¿Qué tan apretado puedo montar un TO-220 en una barra colectora?

Estoy construyendo un pequeño circuito de conmutación que consta de 8 MOSFET (bloqueo bidireccional, 4 en cada dirección), que debería cambiar de 100 a 200 A a aproximadamente 1 kHz.

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Llegué a la conclusión de que, dado que la placa de circuito impreso con una capa gruesa de cobre no está fácilmente disponible, una solución mucho mejor es simplemente montar los MOSFET directamente en una barra colectora, en la que también se montan los cables de alimentación. Por lo tanto, solo necesito soldar el pin fuente entre los MOSFET (al aire libre). Esto resuelve varios problemas: buena disipación térmica, baja caída de voltaje desde el cable hasta el MOSFET y fácil montaje/reemplazo de todos los componentes con muy poca soldadura.

Mi pregunta es: ¿qué tan apretado debo apretar el paquete TO-220 a la barra colectora? ¿Estoy en lo cierto al suponer que todos los componentes electrónicos están dentro de la pieza de plástico negro y que, por lo tanto, puedo apretarlos tan fuerte como quiera? ¿Hay algún problema potencial, por ejemplo, deformación por calor que provoque una mala conexión, etc.?

Aquí está mi esquema para los curiosos:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Editar: enlace agregado a la hoja de datos MOSFET . Hoja de datos del fabricante que muestra los detalles del paquete, pero no muestra la D conectada a la pestaña.

