|
Безопасная мощность рассеивания и нагрев SiC мосфетов
| |
| kotrad78 | Дата: Пятница, 2025-Апр-18, 00:34 | Сообщение # 1 |
 мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1005
Статус: Offline
| Странно, что этот тест ещё ни разу не проводил раньше, поэтому, нужно исправиться)
Когда транзистор работает на низких (100кГц) частотах, его нагрев определяется в основном только сопротивлением канала. Поэтому, для ШИМ модуляторов нужно выбирать мосфеты с минимальным сопротивлением канала.
А вот для передатчиков львиный нагрев уже приходится на потери от переключения. И они очень существенные. Поэтому, для передатчиков нужно выбирать мосфеты с минимальным временем нарастания и спада (Rise Time / Fall Time).
Расчёт нагрева можно сделать с помощью этой программы: https://radiorubka.at.ua/forum/17-318-1
Однако, расчёт расчётом, но, сколько же в реальности потерь/нагрева сможет выдержать карбид? За основу взял GC2M0160120D. Для максимально безопасного эксперимента просто подал ему на сток-исток 12В, а затем плавно повышал напряжение на затворе, фиксируя выделяемую мощность + нагрев. Всё просто. Это синтетический тест. При работе на мегагерцовых частотах нагрев будет примерно на 15-20% выше (перезаряд затвора, перезаряд выходной ёмкости).
Стенд - боевой ЕШ передатчик)
1. На текстолите лежит кусок промышленной, медной шины толщиной 4мм, шириной 5см, длиной 12см. Шину шлифовал для максимально ровного и гладкого состояния.
2. К шине через термопасту Hike T-1 (отечественная, диэлектрическая https://aliexpress.ru/store/1102821485 ) прикручен кулер ID-Cooling DK-19 PWM. Воздушный поток 45.8CFM , 2200об/мин, на коробке нигде рассеиваемая мощность не указана, но продавец уверял, что 95Вт. На кулер подано 12В, максимальные обороты.
3. Через ту же термопасту на медную пластину установлена диэлектрическая, нитрид алюминиевая, керамическая прокладка толщиной 1мм. У неё самая лучшая теплопроводность из всех существующих. Покупал когда-то тут https://aliexpress.ru/item/1005001896184063.html но, сейчас ссылка может быть заблочена из-за санкций для покупателей из некоторых стран. Попробуйте написать в лс самому продавцу, чтобы он дал новую: https://aliexpress.ru/store/5098051
4. После прокладки опять термопаста и SiC карбид. Затвор и исток зашунтирован 6.2кОм резистором, от помех. Между сток-истоком конденсатор 100мкф, тоже от помех.
5. Температура фиксировалась в центре корпуса и рядом, на медной шине, нарисовал там маркером чёрную метку, чтобы тепловизор корректно снимал показания. Зелёные стрелки.
6. Температура в помещении около 30 градусов, жарко сейчас. На улице тепло, отопление ещё не отключили. Но, зато тест будет почти как для лета).
Итак, делал градации замера через 5Вт, результаты покажу по 10Вт.
1. 10Вт.
мосфет - 43.1
шина - 40.7
дельта - 2.4
Сток - исток, 12В, ток 0.9А
Напряжение на затворе (забыл записать)
2. 20Вт.
мосфет - 50.4
шина - 45.9
дельта - 4.5
Сток - исток, 12В, ток 1.7А
Напряжение на затворе 6.2В
3. 30Вт.
мосфет - 58.1
шина - 51.5
дельта - 6.6
Сток - исток, 12В, ток 2.5А
Напряжение на затворе 6.45В
4. 40Вт.
мосфет - 66.2
шина - 57.5
дельта - 8.7
Сток - исток, 12В, ток 3.4А
Напряжение на затворе 6.62В
В следующем сообщении продолжу.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Пятница, 2025-Апр-18, 01:01 | Сообщение # 2 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1005
Статус: Offline
| 4. 50Вт.
мосфет - 74.2
шина - 63.1
дельта - 11.1
Сток - исток, 12В, ток 4.2А
Напряжение на затворе 6.73В
И вот видео.
Ссылка на видео, у кого проблемы с ютубом: https://disk.yandex.ru/i/bEbKFxUqIxdiJQ
- В начале видео карбид нагрет 50 ваттами.
- В 00:04 отключаю питание на затворе. До 02:34 идёт процесс остывания всей системы, кулер работает. Можно проанализировать скорость охлаждения карбида и медной шины, когда, например с ПРД переходим на приём.
- В 02:38 вновь подаю питание на затвор 6.73В. Можно видеть, как тепло кристалла транзистора очень быстро переходит на нитридную термопрокладку, а от неё на медную шину. Очень быстро.
- И до конца видео можно наблюдать как разогревается транзистор и медная шина рядом. Кулер, напоминаю, молотит на полную.
