Berechnung vom Kühlkörper mit Lüfter

[Michael S. (rbs_phoenix)]

Hallo.
Ich habe vor, eine elektronische, programmierbare Last zu bauen. Hierfür 
hatte ich überlegt, ein oder zwei parallele MOSFETs zu nutzen, um die 
Leistung zu verbraten. Ich hatte überlegt, maximal 5A bei 30V sprich 
150W zu verheizen. Da muss selbstverständlich eine Kühlung her. Ich habe 
noch einen CPU-Lüfter inkl. Kühlkörper hier. Außerdem wollte ich ein 
bzw. zwei TK72E08N1 nehmen, die ich hier auch noch habe. Im Datenblatt 
ist angegeben "Channel-to-case thermal resistance" von 0.65°C/W. Doch 
wie bekomme ich nun raus, ob mein Kühlkörper reicht? Ich bräuchte doch 
den thermischen Widerstand des Körpers, zudem müsste ich wissen, wieviel 
Wärme ich durch den Lüfter wegbekomme. Ich will sowieso eine 
Temperaturüberwachung einbauen, doch dennoch will ich vorher wissen, ob 
das ausreicht, was ich verbaue.

Bitte etwas Nachsicht, ich habe bisher nur einmal soeine Aufgabe gelöst 
und das war mit einem passiven Kühlkörper, von dem ich auch den 
Widerstand wusste, und das alles bei deutlich weniger Leistung.

DB: 
http://www.semicon.toshiba.co.jp/info/docget.jsp?type=datasheet&lang=en&pid=TK72E08N1

[Helge A. (besupreme)]

Vielleicht kann dir als Anhaltspunkt der Verbrauch der früher gekühlten 
CPU dienen. Höher würd ich nit gehen.

[Tom (Gast)]

Michael Skropski schrieb:
> 5A bei 30V
> ein bzw. zwei TK72E08N1
  ^^        ^^

Sieh Dir mal Fig 8.13 an. Ab 9 Stück parallel wärst du unter dem 
silicon limit, mit realer Kühlung brauchst du noch viel mehr.

[Bernhard F. (bernhard_fr)]

Da die Pentium 4 Zeiten noch nicht so lange her sind, und Netburst für 
seine Heizleistung bekannt war hier mal etwas zum ausgiebigen lesen.

http://download.intel.com/design/Pentium4/guides/24988903.pdf

Oder kurz zusammengefasst: Intel war damals der Meinung, dass ein CPU 
Kühler einen thermischen Widerstand (Rth) vom Case zur Umgebung (ca) 
0,40-0,43 K/W haben muss. Dann kann man davon ausgehen, dass das auch 
umgesetzt wurde. Da Hier von Case to Ambient die Rede ist, ist der 
Kühlkörper sogar mit noch weniger dabei. Ich würde aber trotzdem 
sicherheitshalber mal mit den 0,4 grob überschlagen.

Für deine Berechnung bäuchtest du wie du schon richtig gesagt hast:

1) Rth channel to case
  - ist glücklicherweise im Datenblatt drin
2) Rth case to Kühlkörper
  - Hier wird es richtig interessant. Da so eine CPU ein anderes Format
    als der FET hat, kann man vom Intel-Dokument eher nix ableiten.
3) Rth Kühlkörper to ambient
  - Das wären dann mal die besagten 0,4 K/W

Bevor ich damit Anfange wild rumzurechnen: Im Datenblatt findet sich 
folgeder Text:

> Note 3: Device mounted with heatsink so that Rth(ch-a)
becomes 2.77 °C/W.

Das wäre dann ja schon Channel (also Silizium) zu Umgebung. Sei mal 
dahingestellt was auch immer die für einen Kühlkörper nehmen.
Im günstigsten Fall wären mit dieser ominösen Kühlung also

150°(Junction)-40°(Umgebung)
__________________________  = c.a. 40 W
         2.77 ° /W

drin zum Verbraten.

mit dem CPU Kühler müsste mehr gehen...


150°(Junction)-40°(Umgebung)
__________________________  = ???
        (0.65+X+0.4) ° /W

Aber wo ich mich gerade so schön festschreibe sehe ich es gerade auch:

Jetzt kommt noch wie bereits von meinem Vorposter genannt Fig 8.13 ins 
Spiel.

Und bei 30 V ist genau bei 500mA das Silicon Limit...
O.K. wenn man mit der Spannung runtergeht kann man anscheinend noch mehr 
Leistung rauskitzeln. Aber im Großen und ganzen scheinen die doch weit 
entfernt von den 150 W zu sein...

