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Wie berechnet man den Kühler für einen Transistor?

 

Wie berechnet man den Kühler für einen Transistor?Wenn wir ein leistungsstarkes Gerät für Leistungstransistoren entwerfen oder auf die Verwendung eines leistungsstarken Gleichrichters in der Schaltung zurückgreifen, sehen wir uns häufig mit einer Situation konfrontiert, in der es erforderlich ist, viel Wärmeleistung, gemessen in Einheiten und manchmal zehn Watt, abzuleiten.

Zum Beispiel kann der IGBT-Transistor FGA25N120ANTD von Fairchild Semiconductor bei korrekter Installation theoretisch etwa 300 Watt Wärmeleistung über sein Gehäuse bei einer Gehäusetemperatur von 25 ° C liefern! Und wenn die Temperatur seines Gehäuses 100 ° C beträgt, kann der Transistor 120 Watt liefern, was ebenfalls ziemlich viel ist. Damit das Transistorgehäuse diese Wärme jedoch prinzipiell abgeben kann, müssen die richtigen Arbeitsbedingungen geschaffen werden, damit es nicht vorzeitig ausbrennt.

In solchen Fällen werden alle Netzschalter ausgegeben, die einfach an einem externen Kühlkörper - einem Kühler - installiert werden können. Darüber hinaus ist in den meisten Fällen die Metalloberfläche des Schlüssels oder einer anderen Vorrichtung im Ausgangsgehäuse elektrisch mit einem der Anschlüsse dieser Vorrichtung verbunden, beispielsweise mit einem Kollektor oder dem Drain eines Transistors.

Die Aufgabe des Strahlers besteht also genau darin, den Transistor und hauptsächlich seine Arbeitsübergänge auf einer Temperatur zu halten, die das maximal zulässige nicht überschreitet.

IGBT-Transistor FGA25N120ANTD

Wenn der Fall Siliziumtransistor vollständig aus Metall, dann beträgt die typische Maximaltemperatur ungefähr 200 ° C, wenn das Gehäuse aus Kunststoff besteht, dann 150 ° C. Im Datenblatt finden Sie leicht Daten zur Maximaltemperatur für einen bestimmten Transistor. Für FGA25N120ANTD ist es beispielsweise besser, wenn die Temperatur 125 ° C nicht überschreitet.

Datenblatt für für FGA25N120ANTD

Bei Kenntnis aller grundlegenden thermischen Parameter ist es einfach, einen geeigneten Kühler auszuwählen. Es reicht aus, die maximale Umgebungstemperatur zu ermitteln, bei der der Transistor arbeitet, die Leistung, die der Transistor verbrauchen muss, und dann die Übergangstemperatur des Transistors unter Berücksichtigung der Wärmewiderstände der Verbindungen zwischen Kristallgehäuse, Krokusstrahler und Kühlerumgebung zu berechnen. Danach muss noch ein Kühler ausgewählt werden , bei denen die Temperatur des Transistors mindestens geringfügig unter dem maximal zulässigen Wert liegt.

Der wichtigste Parameter bei der Auswahl und Berechnung des Heizkörpers ist der Wärmewiderstand. Sie ist gleich dem Verhältnis der Temperaturdifferenz auf der Oberfläche des Wärmekontakts in Grad zur übertragenen Leistung.

Wenn Wärme durch den Wärmeleitungsprozess übertragen wird, bleibt der Wärmewiderstand konstant, was nicht von der Temperatur abhängt, sondern nur von der Qualität des Wärmekontakts.

Wenn es mehrere Übergänge (Wärmekontakte) gibt, ist der Wärmewiderstand des Übergangs, der aus mehreren aufeinanderfolgenden Verbindungen besteht, gleich der Summe der Wärmewiderstände dieser Verbindungen.

Wenn der Transistor also an einem Kühler montiert ist, entspricht der gesamte Wärmewiderstand während der Wärmeübertragung der Summe der Wärmewiderstände: Kristallgehäuse, Gehäusekühler, Kühlerumgebung. Dementsprechend entspricht die Kristalltemperatur in diesem Fall der Formel:

Kristalltemperatur

Betrachten Sie als Beispiel den Fall, in dem ein Strahler für zwei Transistoren FGA25N120ANTD ausgewählt werden muss, der in einer Gegentaktwandlerschaltung arbeitet, wobei jeder Transistor 15 Watt Wärmeleistung verbraucht, die an die Umgebung übertragen werden muss, d. H. Von Transistorkristalle durch einen Strahler - zu Luft.

Da es zwei Transistoren gibt, finden wir zuerst einen Strahler für einen Transistor, danach nehmen wir nur einen Strahler mit doppelt so viel Wärmeübertragungsfläche und halb so viel Wärmewiderstand (wir werden isolierende Dichtungen verwenden).

Beispiel einer Strahlerberechnung für einen Transistor

Lassen Sie unser Gerät bei einer Umgebungstemperatur von 45 ° C arbeiten. Die Kristalltemperatur darf nicht höher als 125 ° C gehalten werden. Im Datenblatt sehen wir, dass für die eingebaute Diode der Wärmewiderstand des Kristallgehäuses größer ist als der Wärmewiderstand des Kristallgehäuses direkt IGBT und gleich 2 ° C / W. Dieser Wert wird als Wärmewiderstand des Kristallgehäuses berücksichtigt.

Der Wärmewiderstand der Silikondämmdichtung beträgt ca. 0,5 ° C / W - dies ist der Wärmewiderstand des Gehäusekühlers. Wenn wir nun die Verlustleistung, die maximale Temperatur des Kristalls, die maximale Umgebungstemperatur, den Wärmewiderstand des Kristallgehäuses und den Wärmewiderstand des Gehäusekühlers kennen, finden wir den notwendigen Wärmewiderstand der Strahlerumgebung.

Wärmewiderstand Kühler-Umgebung

Wir müssen also einen Kühler wählen, damit der Wärmewiderstand der Kühlerumgebung unter diesen Bedingungen von 2,833 ° C / W oder weniger erhalten wird. Und auf welche Temperatur überhitzt sich der Kühler in diesem Fall im Vergleich zur Umgebung?

Nehmen Sie den gefundenen Wärmewiderstand an der Grenze zwischen Kühler und Umgebung und multiplizieren Sie ihn mit der Verlustleistung, für unser Beispiel 15 Watt. Die Überhitzung beträgt etwa 43 ° C, d. H. Die Temperatur des Kühlers beträgt etwa 88 ° C. Da unsere Schaltung zwei Transistoren enthält, muss die Leistung doppelt so hoch sein, was bedeutet, dass Sie einen Kühler mit einem halb so kleinen Wärmewiderstand benötigen, der 1,4 ° C / W oder weniger beträgt.

Bestimmung der Kühlerfläche für den Transistor

Wenn Sie nicht die Möglichkeit haben, einen Heizkörper mit dem gefundenen Wärmewiderstand zu wählen, können Sie die gute alte empirische Methode verwenden - siehe Zeitplan aus dem Nachschlagewerk. Wenn wir den Temperaturunterschied zwischen der Umgebung und dem Kühler kennen (zum Beispiel 43 ° C) und die Verlustleistung kennen (zum Beispiel für zwei Transistoren - zwei mit jeweils 15 W), finden wir die erforderliche Kühlerfläche, dh die gesamte Kontaktfläche des Kühlers mit der Umgebungsluft (für unsere) ein Beispiel - zwei von 400 cm2).

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