Wie fest kann ich einen TO-220 an einer Sammelschiene montieren?

12

Ich baue einen kleinen Schaltkreis bestehend aus 8 MOSFETs (bidirektionale Blockierung, 4 in jede Richtung), der 100-200A bei ca. 1kHz schalten sollte.

Bildbeschreibung hier eingeben

Ich bin zu dem Schluss gekommen, dass eine viel bessere Lösung darin besteht, die MOSFETs direkt auf einer Sammelschiene zu montieren, auf der auch die Stromkabel montiert sind, da Leiterplatten mit einer dicken Kupferschicht nicht ohne weiteres verfügbar sind. Daher muss ich nur den Source-Pin zwischen den MOSFETs (im Freien) löten. Dies löst verschiedene Probleme: gute Wärmeableitung, geringer Spannungsabfall vom Kabel zum MOSFET und einfache Montage / Austausch aller Komponenten mit sehr geringem Lötaufwand.

Meine Frage ist: Wie fest soll ich das TO-220-Paket an der Sammelschiene festziehen? Kann ich zu Recht davon ausgehen, dass sich die gesamte Elektronik im schwarzen Kunststoffteil befindet und ich es daher so fest anziehen kann, wie ich möchte? Gibt es potenzielle Probleme, z. B. Wärmeverzug, der eine schlechte Verbindung usw. verursacht?

Hier ist mein Schema für die Neugierigen:

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab

Bearbeiten: Link zum MOSFET-Datenblatt hinzugefügt . Datenblatt des Herstellers mit Verpackungsdetails, jedoch nicht mit D verbunden mit Lasche.

user95482301
quelle
2
Zur Verdeutlichung suchen Sie Drehmomente?
W5VO
9
Ziehen Sie es an, bis sich die Fäden lösen, und drehen Sie es dann eine viertel Umdrehung zurück. Im Ernst, Sie stellen keine tragende Verbindung her, sondern eine elektrische und eine thermische. Sie bauen eine Rennstrecke, keine Hängebrücke, tun dies einfach mit einem Schraubenzieher / Schraubenzieher von Hand und los geht's.
Wossname
2
Bis zu 200 A bis 4 Mosfets sind jeweils 50 A. Wenn dies kontinuierlich ist, werden Sie wahrscheinlich die Leitungen von Ihrem Mosfet abschmelzen.
Marcelm
8
Achten Sie auch darauf, dass Sie keine Nyloc-Nüsse in Situationen mit hohen Temperaturen verwenden. Sie könnten besser durch Sicherungsscheiben bedient werden.
Wossname
2
@ MarcusMüller, Im Datenblatt steht "Continuous Drain Current 120A" und "Pulsed Drain Current 800A"
user95482301

Antworten:

22

Das Teil, aus dem Sie versuchen, die Wärme abzuleiten, befindet sich ungefähr in der Mitte des schwarzen Kunststoffteils und ist am Leadframe angebracht. Ein Verziehen des Leiterrahmens (des Metallteils) durch zu festes Anziehen führt zu einer schlechten Wärmeübertragung und kann sogar die Verbindung des Chips mit dem Leiterrahmen oder dem Chip selbst beschädigen, wenn der weiche Metallleiterrahmen sogar geringfügig gebogen wird.

Sie sollten das Teil, das den Chip enthält, nicht überragen, wie im linken Teil Ihres Fotos gezeigt. Idealerweise ist dies das Teil, das Sie in engem Kontakt mit dem Kühlkörper haben möchten. Die Schraube ist versetzt, weil es unpraktisch ist, eine Schraube genau durch die Mitte des Stempels zu stecken, aber Sie versuchen wirklich, Kontakt und etwas Druck zwischen dem Teil unter dem Kunststoff und dem Kühlkörper herzustellen. Einige Hersteller verwenden Federklammern, die auf den Kunststoff selbst drücken. Auf einer Infineon-Seite finden Sie ein Teil mit einem riesigen internen Werkzeug. Denken Sie daran, dass der Die aus sprödem Silizium besteht und der Leadframe weich und formbar ist.

Bildbeschreibung hier eingeben

Vishay Siliconix empfiehlt für seine TO-220-Pakete ein Drehmoment von 1,7 Nm. Es gibt einen begrenzten Vorteil gegenüber 10 in-lb, wie hier gezeigt:

Bildbeschreibung hier eingeben

Die Verwendung von Drehmomentschraubendrehern und -schlüsseln bei Leistungsgeräten ist weit verbreitet. Wie bei allen anderen Geräten müssen sie möglicherweise regelmäßig kalibriert und getestet werden. Preiswerte, wie sie von Büchsenmachern usw. verwendet werden, beginnen bei etwa 50 US-Dollar.