Dabei sehen die so schön aus, wenn man sich nur die maximum Ratings 
anschaut -.-'

[Mw E. (Firma: fritzler-avr.de) (fritzler)]

Hab jetzt nicht ins DB gesehen ich hoffe in den Ratings ist auch eine DC 
Kurve?
Sonst muss man die Kurve mit der längsten on zeit nehmen und zieht zur 
Sicerheit noch ordentlich was ab.

Ansonsten einen rumliegenden CPU Kühler nicht schätzen sondern 
ausmessen. Also 50W+ Widerling ran und nach 1h mal die Temperatur 
messen.

[Michael S. (rbs_phoenix)]

Helge A. schrieb:
> Vielleicht kann dir als Anhaltspunkt der Verbrauch der früher
> gekühlten CPU dienen. Höher würd ich nit gehen.

Ich weiß leider nicht mehr, was das für eine CPU war.


Martin Wende schrieb:
> Ansonsten einen rumliegenden CPU Kühler nicht schätzen sondern
> ausmessen. Also 50W+ Widerling ran und nach 1h mal die Temperatur
> messen.

Das werde ich dann auch mal machen. Da könnte man ja die 
Umgebungstemperatur und die Temperatur des Kühlkörpers messen, dann kann 
man doch eigentlich mit der eingestellten Last das Rth,Case-Ambient 
ausrechnen, oder?


Tom schrieb:
> Sieh Dir mal Fig 8.13 an. Ab 9 Stück parallel wärst du unter dem
> silicon limit, mit realer Kühlung brauchst du noch viel mehr.

Oh man, das habe ich komplett übersehen :/


Ich habe mich mal auf die Suche nach einer Alternative begeben... Es 
gibt ja tausende MOSFETs, die man ja alle garnicht durchgucken kann.
Ich habe jetzt mal 2 Vishay und 1 Infineon rausgeguckt.

SiHFP064/IRFP064: http://www.vishay.com/product?docid=91201
Hat einen Rth,JC von 0,5K/W und in Fig. 8 sieht man, dass bei 10A von 
0,1Vds bis 60Vds alles geht. Die unterste Begrenzung ist zwar bei 10ms, 
doch ich brauche ja nur 5A. Haut das hin? evtl 2 parallel? In Fig. 9 
sieht man die max. Junctiontemperatur vs. Id. Da ist bei 5A ja quasi 
noch die 175°C. Ich habe in anderen Datenblätter aber gesehen, dass 
statt Id Ptotal aufgetragen wird und damit die maximale Temperatur bei 
150W schon deutlich runter geht.

SiHG47N60E: http://www.vishay.com/product?docid=91474
Hat einen Rth,JC von 0,33K/W. Dort sieht man in Fig. 9, dass bei 5A die 
Vds auf ca 110V begrenzt ist (wieder von der 10ms-Kurve). Ich brauche ja 
aber nur 30. Ist das reserve geung? Ist dieser "besser" geeignet? Er hat 
zwar einen besseren Rth,JC aber dafür ist die max. Junctiontemperatur 
"nur" 150°C.

IPP80N06S2L-H5: 
http://www.infineon.com/cms/en/product/power/mosfet/automotive-mosfet/single-n-channel-55v-mosfet/IPP80N06S2L-H5/productType.html?productType=ff80808112ab681d0112ab6dc12d138c
Hat einen Rth,JC von 0,5K/W. Dort im ersten Graphen ist das, was ich 
meine. Verstehe ich das richtig, dass ich bei 150W maximal auf 100°C 
Tjunction gehen kann? Oder was hat das zu bedeuten?


Es wäre lieb, wenn mir da jemand helfen kann. Sind welche von den dreien 
passend? Brauche ich trotz den Werten 2 parralel? Habt ihr ggf. 
Vorschläge hinsichtlich FETs?

Abgeleitet von:

Bernhard F. schrieb:
> 150°(Junction)-40°(Umgebung)
> ________________________  = ???
>         (0.65+X+0.4) ° /W

Ist diese Berechnung richtig? (basierend auf SiHFP064)

175°C(Junction)-40°(Umgebung)
___________________________ - 0,5K/W(Rth,JC) - 0,24K/W (Rth,CS)
              150W

 = Rth(Heatsink) = 0,16K/W

Klingt sehr wenig. Wenn es stimmt, dann heißt es doch, sollte ich einen 
Kühlkörper mit 0,16K/W oder besser haben.
Oder aber ich nehme 2 FETs, jeder hat dann 75W, wo dann pro FET ein 
Kühlkörper von 1,06K/W gebraucht wird.