Para aclarar, ¿está buscando cifras de torque?
Sí, pero como no tengo una llave dinamométrica, tal vez algo largo con "tan apretado como quieras" o "apretado, pero demasiado apretado puede causar un problema xxx"
Apriételo hasta que se suelten los hilos y luego afloje un cuarto de vuelta. Hablando en serio, no estás haciendo una conexión de carga, sino eléctrica y térmica. Está construyendo un circuito, no un puente colgante, solo hágalo firmemente a mano con un destornillador / llave de tuercas y estará listo para comenzar.
Solo asegurándome :)
Hasta 200A a través de 4 mosfets es de 50A cada uno. Si eso es continuo, probablemente derretirá los cables de su mosfet.
¿Estás seguro de que este es tu MOSFET?
@marcelm, la hoja de datos dice que el paquete tiene una clasificación de corriente continua de 120 A y el chip tiene una clasificación de 200 A (no veo por qué la clasificación del chip sería relevante...). ¿Está sugiriendo que, de manera similar, el paquete debe considerarse por separado de los clientes potenciales? ¿Cuál es el punto de tener una capacidad de corriente de 120A si los cables no pueden soportarlo?
Además, tenga cuidado con el uso de tuercas nyloc en situaciones de alta temperatura. Es posible que le sirvan mejor las arandelas de seguridad.
@user95482301 corriente de pulso! = carga continua
Opinión personal, pero siéntase libre de intervenir: la única ventaja de TO220 es el costo. A medida que aumenta la corriente, parece más barato comprar más TO220 y ponerlos en paralelo, pero cuando se tienen en cuenta los costos de producción y las devoluciones de los clientes, se vuelven caros. Olvídese del orificio del tornillo y consiga una abrazadera que presione el centro de la cápsula. DURO. Si trata de doblarlo y resbalar, tanto el destornillador como dos dedos deberían romperse. Si también tiene en cuenta el precio del espacio, obtenga un 247PLUS.
¡Además, debe tener resistencias de compuerta individuales! No me preguntes cuánto dinero se gastó en esa lección.
@winny, ¿cuánto dirías que es la resistencia mínima necesaria? Estoy tratando de mantener el tiempo de conmutación lo más bajo posible. ¿Cuál es el problema sin resistencias?
@MarcusMüller, la hoja de datos dice "Corriente de drenaje continuo 120A" y "Corriente de drenaje pulsado 800A"
Depende de muchas cosas, principalmente la dispersión de Vgs y la capacitancia de Miller, pero incluso tan bajo como 2R2 amortiguará las oscilaciones. Oscilaciones entre puertas debido a la capacitancia de Miller. ¡Muy destructivo! Podría estar bien para un lote en el banco pero no en producción en masa.
120 A requiere refrigeración por agua y las piernas casi se derretirán. No lo creas.
@Wossname Bueno, mayormente correcto, pero también debe mencionar que el OP podría necesitar arandelas a prueba de sacudidas si el ensamblaje va a estar sujeto a vibraciones sustanciales.
@user95482301 bueno, la hoja de datos también dice que el dispositivo tiene una resistencia de encendido de aproximadamente 1,9 mΩ, lo que hace que P=I²/R= 14400 A²/1,9 mΩ. Con una resistencia térmica de carcasa de troquel especificada de 0,8 K/W, eso hace...
@winny, ¿cuánta corriente podrían manejar normalmente los cables TO-220 entonces? Podría vivir con 100A, así que divididos por 4 MOSFET, ¿eso hace 25A por cable de drenaje? ¿Y podría aplicar una capa gruesa de soldadura también, o soldar un cable de cobre de 2 mm2 en el medio?
@winny, ¿entonces tal vez 10 ohmios deberían estar bien? No estoy seguro de cómo calcularlo. ¿O podría probar diferentes valores mientras monitoreo con un osciloscopio mientras reduzco la resistencia hasta que comience a ver la oscilación en el voltaje entre la puerta y la fuente? ¿Un rango razonable es de 2 ohmios a X ohmios?
La fijación FWIW de TO220 a los disipadores térmicos mediante remaches es una práctica común en los taladros inalámbricos. Eso no quiere decir que sea una práctica libre de riesgos, solo que se realiza con frecuencia.
30 A-ish. ¿Cuánto tiempo de piernas estás usando? 2-10 ohmios es razonable. ¿Incluso lo cambias a alguna frecuencia sustancial? Si no, puede vivir con las pérdidas del interruptor. Si es así, tendrá problemas con la inductancia parásita de todos modos.
@winny, espero cambiar a 1kHz. La longitud de la pierna será de 4-8 mm. Como se mencionó, podría agregar soldadura adicional para espesar el cable o soldar cobre adicional a lo largo del cable para reducir la resistencia de las piernas.
Planeo probar con 1kHz y aumentar lentamente el ciclo de trabajo del 5 % en pasos del 5 %, y tocar las patas/chip/barra colectora para identificar posibles problemas de temperatura.
1 kHz parece razonable. Puede calcular la R y la capacitancia de entrada multiplicada por la corriente multiplicada por el voltaje < 5 % de las pérdidas I^2*Rdson. 10 ohmios no debería ser un problema.
@MarcusMüller Eso debería ser P=I²*R, no dividido con R.
@winny, sí. absolutamente. entonces, 14.400 A²* 1,9 mΩ ~= 28W; con una resistencia térmica de 0,8 K/W entre la unión y la caja, en realidad no tanto DeltaT.
@MarcusMüller ¡No por el chip, pero las piernas lo serán!
Creo que nadie ya dijo esto: ¿por qué no simplemente soldar las pestañas a las barras colectoras?
@VladimirCravero, estoy pensando que si empiezo a soldar un chip, los demás se caerán. Tal vez una buena combinación sería la fijación con pasta de soldar y luego calentar la barra colectora hasta que la pasta de soldar refluya. Pero reemplazar un MOSFET roto (especialmente en esta fase cuando estoy experimentando) posiblemente sea complicado. Además, no estoy seguro de que la diferencia en comparación con una junta mecánica sea tan sustancial. Definitivamente revisaré el diseño si decido producirlo en masa, pero en esta etapa, es bastante experimental. Preferiría SMD, pero el grosor del cobre sería demasiado pequeño.

Respuestas (5)

La parte de la que está tratando de sacar el calor está aproximadamente en el centro de la parte de plástico negro y está montada contra el marco de plomo. Distorsionar el marco de plomo (la parte metálica) al apretarlo demasiado dará como resultado una transferencia de calor deficiente e incluso podría dañar la unión del troquel al marco de plomo o el troquel mismo si dobla el marco de plomo de metal blando, aunque sea levemente.

