Snake Rулит!     Болезни рыб. Заболевания рыб. Болезни рыбок. Заболевания рыбок. Диагностика рыб.     Норильск. Талнах. Кайеркан. НПР.     База данных рецептов. Поиск рецептов по ингредиентам.    
Primo     CV     Libri     Viator     Elektro     Foto     Scientia   |  
[English]
22.5.2016

Расчет тепловыделения MOSFET-а и подбор подходящего радиатора охлаждения

Часть 1: Расчет тепловыделения и радиатора при постоянном токе

Сначала простой случай, расчет радиатора по данным тепловыделения при постоянном токе.

Для примера рассмотрим расчет радиатора для MOSFET-а IRLR024N

В этом примере предполагается, что MOSFET включается и долгое время находится в полностью открытом состоянии. Например, переключение производится не чаще чем с частотой 1 Гц.

В даташите нас интересуют параметры теплового сопротивления Junction-to-Case (сопротивление переход-корпус), Junctione-to-Ambient (PCB mount) (переход-окружающая среда при монтаже на 1кв.дюйм медной заливки на плате), Junction-to-Ambient (корпус-окружающая среда).

RθJC = 3.3 К/Вт
RθJApcb= 50 К/Вт
RθJA = 110 К/Вт

(Кельвины и Цельсии не играет роли, так как речь о разницах).

Цифра 110 К/Вт означает, то при выделяемой мощности 1Вт разница температур между внешней средой и переходом будет 110 градусов. Например, если границе корпус-воздух будет 40 градусов, то это значит, что переход внутри транзистора имеет температуру 40+110=150 градусов. Если выделяется 2Вт, то внутри будет 40+110*2=260 градусов.

Предположим, что напряжение на затворе будет 3.3В. А ток будет 3А. Из графика «Typical Transfer Characteristics» находим, что при напряжении 3.5В ток составляет 8А. Т.е. сопротивление составляет 0,4375 Ом. При этом смотрим на график «Normalized On-Resistance Vs. Temperature» и видим, что при 90 градусах сопротивление растет в 1.5 раза.

Допускаем по дизайну нагрев до 90 градусов, а сопротивление считаем 0.4375*1.5= 0,6563 Ом.

Получаем, что рассеиваться на транзисторе будет P=I^2*R=3*3*0,6563=5,9067 = 6 Вт.

Предполагается, что транзистор будет работать в окружении, где температура воздуха будет до 30 градусов (что очень оптимистично, так как он греет воздух вокруг себя).

Итак, запас по температуре составляет 90-30=60 градусов. Получается что максимальное общее теплового сопротивления равно (90-30)/6Вт=10 К/Вт

При этом сопротивление переход-корпус уже съело 3.3 К/Вт. У нас остается 8.3 К/Вт.

Монтаж радиатора будет производится на силиконовый клей. Предположим, что наш клей - HC910. Проводимость его 1.7 Вт/м*К.

У нас площадь приклеивания будет 0.25д*0.24д=0.01м*0.009м=0,0000054 кв.м.

Толщина слоя нанесения 0.0001м (0.1 мм). Эта оценка подтверждена документацией на подобные клеи.

Тепловое сопротивление слоя клея равно = толщина/(площадь*проводимость)=0,53 К/Вт

Остается 7.77 К/Вт на сам радиатор. Выбираем в магазине каком-нибудь.

И это будет довольно крупный радиатор. Примерно 10х10х5 см за нормальные деньги.

Теперь решим вопрос, а какой допустимый ток, при котором можно обойтись без радиатора вообще.

Возьмем вариант, когда транзистор припаян к площадке на плате площадью 1кв. дюйм. RθJApcb= 50 К/Вт. Предположим, что все устройство работает в коробочке и воздух в ней, за счет других компонентов и этого MOSFET-а, может нагреваться до 50 градусов. Предел нагрева для выбранного транзистора 175 градусов. Но мы возьмем максимум 125. Тогда максимальная допустимая мощность будет (125К-50К) / 50К/Вт= 1,5 Вт.

Если же он не припаян к площадке, то RθJA = 110 К/Вт, и получаем максимальную мощность (125К-50К) / 110К/Вт= 0,6 Вт.

Расчет по корпусу приведенный здесь более реалистичный, чем с радиатором. Однако, если устройство должно работать в различных условиях, то требуется внесение понижающего коэффициента для высот. Например, для высоты 2000м коэффициент 0.8 (т.е. не 0.6Вт, а 0,5Вт) для высоты 3500м – 0.75.