In wie fern spielt der Lüfter rein? Wird quasi die Umgebungstemperatur 
verkleinert (-> Zähler des Bruchs wird größer -> geforderter 
Rth(Heatsink) wird größer)? Oder aber wird einfach nur das Rth(Heatsink) 
des Kühlersystems kleiner gemacht?

Danke schonmal

[Bernhard F. (bernhard_fr)]

Michael Skropski schrieb:
> Ich habe mich mal auf die Suche nach einer Alternative begeben... Es
> gibt ja tausende MOSFETs, die man ja alle garnicht durchgucken kann.
> Ich habe jetzt mal 2 Vishay und 1 Infineon rausgeguckt.


> SiHFP064/IRFP064: http://www.vishay.com/product?docid=91201
Fig. 8 ist die richtige Anlaufstelle aber zum k**** aufgelöst... Danke 
Vishay.
Erstmal: Das Diagramm ist für 25°C _Gehäuse_Temperatur. Ich rechne mit 
40°C Umgebungstemperatur für nen Freiluftaufbau in nem Gehäuse eventuell 
noch mehr also muss man allein da schon was abziehen. Das Gehäuse wird 
ja dann wärmer. Dann gehe ich davon aus, dass du mit Dauerstrom 
arbeitest und nicht nur mit Pulsen. Es wurde schon erwähnt, dass man 
eigentlich eine DC Kurve suchen müsste, wenn die nicht da ist, dann halt 
den längster Puls und viel Sicherheit.
Bei 30 V und dem längsten Puls will der nicht über 3 A zumindest lese 
ich das so aus dem grauenvoll aufgelöstem Teil ab.
Von daher absolut ungeeignet.



> SiHG47N60E: http://www.vishay.com/product?docid=91474
> Ist dieser "besser" geeignet? Er hat zwar einen besseren Rth,JC aber
> dafür ist die max. Junctiontemperatur "nur" 150°C.

Die niedrigere Junctiontemperatur heißt ja nur, dass man das Ding nicht 
zu heiß werden lassen darf... Wieviel Leistung er grundsätzlich verträgt 
(solange man es abführt) hängt damit ja nur indirekt zusammen.


Das mit der Gehäusetemperatur ist wieder das gleiche 25°C ...

Jedenfalls findet sich beim 10ms Puls die Kombination 30V zu 30A.
Das sieht im Ansatz auf jeden Fall besser aus.
Als nächstes kommt Fig. 10 mit der Lastminderungskurve ins Spiel, da ja 
die Gehäusetemperatur erwartungsgemäß höher sein wird... aber auf den 
ersten Blick passen die Werte, könnte sich aber auch wieder um gepulsten 
Strom handeln...


Um jetzt aber eine verlässliche Aussage zu treffen wie man vom 10ms Puls 
zu DC mit genug Sicherheit kommt fehlt mir nun leider auch die 
Erfahrung. Würde dann erst nochmal die Kühlkörper-Berechnung durchziehen 
und dann mal schaun was das Gefühl zu den Reserven sagt. Vieleicht 
findet sich aber noch wer mit mehr Erfahrung der dazu mal seinen Senf 
geben kann ;)

Aber besser geeignet kann man schon so sagen.


> IPP80N06S2L-H5:
> 
http://www.infineon.com/cms/en/product/power/mosfet/automotive-mosfet/single-n-channel-55v-mosfet/IPP80N06S2L-H5/productType.html?productType=ff80808112ab681d0112ab6dc12d138c
> Hat einen Rth,JC von 0,5K/W. Dort im ersten Graphen ist das, was ich
> meine. Verstehe ich das richtig, dass ich bei 150W maximal auf 100°C
> Tjunction gehen kann? Oder was hat das zu bedeuten?

Das Tc steht für Tcase, also wenn das Gehäuse von dem FET schon 100°C 
heiß wird, dann sollte man ihm nur noch 150W zumuten.
(haha dann aber an nen Kompressorkühler anschließen um die 150 W weg zu 
bekommen?!)

