Категории и разделы – Форум ELECTRONIX

Как рассчитать систему отвода тепла от силового элемента электронной схемы

Содержание

Формула для расчета охлаждения силового элемента

Для случая расчета теплоотвода электронного силового элемента то же самое можно сформулировать так:

[Температура кристалла силового элемента, грЦ] = [Температура окружающей среду, грЦ] + [Рассеиваемая мощность, Вт] * [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт]

где [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт] = [Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом, грЦ / Вт] + [Тепловое сопротивление между корпусом и радиатором, грЦ / Вт] + [Тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой, грЦ / Вт] (для случая с радиатором),

или [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт] = [Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом, грЦ / Вт] + [Тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой, грЦ / Вт] (для случая без радиатора).

В результате расчета мы должны получить такую температуру кристалла, чтобы она была меньше максимально допустимой, указанной в справочнике.

Подпишись на RSS!

Подпишись на RSS и получай обновления блога!

Получать обновления по электронной почте:

количество подписчиков Добавить в гугл ридер или на главную страницу

     Полное или частичное копирование материалов запрещено. При согласованном использовании материалов сайта активная ссылка обязательна.

Яндекс.Метрика Индекс цитирования

Сайт и форум

  1. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png
  2. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png
  3. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png
  4. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

    International Forum

    This is a special forum for English spoken people, read it first.

  5. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

    Образование в области электроники

    все что касается образования, процесса обучения, студентам, преподавателям.

    • Решение задач
  6. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

    Обучающие видео-материалы и обмен опытом

    Обсуждение вопросов создания видео-материалов

    Модераторы раздела iosifk 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_user_popup.png
  • Программируемая логика ПЛИС (FPGA,CPLD, PLD)

    1. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Среды разработки – обсуждаем САПРы

      Quartus, MAX, Foundation, ISE, DXP, ActiveHDL и прочие.
      возможности, удобства.

    2. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Работаем с ПЛИС, области применения, выбор

      на чем сделать? почему не работает? кто подскажет?

    3. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Языки проектирования на ПЛИС (FPGA)

      Verilog, VHDL, AHDL, SystemC, SystemVerilog и др.

    4. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Системы на ПЛИС – System on a Programmable Chip (SoPC)

      разработка встраиваемых процессоров и периферии для ПЛИС

  • Цифровая обработка сигналов – ЦОС (DSP)

    1. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Сигнальные процессоры и их программирование – DSP

      Обсуждение различных сигнальных (DSP) процессоров, возможностей, совместимости и связанных с этим тем.

    2. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Алгоритмы ЦОС (DSP)

      Обсуждение вопросов разработки и применения (программирования) алгоритмов цифровой обработки сигналов.

  • Присоединяйтесь к обсуждению

    Вы можете опубликовать сообщение сейчас, а зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, войдите в него для написания от своего имени.
    Примечание: вашему сообщению потребуется утверждение модератора, прежде чем оно станет доступным.

    Часть 2: Расчет тепловыделения MOSFET при ШИМ

    Теперь рассчитаем рассеиваемую мощность в случае использования ШИМ. Пусть сигнал ШИМ на затвор поступаем напрямую с микроконтроллера. Максимальный ток 25мА. Во время ШИМ есть 4 фазы: открытие затвора, высокий уровень, закрытие затвора, низкий уровень. Выделение тепла идет во всех фазах, кроме низкого уровня. Во время высокого уровня мощность равна U*I, как обычно. Мощность в фазе открытия затвора зависит от времени открытия, которое зависит от емкости затвора и тока драйвера. Пусть в нашем примере частота пусть будет 240Гц. Коэф. заполнения: 0.5. Ток 3А. Пусть это будет управление светодиодами, транзистор включен со стороны общего провода. Напряжение питания 5В.

    Рассчитать теоретически точно потери по всех фазах довольно сложная задача, так как параметры и результаты расчет зависят друг от друга и есть процессы происходящие в подложке. Но на практике такая точность и верность теории не требуется. Есть приблизительные оценки потерь в фазах открытия и закрытия, которые дают практические цифры, которые можно использоваться при вычислении тепловыделения. Для расчета эффективности (КПД) этот метод не годится.

    Потери в фазе высокого уровня (фазе полного открытия) мы считали в первой части и там нет ничего сложного.Для закрытия и открытия оказывается важным вид нагрузки: резистивная или индуктивная.

    Потери при переключении возникают из-за того, что в процессе переключения через транзистор проходит большой ток при большом напряжении. Можно взять идеализированную форму этого процесса и рассчитать потери с приемлемой точностью для практического расчета тепловыделения.

    Для резистивной нагрузки
    Psw=1/2 * Fs *Vds*Id*tsw

    Для индуктивной
    Psw=1/6 * Fs *Vds*Id*tsw

    Где
    Fs- частота
    Vds – напряжение сток-исток (в закрытом состоянии)
    Id- ток проходящий через транзистор (в открытом состоянии)
    tsw – время переключения

    Время переключения в первом приближении можно рассчитать по графику зависимости зарядка на затворе от напряжения затвор-исток.

