Ich suche eine Funktion die mir die Verlustleistung an einem MOSFET beim Betrieb mit einer PWM liefert. Ich habe folgende Daten im Datenblat stehen Tastverhältnis T = 0..1 PWM Frequenz = f Strom bei RDSon = I Widerstand FET = Rdson Quellspannung = Ug Tastverhältnis PWM = T Ich habe mir überlegt : Die Leistung für den Abschnitt mit dem Hi Level (t-on) berechnet sich nach P=I²R für die Zeit T1. Also : T/f = Einschaltzeit T-on F = die Anzahl der "Einschaltungen" pro Sekunde I²*Rdson = Leistung am MOS-FET Prdson= I^2*Rdson * T/f * f | f kürzt sich weg... Prdson = I^2*Rdson * T ------------- Der Kompliziertere Fall für das durchlaufen von R unednlich nach RDSon. Für den von mir benutzten MOSFET ist die Maximale Turn-On Time/Turn-off Time 400µs, und eine Slew Rate von 0,1 bis 1 V / µs Ich nehme an: 1. Das der Widerstand des MOS-FET von sperrend zu Rdson linear verläuft (einschalten) 2. und umgekehrt für das ausschalten. Der Strom müsste sich umgekehrt Proportional zu Rdson verhalten, die Spannung müsste sich proportional zum Rdson verhalten. Nach dem Ohmschen Gesetzt müsste nun die Spannung am MOS-FET von Ug auf I*Rdson fallen, der Strom müsste von 0 auf I steigen. Das alles in der Zeit T-on bzw. andersrum für T-off. Da die Fläche unter einer f() im U-I-Graph der Leistung entspricht und ich einen linearen verlauf annehme ergibt sich doch ein Dreieck das für die Zeit t-on bzw t-off auf Prdson aufgesetzt ist: Pschalt-ein= U*I/2 * t-on*f Pschalt-aus= U*I/2 *t-off*f Das ganze machen ich f mal pro Sekunde... Zusammenfassn kann ich das für aus und einschalten und f mal pro sekunde zu : Pschalt=U*I/2*2* t-on-off *f Pschalt=U*I*f*t-on-off -------------------------------- Die Gesamtleistung ergibt dann Prdson + Pschalt : Pmosfet = f(Ug,f,T,Rdson) =I^2*Rdson*T + Ug*I*f*t-on-off Obige Funktion müsste mir also die auf 1s gemittelte Leistung zurückliefern ?? Stimmt mein Ansatz ?
@ Th Wa (frischling) >Für den von mir benutzten MOSFET ist die Maximale Turn-On Time/Turn-off >Time 400µs, Das sind eher 400ns (NANO) >und eine Slew Rate von 0,1 bis 1 V / µs Auch das scheint mir um Grössenordungen daneben. >Stimmt mein Ansatz ? Ja. Mfg Falk
Angehängte Dateien:
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SShot_BTS_621_L1.png
200 KB
@Falk Das ist komisch... Es handelt sich um einen ProFET : BTS621L1 In dem Datenblatt (Screenshot - SShot BTS 621 L1.png) steht was von µs für T-on/T-off. Ist da vielleicht die Zeit die die Ansteuerung, Logik Ladungspumpe etc. brauchen mit drin ?
>Es handelt sich um einen ProFET : BTS621L1
Applicaton: Replaces electromechanical relays, fuses and discrete
circuits
Das Ding ist quasi ein Halbleiterrelais. Der ist nicht auf kurze
Schaltzeiten ausgeleget. 100 Hz PWM kann man damit schon machen, einen
Schaltregler bauen aber keineswegs.
MFG
Falk
Mit dem BTS steuere ich 2 LED Cluster an (2,8A @ 13,8V - T=6% bzw 35 %). Probleme bekomme ich doch nur durch die Verlustleistung am FET, bzw. wenn er mit dem Schalten gar nicht mehr nachkommt. (Die Last bekommt nicht mehr die Voll Spannung) Dafür kann ich doch bestimmt das Verhältnis von t-on+t-off zur Periodenzeit des PWM nehmen !? Ich habe das ganze mit Aufsteckkühlkörper aufgebaut: Wärmewiderstand Rthk 13 K/W + RthJC 3.4K/W = 16,4 K/W Bei einem Tastverhältnis von 35% : 300Hz entspricht "24%"-Schaltzeit ca 6,1W Verlust Temp : 100 °K 200Hz entspricht "16%"-Schaltzeit ca 3,7W Verlust Temp : 60 °K 150Hz entspricht "12%"-Schaltzeit ca 2,9W Verlust Temp : 48 °K 100Hz entspricht "8 %"-Schaltzeit ca 2,1W Verlust Temp : 35 °K 50Hz entspricht "4 %"-Schaltzeit ca 1,4W Verlust Temp : 23 °K Bin mit meinen angestrebten 150 Hz mit 48 °K Erwärmung recht gut dabei. Aber irgendwas ist da faul, die Kühlkörper werden nicht einmal lauwarm. Das Dimmen auf 6% bzw 35% funktioniert aber. Wo liegt da mein Fehler ???
