Calculul căldurii-MOSFET o și cum să găsească un radiator de răcire adecvat

Partea 1: Calculul curent și căldură directă radiator

La început, un caz simplu, calculul radiatorului conform cu caldura la un curent constant.

De exemplu, ia în considerare la calculul radiatorului pentru MOSFET-și IRLR024N

Acest exemplu presupune că MOSFET este pornit pentru o lungă perioadă de timp și se află în poziția complet deschisă. De exemplu, comutarea se realizează nu mai mult de 1 Hz.

În parametrii datasheet suntem interesați în Junction la caz de rezistență termică (joncțiune de rezistență la caz), Junctione-to-Ambient (PCB mount) (joncțiune-la-ambiantă atunci când este montat pe umplere de cupru 1kv.dyuym pe bord), Junction-to-Ambient (corp-mediu).

R # 952; JC = 3,3 K / W
R # 952; JApcb = 50 K / W
R # 952; JA = 110 K / W

(Kelvin și grade Celsius nu contează, din moment ce suntem despre diferențele).

Digital 110 K / Watt înseamnă că puterea emisă la 1W diferența de temperatură dintre mediul extern și tranziția este de 110 grade. De exemplu, în cazul în care limita de locuințe aer este de 40 de grade, acest lucru înseamnă că tranzistorul are o tranziție într-o temperatură de 40 + 110 = 150 de grade. Dacă alocat 2W, interior este de 40 110 * 2 + = 260 grade.

Să presupunem că tensiunea de poarta este 3.3V. Un curent este 3A. Graficul «transfer tipic Caracteristicile» constată că, la o tensiune de 3.5V curent este 8A. Ie rezistență de 0.4375 ohmi. În acest caz, uita-te la programul «normalizată-Rezistența Vs. Temperatura »și a vedea că la 90 de grade rezistența crește de 1,5 ori mai mare.

Admite design-ul este încălzit până la 90 de grade, iar rezistența cred 0.4375 * 1.5 = 0.6563 ohmi.

Considerăm că tranzistorul se va disipa P = I ^ 2 * R = 3 * 3 * 0.6563 = 5.9067 = 6 wați.

Se presupune că tranzistorul va funcționa într-un mediu în care temperatura va fi de 30 de grade (care este optimist, deoarece încălzește aerul din jurul lor).

Astfel, temperatura de alimentare este de 90-30 = 60 grade. Se dovedește că rezistența totală maximă termică este (90-30) / 10 = 6 W / W

Joncțiunea rezistență la caz mancat deja 3.3 K / W. Avem încă 8,3 K / W.

Instalarea radiatorului va fi produs pe un adeziv de silicon. Să presupunem că lipici nostru - HC910. Sale de conductivitate 1,7 W / m * K.

Noi zona aderarea va 0.25d 0.24d * = 0,01 M * 0,009M = 0.0000054 mp

Grosimea stratului de acoperire 0.0001m (0,1 mm). Această evaluare este confirmată de documentația pentru astfel de adezivi.

Rezistența termică este egală cu stratul de adeziv = grosimea / (Area * conductivitate) = 0,53 K / W

Ramane 7,77 K / W pe radiator. Alegerea de a stoca unele.

Și va fi un radiator destul de mare. Despre 10h10h5 cm pentru bani normal.

Acum rezolva problema, și ceea ce curentul admis, în care se poate face fără radiator deloc.

Ia-o opțiune, atunci când tranzistorul este lipit de pad pe zona PCB Q1. inch. R # 952; JApcb = 50 K / W. Să presupunem că întregul dispozitiv funcționează într-o cutie, iar aerul din aceasta cauza altor componente și acest MOSFET-o, poate fi încălzită la 50 de grade. Limita de încălzire la selectat tranzistorul 175 de grade. Dar vom lua un maxim de 125. Apoi, puterea maximă admisibilă va fi (125K-50K) / 50K / W = 1,5 wați.

Dacă nu este sudat la pad, R # 952; JA = 110 K / W, și de a obține puterea maximă (50K-125K) / 110 K / W = 0,6 wați.

