Standard-Kühlkörpergrößen für TO-220, TO-247 und andere Leistungsbaugruppen
Die Standard-Kühlkörpergröße für TO-220-Gehäuse beträgt typischerweise 19 mm Breite, 12,7 mm Tiefe und 10 mm Höhe mit einem Wärmewiderstand von 15-25 °C/W bei natürlicher Konvektion, während TO-247-Gehäuse größere Kühlkörper mit 40 mm × 25 mm × 15 mm und 5-10 °C/W erfordern. Für kleinere Gehäuse wie TO-126 und D2PAK reichen die Standardgrößen von 12 mm bis 25 mm Breite, aber die korrekte Größe hängt letztendlich von der Verlustleistung, dem Luftstrom und der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur ab. Dieser Artikel liefert exakte Maßnormen, Wärmewiderstands-Richtwerte und Kostendaten aus BQUQs 20-jähriger CNC-Bearbeitungs- und Stanzproduktion in Dongguan, China.
Grundlagen der Gehäusethermik und Größenbestimmung
Die Kühlkörpergröße ist nicht willkürlich; sie wird durch die thermische Kreisgleichung bestimmt: Tj = Ta + P × (Rθjc + Rθcs + Rθsa), wobei Tj die Sperrschichttemperatur, Ta die Umgebungstemperatur, P die Verlustleistung, Rθjc der Wärmewiderstand Sperrschicht-Gehäuse, Rθcs der Wärmewiderstand Gehäuse-Kühlkörper und Rθsa der Wärmewiderstand Kühlkörper-Umgebung ist. Für einen TO-220 mit Rθjc von 3 °C/W muss der Kühlkörper bei einer Verlustleistung von 10 W und einer Umgebungstemperatur von 25 °C einen Rθsa unter (125 - 25)/10 - 3 - 0,5 = 6,5 °C/W bieten. Dies entspricht einem Standard-Strangpressprofil-Kühlkörper aus Aluminium mit 38 mm Breite, 25 mm Höhe und 12 mm Tiefe bei einer Grundplattendicke von 6 mm. Für TO-247 ermöglicht die größere Anschlussfahnenfläche (15,9 mm × 9,9 mm im Vergleich zu 12,7 mm × 6,6 mm bei TO-220) einen Rθjc von 0,6 °C/W, was bedeutet, dass dieselben 10 W nur einen Kühlkörper von 8-12 °C/W erfordern, also etwa 25 mm × 15 mm × 10 mm.
Standardabmessungen für TO-220, TO-247, TO-126 und D2PAK
Die folgende Tabelle listet BQUQs Standard-Produktionsabmessungen für Kühlkörper gängiger diskreter Gehäuse auf. Diese basieren auf den JEDEC-Registrierungsnormen und unserer 20-jährigen Fertigungsdatenbank mit über 5.000 kundenspezifischen Kühlkörperdesigns.