    При напряжении 3.3В по графику заряд будет не более 4nC
    tsw= ЗарядЗатвора/ТокДрайвера =4nC/0.025A=160.4ns
    Считаем процессы закрытия и открытия симметричными. Тогда итоговые потери переключения, например, для резистивной нагрузки:

    Psw=1/2 * Fs * Vds * Id *tsw= 1/2 * 240* 20*3*160ns=1 мВт

    Время во включенном состоянии намного больше времени переключения, поэтому время переключения игнорируем (для больших частот это не так). Тогда потери в проводящей фазе равны D*I^2* Rds(on), где D – коэф. заполнения
    Pcond=0.5*3*3* 0,6563 = 2,95 Вт

    Видно, что потери на переключение пренебрежительно малы в сравнении с потерями в открытой фазе.

    Еще существуют потери связанные с паразитной емкостью сток-исток.
    Psw2=Coss* Voff^2*fs
    Где,
    Coss – выходная емкость, 130pF, из даташита

    Voff – напряжение сток-исток, когда mosfet выключен

    , 5ВFs – частота переключения, 240 Гц
    Рассчитаем
    Psw2=(130*10-12)*5^2*240=0,78 мкВт

    Т.е. на 3 порядка меньше основных потерь при переключении.А потери при переключении на 3 порядка меньше потерь проводимости.

    Ради интереса рассчитаем потери при частоте 2МГц, D=0,8 и тоге 20 А.
    Psw=10,6Вт
    Pcond=210 Вт
    Psw2=0.78мкВт

    Видно , что даже при таких условиях потери на переключение на порядок меньше потерь проводимости. Т.е. когда вы будете искать радиатор на 210 Вт, дополнительные 10Вт просто попадут в инженерный запас, который вы обязательно должны сделать (около 20%).

    Кроме этого рассчитывать надо крайний случай, которым является D=0.99, Pcond=260 Вт при этом Psw сохраняется прежним.

    Из приведенных формул можно сделать интересные выводы:

    1. Чтобы сократить потери на переключение, надо сократить время переключения. Для этого надо иметь мощный драйвер, который может отдавать большой ток в затвор.
    2. Малый ток затвора ограничивает скорость переключения. В нашем примере время включения и выключения было в районе 160 нс. Т.е. даже если только открывать и закрывать затвор минимальный период будет равен 320нс, т.е. максимальная частота, с которой можно открывать и закрывать затвор током драйвера в 25мА составит примерно 3МГц.
    3. Вклад частоты в потери линейный, а общий вклад потерь при переключении не существенный.
    4. При частотах до 1МГц и при токах до 20А вклад потерь при переключении составляет 1-2% от общих потерь и может быть смело проигнорирован. В этом случае потери на mosfet-е можно просто считать как Iout^2*Rdn(on)*D
    5. Выходное сопротивление управляющего сигнала и емкость затвора представляющий собой ФНЧ с частотой 1/Rout*Cgs,где Cgs=Ciss-Crss, но из фактических значений для любого разумного случая это сотни мегагерц минимум.

    Дополнительное чтение с более сложными расчетами, дающими примерно такой же результат по тепловыделению, но правильные для расчета КПД.
    https://www.exar.com/content/document.ashx?id=1245
    http://www.ti.com/lit/an/slpa009a/slpa009a.pdf

    Микроконтроллеры (MCs)

    1. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png
    2. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png
    3. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png
    4. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      MSP430

      Texas Instruments

      Модераторы раздела VAI 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_user_popup.png
    5. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png
    6. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Отладочные платы

      Вопросы, связанные с отладочными платами на базе МК: заказ, сборка, запуск

      • Arduino
      • Raspberry Pi
      • Rainbow
      • Siberia
      • EVMxxxx
  • Сборка РЭУ

    1. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Пайка и монтаж

      вопросы сборки ПП, готовых изделий, а также устранения производственных дефектов

    2. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Корпуса

      обсуждаем какие есть копруса, где делать и прочее

    3. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png
  • Аналоговая и цифровая техника, прикладная электроника

    1. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Вопросы аналоговой техники

      разработка аналоговых схем, моделирование схем в SPICE, расчёты и анализ, выбор элементной базы

      • Операционные усилители и АЦП
    2. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png
    3. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Rf & Microwave Design

      wireless технологии и не только

      Модераторы раздела l1l1l1 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_user_popup.png
    4. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Метрология, датчики, измерительная техника

      Все что связано с измерениями: измерительные приборы (осциллографы, анализаторы спектра и пр.), датчики, обработка результатов измерений, калибровка, технологии измерений и др.

      • Оптика и оптоэлектроника
    5. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      АВТО электроника

      особенности электроники любых транспортных средств: автомашин и мотоциклов, поездов, судов и самолетов, космических кораблей и летающих тарелок.

      Модераторы раздела Vasily_ 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_user_popup.png
    6. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png
    7. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      3D печать

      3D принтеры, наборы, аксессуары, ПО

    8. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Робототехника

      Модели, классификация, решения, научные исследования, варианты применения

    9. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Ремонт и отладка

      обсуждение вопросов ремонта и отладки различных устройств и готовых изделий

      Модераторы раздела Herz 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_user_popup.png
  • Поставщики компонентов для электроники

    1. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Поставщики всего остального

      от транзисторов до проводов

    2. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png
  • Майнеры криптовалют и их разработка, BitCoin, LightCoin, Dash, Zcash, Эфир

    1. 71b840526851d8d0c92ec72ce3ddea78_forum_icon.png

      Обсуждение Майнеров, их поставки и производства

      наблюдается очень большой спрос на данные устройства.

  • Рейтинг
    ( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
    Загрузка ...