¿Disipar 1W en un TO-220 sin el disipador de calor?

Respondiendo a tu segunda pregunta:

Un MOSFET de conmutación tendrá dos tipos de pérdidas; Conducción y conmutación. La pérdida de conducción es la pérdida habitual de \ $ I_D ^ 2 \ times R_ {DS (on)} \ $. Si controla el MOSFET para que esté encendido con un ciclo de trabajo del 50%, la pérdida de conducción es el 50% de la pérdida de DC (siempre encendida).

Las pérdidas por conmutación incluyen la cantidad de energía necesaria para controlar la puerta y las pérdidas en el dispositivo a medida que pasa del estado activado al estado desactivado. Cuando enciendes un MOSFET, hay un intervalo en el que \ $ I_D \ $ comienza a fluir y el voltaje de $ V $ {DS} \ $ todavía está en su máximo. \ $ V_ {DS} \ $ cae a medida que el canal MOSFET se satura. La energía consumida durante este tiempo se denomina pérdida de encendido . De manera similar, en el apagado, hay un intervalo en el que \ $ V_ {DS} \ $ aumenta antes de que \ $ I_D \ $ comience a caer, lo que (no es sorprendente) se llama turn-off loss .

Debe tener en cuenta las pérdidas por encendido y apagado cuando se habla de funcionamiento a 100 kHz. Lo más probable es que vea menos energía que la condición de CC, pero no ahorrará el 50%.

Respondiendo a tu tercera pregunta:

MOSFET \ $ R_ {DS (on)} \ $ tiene un coeficiente de temperatura positivo: cuanto más cálido se hace, más alto es el \ $ R_ {DS (on)} \ $. Si conecta dos MOSFET en paralelo con características similares (es decir, el mismo número de parte del mismo fabricante), los maneja de manera idéntica y no tiene una gran asimetría en la disposición de su PCB, los MOSFET compartirán la corriente bastante bien. Siempre asegúrese de que cada MOSFET tenga una resistencia independiente en serie con cada compuerta (nunca compuertas paralelas sin resistencias) ya que las compuertas unidas directamente pueden interactuar extrañamente entre sí, incluso unos pocos ohmios es mejor que nada.

Esto es simple: haz los cálculos. Mira la hoja de datos. Debería haber una especificación de resistencia térmica que indique la diferencia de grados de temperatura que habrá entre la matriz y el aire ambiente por vatio. Luego agréguelo a la temperatura ambiente de su peor caso y compárelo con la temperatura máxima permitida del troquel.

Para la mayoría de los transistores y circuitos integrados, una caja TO-220 se calentará a 1W, pero generalmente se mantendrá dentro del rango operativo. A 1/2 W no me preocuparía por eso. En 1W revisé la hoja de datos y hago el cálculo, pero probablemente estará bien.

Una arruga: la hoja de datos solo puede indicar la muerte de la resistencia térmica de la caja. A continuación, debe agregar la resistencia térmica de la carcasa al ambiente, que será mucho mayor. Afortunadamente, es principalmente una función del estuche TO-220, no del transistor, por lo que debería poder encontrar una figura genérica para eso. Las buenas hojas de datos te dan ambas cifras de resistencia térmica.

Añadido:

No había seguido el enlace de la hoja de datos anteriormente, pero ahora veo que todo lo que necesitas está bien especificado allí. La resistencia térmica de la matriz al ambiente es de 62.5 C / W, y la temperatura máxima de operación de la matriz es de 175C. Usted dijo que su temperatura ambiente es de 25C. Añadiendo el aumento de allí a la matriz en 1W se obtienen 88C. Eso es 87C por debajo de la temperatura máxima de funcionamiento, por lo que la respuesta es muy clara SÍ, su transistor estará bien a 1W en aire libre a 25C.