Итог.
1. Выше 50Вт не разогревал, поскольку в реальной работе нагрев, как писал ранее будет ещё немного выше.
2. Хоть карбиды и могут работать до 150-170 градусов, в отличие от кремниевых мосфетов, но, лучше до такой жары не кочегарить. 70-80 градусов корпус - разумный предел для надёжности.
3. Медная 4мм шина + кулер позволит безопасно рассеивать 50Вт с карбида, у которого сопротивление канала 160мОм. Если же у вас пассивная и алюминиевая система охлаждения, 30-35Вт это предел, иначе перегреется и сгорит. И не важно какого размера будет радиатор, хоть 1х1км!! Алюминий просто не будет успевать отводить и рассеивать тепло от транзистора!
4. Нитридная прокладка лучше оксид-алюминиевой примерно на 4-5 градусов. То есть, если сейчас транзистор с нитридной нагрелся до 74.2, с оксид-алюминиевой нагреется где-то до 78-80. Их покупал тут https://aliexpress.ru/item/1005005122359439.html Так что, если финансы позволяют, лучше, конечно брать нитридную. Только не затягивайте со всей дури, помните, что керамика - хрупка. Песчинка попадёт между прокладкой и транзистором или шиной - лопнет.
Сообщение отредактировал kotrad78 - Пятница, 2025-Апр-18, 01:11 |
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Пятница, 2025-Апр-18, 01:27 | Сообщение # 3 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1005
Статус: Offline
| Мне тут попутно ещё одна идея пришла.
1. Берём вот такой термометр https://aliexpress.ru/item/1005006588478888.html У него как раз терморезистор под М3 болт
2. И прикручиваем терморезистор через термопасту прямо в центр транзистора, там, где кристалл начинает греться. Прикручиваем под тот же болт, которым и сам транзистор крепится:
В итоге получим индикатор нагрева транзистора.
А если передатчик мостовой, 4 карбида, будет 4 цифровых табло на передней панели. А как известно, чем больше лампочек светится и горит на лице передатчика, тем дальше связь. 
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Пятница, 2025-Апр-18, 11:48 | Сообщение # 4 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1005
Статус: Offline
| Цитата kotrad78 (  ) 3. Медная 4мм шина + кулер позволит безопасно рассеивать 50Вт с карбида, у которого сопротивление канала 160мОм. Если же у вас пассивная и алюминиевая система охлаждения, 30-35Вт это предел, иначе перегреется и сгорит.
Сейчас более детально дал разным ИИ (китайскому, американскому) вводные данные, и вот, какой результат.
1. Карбиды делаются по одинаковой технологии, поэтому, даже у американских Cree (WoolfSpeed) Thermal Resistance from Junction to Case деклаируется до 1 C/W. При 50Вт нагрев корпуса был 74 градуса. С учётом вводных данных, температура кристалла может достигать 125 градусов:
Это безопасно для пиковой, кратковременной работы, но сократит жизнь транзистору при длительной работе.
2. Затем вбивал разные значения температур при разных мощностях и подбирал, чтобы кристалл не грелся выше 100 градусов. Получилось 35Вт
3. Но, это нагрев при постоянном токе! При работе в импульсном режиме, как ранее писал, нагрев будет выше. Вот, какие примерно получились результаты:
При работе передатчика на 3.3МГц:
- если мощность потерь на транзисторе 35Вт, нагрев кристалла 115-120
- если мощность 30Вт, нагрев кристалла 102
- если мощность 25Вт, нагрев китсталла 90.
Это, в принципе совпадает с реальными замерами из прошлых опытов.
Таким образом, делаем заключительный вывод.
1. Если у вас медная шина + кулер, максимальная, рассчётная мощность для ТО-247 карбида на частоте 3.3МГц - до 30Вт.
2. Если у вас алюминиевый, пассивный радиатор, то, до 20..22Вт.
Имеется в виду для долговременной, безопасной работы транзистора.
В общем, если у вас есть тепловизор или термопара, не допускайте нагрев корпуса силового ТО-247 мосфета на выходе передатчика выше 60 градусов! Это будет безопасная температура для длительной работы.
Сообщение отредактировал kotrad78 - Пятница, 2025-Апр-18, 11:55 |
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Воскресенье, 2025-Апр-27, 21:00 | Сообщение # 5 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1005
Статус: Offline
| Провёл первое испытание компьютерного кулера на медных тепловых трубках в качестве охладителя для ТО-247 карбидов.
Основной задачей было узнать, эффективен ли кулер на тепловых трубках перед медной шиной + обычным кулером, и если да, то на сколько.