Spehro Pefhany
quelle
Stimmen Sie dem oben genannten Benutzer zu, dass bei meiner Anwendung zum Zusammenlöten der Drain-Leitungen die Leitungen Wärme ansammeln können, die nicht schnell genug an den Kühlkörper / die Stromschiene abgegeben wird, um eine Überhitzung zu verhindern?
user95482301
Guter Punkt zum Überhang. Ich habe es überprüft und zum Glück beträgt der Überhang des Metallteils nur ~ 1 mm - was ich hoffe, akzeptabel ist. Ich hatte gehofft, dass der Chip nicht wärmer wird als "warm anfühlt", aber vielleicht bin ich zu optimistisch. Wenn ein Strom von 100 A durch 4 MOSFETs geteilt wird, beträgt er nur 25 A bei einem Einschaltwiderstand von 2,5 mOhm (oder weniger) und einer Schaltwärme (1 kHz sollte jedoch relativ niedrig sein?)
user95482301 24.01.17
2
@ user95482301 Die oben beschriebenen Leistungsberechnungen sind äußerst unkompliziert. Dies erfordert eine viel sorgfältigere thermische Analyse, insbesondere, wenn Sie die Leistung auf mehrere MOSFETs verteilen. (Angenommen, ein Anteil von 25A ist zu optimistisch).
Glen_geek
@glen_geek, also ... 5 MOSFETs dann? :) Ich bin nur ein Hobbyist, also ist das Erlernen der Thermoanalyse wahrscheinlich teurer als das Überdimensionieren? Würden sich die MOSFETs nicht in gewissem Maße selbst ausgleichen (+ / 20% Stromungleichgewicht im Vergleich zum Durchschnitt)? ZB könnte ich annehmen, dass einer 30A hat, während ein anderer 10A ist? Am Ende hoffe ich, dass das Kupfer die Wärme absorbiert und ich bei Bedarf einfach einen Lüfter
anbringen kann
1
@glen_geek Ich bin kein Experte für Mosfets, aber als ich nachforschte, um diesen Kommentar zu schreiben, stieß ich auf onsemi.com/pub_link/Collateral/AND8199-D.PDF . In diesem Artikel wird darauf hingewiesen, dass MOSFETs positive Temperaturkoeffizienten aufweisen und daher generell zum Lastausgleich neigen. Es wird mit Sicherheit keine perfekte Balance sein, aber zumindest in diesem Artikel wird vorgeschlagen, dass es keine thermischen Probleme gibt, mit denen man sich auseinandersetzen muss.
Cort Ammon - Reinstate Monica
11

Bin ich zu Recht davon ausgegangen, dass sich die gesamte Elektronik im schwarzen Kunststoffteil befindet,

Ja,

und dass ich es daher so fest anziehen kann wie ich möchte?

Nein, da dies das Metallteil, das Sie auf die Stromschiene schrauben, verformen würde und das nicht gut mit den Innenseiten des schwarzen Kunststoffteils spielt :)

Aber vorausgesetzt, Sie planen nicht, rohe Gewalt anzuwenden:

Das Drücken des Gehäuses gegen die Metallstange hat die Aufgabe, die Dicke der Wärmeleitpaste zwischen dem Gehäuse und der Stange zu minimieren. Irgendwann wird dieser Druckanstieg die Dicke nicht mehr wesentlich verringern. Ich würde das "Hand-schnell mit einem gewöhnlichen Schraubenzieher" nennen; aber ich bin sicher, ein offizieller Standard dokumentiert das.

BEARBEITEN mit dem alternativen Datenblatt, das tatsächlich anzeigt, dass die Registerkarte mit dem Drain verbunden ist, macht Ihre Schaltung viel mehr Sinn :)

Also ja, in diesem Fall keine Wärmeleitpaste. Stattdessen würde ich es ehrlich gesagt einfach an die Sammelschiene anlöten

  • Aufbringen von Lötpaste und Platzieren der Transistoren auf der Sammelschiene (nicht unbedingt sogar Befestigen mit einer Schraube, es sei denn, die Baugruppe könnte erheblichen Vibrationen ausgesetzt werden. In diesem Fall ist die Schraube obligatorisch, um das Risiko von Lötstellenrissen zu verringern.)
  • Erwärmen der Stromschiene von unten bis die Lötpaste schmilzt und einen guten Kontakt herstellt,
  • die Heizung ausschalten,
  • und dann sofort mit dem Abkühlen beginnen, wahrscheinlich mit einem Strom frischer Luft, um sicherzustellen, dass die von unten kommende "Hitzewelle" keine viel höhere Temperatur erreicht. Übertreiben Sie es jedoch nicht mit dem Abkühlen, da schnelle thermische Änderungen weder die Eigenschaften der Lötstelle noch die Integrität Ihres Transistors beeinträchtigen.