La 125 de grade Rds (on) va fi 1,75 * Rds (on), la 20 de grade, adică, 0.4375 * 1,75 = 0.765625 ohmi. P = I ^ 2 * R => I = SQRT (P / R)

Considerăm că, cu pad lipit pe bord este curentul maxim Imax = rădăcină (1,5 / 0.765625) = 1.4a Fără pad Imax = rădăcină (0,6 / 0,765625) = 0,9A

Partea 2: MOSFET Calculul de căldură a PWM

Acum, să calculeze puterea disipată în cazul PWM. Lăsați semnalul PWM la poarta merge direct la microcontroler. Curentul maxim este de 25mA. In timp ce PWM are 4 faze: deschiderea unei porți, un nivel ridicat, închiderea obturatorului, la un nivel scăzut. Căldura este în toate fazele, cu excepția nivelului scăzut. În timpul unui nivel ridicat de putere este egală cu U * I, ca de obicei. Puterea de a deschide timpul de deschidere a supapei depinde de faza de care depinde de poarta de capacitate și de conducător auto curent. Să presupunem că în exemplul nostru, lăsați-l să fie 240Hz de frecvență. Coeficienți. umplere: 0,5. 3A curent. Să-ți fie un control cu ​​LED-uri, tranzistorul este pornit de sârmă comun. tensiune de alimentare 5V.

Se calculează pierderile teoretic exacte cu privire la toate fazele destul de o provocare, deoarece parametrii și rezultatele calculului sunt dependente unele de altele și sunt procese care au loc în substrat. Dar, în practică, o astfel de precizie și fidelitate a teoriei nu este necesară. Există estimări brute ale pierderilor în fazele de deschidere și închidere, care dau numere practice, care pot fi utilizate în calculul căldurii. Pentru a calcula eficiența (eficiență), această metodă nu este adecvată.

Pierderile în faza de nivel înalt (faza de deschidere completă) ne-am gândit în prima parte și nu există nici o afacere mare. Pentru deschidere și închidere este un tip important de sarcină: rezistive sau inductive.

Pierderile de comutare apar datorită faptului că în timpul de comutare tranzistor trece printr-un curent mare de la o tensiune ridicată. Puteți lua o formă idealizată a acestui proces și se calculează pierderea cu acuratețe acceptabilă pentru calcularea practică a căldurii.

Pentru sarcini rezistive
PSW = 1/2 * Fs * * Id Vds * tsw

pentru inductiv
PSW = 1/6 * Fs * * * Id-ul Vds TSW

unde
frecvență Fs-
Vds - tensiune de scurgere-sursă (închis)
care curge curent ID- prin tranzistorul (on-stat)
TSW - timp de comutare

timp trecerea la o primă aproximare poate fi calculată dintr-un teren de taxă pe poarta de tensiune poarta-sursă.

Atunci când o tensiune de 3,3 V pentru programul de încărcare nu va mai 4nC
TSW = ZaryadZatvora / TokDrayvera = 4nC / 0.025A = 160.4ns
Noi credem ca procesul de închidere și deschidere simetrice. Apoi pierderile care rezultă de comutare, de exemplu, pentru o sarcină rezistivă:

PSW = 1/2 * Fs * * * Id Vds tsw = * 240 * 1/2 20 * 3 * 160ns = 1mW

Timpul pornit cu mult mai mult timp de comutare, astfel încât timpul de comutare ignora (pentru frecvențe înalte nu este). Apoi, pierderile în faza de conducție egale D * I ^ 2 * Rds (on), unde D - factor. umple
Pcond = 0,5 * 3 * 3 * 0,6563 = 2,95 W

Se observă că pierderile de comutare sunt mici în comparație cu neglijabil pierderile în faza deschisă.

Cu toate acestea, există pierderi asociate cu parazită capacitate de scurgere-sursă.
Psw2 = Coss * Voff ^ 2 * fs
în cazul în care,
Coss - capacitate de ieșire, 130pF, de la foaie de date

Voff - tensiune de scurgere-sursă, atunci când este oprit MOSFET
, 5B Fs - frecvență de comutare, 240 Hz
Calculați
Psw2 = (130 * 10-12) * 5 * 2 * 240 = 0,78 mW

Ie 3 ordine de mărime mai mică decât pierderile de bază de comutare. Pierderi de comutare cu 3 ordine de mărime mai mici pierderi de conducere.

De dragul interesului vom calcula pierderea la o frecvență de 2 MHz, D = 0,8 și toga 20 A.
PSW = 10,6Vt
Pcond = 210 W
Psw2 = 0.78mkVt

Văzut. că, chiar și în astfel de condiții, pierderea de comutare este mult mai mică pierdere de conducere. Ie atunci când vă uitați la radiator 210 W, suplimentar 10W intră doar în inginerie un stoc pe care ar trebui să faci cu siguranta (aproximativ 20%).

