¿Disipando 1W en un TO-220 sin 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 lo habitual.$I_D^2 \times R_{DS(on)}$pérdida. 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 CC (siempre encendida).

Las pérdidas de conmutación incluyen la cantidad de energía necesaria para controlar la puerta y las pérdidas en el dispositivo a medida que pasa del estado de encendido al estado de apagado. Cuando enciende un MOSFET, hay un intervalo en el que$I_D$comienza a fluir y el$V_{DS}$el voltaje todavía está en su máximo.$V_{DS}$cae cuando el canal MOSFET se satura. La energía consumida durante este tiempo se llama pérdida de encendido . De manera similar, en el apagado, hay un intervalo en el que$V_{DS}$se eleva antes$I_D$comienza a caer, lo que (como era de esperar) se denomina pérdida por desconexión .

Debe tener en cuenta las pérdidas de encendido y apagado cuando habla de un funcionamiento de 100 kHz. Lo más probable es que vea menos energía que en 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 caliente se pone, mayor es el$R_{DS(on)}$obtiene. Si conecta dos MOSFET en paralelo con características similares (es decir, el mismo número de pieza del mismo fabricante), los maneja de manera idéntica y no tienen una gran asimetría en el diseño de su PCB, los MOSFET compartirán corriente bastante bien. Siempre asegúrese de que cada MOSFET tenga una resistencia independiente en serie con cada puerta (nunca puertas paralelas sin resistencias) ya que las puertas unidas directamente entre sí pueden interactuar de manera extraña entre sí, incluso unos pocos ohmios es mejor que nada.

Esto es simple: haz los cálculos. Mira la hoja de datos. Debe haber una especificación de resistencia térmica que le diga cuántos grados C habrá entre la matriz y el aire ambiente por vatio. Luego agregue eso a la temperatura ambiente en el peor de los casos 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 1 W, pero generalmente permanecerá dentro del rango operativo. A 1/2 WI no me preocuparía por eso. A 1W, revisaría la hoja de datos y haría el cálculo, pero probablemente estará bien.

Una arruga: es posible que la hoja de datos solo le indique la resistencia térmica de la carcasa. Luego debe agregar la resistencia térmica de la carcasa al ambiente, que será mucho mayor. Afortunadamente, esa es principalmente una función de la caja TO-220, no del transistor, por lo que debería poder encontrar una figura genérica para eso. Las buenas hojas de datos le brindan ambas cifras de resistencia térmica.

Adicional:

No había seguido el enlace de la hoja de datos anteriormente, pero ahora veo que todo lo que necesita está bien especificado allí. La resistencia térmica de la matriz al ambiente es de 62,5 C/W y la temperatura máxima de funcionamiento de la matriz es de 175 °C. Dijiste que tu temperatura ambiente es de 25C. Agregando el aumento desde allí al dado a 1W se obtiene 88C. Eso es 87 ° C por debajo de la temperatura máxima de funcionamiento, por lo que la respuesta es claramente SÍ, su transistor estará bien a 1 W en aire libre a 25 ° C.

Respondiendo a tu primera pregunta:

Comencemos con el consumo de energía. La hoja de datos dice 4.7m$\Omega$máximo a 75 A, y a 12,5 A será menor, por lo que es un valor seguro. Después$P = I_D^2 \times R_{DS(ON)} = 12.5^2 \times 4.7m\Omega = 735mW$. 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 provoca los aumentos de temperatura. Pero en nuestros cálculos asumimos un estado estacionario y podemos dividir todo por tiempo para que podamos trabajar con potencia en lugar de energía).

Conocemos la potencia, eso es 1W. La facilidad con la 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: está la resistencia de la unión a la caja y la resistencia de la caja al ambiente . El primero es muy bajo, porque la transferencia de calor es por conducción , mientras que el segundo es un valor mucho más alto porque aquí la transferencia de calor es por convección .. Como dice Olin, esto último es una propiedad del tipo de caso (TO-220), por lo 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, unión-a-ambiente: 62,5 K/W. Eso significa que con una disipación de 1 W, la temperatura de la unión será 62,5 K (o °C) más alta que la del entorno. Si la temperatura en el recinto es de 25 °C (¡bastante baja!), 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 la temperatura máxima para el silicio, por lo que estamos a salvo. La temperatura de la caja será casi la misma que la de la unión, por lo que el MOSFET estará CALIENTE, demasiado caliente para tocarlo.

