Jak obliczyć grzejnik dla tranzystora

Często, projektując potężne urządzenie na tranzystorach mocy lub uciekając się do użycia potężnego prostownika w obwodzie, mamy do czynienia z sytuacją, w której konieczne jest rozproszenie dużej mocy cieplnej, mierzonej w jednostkach, a czasem dziesiątek watów.

Na przykład tranzystor FGA25N120ANTD IGBT firmy Fairchild Semiconductor, jeśli jest prawidłowo zainstalowany, teoretycznie jest w stanie dostarczyć około 300 watów mocy cieplnej przez obudowę w temperaturze obudowy 25 ° C! A jeśli temperatura jego obudowy wynosi 100 ° C, wówczas tranzystor będzie w stanie dać 120 watów, co również jest całkiem sporo. Ale aby obudowa tranzystora mogła zasadniczo dostarczać to ciepło, konieczne jest zapewnienie mu odpowiednich warunków pracy, aby nie wypaliło się przed czasem.

Wszystkie przełączniki mocy są wydawane w takich przypadkach, które można łatwo zainstalować na zewnętrznym radiatorze - grzejniku. Ponadto w większości przypadków metalowa powierzchnia klucza lub innego urządzenia w obudowie wyjściowej jest elektrycznie połączona z jednym z zacisków tego urządzenia, na przykład z kolektorem lub drenem tranzystora.

Tak więc zadaniem grzejnika jest właśnie utrzymanie tranzystora, a przede wszystkim jego przejść roboczych, w temperaturze nieprzekraczającej maksymalnej dopuszczalnej.

Jeśli tak jest tranzystor krzemowy całkowicie metalowy, wówczas typowa maksymalna temperatura wynosi około 200 ° C, jeśli obudowa jest z tworzywa sztucznego, to 150 ° C. Możesz łatwo znaleźć dane dotyczące maksymalnej temperatury dla konkretnego tranzystora w arkuszu danych. Na przykład dla FGA25N120ANTD lepiej jest, jeśli jego temperatura nie przekracza 125 ° C.

Znając wszystkie podstawowe parametry termiczne, łatwo jest wybrać odpowiedni grzejnik. Wystarczy ustalić maksymalną temperaturę otoczenia, w którym będzie działał tranzystor, moc, którą tranzystor będzie musiał rozproszyć, a następnie obliczyć temperaturę przejścia tranzystora, biorąc pod uwagę opory cieplne obudowy kryształowej, krokusa-grzejnika, połączeń grzejnik-środowisko, po czym pozostaje wybrać grzejnik , przy których temperatura tranzystora będzie co najmniej nieznacznie niższa niż maksymalna dopuszczalna wartość.

Najważniejszym parametrem przy wyborze i obliczeniach grzejnika jest opór cieplny. Jest on równy stosunkowi różnicy temperatur na powierzchni styku termicznego w stopniach do przenoszonej mocy.

Kiedy ciepło jest przekazywane przez proces przewodzenia ciepła, opór cieplny pozostaje stały, co nie zależy od temperatury, ale zależy tylko od jakości kontaktu termicznego.

Jeśli występuje kilka przejść (styki termiczne), to opór cieplny przejścia, składający się z kilku kolejnych związków, będzie równy sumie oporów cieplnych tych związków.

Tak więc, jeśli tranzystor jest zamontowany na grzejniku, wówczas całkowity opór cieplny podczas przenoszenia ciepła będzie równy sumie oporów cieplnych: obudowa kryształu, obudowa radiatora, środowisko grzejnika. Odpowiednio temperatura kryształu jest w tym przypadku zgodna ze wzorem:

Jako przykład rozważmy przypadek, w którym musimy wybrać grzejnik dla dwóch tranzystorów FGA25N120ANTD, który będzie działał w obwodzie konwertera push-pull, z każdym tranzystorem rozpraszającym 15 watów mocy cieplnej, którą należy przenieść do otoczenia, tj. Z kryształy tranzystorów przez grzejnik - do powietrza.

Ponieważ istnieją dwa tranzystory, najpierw znajdujemy grzejnik na jeden tranzystor, po czym bierzemy grzejnik o dwukrotnie większej powierzchni wymiany ciepła, o połowę mniejszej rezystancji termicznej (zastosujemy uszczelki izolacyjne).

Pozwól, aby nasze urządzenie działało w temperaturze otoczenia 45 ° C. Niech temperatura kryształów będzie utrzymywana nie wyżej niż 125 ° C. W arkuszu danych widzimy, że dla wbudowanej diody opór cieplny obudowy kryształu jest większy niż opór cieplny obudowy kryształu bezpośrednio IGBT i jest równy 2 ° C / W. Wartość ta zostanie uwzględniona jako opór cieplny obudowy kryształu.

Opór cieplny silikonowej uszczelki izolacyjnej wynosi około 0,5 ° C / W - będzie to opór cieplny grzejnika skrzynkowego. Teraz, znając rozproszoną moc, maksymalną temperaturę kryształu, maksymalną temperaturę otoczenia, opór cieplny obudowy kryształu i opór cieplny obudowy-grzejnika, znajdujemy niezbędny opór cieplny środowiska grzejnika.

Musimy więc wybrać grzejnik, aby uzyskać opór cieplny środowiska grzejnika w danych warunkach 2,833 ° C / W lub mniej. A do jakiej temperatury w tym przypadku grzejnik przegrzewa się w porównaniu do otoczenia?

Weź znaleziony opór cieplny na granicy środowiska grzejnik i pomnóż przez rozproszoną moc, na przykład 15 watów. Przegrzanie wyniesie około 43 ° C, tj. Temperatura grzejnika wyniesie około 88 ° C. Ponieważ w naszym obwodzie będą dwa tranzystory, konieczne będzie dwukrotne rozproszenie mocy, co oznacza, że ​​potrzebujesz grzejnika o rezystancji cieplnej o połowę mniejszej, tj. 1,4 ° C / W lub mniejszej.

Jeśli nie masz możliwości wyboru grzejnika ze stwierdzonym oporem cieplnym, możesz użyć starej, dobrej metody empirycznej - zapoznaj się z harmonogramem z podręcznika. Znając różnicę temperatur między otoczeniem a grzejnikiem (na przykład 43 ° C), znając rozproszoną moc (na przykład na dwa tranzystory - dwa o mocy 15 W każdy), znajdujemy niezbędną powierzchnię grzejnika, czyli całkowitą powierzchnię kontaktu grzejnika z otaczającym powietrzem (dla naszego przykład - dwa po 400 cm2).

Zobacz także na ten temat:Cal * stopień / wat - jaki jest ten parametr chłodnicy?