| Gehäuse | Typische Breite (mm) | Typische Tiefe (mm) | Typische Höhe (mm) | Grundplattendicke (mm) | Wärmewiderstand (°C/W) | Montagelochmuster (mm) |
| TO-220 | 19,0 - 38,0 | 12,7 - 25,4 | 10,0 - 25,0 | 3,0 - 6,0 | 8 - 25 | 2,54 Rastermaß, 3,2 Loch-Ø, 5,08 Abstand |
| TO-247 | 30,0 - 50,0 | 20,0 - 30,0 | 15,0 - 30,0 | 5,0 - 8,0 | 3 - 10 | 5,08 Rastermaß, 3,5 Loch-Ø, 10,16 Abstand |
| TO-126 | 12,0 - 20,0 | 8,0 - 15,0 | 6,0 - 12,0 | 2,0 - 4,0 | 15 - 35 | 2,54 Rastermaß, 2,5 Loch-Ø, 4,5 Abstand |
| D2PAK (TO-263) | 25,0 - 40,0 | 15,0 - 20,0 | 8,0 - 15,0 | 3,0 - 5,0 | 10 - 20 | SMD-Anschlussfahne, 2,54 Rastermaß, kein Loch |
| TO-3 (Metallgehäuse) | 40,0 - 60,0 | 30,0 - 40,0 | 20,0 - 35,0 | 6,0 - 10,0 | 1,5 - 5 | 10,92 Loch-Ø, 30,5 Abstand |
| TO-218/TO-3P | 35,0 - 45,0 | 20,0 - 25,0 | 15,0 - 20,0 | 5,0 - 7,0 | 3 - 8 | 5,08 Rastermaß, 3,5 Loch-Ø, 10,16 Abstand |
Für TO-220 ist der gebräuchlichste Standard der 19,0 mm × 12,7 mm × 10,0 mm „Clip-Mount"-Kühlkörper mit einem 3,2 mm Montageloch, das mittig bei 2,54 mm von der Kante positioniert ist. Diese Größe bietet 18 °C/W bei 75 °C Temperaturerhöhung und kostet 0,12-0,25 $ bei Abnahmemengen von 10.000 Stück. Für TO-247 ist der Standardkühlkörper 40,0 mm × 25,0 mm × 15,0 mm mit einem 3,5 mm Loch und 8,0 mm Grundplatte, bietet 6 °C/W bei 75 °C Temperaturerhöhung und ist mit 0,35-0,60 $ pro Stück bepreist. TO-126-Kühlkörper sind kleiner, typischerweise 15,0 mm × 10,0 mm × 8,0 mm, und liefern 25 °C/W bei 0,08-0,15 $. D2PAK-Kühlkörper sind in der Regel SMD-montierte Aluminiumplatten von 30,0 mm × 18,0 mm × 10,0 mm mit einem Wärmewiderstand von 15 °C/W.
Einfluss von Material und Oberflächenbehandlung auf die Größe
Aluminium 6063-T5 ist das Standardmaterial für 90 % der Standardkühlkörper aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit von 201 W/m·K und der einfachen Extrudierbarkeit. Kupfer wird nur verwendet, wenn der Platz kritisch ist, und bietet 385 W/m·K, jedoch zu dem 3-4-fachen Preis und dem 3,3-fachen Gewicht. Eine schwarz eloxierte Oberfläche (MIL-A-8625 Typ II, 18-25 Mikrometer Dicke) verbessert den Emissionsgrad von 0,04 auf 0,85 und reduziert den Wärmewiderstand bei natürlicher Konvektion um 15-25 %. Dies bedeutet, dass ein TO-220-Kühlkörper bei Schwarzeloxierung 10 % kleiner sein kann. BQUQ wendet eine Toleranz von 0,05 mm auf allen Montageflächen an, mit einer Ebenheit innerhalb von 0,03 mm pro 25 mm, um einen optimalen Wärmeübergangskontakt zu gewährleisten. Für Umgebungen mit starken Vibrationen empfehlen wir ein Verstemm- oder Verpressverfahren bei gestanzten Lamellen, das 0,5 mm Dicke zur Grundplatte hinzufügt, ohne die Außenmaße zu vergrößern.
Fertigungstoleranzen und Kosten nach Stückzahl
Die Produktionsmethode bestimmt die erreichbaren Toleranzen und den Stückpreis. Stranggepresste Kühlkörper haben eine Querschnittstoleranz von ±0,15 mm, während CNC-gefräste Kühlkörper ±0,02 mm erreichen. Gestanzte Kühlkörper aus 1,5-3,0 mm Aluminiumblech halten ±0,10 mm ein, sind aber auf Formen mit einem Ziehverhältnis von 2:1 beschränkt. BQUQs CNC-Bearbeitung bietet die engsten Toleranzen für TO-247-Kühlkörper mit mehreren Lamellenhöhen, jedoch zu höheren Kosten. Beispielsweise kostet ein 40 mm TO-247-Strangpresskühlkörper 0,40 $ bei 1.000 Stück und 0,28 $ bei 50.000 Stück, während eine CNC-gefräste Version 2,50 $ bei 100 Stück und 1,20 $ bei 5.000 Stück kostet. Gestanzte TO-220-Kühlkörper sind mit 0,10 $ bei 100.000 Stück am günstigsten, erfordern jedoch eine Werkzeuginvestition von 1.500 $.
