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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Wärmeableitung beim Halbleiter, Kühlkörper


Autor: +- (Gast)
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Hallo,

ich stehe vor einem Problem, dass ich nicht verstehe. Ich will 
berechnen, ob der von mir eingesetzte POWER-MOSFET IRL1337 einen 
Kühlkörper benötigt oder nicht.

Hab zu diesem Thema folgende Referenzen gefunden:

Beitrag "Kühlkörper Dimensionieren"
http://profgossner.members.winisp.net/pdf/Kapitel21.pdf
http://profgossner.members.winisp.net/pdf/Gesamttext.pdf

Aus dem Datenblatt des IRL1337:
Rjc = 0,45°C/W
Rja = 62°C/W
Pd = 330W @ 22°C und 170W @ 100°C

Meine Betriebsdaten:
Imax=83A, Vmax=17V, betriebszeit=1s, Tmax=50°C

Meine Berechnung:
Ptot = (175-50)/62,45 = 2,0W => diese Leistung wird von Schicht an die 
Umgebung abgegeben

unklarheit:
Welcher Parameter ändert sich, wenn ich den Kühlkörper montiere? Rca?
Kann ich den Mosfet nur mit 2Watt belasten?

Autor: Duck und weg (Gast)
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>Welcher Parameter ändert sich, wenn ich den Kühlkörper montiere? Rca?
>Kann ich den Mosfet nur mit 2Watt belasten?

Na, die Temperatur des Gehaeuses, des Halbleiters. Da die maximalen 
Temperaturen vorgegeben werdenm, aendert sich daher auch die zulaessige 
Verlustleistung. Ja, ohne Kuehlkoerper 2Watt koennte hinkommen. Eher 
weniger, denk ich. Wenn man den Halbleiter auf die Leiterplatte schaubt 
kriegt man ueber dessen Kupfer 1 Watt weg.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Als erstes benötigst du die Verlustleistung. Also P = I*I*R ggf. plus 
Schaltverluste. Deine 2W-Rechung besagt, dass es bis 2W ohne KK geht.

Rja entfällt bei Einsatz von KK. Wird ersetzt durch Rjc plus Übergang 
zwischen Case und KK plus Wärmewiderstand vom KK.

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Rjc steckt in Rja bereits drin. Ohne KK ist also ein Wärmewiderstand von 
62°C/W zu berücksichtigen.

Ich verstehe aber derzeit nicht ganz, wie Du auf den Wert für die 
Verlustleistung kommst.

Autor: +- (Gast)
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>Rja entfällt bei Einsatz von KK. Wird ersetzt durch Rjc plus Übergang
>zwischen Case und KK plus Wärmewiderstand vom KK.

Ok, danke.

Autor: +- (Gast)
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>Ich verstehe aber derzeit nicht ganz, wie Du auf den Wert für die
>Verlustleistung kommst.

Ptot = (175-50)/62,45 = 2W

Alle anderen Angaben sind aus dem DAtenblatt des IRL1337

Autor: +- (Gast)
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Pd = (175-22)/0,45 = 340W ca. 330W also, stamm aber nicht von mir, 
sondern aus dem Datenbaltt

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Was sind das für Zahlen auf der linken Seite (v.a. die 175 würden mich 
interessieren...)? Und eine Berechnung, die ausschließlich 
dimensionslose Zahlen enthält, kann niemals Watt als Ergebnis haben!

Ach ja, und wenn Du tatsächlich eine Verlustleistung von 2 W hast, dann 
bedeutet das bei einem Rja von 62°C/W, dass der Chip bereits um 124 °C 
wärmer wird...

Autor: +- (Gast)
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>Als erstes benötigst du die Verlustleistung. Also P = I*I*R ggf. plus
>Schaltverluste. Deine 2W-Rechung besagt, dass es bis 2W ohne KK geht.

Meine Betriebsdaten sind:
Umax=17V
Imax=86A (peak für 0,5s-1s)

Daraus ergibt sich Leistung am Mosfet P=17V*86A=1462W => ca. 1,5kW!
Kann denn so etwas überhaupt sein?

