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Allora, la potenza di 375 W ...?
Ricorriamo ancora al foglio dati. Questo parametro fornito dal foglio dati è un valore massimo e indica la potenza trattabile dal semiconduttore se questo fosse mantenuto ad una temperatura tale da non pregiudicare la giunzione. All' atto pratico, questo non è possibile.

Se osserviamo il foglio dati con cura, troviamo la tabella a lato, che rappresenta la SOA (Safe Operating Area = area operativa di sicurezza) del semiconduttore, ovvero la curva che indica il limite della potenza dissipabile in funzione della temperatura, in questo caso la temperatura del case.

La curva fornisce una chiara indicazione: il chip è in grado (teoricamente) di trattare una corrente di oltre 300A, ma nella pratica IRBL3034 non supera i 195A, in quanto il trasferimento di calore all' esterno, verso un adeguato sistema di smaltimento, è fortemente limitato dalla natura del pagkage TO-220, oltre alle dimensioni insufficienti della sezione dei pin.

Dunque, la corrente massima erogabile (e quindi la potenza massima) si riduce con l' aumentare delle temperatura del package, fino ad azzerarsi quando questa arriva al limite massimo sopportabile dalla giunzione.
Con 195A, la potenza dissipata in conduzione sarà di:

Questa potenza rientrerebbe ampiamente nelle possibilità di un package maggiore del TO-220 applicato ad un dissipatore; una versione di questo MOSFET che utilizzasse un diverso package, ad esempio un TO-247 o un blocchetto tipo ISOTOP avrebbe una corrente "package limited" molto maggiore.

Una ulteriore tabella rappresenta le condizioni operative di sicurezza in funzione della corrente di drain (I_D) e della tensione drain-source (V_DS).

L'area, teoricamente quadrata, in realtà ha un andamento riduttivo in funzione dei parametri realizzativi del componente, che costituiscono limiti sensibili alle prestazioni energetiche.

In particolare si nota il limite imposto dal package TO-220 che taglia, come visto prima, la massima corrente.
Inoltre una porzione dell' area operativa è preclusa dalla resistenza di conduzione del MOSFET (R_DSon).

Altro parametro che genera curve via via più limitanti è il tempo in cui viene applicata la potenza: minore è la durata dell' impulso, maggiore sarà al sua possibile ampiezza.

Questo è dovuto al fatto che tra un impulso e il successivo ci sia un tempo adeguato perchè il calore possa essere smaltito. La curva più limitante è quella relativa all' applicazione continua della potenza (DC).
In ultimo osserviamo che le curve fanno riferimento ad una temperatura ambiente di 25°C; se questa è maggiore, esse dovranno venir valutate in modo via via più limitativo.

L' area di possibile funzionamento del componente sta al di sotto di queste curve ed indica che il componente è raffreddato adeguatamente.

Un' altra forma comune di curva SOA è quella disegnata in funzione della potenza e della temperatura misurata sul case.

Quella di seguito riportata è la tipica curva di derating di un darlington di potenza MJ11016 in package TO-3, nella versione prodotta da SPC Multicomp.

Dal foglio dati si rileva che:

la potenza massima dissipabile P_d_(max)è 200W e viene dichiarato un derating di 1.15 W/°C.
la resistenza termica tra giunzione e case R_θ_jc, è 0.87 °C/W
la massima temperatura alla giunzione T_j(max)è 200°C

Osservando il diagramma si nota come il dispositivo possa dissipare 200W solo se la temperatura del contenitore è inferiore a 25°C, dopo di che , con l' aumentare della temperatura misurata al case, la potenza dissipabile si riduce linearmente, fino ad annullarsi a 175°C.
Ad esempio, con i dati forniti dal diagramma, per una temperatura del case di 100°C si potrà disporre di non più di 115-120W. Se la temperatura del package sale a 150°C, la potenza disponibile sarà solamente attorno ai 60W.

Il grafico è creato in relazione alla T_j(max) e alla R_θjc. Infatti vediamo che la fine della curva corrisponde alla massima temperatura ammissibile per la giunzione e la resistenza termica tra giunzione e case è data da:

dove T_n e T_m sono due punti di temperatura sull'asse delle ascisse e P_dn e P_dm sono i corrispondenti punti di potenza sull' asse delle ordinate. Ad esempio, prendendo la temperatura di 25°C e quella di 200°C (la curva è una retta in questo tratto), esse corrispondono rispettivamente a 200W e a 0W, per cui (25-200)/(0-200) = 0.87, che è il valore fornito nel foglio dati.

Il foglio dati del nostro IRLB3034 fornisce il dato di derating sotto forma numerica :

Il derating è lineare. Il suo valore indica che per ogni grado di aumento della temperatura ambiente, il rating di dissipazione di potenza deve essere ridotto.
Questo parametro è deducibile anche da questa considerazione: se la potenza massima dissipabile è 375 W a 25°C e diventa 0 a 175°C, la costante per grado è pari a (75-.25)/150 = 2.5 W/°C.
Con questo si intende che per ogni grado di aumento della temperatura del case la potenza dissipabile va ridotta di 2.5W. Così, con il case a 100°C, la potenza dissipabile dovrà essere ridotta di 100*2.5=250W, per cui sarà 375-250=125W. Se il case arriva a 60°C la potenza disponibile sarà 225W.