| Produktionsmenge | Stranggepresst TO-220 (19mm) | CNC TO-220 (19mm) | Gestanzt TO-220 (19mm) | Stranggepresst TO-247 (40mm) | CNC TO-247 (40mm) |
| 100 Stück | 1,80 $ | 4,50 $ | Nicht verfügbar | 3,50 $ | 8,00 $ |
| 1.000 Stück | 0,45 $ | 2,80 $ | 0,85 $ | 0,80 $ | 3,20 $ |
| 10.000 Stück | 0,22 $ | 1,50 $ | 0,35 $ | 0,45 $ | 1,80 $ |
| 100.000 Stück | 0,15 $ | Nicht praktikabel | 0,12 $ | 0,30 $ | Nicht praktikabel |
| Werkzeugkosten | 500 $ (Matrize) | 0 $ (kein Werkzeug) | 1.500 $ (Stanzwerkzeug) | 800 $ (Matrize) | 0 $ (kein Werkzeug) |
| Lieferzeit für Erstmuster | 3 Wochen | 3 Tage | 4 Wochen | 3 Wochen | 3 Tage |
Verifizierung der thermischen Leistung mit realen Daten
BQUQ verwendet einen standardisierten Testaufbau mit einem Thermoelement, das in der Gehäuse-Anschlussfahne eingebettet ist, und einer Luftkammer mit 25 °C und ruhender Luft, um Rθsa zu messen. Für einen Standard-TO-220-Kühlkörper von 19 mm × 12,7 mm × 10 mm haben wir 18,5 °C/W bei 5 W Verlustleistung gemessen, was bei 15 W aufgrund reduzierter Konvektionseffizienz auf 22,0 °C/W ansteigt. Derselbe Kühlkörper fällt bei erzwungenem Luftstrom von 200 LFM auf 6,5 °C/W. Für einen TO-247-Kühlkörper von 40 mm × 25 mm × 15 mm ergibt natürliche Konvektion 5,8 °C/W, und erzwungene Luft bei 300 LFM reduziert dies auf 1,9 °C/W. Diese Messungen bestätigen, dass eine 10-W-TO-220-Anwendung einen 38 mm breiten Kühlkörper (nicht 19 mm) benötigt, um eine Gehäusetemperaturerhöhung von 75 °C zu gewährleisten, während eine 20-W-TO-247-Anwendung mit dem 40-mm-Standard funktioniert. Reduzieren Sie die Werte für Höhen über 1.500 Metern immer um 20 % aufgrund der geringeren Luftdichte.
FAQ-Tipps zur Auswahl der richtigen Standardgröße
F: Kann ich einen TO-220-Kühlkörper für ein TO-247-Bauelement verwenden? A: Nein. Die TO-247-Anschlussfahne ist 15,9 mm breit im Vergleich zu 12,7 mm bei TO-220, sodass ein TO-220-Kühlkörper die Fahnenkanten freilässt, was Rθcs um 40 % erhöht und oberhalb von 15 W das Risiko eines thermischen Durchgehens birgt. Verwenden Sie für TO-247 einen 40 mm breiten Kühlkörper.
F: Was ist die Mindestgrundplattendicke beim Stanzen? A: Bei einem gestanzten Aluminiumkühlkörper muss die Grundplatte mindestens 1,5 mm dick sein, um Einrisse zu vermeiden. Bei der CNC-Bearbeitung sind 2,0 mm das Minimum, um Verzug bei Kühlkörpern über 30 mm Breite zu verhindern. Wir empfehlen 3,0 mm für TO-220 und 5,0 mm für TO-247 als Standard.
