Cómo calcular el radiador para un transistor

A menudo, cuando diseñamos un dispositivo potente en transistores de potencia, o recurrimos al uso de un potente rectificador en el circuito, nos enfrentamos a una situación en la que es necesario disipar una gran cantidad de energía térmica, medida en unidades, y a veces decenas de vatios.

Por ejemplo, el transistor IGBT FGA25N120ANTD de Fairchild Semiconductor, si está instalado correctamente, es teóricamente capaz de entregar aproximadamente 300 vatios de energía térmica a través de su chasis a una temperatura del chasis de 25 ° C. Y si la temperatura de su caja es de 100 ° C, entonces el transistor podrá dar 120 vatios, que también es bastante. Pero para que el caso del transistor, en principio, pueda dar este calor, es necesario proporcionarle las condiciones de trabajo adecuadas para que no se queme antes de tiempo.

Todos los interruptores de potencia se emiten en tales casos que se pueden instalar fácilmente en un disipador de calor externo: un radiador. Además, en la mayoría de los casos, la superficie metálica de la llave u otro dispositivo en la carcasa de salida está conectada eléctricamente a uno de los terminales de este dispositivo, por ejemplo, a un colector o al drenaje de un transistor.

Por lo tanto, la tarea del radiador es precisamente mantener el transistor, y principalmente sus transiciones de trabajo, a una temperatura que no exceda el máximo permitido.

Si el caso transistor de silicio completamente de metal, entonces la temperatura máxima típica es de aproximadamente 200 ° C, si la caja es de plástico, entonces 150 ° C. Puede encontrar fácilmente datos sobre la temperatura máxima para un transistor particular en la hoja de datos. Por ejemplo, para FGA25N120ANTD es mejor si su temperatura no supera los 125 ° C.

Conociendo todos los parámetros térmicos básicos, es fácil elegir un radiador adecuado. Es suficiente para averiguar la temperatura ambiente máxima en la que operará el transistor, la potencia que el transistor tendrá que disipar, luego calcular la temperatura de transición del transistor teniendo en cuenta las resistencias térmicas de las conexiones de cristal de la caja de cristal, crocus-radiador, ambiente del radiador, después de lo cual queda elegir un radiador , con lo cual la temperatura del transistor será al menos ligeramente inferior al máximo permitido.

El parámetro más importante en la selección y cálculo del radiador es la resistencia térmica. Es igual a la relación de la diferencia de temperatura en la superficie del contacto térmico en grados con respecto a la potencia transmitida.

Cuando el calor se transfiere a través del proceso de conducción de calor, la resistencia térmica permanece constante, lo que no depende de la temperatura, sino que depende solo de la calidad del contacto térmico.

Si hay varias transiciones (contactos térmicos), la resistencia térmica de la transición, que consta de varias conexiones en serie, será igual a la suma de las resistencias térmicas de estos compuestos.

Entonces, si el transistor está montado en un radiador, entonces la resistencia térmica total durante la transferencia de calor será igual a la suma de las resistencias térmicas: caja de cristal, caja-radiador, radiador-ambiente. En consecuencia, la temperatura del cristal es en este caso de acuerdo con la fórmula:

Como ejemplo, considere el caso cuando necesitamos seleccionar un radiador para dos transistores FGA25N120ANTD, que funcionará en un circuito convertidor push-pull, con cada transistor disipando 15 vatios de potencia térmica, que debe transferirse al medio ambiente, es decir, desde cristales de transistores a través de un radiador - al aire.

Como hay dos transistores, primero encontramos un radiador para un transistor, después de lo cual solo tomamos un radiador con el doble del área de transferencia de calor, con la mitad de la resistencia térmica (utilizaremos juntas aislantes).

Deje que nuestro dispositivo funcione a una temperatura ambiente de 45 ° C. Deje que la temperatura del cristal se mantenga a no más de 125 ° C. En la hoja de datos, vemos que para el diodo incorporado, la resistencia térmica de la caja de cristal es mayor que la resistencia térmica de la caja de cristal directamente IGBT, y es igual a 2 ° C / W. Este valor se tendrá en cuenta como la resistencia térmica de la caja de cristal.

La resistencia térmica de la junta aislante de silicona es de aproximadamente 0,5 ° C / W; esta será la resistencia térmica del radiador de la caja. Ahora, conociendo la potencia disipada, la temperatura máxima del cristal, la temperatura ambiente máxima, la resistencia térmica de la carcasa del cristal y la resistencia térmica del radiador de la carcasa, encontramos la resistencia térmica necesaria del ambiente del radiador.

Por lo tanto, debemos elegir un radiador para que la resistencia térmica del ambiente del radiador se obtenga en las condiciones dadas de 2.833 ° C / W o menos. ¿Y a qué temperatura en este caso se sobrecalienta el radiador en comparación con el medio ambiente?

Tome la resistencia térmica encontrada en el límite del ambiente del radiador y multiplique por la potencia disipada, por ejemplo, 15 vatios. El sobrecalentamiento será de aproximadamente 43 ° C, es decir, la temperatura del radiador será de aproximadamente 88 ° C. Dado que habrá dos transistores en nuestro circuito, será necesario disipar la potencia el doble, lo que significa que necesita un radiador con una resistencia térmica la mitad de pequeña, es decir, 1,4 ° C / W o menos.

Si no tiene la oportunidad de elegir un radiador con la resistencia térmica encontrada, puede usar el método empírico antiguo y bueno: consulte el programa del libro de referencia. Conociendo la diferencia de temperatura entre el ambiente y el radiador (para nuestro ejemplo, 43 ° C), conociendo la potencia disipada (para nuestro ejemplo, para dos transistores, dos de 15 W cada uno), encontramos el área del radiador necesaria, es decir, el área de contacto total del radiador con el aire ambiental (para nuestro un ejemplo: dos de 400 cm2).

Ver también sobre este tema:Pulgadas * grados / vatios: ¿cuál es este parámetro del radiador?