Possiamo arrivare a conclusioni analoghe anche attraverso la valutazione della potenza massima dissipabile dal MOSFET con diverse temperature ambiente:

Per non superare la massima temperatura della giunzione, con l' aumento della temperatura ambiente si deve ridurre la potenza dissipata; questo fatto dovrebbe essere evidente: se la temperatura ambiente è alta, occorre meno energia per elevare la temperatura della giunzione.

Di questo fattore di derating (la cui traduzione più adeguata è declassamento) si tiene conto solamente in poche (e serie) analisi relative alla dissipazione di calore dei semiconduttori, ma è un fatto fondamentale, che può limitare drasticamente le possibilità del componente rispetto alle aspettative.

Un altro esempio con un transistor molto comune, il 2N3055, in package TO-3 metallico.

Il foglio dati di OnSemi dichiara una potenza massima di 115 W con un derating di 0.657 W/°C per qualsiasi temperatura di esercizio superiore a 25 °C. Nessuna riduzione di potenza è necessaria per temperature inferiori a 25C.

Nella prima pagina della documentazione troviamo anche il grafico del derating, che , senza necessità di calcoli, ci indica la massima potenza utilizzabile in funzione della temperatura del package. Vediamo che, ad esempio, con il case a 75°C siamo limitati a soli 50W, meno della metà della potenza nominale.

Quindi, ancora una volta, è evidente che la potenza massima riportata nel foglio dati è un parametro "di massima".

L' effettiva possibilità di trattare potenza con quel dato componente sarà funzione di questo valore massimi, ma solo in uno stretto legame con la temperatura, dato che non deve essere in alcun caso superata la temperatura massima della giunzione, pena la distruzione della stessa.

Se verifichiamo il rapporto tra la potenza e la temperatura, osserviamo che corrisponde alla resistenza termica tra giunzione e case:

che è proprio il valore che il foglio dati indica.
Possiamo, quindi, dire che la resistenza termica tra giunzione e case è il fattore determinante della possibilità di dissipare potenza senza l' impiego di radiatori di calore.
Se utilizziamo un radiatore di calore, a parte la sua resistenza termica specifica, avrà importanza l' ampiezza della superficie di contatto tra case e dissipatore e la qualità del contatto. Quindi un semiconduttore con una elevata superficie (TO-3 metallici, ISOTOP, ecc) avranno migliori possibilità che non semiconduttori in case plastico o di piccole dimensioni; questo è il motivo per cui i costruttori scelgono il package dei semiconduttori in funzione della potenza che si prevede debbano trattare.

Se consideriamo un grosso transistor di potenza come il BUT32V di ST, dal data sheet rileviamo dei dati impressionanti:

V_ceo = 125 V
I_c = 100 A

La loro valutazione reale deve essere ponderata; chi ritenesse che questo componente possa lavorare con la massima corrente e la massima tensione, ovvero un prodotto V * I di 12500 W dimostrerebbe di non aver compreso nulla. Basterebbe verificare come sia P_max = 250 W per rendersene conto.

In effetti, il data sheet offre una curva di SOA.

Vediamo come il funzionamento a impulsi consente una maggiore dissipazione rispetto al funzionamento continuo. Un impulso di potenza da 10 uS da origine ad una curva rettangolare, dove il semiconduttore può, per questo breve, singolo istante, dare 100V/100A.

Ma con un singolo impulso da 1mS, a 100V non possiamo avere più di 18A. E in operazione continua, la tensione massima scende a 80V con 3A circa.
Il foglio dati fornisce anche curve di "impedenza termica", utili per le valutazioni di riscaldamento in un funzionamento a impulsi.

Inoltre, non manca una tabella di derating.

I 250W sono possibili solo se il case non supera i 25°C; per temperature superiori viene indicato dal diagramma i derating in cui la potenza totale è, come già visto negli esempi precedenti, una funzione della temperatura del package, considerando una temperatura massima della giunzione di 125°C.

Possiamo però osservare, rispetto al precedente esempio del 2N3055, che la potenza possibile, a pari temperatura, è maggiore; questo dipende certamente dalla struttura del transistor, ma fondamentalmente dalla resistenza termica tra giunzione e package, che per il BUT32 è di 0.5 °C/W.

E, sempre dal foglio dati, possiamo rilevare che la resistenza dell' accoppiamento tra case e dissipatore, utilizzando un compound termico, è di soli 0.05°C/W, il che è dovuto all' ampia superficie metallica dell' ISOTOP, circa 950 mm². Questo, a pari dissipatore, consente una maggiore potenza.

Per inciso, un dispositivo come questo non può essere pilotato direttamente dal microcontroller, avendo un guadagno tipico di 27, il che consente di comandare 0.675 A con i 25 mA massimi erogabili da un pin. Occorrerà una circuiteria tra microcontroller e transistor di potenza, che può non essere banale.

Dissipare il calore

Il derating

Conclusioni intermedie