Schaltverluste an induktiver Last

Ben B. schrieb:
> Er meint die Zeiten, die das Ding zum öffnen und sperren benötigt.
>

Genau das hatte ich gemeint, ja.

> Da kann man mit einer guten Treiberstufe und entsprechend hohen
> Gate-Umladeströmen recht viel dran drehen, aber vor allem sollte man
> sich fragen, ob man eine so hohe Frequenz braucht. Man hat ja auch noch
> die Rückschlagspannung aus den induktiven Anteilen, die man irgendwie
> wegschaffen muß, damit sie die FETs nicht zerstört und zu schnelles
> Schalten der FETs kann Probleme mit Schwingungen und EMI bringen.
>
> Wenn die Mikroruckler nicht stören, würde ich solche Motoren mit
> 100..300Hz ansteuern. Das erzeugt zwar ein hörbares Summen, welches ich
> aber nicht als nervig empfinde.

Ja, das stimmt schon, aber im Moment wollte ich nur auf die Diskussion 
hinaus, warum hier bei so einer noch geringen Frequenz von 20kHz so hohe 
Verluste im FET auftreten. Ich meine es gibt Anwendungen, da sind die 
Frequenzen weitaus höher, wo man sagt, dass dann eher die 
Durchlassverluste zu vernachlässigen sind als die Schaltverluste.
Hier ist es aber umgekehrt, die Schaltverluste sind grösser wie die 
Durchlassverluste.

Ich habe immer noch den Eindruck, dass meine Berechnung nicht ganz 
richtig ist. Könnt ihr wirklich bestätigen, dass es so passt, wie es von 
mir berechnet wurde?

Georg schrieb:
> Ich meine es gibt Anwendungen, da sind die
> Frequenzen weitaus höher, wo man sagt, dass dann eher die
> Durchlassverluste zu vernachlässigen sind als die Schaltverluste.

Da werden Gate-Treiber verwendet, die Ströme im Ampere-Bereich liefern, 
um die Gate-Kapazität nicht im "Schneckentempo" umzuladen.

Georg schrieb:
> Ich habe immer noch den Eindruck, dass meine Berechnung nicht ganz
> richtig ist.
Nein, deine Rechnung ist nicht korrekt. Ich habe noch keinen MOSFET 
gesehen, der t_on und t_off 1,5,uS hat. Nicht vewechseln mit 
Flankensteilheit der Steuersignale, die kommen auch exttra noch dazu

Georg schrieb:
> Ich habe immer noch den Eindruck, dass meine Berechnung nicht ganz
> richtig ist. Könnt ihr wirklich bestätigen, dass es so passt, wie es von
> mir berechnet wurde?

Weder die Durchlassverluste, noch die Schaltverluste sind plausibel.

Tany schrieb:
> Georg schrieb:
>> Ich habe immer noch den Eindruck, dass meine Berechnung nicht ganz
>> richtig ist.
> Nein, deine Rechnung ist nicht korrekt. Ich habe noch keinen MOSFET
> gesehen, der t_on und t_off 1,5,uS hat. Nicht vewechseln mit
> Flankensteilheit der Steuersignale, die kommen auch exttra noch dazu

Ja klar, aber wie Ben folgend schreibt,

Ben B. schrieb:
und zu schnelles
> Schalten der FETs kann Probleme mit Schwingungen und EMI bringen.
>
> Wenn die Mikroruckler nicht stören, würde ich solche Motoren mit
> 100..300Hz ansteuern. Das erzeugt zwar ein hörbares Summen, welches ich
> aber nicht als nervig empfinde.

bekommt man es irgendwann mit der EMV zu tun. Also braucht es irgend 
einen Kompromiss und man legt die Schaltzeiten so aus, dass man die EMV 
Prüfung übersteht und zugleich aber nicht allzu hohe Verluste generiert.

Jetzt natürlich interessiert mich folgendes:
Wenn ich einen Treiber für die Ansteuerung der FETS nutze, kann ich doch 
auch mit den Gatewiderständen die Einschaltzeiten beeinflussen, oder wie 
es halt mit meinem Beispiel der Fall ist, mit dem uC, der die FETs mit 
3.3V ansteuert. Mit einem entsprechenden Gatewiderstand stelle ich dann 
den Strom so ein, dass die gewünschte Einschaltzeit erreicht wird.

Jetzt komme ich wieder zurück zu der Aussage von dir Tany. Klar, dass 
Mosfets viel schneller schalten (im ns Bereich), aber ich stelle doch 
genau die Einschaltzeit des FETs mit dem Gatewiderstand ein oder etwa 
nicht? Wenn nein, was stelle ich dann ein damit?

wenn du absichtlich so schlecht wie möglich ansteuerst, kommt halt Mist 
hinten raus. Das hier ist Impulsfolge über Widerstand am gate (grün) und 
Verlustleistung (rot).

Helge schrieb:
> wenn du absichtlich so schlecht wie möglich ansteuerst, kommt halt
> Mist
> hinten raus. Das hier ist Impulsfolge über Widerstand am gate (grün) und
> Verlustleistung (rot).

Hi Helge

Ja was ist dann so die Einschaltezeit, die man mit dem Gatewiderstand 
einstellt und so gut wie nötig und so schlecht wie möglich ist? Ich 
meine die Schaltung muss ja keine Raumsonde steuern oder so.