F: Wie berechne ich die exakte Größe für meine Leistungsstufe? A: Verwenden Sie die Gleichung Rθsa = (Tj_max - Ta - P×(Rθjc + Rθcs)) / P. Für einen TO-220 mit Tj_max=125 °C, Ta=50 °C, P=8 W, Rθjc=3 °C/W, Rθcs=0,5 °C/W benötigen Sie Rθsa=(125-50-8×3,5)/8 = 3,9 °C/W, was einen 50 mm × 30 mm × 20 mm Kühlkörper erfordert.
F: Beeinflusst die Lamellenausrichtung die Standardgröße? A: Ja. Vertikale Lamellen (nach oben zeigende Lamellen) verbessern die natürliche Konvektion um 30 % im Vergleich zu horizontalen Lamellen. Unsere Standardkühlkörper sind für vertikale Lamellenausrichtung ausgelegt; wenn Sie horizontal montieren müssen, vergrößern Sie die Breite um 20 % oder wählen Sie einen Kühlkörper mit 20 % mehr Lamellenoberfläche.
F: Wie hoch ist der Kostenunterschied zwischen kundenspezifischen und Standardgrößen? A: Kundenspezifische Strangpresswerkzeuge kosten 800-2.000 $ und erfordern eine Mindestbestellmenge von 500 kg. Kundenspezifische CNC-Bearbeitung hat keine Werkzeugkosten, addiert aber 0,50-2,00 $ pro Stück. Bei Mengen unter 5.000 Stück sollten Sie immer eine Standardgröße wählen, um die Werkzeugamortisation zu vermeiden.
Fazit und praktische Empfehlungen
Für die meisten Anwendungen wählen Sie einen Standard-TO-220-Kühlkörper von 19 mm × 12,7 mm × 10 mm für Leistungen unter 5 W, einen 38 mm × 25 mm × 15 mm Kühlkörper für 5-15 W und einen TO-247-Kühlkörper von 40 mm × 25 mm × 15 mm für 10-30 W. Stellen Sie immer sicher, dass das Montagelochmuster zum Gehäuse passt (2,54 mm Rastermaß für TO-220, 5,08 mm für TO-247) und dass die Grundplattenebenheit innerhalb von 0,03 mm liegt. Wenn Ihre Umgebungstemperatur 50 °C übersteigt oder Sie oberhalb von 1.500 Metern arbeiten, vergrößern Sie die Kühlkörpergröße um eine Standardstufe. Für Produktionsmengen über 10.000 Stück bietet stranggepresstes Aluminium mit Schwarzeloxierung das beste Kosten-Nutzen-Verhältnis, während CNC-Bearbeitung für Kleinserien mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen und ±0,02 mm Toleranzen gerechtfertigt ist.
BQUQ hat seit 2004 über 50 Millionen Kühlkörper für TO-220- und TO-247-Gehäuse gefertigt, mit einer Fehlerquote unter 0,1 % und einer 100 %igen Maßprüfung jeder Charge. Unser Ingenieurteam kann die optimale Standardgröße empfehlen oder innerhalb von 24 Stunden einen kundenspezifischen Kühlkörper mit thermischer Simulation entwerfen. Für eine kostenlose thermische Bewertung Ihrer Verlustleistungsanforderungen senden Sie Ihre Schaltungsspezifikationen und mechanischen Randbedingungen. Wir bieten einen 12-Stunden-Angebotsservice mit DFM-Feedback kostenlos an. Kontaktieren Sie unsere Konstruktionsabteilung unter sc@bquq.com oder per WhatsApp unter +86 13713157787, oder besuchen Sie www.bquq.com, um unseren Standardkühlkörperkatalog mit vollständigen 2D-Zeichnungen und thermischen Kurven herunterzuladen.
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