При 125 градусах Rds(on) будет составлять 1.75 * Rds(on) при 20 градусах, т.е. 0,4375 * 1,75=0,765625 Ом. P=I^2*R => I=SQRT(P/R)

Получаем, что при припайке на площадку на плате максимальный ток будет Imax=корень(1.5/0.765625)=1.4A Без площадки Imax=корень(0,6/0,765625)=0,9A

Часть 2: Расчет тепловыделения MOSFET при ШИМ

Теперь рассчитаем рассеиваемую мощность в случае использования ШИМ. Пусть сигнал ШИМ на затвор поступаем напрямую с микроконтроллера. Максимальный ток 25мА. Во время ШИМ есть 4 фазы: открытие затвора, высокий уровень, закрытие затвора, низкий уровень. Выделение тепла идет во всех фазах, кроме низкого уровня. Во время высокого уровня мощность равна U*I, как обычно. Мощность в фазе открытия затвора зависит от времени открытия, которое зависит от емкости затвора и тока драйвера. Пусть в нашем примере частота пусть будет 240Гц. Коэф. заполнения: 0.5. Ток 3А. Пусть это будет управление светодиодами, транзистор включен со стороны общего провода. Напряжение питания 5В.

Рассчитать теоретически точно потери по всех фазах довольно сложная задача, так как параметры и результаты расчет зависят друг от друга и есть процессы происходящие в подложке. Но на практике такая точность и верность теории не требуется. Есть приблизительные оценки потерь в фазах открытия и закрытия, которые дают практические цифры, которые можно использоваться при вычислении тепловыделения. Для расчета эффективности (КПД) этот метод не годится.

Потери в фазе высокого уровня (фазе полного открытия) мы считали в первой части и там нет ничего сложного. Для закрытия и открытия оказывается важным вид нагрузки: резистивная или индуктивная.

Потери при переключении возникают из-за того, что в процессе переключения через транзистор проходит большой ток при большом напряжении. Можно взять идеализированную форму этого процесса и рассчитать потери с приемлемой точностью для практического расчета тепловыделения.

Для резистивной нагрузки
Psw=1/2 * Fs *Vds*Id*tsw

Для индуктивной
Psw=1/6 * Fs *Vds*Id*tsw

Где
Fs- частота
Vds – напряжение сток-исток (в закрытом состоянии)
Id- ток проходящий через транзистор (в открытом состоянии)
tsw - время переключения

Время переключения в первом приближении можно рассчитать по графику зависимости зарядка на затворе от напряжения затвор-исток.

При напряжении 3.3В по графику заряд будет не более 4nC
tsw= ЗарядЗатвора/ТокДрайвера =4nC/0.025A=160.4ns
Считаем процессы закрытия и открытия симметричными. Тогда итоговые потери переключения, например, для резистивной нагрузки:

Psw=1/2 * Fs * Vds * Id *tsw= 1/2 * 240* 20*3*160ns=1 мВт

Время во включенном состоянии намного больше времени переключения, поэтому время переключения игнорируем (для больших частот это не так). Тогда потери в проводящей фазе равны D*I^2* Rds(on), где D – коэф. заполнения
Pcond=0.5*3*3* 0,6563 = 2,95 Вт

Видно, что потери на переключение пренебрежительно малы в сравнении с потерями в открытой фазе.

Еще существуют потери связанные с паразитной емкостью сток-исток.
Psw2=Coss* Voff^2*fs
Где,
Coss – выходная емкость, 130pF, из даташита

Voff – напряжение сток-исток, когда mosfet выключен
, 5В Fs – частота переключения, 240 Гц
Рассчитаем
Psw2=(130*10-12)*5^2*240=0,78 мкВт

Т.е. на 3 порядка меньше основных потерь при переключении. А потери при переключении на 3 порядка меньше потерь проводимости.

Ради интереса рассчитаем потери при частоте 2МГц, D=0,8 и тоге 20 А.
Psw=10,6Вт
Pcond=210 Вт
Psw2=0.78мкВт

Видно , что даже при таких условиях потери на переключение на порядок меньше потерь проводимости. Т.е. когда вы будете искать радиатор на 210 Вт, дополнительные 10Вт просто попадут в инженерный запас, который вы обязательно должны сделать (около 20%).

Кроме этого рассчитывать надо крайний случай, которым является D=0.99, Pcond=260 Вт при этом Psw сохраняется прежним.

Из приведенных формул можно сделать интересные выводы:

  1. Чтобы сократить потери на переключение, надо сократить время переключения. Для этого надо иметь мощный драйвер, который может отдавать большой ток в затвор.
  2. Малый ток затвора ограничивает скорость переключения. В нашем примере время включения и выключения было в районе 160 нс. Т.е. даже если только открывать и закрывать затвор минимальный период будет равен 320нс, т.е. максимальная частота, с которой можно открывать и закрывать затвор током драйвера в 25мА составит примерно 3МГц.
  3. Вклад частоты в потери линейный, а общий вклад потерь при переключении не существенный.
  4. При частотах до 1МГц и при токах до 20А вклад потерь при переключении составляет 1-2% от общих потерь и может быть смело проигнорирован. В этом случае потери на mosfet-е можно просто считать как Iout^2*Rdn(on)*D
  5. Выходное сопротивление управляющего сигнала и емкость затвора представляющий собой ФНЧ с частотой 1/Rout*Cgs,где Cgs=Ciss-Crss, но из фактических значений для любого разумного случая это сотни мегагерц минимум.

