = 0,9A

Част 2: MOSFET топлина Изчисляване на PWM

Сега нека да се изчисли разсейвана мощност в случай на PWM. Нека PWM сигнал до портата отива директно към микроконтролера. Максимален ток е 25mA. Докато PWM има 4 етапа: отваряне на врата, високо ниво, затваряне на затвора, ниско ниво. Топлината е във всички фази, с изключение на ниско ниво. По време на високо ниво на мощност е равна на U * I, както обикновено. Мощност да отвори път за отваряне на клапана, зависи от фазата на които зависи от порта капацитет и ток шофьор. Да предположим, че в нашия пример, нека да бъде на честота 240Hz. Коефициенти. пълнене: 0.5. 3A ток. Нека това да бъде един LED контрол, транзисторът е включен по общия проводник. захранващо напрежение 5V.

Изчислете теоретично точните загуби на всички фази на доста голямо предизвикателство, тъй като параметрите и резултатите от изчисленията са зависими от един на друг и има процеси, протичащи в субстрата. Но на практика такава точност и прецизност на теорията не се изисква. Има груби изчисления на загуби в фазите на отваряне и затваряне, които дават практически номера, които могат да се използват при изчисляването на топлина. За да се изчисли ефективността (ефективност), този метод не е подходящ.

Загубите във фазата на високо равнище (фаза на пълното отваряне) смятахме, че в първата част и не е голяма работа. За отваряне и затваряне е важен вид на товара: резистивен или индуктивен.

Преминаване загуби се дължат на факта, че по време на включване на транзистора преминава през висок ток с високо напрежение. Можете да вземете една идеализирана форма на този процес и да се изчисли загубата с приемлива точност за практическо изчисляване на топлина.

За резистивни товари
ПДС = 1/2 * Fs * Vds * Id * ТСС

за индуктивен
ПДС = 1/6 * Fs * Vds * Id * ТСС

където
Fs- честота
Vds - изтичане-източник на напрежение (затворен)
ИД ток, преминаващ през транзистора (на състояние)
TSW - Време за превключване

Време за превключване на първо приближение може да се изчисли от заговор на разходите по портата на напрежението гейт-сорс на.

Когато напрежението на 3.3 V за график такса вече няма 4nC
ТСС = ZaryadZatvora / TokDrayvera = 4nC / 0.025A = 160.4ns
Ние вярваме, че процесът на затваряне и отваряне на симетрични. След това получената загубите при превключване, например, за резистивен товар:

ПДС = 1/2 * Fs * Vds * Id * ТСС = 1/2 * 240 * 20 * 3 * 160ns = 1mW

Време е включена много повече време за превключване, така че времето за превключване игнорират (за високи честоти, то не е). След това загубите в етапа на провеждане равни на D * I ^ 2 * Rds (на), където D - фактор. запълни
Pcond = 0,5 * 3 * 3 * 0,6563 = 2,95 W

Вижда се, че загубите на комутационни са пренебрежимо малки в сравнение със загубите в откритата фаза.

Но има загуби, свързани с разсеяна изтичане източник капацитет.
Psw2 = Coss * Voff ^ 2 * FS
където,
Coss - изход капацитет, 130pF, от фиш

Voff - изтичане-източник на напрежение, когато MOSFET е изключен
, 5В Fs - превключване честота 240 Hz
Изчислете
Psw2 = (130 * 10-12) * 5 * 2 * 240 = 0,78 MW

Т.е. 3 порядъка по-малко от основните загуби смяната. Превключване загуби с 3 порядъка по-ниски загуби проводимост.

За по-голяма от интерес да се изчисли загубата на честота 2 MHz, D = 0,8 и тогата 20 А.
ПДС = 10,6Vt
Pcond = 210 W
Psw2 = 0.78mkVt

Погледнато. че дори и при такива условия, смяна на загуба е много по-малко загуба на проводимост. Т.е. когато търсите в радиатора 210 W, допълнително 10W просто не попаднат в инженерни методи на склад, което определено трябва правя (около 20%).