@ Th Wa (frischling) >Mit dem BTS steuere ich 2 LED Cluster an >(2,8A @ 13,8V - T=6% bzw 35 %). Welche PWM-Frequenz? >Dafür kann ich doch bestimmt das Verhältnis von t-on+t-off zur >Periodenzeit des PWM nehmen !? ??? Im Normalfall spricht an von Tastverhältnis, siehe PWM. >Bei einem Tastverhältnis von 35% : >300Hz entspricht "24%"-Schaltzeit ca 6,1W Verlust Temp : 100 °K >200Hz entspricht "16%"-Schaltzeit ca 3,7W Verlust Temp : 60 °K >150Hz entspricht "12%"-Schaltzeit ca 2,9W Verlust Temp : 48 °K >100Hz entspricht "8 %"-Schaltzeit ca 2,1W Verlust Temp : 35 °K >50Hz entspricht "4 %"-Schaltzeit ca 1,4W Verlust Temp : 23 °K >Bin mit meinen angestrebten 150 Hz mit 48 °K Erwärmung recht gut dabei. >Aber irgendwas ist da faul, die Kühlkörper werden nicht einmal lauwarm. Ist doch gut ;-) >Wo liegt da mein Fehler ??? Ich weiss nicht wieso du mit verschieden Frequenzen hantierst? Der BTS621L1 hat pro Kanal max. 200mOhm, macht bei 2,8A ~ 1,5W Verlustleistung im Dauerzustand. Wahrscheinlich ist die Rechnung mit den Schaltverlusten zu hoch angesetzt. MF Falk
Falk Brunner wrote: > @ Th Wa (frischling) > >>Mit dem BTS steuere ich 2 LED Cluster an >>(2,8A @ 13,8V - T=6% bzw 35 %). > > Welche PWM-Frequenz? Ich habe mit 150 und 300Hz getestet. >>Dafür kann ich doch bestimmt das Verhältnis von t-on+t-off zur >>Periodenzeit des PWM nehmen !? > > ??? > > Im Normalfall spricht an von Tastverhältnis, siehe PWM. Nein, mir ging es jetzt darum bis zu welchen Frequenzen der FET überhaupt benutzbar ist. Deshalb auch die Tabelle. Mit dieser "Schaltzeit in %" wollte ich darstellen wie viel meiner Ansteuerung mit Schalten verbringt. Wollte mir damit "Begreiflich" machen was da passiert, um abzuschätzen wo die Grenze liegt. 24% hören sich schon hoch an, 12% schon besser. Denn, noch kann ich die PWM-Freuqenz anpassen. >>Bei einem Tastverhältnis von 35% : > >>300Hz entspricht "24%"-Schaltzeit ca 6,1W Verlust Temp : 100 °K >>200Hz entspricht "16%"-Schaltzeit ca 3,7W Verlust Temp : 60 °K >>150Hz entspricht "12%"-Schaltzeit ca 2,9W Verlust Temp : 48 °K >>100Hz entspricht "8 %"-Schaltzeit ca 2,1W Verlust Temp : 35 °K >>50Hz entspricht "4 %"-Schaltzeit ca 1,4W Verlust Temp : 23 °K > >>Bin mit meinen angestrebten 150 Hz mit 48 °K Erwärmung recht gut dabei. >>Aber irgendwas ist da faul, die Kühlkörper werden nicht einmal lauwarm. > > Ist doch gut ;-) Jepp, sehr gut. Sogar im Gehäuse wird da nichts warm. Hab trotzdem viele Löcher um den Leistungsteil herum reingebohrt ;) Habe eben Angst das im Hochsommer bei 80°C Innentemperatur doch was durchbrennt. Bei den 150°C Overload-Temp schmilzt zwar das Lötzinn noch nicht, aber das Thermoplastgehäuse könnte zusammenlaufen... ;) >>Wo liegt da mein Fehler ??? > > Ich weiss nicht wieso du mit verschieden Frequenzen hantierst? > > Der BTS621L1 hat pro Kanal max. 200mOhm, macht bei 2,8A ~ 1,5W > Verlustleistung im Dauerzustand. > > Wahrscheinlich ist die Rechnung mit den Schaltverlusten zu hoch > angesetzt. Ich habe mit den Max(worst-case ?!) Werten aus dem Datenblatt gerechnet. Die Min-Werte ergeben ca 2W das ist eine diff. zu den Max-Werten von 4W (bei 300 Hz) !!!! Da wird auch der Hund begraben liegen... Da gibt man sich so viel Mühe und schiesst so derb daneben. Scheint als wäre Empirisch viel nützlicher als sich ein Modell auszudenken... Finde aber man kann an der Funktion sehr schön sehen welche Parameter wie auf die Verlustleistung wirken ! Vielen dank Falk !