No debe sobresalir la parte que contiene el troquel como se muestra en la parte izquierda de su foto; idealmente, esa es la parte que desea que esté en contacto íntimo con el disipador de calor. El tornillo está desplazado porque es un inconveniente colocar un tornillo justo en el centro del troquel, pero en realidad está tratando de crear contacto y algo de presión entre la parte debajo del plástico y el disipador de calor. Algunos fabricantes usan clips de resorte que empujan el plástico mismo. De una página de Infineon , aquí hay una parte con un enorme troquel interno. Tenga en cuenta que el troquel es de silicio quebradizo y el marco de plomo es suave y maleable.

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Vishay Siliconix recomienda un par de 1,7 Nm (15 in-lb) para sus paquetes TO-220. Hay una ventaja limitada sobre 10 in-lb, como se muestra aquí:

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Es bastante común usar destornilladores y llaves dinamométricas con dispositivos eléctricos y, como cualquier otra cosa, pueden requerir calibración y pruebas periódicas. Los económicos, como los que usan los armeros, etc., comienzan en alrededor de $ 50 US.

¿Está de acuerdo con el usuario anterior en que, en mi aplicación de soldar los cables de drenaje, los cables pueden acumular calor que no se disipará en el disipador de calor/barra colectora lo suficientemente rápido como para evitar el sobrecalentamiento?
Buen punto sobre el voladizo. Lo he comprobado y, afortunadamente, el voladizo de la pieza metálica es de solo ~ 1 mm, lo que espero sea aceptable. Esperaba que el chip no se calentara más que "tibio al tacto", pero tal vez soy demasiado optimista. Si una corriente de 100 A se divide entre 4 MOSFET, solo sería de 25 A cada uno, con 2,5 mOhm (o menos) de resistencia + calor de conmutación (¿pero la conmutación de 1 kHz debería ser bastante baja?)
@ user95482301 Sus cálculos de potencia descritos anteriormente son extremadamente informales: algo tan poderoso requiere un análisis térmico mucho más cuidadoso, especialmente cuando está compartiendo energía entre MOSfets. (Asumir una participación igual de 25A es demasiado optimista).
@glen_geek, Entonces... ¿5 MOSFET entonces? :) Solo soy un aficionado, así que aprender a hacer un análisis térmico es probablemente más costoso que sobredimensionar. ¿No se equilibrarían los MOSFET hasta cierto punto (+/20% de desequilibrio actual en comparación con el promedio)? Por ejemplo, ¿podría suponer que uno tiene 30A mientras que otro tiene 10A? Al final, espero que el cobre absorba el calor y que pueda agregar un ventilador si es necesario (y tal vez agregar un sensor de temperatura en la barra colectora para monitorear)
+1 para el gráfico de par vs resistencia térmica. ¿Sería una tontería pensar en soldar la pestaña a la barra colectora? (Supongo que sería mejor que directamente con grasa).
@glen_geek No soy un experto en mosfets, pero al hacer una investigación rápida para escribir este comentario, encontré onsemi.com/pub_link/Collateral/AND8199-D.PDF . Ese artículo señala que los MOSFET tienen coeficientes de temperatura positivos, por lo que tienen una tendencia general al equilibrio de carga. Ciertamente, no será un equilibrio perfecto, pero al menos ese artículo sugiere que no habrá problemas de fuga térmica con los que lidiar.

¿Estoy en lo cierto al suponer que todos los componentes electrónicos están dentro de la parte de plástico negro?

si,

y que por lo tanto puedo apretarlo tan fuerte como quiera?

No, ya que eso deformaría la parte de metal que está atornillando en la barra colectora, y eso no encajaría bien con el interior de la parte de plástico negro :)

Pero asumiendo que no planeas usar fuerza bruta:

El trabajo de presionar la caja contra la barra de metal es minimizar el espesor de la capa de grasa térmica entre la caja y la barra. En algún momento, ese aumento de presión ya no reducirá significativamente el espesor. Yo llamaría a eso "apretar a mano con un destornillador común"; pero estoy seguro de que un estándar oficial documenta eso.

