¿Cómo encontrar un enfriador/disipador de calor apropiado para un Mosfet?

Primero debe determinar cuánta potencia se disipa en el transistor. El segundo factor es la temperatura ambiente máxima que espera que experimente el transistor. Finalmente, decida qué temperatura máxima desea en el chip del transistor... tal vez 75°C sea un buen objetivo. Reste la temperatura ambiente de la temperatura máxima del chip del transistor y tendrá el aumento máximo de temperatura desde el chip del transistor hasta la superficie exterior del disipador de calor. Divida la diferencia de temperatura por la potencia disipada y tendrá un valor para la resistencia térmicaen °C/W (grados C por vatio). Esta es la resistencia térmica máxima que puede permitir desde la matriz del transistor hasta el aire ambiente. Averigüe la resistencia térmica del propio paquete de transistores. Para el transistor que enumeró anteriormente, esto se proporciona en la hoja de datos como "Resistencia térmica, unión a caja" y tiene un valor de 6.25 ° C / W. Ahora reste la resistencia térmica del paquete de transistores de la resistencia térmica total permitida que calculó anteriormente. Ahora ve a los catálogos y busca un disipador que se ajuste al paquete TO-220 y tenga una resistencia térmica, en aire quieto, igual o menor que este valor.

A medida que un componente disipa energía (potencia durante un tiempo) se calentará. Cuánto dependerá de los materiales utilizados y la masa de ellos. Por lo tanto, la temperatura seguirá aumentando, pero al mismo tiempo la pieza comenzará a perder calor hacia el medio ambiente y perderá más calor cuando la diferencia de temperatura con el medio ambiente sea mayor. A cierta temperatura se alcanza un equilibrio cuando el calor añadido es igual al calor drenado.

Puede comparar la diferencia de temperatura con una diferencia de voltaje y el flujo de energía con la corriente. En electricidad, la relación entre los dos es la resistencia, y también lo es el parámetro correspondiente en termodinámica: la resistencia térmica . Cuanto menor sea la resistencia térmica, más calor se puede drenar y menor será la diferencia de temperatura.

La hoja de datos dice en Calificaciones máximas absolutas que la temperatura de la unión no debe exceder los 150 °C. Digamos que estamos a salvo con 125 °C. La hoja de datos también da dos resistencias térmicas:

Unión a caja: 6,25 K/W (*)
Unión a ambiente: 83,3 K/W

Este último es mucho mayor porque es intercambio de calor por convección, mientras que el primero es por conducción. La convección también permitirá valores más bajos, pero entonces se necesita una superficie de contacto mucho mayor con el aire circundante, y eso es exactamente lo que nos brinda un disipador de calor.

Antes de que podamos continuar, necesitamos algo de información: ¿cuánta energía desea que se disipe el FET? Digamos 10 W (siempre puedes hacer el cálculo de nuevo para una potencia diferente). También supongamos que la temperatura ambiente es de 30 °C. La diferencia de temperatura entre la unión y el entorno es entonces de 95 °C para 10 W, por lo que solo podemos permitirnos una resistencia térmica total de 9,5 K/W. Eso no es mucho cuando ve que ya usamos 2/3 de eso para la unión al caso (6.25 K/W es un valor bastante alto). Ahora, al igual que las resistencias eléctricas en serie, agrega resistencias térmicas para obtener un valor total. Si estimamos 1,5 K/W para la resistencia entre la carcasa y el disipador (se requerirá suficiente pasta térmica y un buen contacto mecánico), entonces tenemos 9,5 K/W - 6,25 K/W - 1,5 K/W = 1,75 K/W.

¡Tiempo de compras! Digikey tiene algunos disipadores de calor que cumplen con los requisitos, la mayoría bastante caros (¡los disipadores de calor son caros!), pero este parece estar bien: adecuado para TO-220 y 0,5 K/W, flujo de aire natural. Será más bajo con flujo de aire forzado.

También puede calcular lo contrario: ¿cuánta disipación de energía puedo permitirme con este disipador de calor?

$P = \dfrac{125 °C - 30 °C}{6.25 K/W + 1.5 K/W + 0.5 K/W} = 11.5 W$

(*) Algunas personas prefieren K/W, otras °C/W, pero como se trata de una diferencia de temperatura, ambas son equivalentes.