> Scheint als wäre Empirisch viel nützlicher als sich ein Modell > auszudenken... Man muss sich nur ein hinreichend genaues Modell ausdenken ;-) Das Problem ist nur, dass so ein Modell beliebig kompliziert werden kann und nicht nur von den MOSFET-Parametern abhängt. Das fängt bei der Gate-Ansteuerung an (die in deinem Fall imm Inneren des ProFETs verborgen ist): In einigen Fällen (z.B. beim Einsatz eines integrierten Gate-Treibers) kann man näherungsweise von einem konstanten Umladestrom während des Ein- und Ausschaltens ausgehen, in anderen Fällen muss man ein RC-Glied modellieren. Auch die Art der Last (ohmsch, induktiv, gemischt, weitere aktive Komponenten wie bspw. Freilaufdioden) hat großen Einfluss auf die Schaltverluste. In deinem Fall besteht die Last aus einer Kette von LEDs und vermutlich einem Vorwiderstand. Der Einschaltvorgang sieht dann grob folgendermaßen aus: Verlauf von Id (Drain-Strom in den MOSFET): - vor dem Einschalten ist Id = 0 - Unter der Annahme, dass Ugs liear steigt, steigt auch Id näherungsweise linear, und zwar innerhalb der Einschaltzeit bis auf den Maximalstrom Imax=(Ug-Uf)/(Rv+Ron). Ug ist dabei die Versorgungsspannung, Uf die (konstant angenommene) Durchlassspannung aller LEDs zusammen, Rv der Vorwiderstand für die LEDS und Ron der Drain-Source-Widerstand des eingeschalteten MOSFETs. - Id bleibt auf Imax, bis der MOSFET wieder ausgeschaltet wird. Verlauf von Uds (Drain-Source-Spannung am MOSFET): - vor dem Einschalten ist Uds = Ug (Versorgungsspannung) - Sobald der Drain- und damit der LED-Strom zu fließen anfängt, sinkt Uds sehrr schnell auf Uds-Uf. Die dafür benötigte Zeit wird im folgenden vernachlässigt. - Da Id linear steigt, steigt auch der Spannungssbfall an Rv linear. Damit fällt Uds während der Einschaltzeit linear von Uds-Uf auf Imax*Ron. - Uds bleibt auf diesem Wert, bis der MOSFET wieder ausgeschaltet wird. Damit die Id und Uds als einfache Funktionen über der Zeit angeben, beide multiplizieren und über die Einschaltzeit integrieren. Das Ergebnis ist die Einschaltenergie. Beim ausschalten wird noch einmal die gleiche Energie verbraucht. Beide zusammen dividiert durch die Periodendauer des PWM-Signals ergeben die mittlere Schaltverlustleistung. Diese wird viel niedriger ausfallen als nach deiner Rechnung. Wenn ich dich richtig verstanden habe, gehst du davon aus, dass die Leistung im MOSFET beim Einschalten erst linear auf Ug*Imax ansteigt und dann wieder linear auf (fast) 0 abfällt, was eine Energie von 1/2*Ug*Imax*t_on ergibt. Nach dem eben beschriebenen Modell beträgt diese Energie aber nur 1/6*(Ug-Uf)*Imax*t_on (bei beiden Ergebnissen wurde Ron vernachlässigt). Auch diese Rechnung geht von vielen idealisierenden Annahmen aus, sollte aber genau genug sein, um den MOSFET, den Kühlkörper und die PWM-Frequenz richtig zu dimensionieren. Da lässt man ja sowieso immer eine dicke Reserve drin, so dass die Schätzfehler hinterher keiner bemerkt ;-) Deutlich komplizierter wird das Ganze, wenn man es mit induktiven Lasten wie einem E-Motor zu tun hat, dessen Verhalten zudem von der mechanischen Last abhängt, und dem noch eine Freilaufdiode und sonstiges Zeug zur Seite gestellt werden. Auch hier kann man Worst-Case-Betrachtungen machen, aber ums Nachmessen kommt man nicht herum.
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