Дополнительное чтение с более сложными расчетами, дающими примерно такой же результат по тепловыделению, но правильные для расчета КПД.
https://www.exar.com/content/document.ashx?id=1245
http://www.ti.com/lit/an/slpa009a/slpa009a.pdf

Интернет без ограничения по трафику и скорости Мегафон, Билайн, Мтс по РФ
prosto-beeline.ru
Cетевой магазин по продаже книг, фильмов, музыкальных дисков
knopkast.ru

Комментарии

2016-06-08 14:08:15 pasta (Москва, Россия)

D(duty cycle) - коэф заполнения. Скважность величина обратная к коэф заполнения и не может быть меньше 1.


2016-06-08 14:21:26 Артем Кучин (Москва, Россия)

спасибо, поправил.


2016-06-08 16:14:19 pasta (Москва, Россия)

Еще вопрос почему в формуле одна третья?
Psw=1/3 * Fs * Vds * Id *tsw


2016-06-08 17:17:13 Артем Кучин (Москва, Россия)

Потому, что я невнимательный и нет выпускающего редактора. Спасибо.
Результат по сути не меняет.


2016-06-08 23:46:10 pasta (Москва, Россия)

У меня еще один вопрос, обычно считают площадь радиатора, а Вы считаете тепловое сопротивление радиатора. Как соотносится площадь с тепловым сопротивлением радиатора?
Какой площади будет радиатор 7.77 К/Вт?


2016-06-09 13:00:43 Артем Кучин (Москва, Россия)

Без понятия, делать самому радиатор желания пока не было и видимо это расчет не тривиальный, если вообще возможный, так как для радиатора надо учитывать не только площадь, но и поток воздуха и взаимодействие элементов радиатора.


2016-06-09 13:04:49 pasta (Москва, Россия)

Впервые вижу, чтобы считали тепловое сопротивление радиатора. Если Вы не пробовали делать у Вас не закрадывалась мысль, что это расчёт не правильный?
Ну и ещё вопрос, зачем выкладывать статью если делать не пробовали?


2016-06-09 15:28:02 Артем Кучин (Москва, Россия)

Я не считал тепловое сопротивление радиатора. Где вы это видите?
Я рассчитываю сопротивление, которым должен обладать подходящий радиатор и потом в каталоге выбирают такой.
Что именно не пробовал делать? Статья вообще не о радиаторах, а о расчете тепловыделение и ПОДБОРЕ (т.е. выборе среди какого-то набора) радиатора.


2016-06-09 16:23:44 pasta (Москва, Россия)

Вы во второй части рассчитали тепловое сопротивление радиатора, для чего?
Вы писали: "Остается 7.77 К/Вт на сам радиатор. Выбираем в магазине каком-нибудь."

Мне думается надо было рассчитать мощность, которая выделится при таком токе. Далее используя тепловое сопротивление найти температуру до которой нагреется кристалл.
ЕСли эта температура слишком велика, считаем на сколько ниже температуры хотели бы получить и исходя из этого вычисляем мощность, которую должен рассеять радиатор.Далее, зная, что для того чтобы рассеять 1Вт нужен радиатор примерно 30см2, подобрать радиатор.


2016-06-09 17:01:39 Артем Кучин (Москва, Россия)

Вторая часть посвящена расчете тепловыделению MOSFET-а, чтобы получить входные данные для того, что указано в первой части.
Расчет сопротивление необходимого радиатора сделал чтобы выбрать это радиатор из каталога радиаторов. Что ту не ясного?

Мощность при токе рассчитана. Допустимую температуру кристалла считать нет требуется, она дана в даташите. И исходя из этой температуры и
рассчитанного тепловыделения ищем подходящий подходящий радиатор в магазине. Для нормальный радиаторов, которые продаются указано тепловое
сопротивление всегда.

Создание и расчете радиатора с заданным тепловым сопротивлением не входит в тему данной статьи. Но задача именно так и решается, рассчитывается
необходимое тепловое сопротивление искомого радиатора и потом уже от него надо заниматься проектированием этого радиатора. Но эту информацию
вам придется поискать пока в другом месте, так как я это только планирую делать в неясном будущем. В частности, для охлаждения светодиодов стоит такая задача.


2016-06-09 17:45:11 pasta (Москва, Россия)

Ну это хитро покупать радиатор в магазине))
Спасибо за статью.


Добавить комментарий

Ваше имя:
город: страна:
Комментарий:

Введите код "8434" -

Сообщения не по теме будут удалены. Вопросы не по теме следует направлять по электронную почту.
Ваши данные будут запомнены в cookie для удобства. HTML запрещен.

(C)1999-2016 Артем Кучин
Email: artem@artem.ru
На письма без темы или без имени отправителя не отвечаю

При использовании материалов ссылка на сайта www.artem.ru обязательна! Автор оставляет за собой право отказать в праве использования материалов на безвозмездной основе без объяснения причин. Материалы сайта защищены законом об авторских и смежных правах.

Цена домена: 1 500 000 руб.