Respondiendo a tu primera pregunta:

vamos a empezar con el consumo de energía. La hoja de datos dice 4.7m \ $ \ Omega \ $ máximo en 75A, y en 12.5A esto será menor, por lo que es un valor seguro. Luego \ $ P = I_D ^ 2 \ veces R_ {DS (ON)} = 12.5 ^ 2 \ veces 4.7m \ Omega = 735mW \ $. Agregue un poco de seguridad adicional y 1W es un buen valor.
Lo que una parte puede disipar depende de

1. la cantidad de energía generada,
2. con qué facilidad se puede drenar la energía al medio ambiente

(El primer factor dice "energía", y no "potencia", porque es la energía la que aumenta la temperatura. Pero en nuestros cálculos asumimos un estado estable y podemos dividir todo por tiempo para poder trabajar con potencia en lugar de energía.)

Conocemos el poder, eso es 1W. La facilidad con que se puede drenar la energía se expresa en resistencia térmica (en K / W). Esta resistencia térmica es la suma de algunas resistencias térmicas diferentes que normalmente (debería) encontrar en la hoja de datos: existe la resistencia de la unión a la caja y la resistencia de caja a ambiente . El primero es muy bajo, porque la transferencia de calor se realiza a través de conducción , mientras que el último es un valor mucho más alto porque aquí la transferencia de calor se realiza a través de convección . Como dice Olin, este último es una propiedad del tipo de caso (TO-220), así que tal vez no lo encontremos en la hoja de datos. Pero estamos de suerte, la hoja de datos nos da la resistencia térmica total, de unión a ambiente: 62.5 K / W. Eso significa que a una disipación de 1W, la temperatura de la unión será 62.5 K (o ° C) más alta que el ambiente. Si la temperatura en el gabinete es de 25 ° C (¡eso es bastante bajo!), Entonces la temperatura de la unión será de 87.5 ° C. Eso es mucho menos que los 125 ° C, que a menudo se asume como una temperatura máxima para el silicio, por lo que estamos seguros. La temperatura de la carcasa será casi la misma que la del empalme, por lo que el MOSFET estará CALIENTE, demasiado caliente para tocarlo.

Nota: esta página web enumera la resistencia térmica de caso a ambiente para diferentes paquetes

Como complemento a las otras respuestas, aquí hay un circuito equivalente con el que debería poder determinar si su componente puede manejar la potencia disipada, ya sea un TO-220 o cualquier otro paquete, con o sin calefacción. fregadero.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Si la fuente de voltaje le está molestando cuando resuelve la temperatura de la unión ("voltaje"), puede eliminarla y trabajar en la elevación de la temperatura con respecto a la temperatura ambiente (GND ahora es Temperatura / potencial ambiental).

• R1, R2 y C1 provienen de la hoja de datos del componente
• R3 proviene de la hoja de datos de la pasta térmica utilizada, en su caso, o de los gráficos de resistencia térmica VS presión de contacto (depende del área de contacto) para los materiales en contacto
• R4 y C2 provienen de la hoja de datos del disipador de calor, R4 debe depender del flujo de aire.

En general, "caso" significa pestaña si hay una (el caso real de lo contrario), pero de lo contrario, debería poder ajustar el circuito equivalente en consecuencia, solo piense en las resistencias como caminos para el calor y obtendrá la temperatura de un elemento de su voltaje.

Para un estado estable, suponga que los condensadores térmicos están retirados (completamente "cargados" / calentados). Por ejemplo, sin disipador de calor:

$$ T_1 = T_0 + (R_1 + R_2) P = 30 + 62.5 * 1 = 92.5 ° C < \ frac {150 ° C} {1.5} $$

Cuando la potencia disipada se cambia rápidamente en comparación con las constantes de tiempo térmicas, generalmente tiene que multiplicar la capacitancia específica que los fabricantes pueden proporcionar (la regla de oro es 3 (Ws) / (K.kg)) con la masa asociada para obtener las capacidades, y lidiar con los cargos habituales de RC.

Tenga en cuenta que la temperatura ambiente alrededor del componente puede ser mucho más alta que la temperatura ambiente que lo rodea, si el aire no está circulando y / o si está cerrado. Por esta razón, y porque todos los valores generalmente no son muy precisos, sea crítico con respecto a T0 y tome al menos un factor de seguridad o 1.5 (como el anterior) o preferiblemente 2 en T1.