Beachten Sie, dass dies mit dem Paket 263 möglicherweise einfacher ist.

Marcus Müller
quelle
Ich werde keine Wärmeleitpaste auftragen, da ich maximale elektrische Leitfähigkeit möchte. Würden Sie sagen, dass meine Bewerbung noch geeignet ist?
user95482301
Soweit ich das Datenblatt des MOSFETs gelesen habe, den Sie in Ihrem Schaltplan verwenden, habe ich keinen Hinweis darauf gefunden, dass der Metallflansch mit Gate, Source oder Drain verbunden ist. Ich habe angenommen, dass er isoliert ist!
Marcus Müller
1
@SpehroPefhany danke! Ja, das zweite Datenblatt ist eine Katastrophe.
Marcus Müller
3
@ user95482301 Nun, wenn sie es tun, nicht so zu sagen in einem Datenblatt , dass mehrere Ingenieure für die richtige verwechselte ist eine Katastrophe für sich.
Marcus Müller
3
@ MarcusMüller In Ihrer ersten Kugel unterschätzen Sie vielleicht die Bedeutung der Schraube (auch wenn das OP die Lasche verlötet): Wenn die Baugruppe starken und konstanten Vibrationen ausgesetzt ist, können die Lötstellen am Ende reißen. Das OP gab keine Ahnung von der spezifischen Anwendung, aber es ist nicht unangemessen, an ein industrielles Hochleistungsumfeld zu denken (etwas, das an ein schweres Maschinengehäuse angehängt ist?).
Lorenzo Donati unterstützt Monica am
5

Ich würde vorschlagen, dass Sie, wenn Sie mit Hochstromanschlüssen zu TO-220-Paketen durchhalten, ein Alptraum-Außendienst- / Reparaturszenario für sich selbst erstellen. Für jede professionelle Anwendung ist es viel besser, ein modulbasiertes Gerät wie dieses auszuwählen . Module sind bei weitem die besten, wenn es um alles geht, was an eine Sammelschienenbaugruppe geschraubt werden muss, und sie sind heutzutage nicht allzu teuer.
Sobald Sie in den 50-100 A-Bereich gelangen, werden die Kabelgrößen in der Regel unhandlich und müssen fest verankert werden. Einfache Lötstellen sind immer gefährdet und können mit der Zeit spröde werden.

Für jedes Hobby sollten Sie berücksichtigen:

  1. Die Schraube, mit der das Paket an der Sammelschiene des TO-220 befestigt ist, ist viel zu klein. Selbst wenn Sie den gesamten Durchmesser der TO-220-Montagebohrung verwenden, ist es unwahrscheinlich, dass Sie mit einer echten Langzeitstabilität einen Flaschendruck von> 10 in / lbs erreichen können, selbst mit Stahl und Federscheibe. Derartige Druckkontakte sind bei hohen Strömen nicht realisierbar.

  2. Das Löten eines TO-220-Pakets ist immer eine Option, aber das Löten mehrerer Geräte an eine Sammelschiene ist eine nicht praktikable Lösung. Es ist unwahrscheinlich, dass Sie sie jemals reparieren können.
    Löten Sie das Paket auf einen Kupferstreifen (ich verwende für diesen Zweck 0,125 x 0,5 x 1,25 ETP-Kupferstreifen ). Diese können einfach in eine SMT-Schublade eingelötet werden (fügen Sie die Lasche hinzu und fügen Sie das Gerät mit Flussmittel auf der Rückseite hinzu, wenn die Temperatur erreicht ist). Laschen wie diese ermöglichen mehrere und viel größere Befestigungsschrauben mit angemessener Drehmomentkapazität. Wenn Sie die Laschen an die Stromschiene schrauben, reinigen Sie die Verbindungen, verwenden Sie jedoch kein Kühlschmierfett, da es nicht elektrisch leitend ist. Verwenden Sie immer eine flache Stahlscheibe und eine Federscheibe unter der Mutter und eine flache Scheibe unter dem Schraubenkopf.