Erstmal ist wieder Diagram 3 "Safe operating Area" wichtig.
Umgangssprachlich gesagt: du kannst den kühlen so gut du willst ... zu 
viel Strom / Spannung fetzt einfach das Silizium oder die Bonddrähte 
weg. Ob das passt, sagt dieses Diagramm 3 wie auch in allen anderen 
Datenblättern vorher.
Unglücklicherweise ist hier der kürzeste Puls sogar nur 1ms lang.
Verglichen mit der 1ms Kurve des 2. Vishay steht er schlechter da.


>
> Es wäre lieb, wenn mir da jemand helfen kann. Sind welche von den dreien
> passend? Brauche ich trotz den Werten 2 parralel? Habt ihr ggf.
> Vorschläge hinsichtlich FETs?
>

Ich werfe einfach mal den hier:
http://ixdev.ixys.com/DataSheet/99117.pdf
in die Diskussion.
Ich hab jetzt wirklich nur auf
n-Kanal
Rth jc = 0,25° C / W
Rth cs = 0,21(Typ) °C / W
Fig. 6
Fig. 12
geachtet.
Alles andere müsstest du nochmal überprüfen. Vor allem auch Preis, wo 
kaufen usw... da gibt es aber sicher noch eine ganze Menge mehr. Das ist 
nur der erste, über den ich gestolpert bin als ich mich bisschen durch 
Farnell geclickt habe. Da gibt es bestimmt noch andere. Auch wenn es 
müßig ist kann ich nur empfehlen da noch ein bisschen länger zu suchen.
Oder es kommt noch wer durch Zufall in den Thread der auf Anhieb den 
passenden aus dem Ärmel zieht.


> Ist diese Berechnung richtig? (basierend auf SiHFP064)
>
> 175°C(Junction)-40°(Umgebung)
> ___________________________ - 0,5K/W(Rth,JC) - 0,24K/W (Rth,CS)
>               150W
>
>  = Rth(Heatsink) = 0,16K/W


Im Grunde ja und jetzt kommt das Aber:

du solltest von der T junction noch eine Sicherheit abziehen. Es ist 
einfach nicht sinnvoll bei der Auslegung davon auszugehen, das Ding bis 
an die Grenze zu treiben. Hätte ich vieleicht schon in meinem anderen 
Beitrag mal darauf hin weisen können.


> Klingt sehr wenig. Wenn es stimmt, dann heißt es doch, sollte ich einen
> Kühlkörper mit 0,16K/W oder besser haben.

Das wird schwierig... sehr schwierig...

> Oder aber ich nehme 2 FETs, jeder hat dann 75W, wo dann pro FET ein
> Kühlkörper von 1,06K/W gebraucht wird.

Das klingt besser.

für 2 von dem oben genannten IXTH96N20P würde die Rechnung so aussehen:

 120°C(Junction-Sicher)-40°(Umgebung)
 __________________________________ - 0,25K/W(Rth,JC) - 0,21K/W 
(Rth,CS)
               75W

  = Rth(Heatsink) = 0,607K/W

Das müsste dann theoretisch mit einem aktiv belüfteten CPU Kühler 
machbar sein wenn ich an die von intel geforderten 0,4 K/W inklusive 
Übergang vom Gehäuse auf den Kühler denke.

Hast du mal ein Bild von dem Kühler? Mit ein bisschen Glück kann man 
daraus schon was ableiten. So z.B. einen Sockel A - boxed Kühler erkenne 
ich bestimmt.


> In wie fern spielt der Lüfter rein? Wird quasi die Umgebungstemperatur
> verkleinert (-> Zähler des Bruchs wird größer -> geforderter
> Rth(Heatsink) wird größer)? Oder aber wird einfach nur das Rth(Heatsink)
> des Kühlersystems kleiner gemacht?

Dazu hab ich mal ein Bild angehangen. Es wirkt sich auf den termischen 
Widerstand des Kühlers aus(Variante 3). Das ist aber 
Kühlkörper-spezifisch. Irgend so eine vergleichbare Tabelle wird sich 
bei einem gut dokumentierten Kühlkörper im Datenblatt finden, bei einem 
CPU Kühler eher nicht... da gibts nur eine max TDP zum übern Daumen 
peilen :/

und sry falls ich den ein oder anderen Tippfehler gemacht hab... es ist 
spät... falls sich was findet korrigier ich das morgen.