Nota: esta página web enumera la resistencia térmica de la caja al 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 disipador de calor.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Si la fuente de voltaje le molesta al resolver 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 ambiente/potencial).

• R1, R2 y C1 provienen de la hoja de datos del componente
• R3 proviene de la hoja de datos de la pasta térmica utilizada, si corresponde, 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 debería depender del flujo de aire.

En general, "caso" significa pestaña si hay uno (el caso real de lo contrario), pero de lo contrario, debería poder modificar 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 el estado estable, suponga que los condensadores térmicos están retirados (totalmente "cargados"/calentados). Por ejemplo, sin disipador de calor:

Cuando la potencia disipada se conmuta rápidamente en comparación con las constantes térmicas de tiempo, generalmente debe multiplicar la capacitancia específica que los fabricantes pueden proporcionar (la regla general es 3 (Ws)/(K.kg)) con la masa asociada para obtener la Capacidades, y hacer frente a las cargas RC habituales.

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

Finalmente, es posible que desee considerar mirar las gráficas VS temperatura de la unión en la hoja de datos del componente y cambiar la temperatura máxima por una más baja, ya que una temperatura aceptable podría arruinar el rendimiento de su circuito, aún. En particular, los ciclos de temperatura reducen la vida útil de su componente; una regla general es que la vida útil se reduce a la mitad por cada incremento de 10 °C.

De acuerdo con la fórmula wiki y la constante para TO-220 unión térmica al aire al ambiente igual a 62,5 grados por vatio. Cuando su unión está a una temperatura ambiente de 125C-70C (en el peor de los casos)/62,5 = 55/62,5 = 880 milivatios.

Ese es el límite para aplicaciones automotrices.

Entonces, la respuesta es No. Incluso si puede mantener el límite de 125C (ay).

También pregunta si es aplicable a los FET. Es aún más cuestionable para los FET, porque tienen un modo de fuga térmica, cuando con el aumento de la temperatura de la unión, sus curvas eléctricas tienden a apuntar a una disipación de energía aún mayor. Entonces no puedes mantener el límite. Los FET en paralelo no se degradarán y equilibrarán automáticamente la carga, pero las pequeñas diferencias en los dispositivos provocarán un timbre inducido por la corriente de entrada de los voltajes de la puerta (tiene grandes picos de corriente junto a los pines de alta impedancia), por lo que puede oscilar y degradarse térmicamente. (Editar: como comentó Madman: cuando cambia en el tiempo de cruce por cero, digamos en el rectificador síncrono, puede ignorar este aspecto).

Así que la respuesta final es No y No.

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

La resistencia térmica de "muerte al ambiente" significa que está montada en un disipador de calor infinito o, comúnmente, en una placa de circuito impreso de cobre de 1 pulgada cuadrada, 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 así, el "ambiente" del dispositivo será la temperatura del aire caliente que lo rodea, no los 25 °C de un aire más alejado.

La resistividad térmica del aire en reposo es de alrededor de 0,1 - 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 sería de alrededor de 500 °C. /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 de 1000 K/W. Diseño térmico AN-2020 por Insite, no a posteriori

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

alrededor de 200 mW.

david ha dicho básicamente que el mosfet explotará +1. Algunas otras razones serían la temperatura positiva desagradable de la resistencia que no funciona a su favor cuando la corriente del dispositivo es fija. De hecho, como la mayoría de los fets, puede duplicarse fácilmente como se calienta, por lo que su 1 vatio ahora es de 2 vatios. La alta capacitancia de entrada hará que se desperdicie energía en la resistencia interna de la compuerta si el controlador de la compuerta es rápido. Esta potencia de la compuerta es significativa y debe tenerse en cuenta. las pérdidas aumentarán, especialmente si está haciendo un cambio difícil, por lo que no puede ralentizar mucho la puerta. Si el voltaje de su DS es razonablemente alto, el efecto Miller comienza a amplificar la capacitancia de la puerta de drenaje. incluso peor. Si todo esto no es suficiente, considere la recuperación del diodo al encender.

La pregunta que no vi pero que esperaba que también se respondiera: qué tamaño de disipador de calor se necesita entonces.

Este enlace puede ser útil para responder eso (se reduce a su situación de enfriamiento y diferencia de temperatura)

https://celsiainc.com/resources/calculators/heat-sink-size-calculator/