Un esempio pratico
Facciamo un esempio pratico. Prendiamo il IRLB3034PBf.
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Si tratta di un
MOSFET a canale N di IR, in contenitore TO-220, dalle caratteristiche notevoli.
Il foglio dati fornisce i
seguenti parametri:
| massima potenza |
Pd(max)
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375 W |
| corrente massima |
Id(20°C)
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343 A |
| minima resistenza drain-source |
Rds |
1.7 mohm |
| resistenza termica giunzione-ambiente |
Rθja |
62 °C/W |
| temperatura massima di giunzione |
Tj(max)
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175 °C |
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Possiamo porre alcune domande.
Con una corrente drain-source di 343A, quanta potenza Pd
dissiperà il MOSFET
in piena conduzione?
Piena conduzione si intende il punto in cui la resistenza tra drain e source
è la minima, ovvero, in questo caso, 1.7 milli ohm. Quindi:
Pd = I2
* Rds = 3432 * 0.0017 = 200 W
Questa potenza Pd è dissipabile realmente dal semiconduttore,
senza usare un dissipatore di calore?
Il calore prodotto alla
giunzione si trova a dover superare la resistenza termica tra questa e la
superficie del package Rθja
, per poi disperdersi nell' ambiente. Supponiamo che l' ambiente
Ta sia a 20 °C, quindi
Tj = (Pd * Rθja) +
Ta = (200 * 62) + 20 = 12420 °C
Ovviamente la cosa è impossibile.
Quale sarà allora la potenza massima dissipabile ?
E' presto detto: la potenza massima che il dispositivo può supportare, senza
aggiungere alcunchè al package è limitata dalla resistenza termica tra
giunzione ed ambiente Rθja
, dalla temperatura massima della giunzione Tj
e da quella
dell' ambiente
Ta.
Il concetto da tenere presente è il seguente: il die produce calore e se non
viene sottratto, questo calore si accumula e porta ad un aumento tale della
temperatura da danneggiare il chip. Come abbiamo visto nel modello elettrico,
il calore (corrente) passa attraverso la resistenza termica del materiale, a
capi della quale si determina una differenza di temperatura. La temperatura
nel die dipenderà da quanta potenza termica viene eliminata attraverso questa
via. Quindi:
Pd = (Tj
-
Ta) / Rθja
Supponendo una temperatura ambiente Ta massima di
20 °C, abbiamo:
Pd= (175 - 20) / 62 =
2.5 W
Infatti, se applichiamo una potenza Pd di
2.5W con una temperatura ambiente
Ta di 20°C, la giunzione assumerà la
temperatura Tj :
Tj = (Pd * Rθja) +
Ta = (2.5 * 62) + 20 = 175 °C
ovvero il massimo ammissibile.
Quindi, attenzione ad interpretare correttamente i fogli dati: certamente
il foglio dati dà 375W come potenza massima, ma questo dato è fornito con un riferimento alla temperatura massima di
25°C per il case.
Questo non lo possiamo ottenere dal solo transistor, perchè la resistenza
termica tra giunzione e ambiente lo mette a rischio già dissipando 2 W. In
altre parole, esso non è in grado di scambiare con l' ambiente circostante una potenza
superiore, date le dimensioni molto piccole del package.
Perchè a rischio? Perchè la temperatura di 175°C, come abbiamo detto, è un
massimo non superabile e, con il calcolo fatto basta un minimo aumento della
temperatura ambiente o della corrente per danneggiare irrimediabilmente il
semiconduttore.
Anzi, per lavorare con un minimo di sicurezza, sarà necessario valutare una
temperatura di giunzione inferiore al massimo, ad esempio 125-150°C
Per poter fare molto di più, occorrerà aggiungere un dissipatore di calore,
come vedremo più avanti.
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