În plus, este necesar să se calculeze cazul extrem, care este D = 0.99, Pcond = 260 W în timp ce PSW menținut neschimbat.

Din aceste formule se pot trage concluzii interesante:

  1. Pentru a reduce pierderile de comutație, este necesară pentru a reduce timpul de comutare. Pentru aceasta avem nevoie de a avea un driver puternic, care poate livra poarta de curent mare.
  2. Mai mici poarta de limitare a curentului de viteză de comutare. În exemplul nostru, ON și OFF timp a fost aproape de 160 ns. Ie chiar dacă numai pentru a deschide și închide obturatorul perioada minimă este de 320ns egale, adică frecvența maximă care poate deschide și închide curentul de conducător auto poarta este de aproximativ 25 mA la 3MHz.
  3. Contribuția de frecvență la pierderea liniară, iar contribuția totală a pierderii nu este semnificativă atunci când trecerea.
  4. La frecvențe de până la 1 MHz și la curenții de comutare până la 20A intrare pierderi de 1-2% din totalul pierderilor și pot fi ignorate în condiții de siguranță. În acest caz, pierderea pe e-MOSFET poate fi considerată ca o simplă Iout ^ 2 * Rdn (pe) * D
  5. Rezistența de ieșire a semnalului de comandă și capacitate poarta care este un filtru trece-jos cu o frecvență de 1 / rout * CGS, unde CGS = Ciss-CRSS, ci din valorile reale pentru orice caz rezonabil cel puțin sute de megahertzi.

D (ciclu de funcționare) - factorul de umplere. Valoarea Porozitate a inversului factorului de umplere nu poate fi mai mică de 1.

O altă întrebare este motivul pentru care formula de o treime?
PSW = 1/3 * Fs * * * Id-ul Vds TSW

Am o întrebare mai mult, este considerat, în general, zona radiatorului, și credeți că rezistența termică a radiatorului. Cum zona de rezistenta termica a radiatorului?
Ce zone vor fi mai rece 7,77 K / W?

Nu am nici o idee, fă-ți o dorință de radiator nu a fost încă calculată, și se pare că acest lucru nu este banal, dacă nu chiar imposibil, deoarece radiatorul este necesar să se ia în considerare nu numai zona, dar, de asemenea, debitul de aer și interacțiunea elementelor radiante.

Pentru prima oară l-am văzut că a fost considerat rezistența termică a radiatorului. Dacă ați încercat să faceți nu aveți fiori de gândire în care acest calcul nu este corect?
Există încă întrebarea de ce articol răspândit în cazul în care nu au încercat să facă?

Sunteți în a doua parte a rezistenței termice calculată a radiatorului, pentru ce?
Tu ai scris: „Rămâne de 7,77 K / W pe radiator Alege magazin unele ..“

Cred că a fost necesar să se calculeze puterea care este eliberată în timpul acestui curent. Apoi, folosind o rezistență termică pentru a găsi temperatura la care cristalul încălzit.
Dacă temperatura este prea mare, ia în considerare cât de mult temperaturi mai scăzute ar dori să primească și să se bazeze pe această putere de calcul, care ar trebui să înlăture radiator.Dalee, știind că, în scopul de a disipa 1W nevoie de un radiator despre 30sm2, ridicați radiatorul.

A doua parte este dedicată o disipare a căldurii pe bază de MOSFET pentru a obține date de intrare pentru ceea ce este specificat în prima parte.
Calculul rezistenței necesară a radiatorului este făcută pentru a alege radiatorul din catalogul de radiatoare. Cu asta nu este clar?

Puterea la curent calculată. nu este necesar să ia în considerare temperatura admisibilă a cristalului, acesta este dat în fișa tehnică. Și se bazează pe această temperatură și
căldură calculată în căutarea unui adecvat un radiator adecvat în magazin. Pentru radiatoare normale, care sunt vândute indicate termic
rezistență vreodată.

Crearea și calcularea radiator cu rezistența termică specificată nu este inclusă în tema acestui articol. Dar problema este rezolvată și astfel calculată
rezistența termică necesară dorită radiatorului și apoi trebuie abordată prin designul radiatorului. Dar aceste informații
va trebui să se uite în altă parte în timp de când am de gând numai în a face în viitor dim. În special, pentru răcirea LED-urile ar trebui să o astfel de sarcină.

Ei bine, este dificil de a cumpăra un radiator în magazin))
Multumesc pentru articol.

Domeniul Pret: 1,5 milioane de ruble.