Ayuda a dimensionar mosfet como interruptor con alta corriente

Seleccione un MOSFET que pueda bloquear el voltaje máximo

En la hoja de datos del transistor, generalmente en la sección clasificaciones máximas absolutas , estará$V_{DSS}$(voltaje drenaje-fuente). Si el voltaje del drenaje a la fuente excede esto, el MOSFET probablemente se dañe. Entonces, calcule el voltaje máximo que podría experimentar su circuito, considerando también la posibilidad de cambiar transitorios, luego agregue un margen de al menos 20% para robustez.

Busque un MOSFET (utilizando la herramienta de búsqueda paramétrica de su proveedor o fabricante) con$V_{DSS}$alrededor de este valor. Un dispositivo con$V_{DSS}$más alta de la que necesita funcionará bien, pero probablemente será más costosa, más lenta de cambiar o menos eficiente que una con una menor (¡pero no demasiado baja!)$V_{DSS}$.

Calcular pérdidas resistivas

El MOSFET, cuando está encendido, se parece mucho a una resistencia. La hoja de datos especificará$R_{DS(on)}$, la resistencia entre el drenaje y la fuente cuando el MOSFET está completamente encendido. Determine la corriente máxima que tendrá que pasar su MOSFET, y podrá calcular las pérdidas resistivas en el MOSFET tal como lo haría con una resistencia:

$$P = I^2 R_{DS(on)}$$

Calcular las pérdidas de conmutación

Los MOSFET (todos los transistores, en realidad) tardan en cambiar. Durante este tiempo, habrá alta corriente y alto voltaje en el MOSFET simultáneamente, lo que significa grandes pérdidas en el MOSFET ($P=IE$) durante ese breve período. Si no está haciendo PWM o similar, el tiempo que pasó cambiando en relación con el tiempo que pasó encendido o apagado será muy pequeño, y las pérdidas de conmutación serán insignificantes. Si este no es el caso, debe considerar cambiar las pérdidas en sus cálculos. Eso es suficiente para otra pregunta, así que no haga PWM o agregue un margen saludable a sus cálculos de potencia (digamos, 50%) para estar seguro.

Calcular la temperatura de unión

Ahora tiene un número que representa la disipación de potencia en el transistor, en vatios. Compare esto con la disipación de potencia máxima en las clasificaciones máximas absolutas . Si ha excedido esto, no puede usar este MOSFET sin importar cuán grande sea su disipador de calor. De lo contrario, puede usar este MOSFET, pero es posible que necesite un disipador de calor.

Regla general: si es menor que$1W$, y su dispositivo está en un paquete TO-220, probablemente sea bueno. Si quieres ser robusto y quieres poder tocar la cosa sin quemarte, querrás menos de$0.5W$, o agregue un pequeño disipador de calor.

No debe exceder en absoluto la temperatura máxima de la unión que se indica en las clasificaciones máximas absolutas . Probablemente esté en el barrio de$175^\circ C$. La temperatura de la unión es una función de la temperatura ambiente, la disipación de potencia y la resistencia térmica de la unión al ambiente.

Conoces la temperatura ambiente (mira un termómetro) y la disipación de potencia (ya calculaste). Para calcular la resistencia térmica total, agregue la resistencia térmica de todas las cosas entre la unión y el ambiente. Si planea operar sin disipador de calor, la hoja de datos probablemente enumere$R_{\theta JA}$o resistencia térmica de la unión al ambiente. Si usa un disipador de calor, la hoja de datos de ese disipador de calor especificará su resistencia térmica. Agregue a esto la resistencia térmica de unión a caja de la hoja de datos del transistor, y también la resistencia térmica para la interfaz entre el disipador de calor y la caja del transistor (valores típicos generalmente en la hoja de datos del transistor; para un TO-220 con grasa térmica,$0.5^\circ C/W$es típico).

Así que ahora tienes tu resistencia térmica total$R_\theta$en$^\circ C/W$, su disipación de energía total en vatios y su temperatura máxima de unión$T_{J(max)}$y temperatura ambiente$T_A$en$^\circ C$. Su transistor no será destruido si:

$$T_{J(max)} > T_A + P \cdot R_\theta$$

Si eso es cierto, eres bueno. De lo contrario, obtenga un disipador de calor más grande, un transistor con un menor$R_{DS(on)}$, reduzca la temperatura ambiente o reduzca la corriente en el transistor.

Ejemplo

Hagamos estos cálculos con FQP50N06 . No hay ninguna razón en particular aparte de que tenía la hoja de datos en mi escritorio.

Máximo$V_{DSS}$es 60V Esto está seguro por encima de los 28 V en su circuito.

Máximo$I_D$es 35.4A. Esto está seguro por encima de los 20 A en su circuito.

La corriente será 20A y la hoja de datos dice$R_{DS(on)}$podría ser tan alto como$0.022\Omega$. Eso significa que mi disipación de poder será

$$(20\:\mathrm A)^2 \cdot 0.022\:\Omega = 8.88\:\mathrm W$$

Asumiré que no está haciendo PWM, por lo que las pérdidas de conmutación son insignificantes.

¿Puedo ejecutar esto sin un disipador de calor? Digamos que quiero que funcione con temperaturas ambiente tan altas como$40^\circ C$. La hoja de datos dice que la resistencia térmica de la unión al ambiente es$62.5^\circ C$. Entonces, la temperatura de la unión será:

$$40^\circ \mathrm C + 8.88\:\mathrm W \cdot 62.5^\circ \mathrm C = 595^\circ \mathrm C$$

Esto está muy por encima de la temperatura de unión máxima especificada en la hoja de datos,$175^\circ \mathrm C$, entonces tienes un problema. Podría resolver eso usando un disipador de calor más grande, lo que reduce la resistencia térmica. O podrías encontrar un transistor con un menor$R_{DS(on)}$lo que reducirá la potencia que debe disipar el disipador de calor.