EDITAR con la hoja de datos alternativa que en realidad muestra que la pestaña está conectada al drenaje, su circuito tiene mucho más sentido :)

Entonces sí, en ese caso, sin grasa térmica. En cambio, francamente simplemente lo soldaría a la barra colectora

  • aplicando pasta de soldadura y colocando los transistores en la barra colectora (no necesariamente fijándolos con un tornillo, a menos que el conjunto pueda sufrir vibraciones importantes: en ese caso, el tornillo es obligatorio para disminuir el riesgo de grietas en las juntas de soldadura),
  • calentar la barra colectora desde abajo hasta el punto en que la soldadura en pasta se derrita y haga un buen contacto,
  • apaga la calefacción,
  • y luego comience a enfriarlo inmediatamente, probablemente con una corriente de aire fresco, para asegurarse de que la "ola de calor" que viene desde abajo no alcance una temperatura mucho más alta. Sin embargo, no se exceda con el enfriamiento, ya que los cambios térmicos rápidos no son buenos para las propiedades de la junta de soldadura ni para la integridad de su transistor.

Tenga en cuenta que podría ser más fácil hacer esto con el paquete 263.

No aplicaré grasa térmica ya que quiero la máxima conductividad eléctrica. ¿Diría que mi aplicación sigue siendo adecuada?
Por lo que leí la hoja de datos del MOSFET que está usando en su esquema, no encontré ninguna indicación de que la brida de metal esté conectada a Gate, Source o Drain, ¡así que asumí que estaba aislado!
¿Alguien podría agregar la hoja de datos a la pregunta, por favor?
@ pjc50 Lo pegaré aquí porque no estoy convencido en este momento de que en realidad sea el dispositivo que OP está usando: pdf.tixer.ru/117716.pdf
@ pjc50 Listo: de hecho, dos hojas de datos. Uno que muestra la conexión de la lengüeta de drenaje, otro que no.
@SpehroPefhany gracias! sí, esa segunda hoja de datos es un desastre.
Ya probé el componente cuando comencé a trabajar con él, y tiene continuidad entre el desagüe y el fregadero. Me pregunto si la otra hoja de datos tiene un error. ¿O a veces hacen dos versiones del mismo componente con una diferencia tan significativa?
@ user95482301 Bueno, si lo hacen, no decirlo en una hoja de datos que varios ingenieros confundieron con la correcta es un desastre en sí mismo.
@MarcusMüller En su primera viñeta, tal vez subestime la importancia del tornillo (incluso si el OP suelda la pestaña): si el ensamblaje sufre un nivel sustancial y constante de vibraciones, las uniones de soldadura pueden romperse al final. El OP no dio ninguna pista sobre la aplicación específica, pero no es descabellado pensar en un entorno industrial de servicio pesado (¿algo conectado al chasis de una máquina pesada?).
@LorenzoDonati buen punto! ¿Te importaría editar eso?
@MarcusMüller Listo. Espero que esté bien para ti.

Sugeriría que si persevera con conexiones de alta corriente a los paquetes TO-220, está creando un escenario de reparación/servicio de campo de pesadilla para usted. Para cualquier aplicación profesional, es mucho mejor elegir un dispositivo basado en módulos como este . Los módulos son, con mucho, los mejores cuando se considera cualquier cosa que deba atornillarse a un conjunto de barras colectoras y hoy en día no son demasiado caros.
Una vez que ingresa al rango de 50-100 A, los tamaños de los cables tienden a volverse difíciles de manejar y deben anclarse firmemente. Las juntas de soldadura simples siempre están en riesgo y pueden volverse quebradizas con el tiempo.

Para cualquier afición deberías considerar:

  1. El perno que sujeta el paquete a la barra colectora para TO-220 es demasiado pequeño. Incluso si usa todo el diámetro del tamaño del orificio de montaje TO-220, es poco probable que pueda lograr una presión de pestaña de >10 in/lbs con una estabilidad real a largo plazo, incluso con una arandela de acero y resorte. Los contactos de presión como este no son viables con corrientes altas.