Angenommen ich würde jetzt ein Kühlkörper benötigen. Müsste der KK einen 
Wärmeleistung von 1,5KW abführen...
Ne ich glaub für dynamisches Verhalten eine andere Formel gelten.

Autor: +- (Gast)
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@Johannes

wenn du aus rein formalen gründen fragst, dann bitte:
Pd = [(175-22)/0,45]W = 340W

Wenn nicht, dann:
Pd = (175°C-22°C)/(0,45°C/W) = 340W

wie rechnest du die 124°C aus?

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Du kannst mir nicht erzählen, dass Du gleichzeitig 17 V und 86 A am 
MOSFET hast. Normalerweise gilt:

MOSFET leitet -> Betriebsstrom fließt,
Und der R_DSon steht auch im Datenblatt.

Wenn der MOSFET sperrt, dann liegt an der Drain-Source-Strecke zwar die 
Spannung an (in Deinem Fall 17 V), aber es fließt kein nennenswerter 
Strom. Also ist die Verlustleistung

Wenn Du für R_DSon ca. 5-10 mOhm annimmst (was in dem Bereich 
größenordnungsmäüßig realistisch ist), dann gibts im aufgesteuerten 
Zustand
Verlustleistung (worst case, wenn's ein entsprechend dimensionierter 
MOSFET ist, der auch vernünftig angesteuert wird). Ich habe allerdings 
im Netz nichts zum IRL1337 gefunden (Tippfehler vielleicht). Deshalb 
kann ich nicht im Datenblatt nachsehen. Und Deine tatsächliche Schaltung 
kenne ich auch nicht, deshalb weiß ich natürlich nicht, was Du da 
wirklich fabrzierst. Fest steht: Bei knapp 75W Verlustleistung wirst Du 
auch im Kurzzeitbetrieb bei 1 s nicht ohne KK hinkommen (und: was 
passiert nach dieser Sekunde?)...

Autor: +- (Gast)
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@ Johannes,

Danke für die Aufklärung. Sorry, tatsächlich ein Tippfehler. Der Mosfet 
heißt IRL3713 und hat Rdson ca. 3mOhm-5mOhm.

Das heißt:
Verlustleistung = IxIxRdson = 86Ax86A*0,005Ohm = 36,98W

OK, wie rechne ich jetzt weiter?

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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+- wrote:
> Danke für die Aufklärung. Sorry, tatsächlich ein Tippfehler. Der Mosfet
> heißt IRL3713 und hat Rdson ca. 3mOhm-5mOhm.
Aha! Das klingt schon besser...

> Das heißt:
> Verlustleistung = IxIxRdson = 86Ax86A*0,005Ohm = 36,98W
Richtig, das wäre für den stationären Fall bei Vollaussteuerung. Ich geh 
mal davon aus, dass Du ausreichend schnell schaltest, so dass zumindest 
keine großartigen Schaltverluste entstehen.

> OK, wie rechne ich jetzt weiter?
Naja, Du hast nen Wärmewiderstand Rjc gegeben, eine Maximaltemperatur 
des Chips (steht auch im Datenblatt) und Deine 
worst-case-Verlustleistung.
Wenn also der Chip max. 175 °C warm werden darf, dann kommt für den 
maximalen Wärmewiderstand des Kühlkörpers
heraus, in Zahlen
Ein KK mit 2,5 K/W sollte also dicke reichen.

Alle Angaben wie immer ohne Gew(a)ehr.

Und auch dran denken: Mit Wärmewiderständen, Temperaturen und Leistungen 
kann man rechnen wie mit elektrischen Widerständen, Spannungen und 
Strömen.  "Ohmsches Gesetz" für Wärmewiderstände:
mit
 als Temperaturdifferenz (Temperatur innen - Temperatur außen) und
 als Wärmewiderstand

Autor: +- (Gast)
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@Johannes

vielen Dank. nun hab ich es verstanden.
Mein Problem war, dass ich mit den Angaben aus dem Datenblatt etwas 
durcheinander geraten war.

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