За основу взял кулер на 4-х термотрубках SE-214-XT от китайской компании ID-COOLING https://aliexpress.ru/item/1005007132915977.html Эта компания производит качественные кулеры, всегда их беру. У данного кулера 12см вентилятор, на ток 200мА, при 7В ток 100мА. Вентилятор надёжно стартует от 2.6В. До 6-7В его вообще не слышно. При 12В шум потока воздуха слышен, но, когда будет стоять в корпусе, будет еле слышен. Воздушный поток 76CFM.
Взял монтажную плату, припаял брюхом вверх 160-й карбид из прошлых тестов.
Чтобы снимать тепловизором нагрев корпуса с обратной стороны, в плате сделал отверстие
Нанёс термопасту Hike-T1 на нитрид-алюминиевую 1мм, керамическую термопрокладку (с двух сторон) и прикрутил сверху кулер
Так выглядит транзистор с прокладкой под основанием кулера
Вот такой размер кулера, транзистор для понимания размеров
В следующем сообщении продолжу.
Сообщение отредактировал kotrad78 - Воскресенье, 2025-Апр-27, 21:30 |
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Воскресенье, 2025-Апр-27, 21:28 | Сообщение # 6 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1005
Статус: Offline
| Ещё одно фото кулера с транзистором
Процесс тестирования такой же, как и на медной шине. Вентилятор кулера молотит на полной скорости. На сток-исток подал с одного блока питания 12В, с другого блока питания постепенно повышал напряжение на затворе, разогревая транзистор до определённой мощности.
1. 40Вт.
- нагрев на медной шине + обычный кулер: 66.2С (начало темы, там фотки)
- нагрев на кулере с тепловыми трубками 47.6С
- дельта 18.6С
2. 50Вт.
- нагрев на медной шине + обычный кулер: 74.2С
- нагрев на кулере с тепловыми трубками 53.0С
- дельта 21.2С
3. 60Вт
- тест на медной шине не проводил, т.к. 50Вт для неё уже потолок
- нагрев на кулере с тепловыми трубками 58.0С
И видео скорости нагрева и остывания при 60Вт выделения тепла на карбиде:
Ссылка на видео, у кого ютуб не работает: https://disk.yandex.ru/i/B-fFenNh7Ot2Xw
Тот же процесс, но теперь тепловая камера смотрит под основание кулера. Датчик P1 - корпус карбида, датчик P0 - керамическая нитрид-алюминиевая прокладка. Те же 60Вт.
Ссылка на видео, у кого ютуб не работает: https://disk.yandex.ru/i/jrAbpzbi8u0DpA
Итоги.
1. Кулер с тепловыми трубками охлаждает транзистор на 20 градусов лучше, чем медная шина + обычный кулер. Результат великолепный и разница просто огромная!!
2. При начале работы внутри транзистора кристалл от нагрева получает тепловой удар. Скорость отвода тепла очень высока, поэтому тепловой удар безопасен для кристалла.
3. 58 градусов при 60Вт... В теории, думаю и 80-90Вт выдержит. В любом случае, строить охлаждение транзисторов передатчика на кулере с тепловыми трубками очень эффективно!
Это тест при прямом контакте корпуса транзистора с кулером. В реальности такую систему можно сделать только для передатчиков класса Е, где 1 транзистор, или для двухтакта, где 2шт. Если делать мост, где 4 транзистора, нужны дополнительные тепловые трубки. Скоро они приедут и тоже проведу тест:
Тепловой путь: транзистор --> прокладка --> 15см тепловые трубки --> кулер.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Понедельник, 2025-Апр-28, 04:39 | Сообщение # 7 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1005
Статус: Offline
| Цитата kotrad78 ( ) Нанёс термопасту Hike-T1 на нитрид-алюминиевую 1мм, керамическую термопрокладку (с двух сторон) и прикрутил сверху кулер
Опыт 2. Теперь нанёс старую добрую КПТ-8
Так же разогрел карбид до 60Вт.
Нагрев:
- диэлектрическая термопаста Hike T1 - 58C
- диэлектрическая термопаста КПТ-8 - 58.8С
Если взять погрешность чуть выше (возможно в помещении сейчас чуть холоднее было, чем при прошлом эксперименте), то, в среднем КПТ-8 на участке 60 градусов хуже Hike-T1 на 1-2 градуса. Разница видна, но, не существенна.
Когда-то давно сравнивал термопасты. Там разница более видна, если выше температура. Если при 60 1-2 градуса, то при 70 около 4, при 80 около 6-7 градусов.
В любом случае, если не кочегарить транзистор до температуры ядерного реактора, то КПТ-8 отлично справится. Главное, всегда покупать свежую, современную, новую и не брать ту, что десятилетиями в чулане лежала)).
p.s. Напомню, что в эксперименте ставил 1мм по толщине нитрид-алюминиевую, диэлектрическую керамику. Это самая крутая термопрокладка для транзисторов на сегодня. Если ставить слюду или силикон, разница между КПТ-8 и Hike T1 гораздо сильнее будет заметна.
|
| |
| |
|