  2. Soldar un paquete TO-220 siempre es una opción, pero soldar varios dispositivos a una barra colectora es una solución inviable. Es poco probable que pueda repararlo.
    Suelde el paquete a una tira de cobre (yo uso pestañas de cobre ETP de 0,125 x 0,5 x 1,25 para este fin). Estos se pueden soldar fácilmente en un cajón SMT (agregue la lengüeta, luego, cuando alcance la temperatura, agregue el dispositivo con fundente en la parte posterior), las lengüetas como estas permiten pernos de montaje de tamaños múltiples y mucho más grandes con una capacidad de torsión razonable. Cuando atornille las lengüetas a la barra colectora, limpie las juntas pero no use grasa disipadora ya que no es eléctricamente conductora. Utilice siempre una arandela plana y elástica de acero debajo de la tuerca y una arandela plana debajo de la cabeza del tornillo.

  3. Las conexiones del cuadro de conductores TO-220 no están diseñadas para conexiones de cables libres, especialmente con corrientes más altas. Si tiene que hacer esto, entonces use una férula de alambre de soldadura como esta para asegurar una junta de soldadura libre de tensión y menos propensa a envejecer por temperatura. También necesita apoyar el cable, ya que el marco de plomo se romperá incluso si tiene un entorno de vibración media. El marco de plomo no debe exponerse a ninguna fuerza lateral o de flexión. Es una buena idea apoyar conexiones como esta con una barrera de dos piezas para aliviar la tensión.

Mi preocupación era que los módulos SOT-227 parecen tener un Rdson alto y parecen caros en comparación con los valores de la hoja de datos sin procesar (por ejemplo, $18 por 155A/12,9 mOhm no suena muy atractivo en comparación con $1 por 120A/2,5 mOhm... ). Pero obviamente un módulo es mucho más manejable. Todo es más manejable si estás dispuesto a gastar dinero en un producto especializado.
¿Crees que este enfoque sería mejor? Supongo que resolvería varios problemas: por ejemplo, capacidad térmica/portadora de corriente de las patas, sin problemas con las uniones de soldadura/vibración... pero no habría resistencia de la puerta, podría ser un problema (y soldar una resistencia a la puerta reintroduciría el problema de la vibración en la articulación): turtlesarehere.com/assets/images/Gate-Source.jpg
@user95482301 Serie La resistencia de la compuerta no es esencial en un diseño, y todos los diseños tienen una limitación de corriente de carga I(Gate) inherente. El problema con los cables de soldadura a la puerta y la fuente es que el paquete no está diseñado para este tipo de implementación. Su ejemplo de costos es mucho más complicado que solo el precio. Suponga que a 120 A necesita al menos un cable de 1 a 4 AWG para transportar esta corriente (y disipar el calor de la conexión). ¿Cómo proporcionaría una junta de soldadura? ¿Qué otra forma de terminación o soporte construiría/podría construir? Casi todo lo que haces aquí es mecánicamente de alto riesgo.
@usuario95482301. He usado este enfoque (lengüetas de cobre) en varias situaciones de pasatiempo a lo largo de los años y siempre ha sido fácil de reparar (cuando sale el humo). También he trabajado en fuentes de alimentación trifásicas profesionales (Era Supermini) con corriente en los 100 de Amperios y detección de cortocircuito en el rango de 1000 A. No es solo el humo el que sale aquí, sino que también escapa la luz azul... y eso tiende a dejar restos.

Del gráfico, parece que 10 in-lb es el torque que debe usar.

Debido a posibles problemas mecánicos y de calentamiento, recomiendo usar una arandela de seguridad de metal entre la cabeza del tornillo y la lengüeta TO-220. Además, debe minimizar el voladizo, pero no tan corto que los cables estén en una posición propensa a cortocircuitarse con la barra colectora.
Soy un firme creyente de que no hay mejor maestro que la experiencia, así que siga adelante y construya el circuito, le "mostrará" cualquier deficiencia que pueda tener su diseño. Tenga en cuenta que esto está bien para un prototipo , no para un producto comercial terminado.

¿Qué tan apretado es 7nm? Utilice una tuerca y un perno con una arandela de seguridad de estrella externa y un poco de loctite fijador de roscas permanente sujetará un paquete to220 de forma segura.

¿Qué tan apretado puedo montar un TO-220 en una barra colectora?
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