Finalmente, puede considerar mirar la temperatura de la unión VS de las parcelas en la hoja de datos del componente y cambiar la temperatura máxima por una más baja, ya que una temperatura adecuada podría arruinar el rendimiento de su circuito. En particular, los ciclos de temperatura reducen la vida útil de sus componentes, una regla general son las mitades de vida útil para cada incremento de 10 ° C.

De acuerdo con wiki formula y constante para TO-220 térmico de empalme a aire a ambiente igual a 62.5 grados por vatio . Cuando su cruce está a 125C-70C ambiente (en el peor de los casos) /62.5 = 55 / 62.5 = 880 milivatios.

Que diga el límite para aplicaciones automotrices.

Entonces la respuesta es No. Incluso si puedes mantener el límite de 125C (ouch).

También está preguntando si es aplicable a los FET. Es aún más cuestionable para los FET, ya que tienen un modo de desbordamiento térmico, cuando con la temperatura de la unión, sus curvas eléctricas tienden a apuntar a una mayor disipación de potencia. Por lo que no se puede mantener el límite. Los FET paralelos no se degradarán de manera descontrolada y auto-equilibrarán la carga, pero las pequeñas diferencias en los dispositivos causarán un timbre inducido por la corriente de entrada de los voltajes de la puerta (tiene picos de corriente grandes junto a pines de alta impedancia), por lo que puede oscilar y degradarse térmicamente. (Edición: como Madman comentó: Cuando cambias en tiempo cero, digamos en un rectificador síncrono, puedes ignorar este aspecto).

Así que la respuesta final es No y No.

Mi estimación conservadora es 880 dividido por 3 = aproximadamente 300 mW, para mantener un margen de seguridad del 200% en exceso de vataje.

La resistencia térmica "morir a temperatura ambiente" significa que está montado en un disipador de calor infinito o, comúnmente, una placa de circuito impreso de cobre de 1 pulgada, o alguna prueba similar especificada por el fabricante. Cuando el dispositivo se monta así, la temperatura "ambiente" es la temperatura del disipador de calor. Si el dispositivo no se monta de esa manera, el "ambiente" para el dispositivo será la temperatura del aire caliente que rodea al dispositivo, no el 25C de un poco de aire en algún lugar más lejano.

La resistividad térmica del aire en calma es de aproximadamente 0,1 a 0,2 K / W, por metro cuadrado, y el área de un paquete TO-220 es de alrededor de 300 mm2, por lo que una primera estimación de la resistencia térmica de ambiente a ambiente estar alrededor de 500C / W. Esto concuerda con el tipo de números disponibles en Internet: TI sugiere que la resistencia térmica de un cuadrado de 1 cm al aire debido a la convección natural es 1000 K / W. Diseño térmico AN-2020 de Insite, no Hindsight

Con la temperatura ambiental alrededor de 25 ° C, la resistencia térmica alrededor de 500 caja a ambiente, alrededor de 50 de unión a caja y la temperatura máxima de unión 150 ° C, la potencia permitida es (150-25) / 550 W, o, muy aproximadamente,

alrededor de 200 mW.

david ha dicho básicamente que el mosfet se disparará +1. Algunas otras razones serían la desagradable temperatura positiva de la resistencia que no funciona a su favor cuando la corriente del dispositivo es fija. De hecho, como la mayoría de las aplicaciones, puede fácilmente se duplica a medida que se calienta, por lo que su 1 vatio es ahora de 2 vatios. La alta capacitancia de entrada hará que se pierda energía en la resistencia de la puerta interna si el controlador de la puerta es rápido. Esta potencia de la puerta es importante y debe tenerse en cuenta. Si conduce disminuya la velocidad de conmutación, las pérdidas aumentarán, especialmente si está realizando una conmutación fuerte, por lo que no puede ralentizar mucho la compuerta. Si su voltaje DS es razonablemente alto, el efecto molinero comienza a amplificar la capacitancia de la compuerta de drenaje. Esta capacidad adicional se agrega a la fuente de compuerta ya grande la capacitancia hace que las cosas sean aún peores. Si todo esto no es suficiente, considere la recuperación del diodo en el encendido.