[Michael S. (rbs_phoenix)]

Bernhard F. schrieb:
> Michael Skropski schrieb:
>> Ich habe mich mal auf die Suche nach einer Alternative begeben... Es
>> gibt ja tausende MOSFETs, die man ja alle garnicht durchgucken kann.
>> Ich habe jetzt mal 2 Vishay und 1 Infineon rausgeguckt.
>
>> SiHFP064/IRFP064: http://www.vishay.com/product?docid=91201
> Fig. 8 ist die richtige Anlaufstelle aber zum k**** aufgelöst... Danke
> Vishay.
> Erstmal: Das Diagramm ist für 25°C _Gehäuse_Temperatur. Ich rechne mit
> 40°C Umgebungstemperatur für nen Freiluftaufbau in nem Gehäuse eventuell
> noch mehr also muss man allein da schon was abziehen. Das Gehäuse wird
> ja dann wärmer. Dann gehe ich davon aus, dass du mit Dauerstrom
> arbeitest und nicht nur mit Pulsen. Es wurde schon erwähnt, dass man
> eigentlich eine DC Kurve suchen müsste, wenn die nicht da ist, dann halt
> den längster Puls und viel Sicherheit.
> Bei 30 V und dem längsten Puls will der nicht über 3 A zumindest lese
> ich das so aus dem grauenvoll aufgelöstem Teil ab.
> Von daher absolut ungeeignet.

Ne, bei 30V ist der Schnittpunkt bei 30A. Die Skala fängt ja erst bei 
10A an.


>> Es wäre lieb, wenn mir da jemand helfen kann. Sind welche von den dreien
>> passend? Brauche ich trotz den Werten 2 parralel? Habt ihr ggf.
>> Vorschläge hinsichtlich FETs?
>>
>
> Ich werfe einfach mal den hier:
> http://ixdev.ixys.com/DataSheet/99117.pdf
> in die Diskussion.
> Ich hab jetzt wirklich nur auf
> n-Kanal
> Rth jc = 0,25° C / W
> Rth cs = 0,21(Typ) °C / W
> Fig. 6
> Fig. 12
> geachtet.
> Alles andere müsstest du nochmal überprüfen. Vor allem auch Preis, wo
> kaufen usw...

Hab mal bei Mouser geguckt. Kostet um die 5€.


> da gibt es aber sicher noch eine ganze Menge mehr.

Das ist ja auch mein Problem gewesen...


>> Oder aber ich nehme 2 FETs, jeder hat dann 75W, wo dann pro FET ein
>> Kühlkörper von 1,06K/W gebraucht wird.
>
> Das klingt besser.

So werde ich das denke ich auch machen. Dann werde ich mich auch noch 
mal auf die Suche nach dem passendsten FET machen. Die Frage ist auch, 
nehme ich lieber 2x 5€ FETs oder 5x 2€ FETs, die ggf ein schlechteren 
RthJC haben, aber auch nur 30W verbraten müssen. Vielleicht kommt man ab 
einer gewissen Leistung auch mit passiver Kühlung aus, doch die Frage 
ist, ob sich das lohnt. Platz ist genug da.


> Hast du mal ein Bild von dem Kühler? Mit ein bisschen Glück kann man
> daraus schon was ableiten. So z.B. einen Sockel A - boxed Kühler erkenne
> ich bestimmt.

Der Rote inkl Lüfter ist der, den ich noch habe. Allerdings auch nur 
einen :/ Von dem Schwarzen habe ich 2 Stück. Die könnte ich mit einem 
Doppellüfter oder 2 einzelne 80cm Lüfter belüften.


Ich kann ja dann nochmal schreiben, was meine Recherche ergeben hat.

PS: Sorry wegen der Bildgröße, aber kleiner bekomme ich es via Handy 
nicht hin.

[Bernhard F. (bernhard_fr)]

Zum roten CPU-Kühler:

Wenn ich mir den Lüfter mit den kurzen Blättern anschaue und dazu die 
etwaigen Abmaße, schätze ich auf einen schwachen Sockel A Kühler oder 
sowas. Intel stand damals schon auf Schrauben oder Pushpins. Ich gehe 
davon aus, dass in der "Mittelfurche" mal eine Klammer drin war?

Dann würde ich grob tippen, dass der mal für maximal 60-70 Watt 
ausgelegt wurde. Natürlich darf der FET ein wenig wärmer werden als so 
eine CPU und von dahher ist da eventuell Reserve. Wäre ja schonmal was, 
wenn der zumindest die eine Hälfte übernehmen kann... Für absolute 
Sicherheit hilft aber leider nur das Experiment mit dem Heizwiderstand.

Hast du zu dem schwarzen Kühler ein Datenblatt? Oder heißt es da Katalog 
blättern und was vergleichbares finden, wenn man was genaues wissen 
will?