  3. TO-220 Leadframe-Verbindungen sind nicht für freie Kabelverbindungen ausgelegt, insbesondere bei höheren Strömen. Wenn Sie dies tun müssen, verwenden Sie eine Lötdrahtzwinge wie diese , um eine spannungsfreie Lötverbindung zu gewährleisten, bei der eine Temperaturalterung weniger wahrscheinlich ist. Sie müssen auch den Draht stützen, da der Leadframe bricht, wenn Sie auch nur eine mittlere Vibrationsumgebung haben. Der Leadframe sollte keinen seitlichen oder flexiblen Kräften ausgesetzt werden. Es ist eine gute Idee, Verbindungen wie diese mit einer zweiteiligen Barriere als Stressabbau zu unterstützen.

Jack Creasey
quelle
Meine Sorge war, dass die SOT-227-Module einen hohen Rdson-Wert aufweisen und im Vergleich zu Rohdatenblättern teuer erscheinen (z. B. 18 USD für 155 A / 12,9 mOhm klingt nicht sehr attraktiv im Vergleich zu 1 USD für 120 A / 2,5 mOhm ... ). Aber offensichtlich ist ein Modul viel handlicher. Alles ist einfacher zu handhaben, wenn Sie bereit sind, Geld auf ein spezielles Produkt zu werfen.
user95482301
Denken Sie, dass dieser Ansatz besser wäre? Ich gehe davon aus, dass es mehrere Probleme lösen würde: z. B. Strombelastbarkeit / Wärmekapazität der Beine, keine Probleme mit Vibrationen / Lötstellen ... aber es gäbe keinen Gatewiderstand, könnte ein Problem auftreten (und das Wiederherstellen eines Lötwiderstands mit dem Gate würde sich wiederholen das Problem der Vibration am Gelenk): turtlesarehere.com/assets/images/Gate-Source.jpg
user95482301
@ user95482301 Gate-Widerstand ist in einem Design nicht unbedingt erforderlich, und alle Designs haben eine inhärente I- (Gate-) Ladestrombegrenzung. Das Problem beim Löten führt zu Gate und Source, da das Gehäuse nicht für diese Art der Implementierung ausgelegt ist. Ihr Kostenbeispiel ist viel komplizierter als nur der Preis. Angenommen, Sie benötigen bei 120 A mindestens 1 bis 4 AWG Kabel, um diesen Strom zu führen (und die Wärme vom Anschluss abzuleiten). Wie würden Sie eine Lötstelle bereitstellen? Welche andere Form der Kündigung oder Unterstützung würden / könnten Sie aufbauen? Fast alles, was Sie hier tun, ist mechanisch einem hohen Risiko ausgesetzt.
Jack Creasey
@ user95482301. Ich habe diesen Ansatz (Kupfer-Tabs) im Laufe der Jahre in verschiedenen Hobby-Situationen verwendet und es war immer leicht zu reparieren (wenn der Rauch austritt). Ich habe auch an professionellen 3-Phasen-Netzteilen (Supermini Era) mit Strom in den 100er-Jahren von Ampere und Kurzschlusserkennung im 1000-A-Bereich gearbeitet. Es ist nicht nur der Rauch, der hier rauskommt, sondern auch das blaue Licht, das Trümmer hinterlässt.
Jack Creasey
1

Aus der Grafik geht hervor, dass 10 in-lb das Drehmoment ist, das Sie verwenden sollten.

Wegen möglicher Erwärmungs- und mechanischer Probleme empfehle ich die Verwendung einer Metall-Sicherungsscheibe zwischen dem Schraubenkopf und der TO-220-Lasche. Außerdem sollten Sie den Überhang minimieren, aber nicht so kurz, dass die Leitungen anfällig für einen Kurzschluss zur Stromschiene sind.
Ich bin der festen Überzeugung, dass es keinen besseren Lehrer als Erfahrung gibt, also mach weiter und baue die Rennstrecke auf. Sie wird dir alle Mängel aufzeigen, die dein Design haben könnte. Beachten Sie, dass dies für einen Prototyp und nicht für ein fertiges kommerzielles Produkt in Ordnung ist.

Guill
quelle
0

Wie eng ist 7nm. Verwenden Sie eine Mutter und einen Bolzen mit einer externen Sternsicherungsscheibe und einen Tupfer permanenten Gewindesicherungs-Loctite, um ein to220-Paket sicher zu halten.

danny117
quelle