Освен това е необходимо да се изчисли краен случай, който е D = 0,99, Pcond = 260 W, докато ПДС остане непроменена.

От тези формули можем да направим интересни изводи:

За да се намалят загубите при превключване, че е необходимо да се намали времето за превключване. За това ние трябва да имаме мощен двигател, който може да осигури висок ток порта.
По-малката порта ограничаване на текущата скорост на превключване. В нашия пример, и изключване на време е близо 160 НЧ. Т.е. дори и само за отваряне и затваряне на затвора минималният период е равен 320ns, т.е. максимална честота, която може да отваря и затваря вратата на водача ток е около 25 mA при 3MHz.
честота принос за линеен загуба, а общият принос на загуба не е от значение при превключване.
В честоти до 1 MHz и при токове до 20А вход превключване загуби от 1-2% от общите загуби и може безопасно да се пренебрегва. В този случай, загубата на MOSFET-е могат да бъдат разглеждани просто като Iout ^ 2 * RDN (на) * D
Устойчивостта на изхода на контролния сигнал и порта капацитет, който е нискочестотен филтър с честота 1 / тълпа * CGS, където CGS = Ciss-КСР един, но от действителните стойности за всеки разумен случай най-малко стотици мегахерца.

D (работен цикъл) - пълнене фактор. Порьозност стойност на обратното на фактора на запълване не може да бъде по-малко от 1.

Друг въпрос е защо формулата на една трета?
ПДС = 1/3 * Fs * Vds * Id * ТСС

Имам още един въпрос, по принцип се смята площта на радиатора, и си мислите, че термичното съпротивление на радиатора. Как зоната на термично съпротивление на радиатора?
Кои области ще бъде охладител 7.77 K / W?

Нямам представа, направи си радиатор желание все още не е изчислена, и очевидно това не е тривиален, ако не и невъзможно, тъй като радиатора е необходимо да се разгледа не само в областта, но и на притока на въздух и взаимодействието на излъчващите елементи.

За първи път съм виждал, че се смята за термично съпротивление на радиатора. Ако сте опитали да се направи, че не се налага да мислите промъква, че това изчисление не е вярно?
Все още има на въпроса защо разпространение статия, ако не са се опитали да направим?

Вие сте във втората част от изчисленото термично съпротивление на радиатора, за какво?
Ти си написал: "Остава да 7,77 K / W на радиатора Изберете магазина някои .."

Мисля, че е необходимо да се изчисли силата, която се отделя по време на този ток. След това, с помощта на термична устойчивост да намерите Температурата, до която се нагрява кристала.
Ако температурата е твърде висока, помислете колко по-ниски температури биха искали да получават и въз основа на тази изчислителна мощ, която трябва да се разсее radiator.Dalee, знаейки, че за да се разсее 1W нужда от радиатор за 30sm2, вземете радиатора.

Втората част е посветена на разсейване на топлината на MOSFET-базирана, за да получите входящи данни за това, което е посочено в първата част.
Изчисляването на необходимата устойчивост на радиатора е направен, за да изберете радиатора от каталога на радиаторите. С това не изчисти?

Мощност при сегашната изчислява. не е необходимо да се помисли за допустима температура на кристала, тя е дадена в листа с данни. И въз основа на тази температура и
изчислена топлинна търси подходящ подходящ радиатор в магазина. За нормални радиатори, които се продават, посочени термични
устойчивост всякога.

Създаване и изчисляване на радиатора с определения термично съпротивление не е включена в темата на тази статия. Но проблемът е решен и така изчислява
изисква термична устойчивост желания радиатора и след това трябва да се реши от дизайна на радиатора. Но тази информация
ще трябва да се търсят другаде време, тъй като смятам само на правене на слабата бъдеще. По-специално, за охлаждане на светодиодите трябва такава задача.

Е, това е трудно да си купи радиатор в магазина))
Благодаря за статията.

Домейн Цена: 1,5 милиона рубли.