Effektive MOSFET-Kühlung

Wir müssen einen Motor mit ungefähr 40 Ampere antreiben. Der Mosfet hat eine Rdson von etwa 7 Mohm bei 90 Grad Celsius. Das sind satte 11,2 Watt Wärme, die auf dem armen Mosfet erzeugt werden.

Wir haben sehr wenig Platz, daher dachten wir anfangs, wir würden einen Mosfet für die Oberflächenmontage wie D2PAK verwenden. Ist es überhaupt möglich, dass ein oberflächenmontierter Mosfet so viel Wärme verträgt? Wir haben darüber nachgedacht, den Mosfet auf einem großen Kupferpad zu montieren (dies verringert jedoch den Grund, warum wir uns für den D2PAK entschieden haben, da wir diesen Platinenplatz nicht mehr nutzen können) und viele thermische Durchkontaktierungen auf diesem Kupferpad zu platzieren Weg zur Rückseite der Platine und auf der Rückseite, wieder auf einer großen Kupferebene, montieren Sie einen Kühlkörper. Können wir die Wärme auf diese Weise abführen? Wären die Durchkontaktierungen auf der Platine ein effektiver Wärmeweg?

Eine andere Option ist die Verwendung von TO220. Aber wir können keinen guten Weg finden, um TO220 in unserem begrenzten Raum zu kühlen. Es gibt einzelne Kühlkörper für TO220 auf dem Markt, aber ohne erzwungenen Luftstrom können die meisten von ihnen das Gerät mit 11,2 W auf etwa 80 Grad über der Umgebungstemperatur abkühlen. Das ist ein bisschen zu viel.

Ich würde gerne Ihre Erfahrungen mit der Kühlung von Mosfet-Paketen hören, Ideen wären willkommen.

Um Ihre erste Frage direkt zu beantworten: Nein, nicht einmal in der Nähe. Ein wenig mehr Kupfer um ein oberflächenmontiertes Teil wird 11 W Wärme nicht abführen. Auf keinen Fall.

Eine Antwort kann darin bestehen, mehrere FETs parallel zu schalten. Dadurch wird nicht nur die Gesamtverlustleistung um die Anzahl der Teile verringert, sondern auch die Verlustleistung an jedem FET wird um das Quadrat der Anzahl der Teile verringert. Wenn also ein FET 10 W abführt, würden zwei parallele FETs insgesamt 5 W abführen, und jeder FET würde nur 2,5 W abführen.

Das ist theoretisch. In der Praxis teilen sie die Last nicht exakt zu gleichen Teilen, sodass Sie etwas schlechter als die pro FET auslegen müssen. Das Gute an parallelen FETs ist, dass sie einen positiven Temperaturkoeffizienten haben. Der Rdson steigt mit der Temperatur. Dies hilft ihnen etwas beim Ausbalancieren und verhindert das Durchgehen eines einzelnen Teils, wie dies bei Bipolartransistoren der Fall sein könnte.

Letztendlich muss man sich entscheiden, was man wirklich will. Das Schalten von 40A wird etwas Wärme erzeugen. Auf die eine oder andere Weise müssen Sie damit umgehen. Sie können uns sagen, dass Ihr Raum alles ist, was Sie wollen, aber letztendlich wird die Physik eine bestimmte Menge an Raum, Oberfläche, erzwungener Kühlung oder was auch immer vorschreiben. Es ist möglicherweise nicht möglich, alle Einschränkungen zu erfüllen. Nicht alle Kombinationen von geringer Größe, hohem Strom und geringen Kosten sind möglich.

Die Verwendung von Durchkontaktierungen zur Verbesserung der thermischen Impedanz ist ein gültiger Ansatz für PCB-montierte MOSFETs und mehrschichtige PCBs. Ohne ausgefeilte Modellierungswerkzeuge wie Flotherm ist es jedoch schwierig vorherzusagen, welche Temperatur Sie erreichen werden, ohne die Schaltung tatsächlich aufzubauen und zu testen.

11 W am Gerät klingen hoch, aber wenn Sie die Volt und Ampere nicht überschreiten und die Sperrschichttemperatur innerhalb der Grenzen halten können, ist alles in Ordnung.

Möglicherweise möchten Sie MOSFETs parallel betrachten, um die Last zu teilen. Das$R_{DS(on)}$ hat einen positiven Temperaturkoeffizienten, so dass die Last zwischen ihnen ausgeglichen wird.

Nur um Ihnen eine Idee zu geben: Die grüne Tafel in der Mitte des ersten Bildes ist ein BLDC-Treiber, den ich vor ungefähr 2 Jahren erstellt habe. Die D2PAK-FETs sind PSMN4R3-30BL, während sie eine Scheinlast mit etwa 50 A pp pro Wicklung (zweites Bild) antreiben, werden sie nicht sehr heiß, vielleicht 45-50 ° C. Aber das sind 6 FETs, nicht einer, und der Rdson ist niedriger. Außerdem verwende ich Drähte als Kühlkörper - prüfen Sie, ob Sie das Chassis oder den Motor selbst verwenden können, wenn es beim Laufen nicht sehr warm wird.

Wenn Sie die Wellenformen sehen möchten, schauen Sie sich dieses Video an -> https://www.youtube.com/watch?v=n16nrkDgMSA

International Rectifier produziert eine Reihe von DirectFETs (PDF-Link), Leistungs-MOSFETs mit Gehäusen, die nur geringfügig größer als der Siliziumchip sind:

Das Paket ermöglicht eine SMT-Integration wie DxPAKs, aber auch eine Wärmepfadtrennung wie TO-220s bei minimaler Größe. Die Leistung von R _{DS (Ein)} wird maximiert, indem der Leitungswiderstand eliminiert wird. Bei gleichem Silizium wird also zunächst weniger Wärme erzeugt, die Sie zurückweisen müssen.

Es gibt verschiedene Optionen für die Kühlung, je nachdem, wie eng Ihre Integration ist. Einige der Kompromisse wären zwischen zusätzlichen mechanischen Konstruktionsarbeiten, Montageschritten, Anzahl und Kosten der Teile, Gerätegröße und Wärmeleistung.

^{(aus dem Whitepaper zu IRF DirectFET)}