Welche Zeit soll man bei unwesentlichen Schaltungen in etwa einstellen?
1u, 500ns oder doch 50ns? Die meisten FETs schalten ja irgendwo zwischen 
4-20ns? 20ns wenn es einer der trägen ist.

H. H. schrieb:
> Georg schrieb:
>> Ich habe immer noch den Eindruck, dass meine Berechnung nicht ganz
>> richtig ist. Könnt ihr wirklich bestätigen, dass es so passt, wie es von
>> mir berechnet wurde?
>
> Weder die Durchlassverluste, noch die Schaltverluste sind plausibel.

Kann mir denn niemand ein Beispiel machen? Ich meine es ist ja nicht so, 
dass mir hier jemand die Hausaufgaben machen soll. Ich habe es versucht 
und komme einfach nicht weiter und nach deiner Aussage sind wohl beide 
Anteile nicht plausibel, wobei mir nicht geheuer ist, warum zumindest 
die Durchlassverluste nicht plausibel sind.
Die Berechnung erfolgt ja einfach nach Schema F: P= I^2 * R,
Man hat einen Strom der im On-Zustand durch die DS-Strecke fliesst und 
den RDSon, sprich 10A^2 x 10mOhm. Was soll denn da nicht plausibel sein? 
Die Formel habe ja nicht ich erfunden, die ist einfach so definiert.

Alex -. schrieb:
> Georg schrieb:
>> Die Berechnung erfolgt ja einfach nach Schema F: P= I^2 * R,
>> Man hat einen Strom der im On-Zustand durch die DS-Strecke fliesst und
>> den RDSon, sprich 10A^2 x 10mOhm. Was soll denn da nicht plausibel sein?
>> Die Formel habe ja nicht ich erfunden, die ist einfach so definiert.
>
> Naja, die 10A sind der Motorstrom, wenn ich dich richtig verstanden
> habe. Der Strom durch den FET is geringer und folgt dem Tastgrad.
> Steuerst du deinen Motor mit einem Tastgrad unter 100%, hast du keine
> 10A mehr als Grundlage für deine Durchlassverluste.
>
> Entsprechend sind 10A  10A  10mOhm nicht einfach Schema F, sondern nur
> für den Fall Tastgrad=100% wahr. Aber dann hast du keine PWM mehr, und
> verlierst entsprechend Kontrolle über deinen Motor. Aber hey, dann sind
> deine Schaltverluste auch 0, und du brauchst dir über
> Schaltgeschwindigkeiten keine Gedanken mehr machen ;)
>
> Gruß,

Hi Alex

Ja ich verstehe was du meinst. Da war ich mit meinen Gedanken auch 
schon. Klar, wenn der Motor 100% PWM hat, entstehen nur die 
Durchlassverluste. Aber ich kann ja auch nur 98% PWM einstellen. Da 
läuft der Motor fast mit 10A zwar und ist nahe den 100%, aber die 
Schaltverluste gibt es ja trotzdem noch. Also entstehen dann fast 100% 
Durchlassverluste + Schaltverluste. Das wäre so der Extremfall, wenn man 
sich den 100% annähert.

Aber ja ok, dann sieht die Formel folgendermassen aus.

Durchlassverluste Pd = ID^2  RDSon  ton/T
mit ton/T = D (Tastgrad)

Wie sieht es nun mit den Schaltverlusten aus? Warum sind die jetzt nicht 
plausibel?

Georg schrieb:
> Die Berechnung erfolgt ja einfach nach Schema F: P= I^2 * R,
> Man hat einen Strom der im On-Zustand durch die DS-Strecke fliesst und
> den RDSon, sprich 10A^2 x 10mOhm.

Das ist erstmal richtig, solange Strom fließt.

Bei der Leistung ist aber auch die Zeit zu berücksichtigen, wenn Du nur 
50% einschaltest, halbiert sich über die Zeit die Leistung, relevant für 
die Berechnug des Kühlkörpers.

Und nun kommt aaaaaaaaber:
Die Gate-Source-Strecke eines FETs ist wie ein Kondensator zu 
betrachten. Man legt Spannung ans Gate, GS lädt sich auf, und während 
dieser Zeit hat der FET DS deutlich mehr als 10mOhm, ich nenne es 
'analogen Bereich'. Wenn ich meinen Elektrokocher nur alle 10s ein / aus 
schalte und länger an lasse, kann ich das vernachlässigen. Wenn ich das 
Ding aber einige hundert / tausend mal pro Sekunde schalte, schnelle 
PWM, wird dieser analoge Durchgang den FET umbringen.

Da muß man gucken, mit einer niederohmigen Quelle den FET mit möglichst 
viel Strom schnell zu schalten, und zwar sowohl ein als auch aus. Dafür 
gibt es keine allgemeingültige Formel, das muß man individuell nach 
Anforderung festlegen.

Manfred schrieb:
> Georg schrieb:
>> Die Berechnung erfolgt ja einfach nach Schema F: P= I^2 * R,
>> Man hat einen Strom der im On-Zustand durch die DS-Strecke fliesst und
>> den RDSon, sprich 10A^2 x 10mOhm.
>
> Das ist erstmal richtig, solange Strom fließt.
>
> Bei der Leistung ist aber auch die Zeit zu berücksichtigen, wenn Du nur
> 50% einschaltest, halbiert sich über die Zeit die Leistung, relevant für
> die Berechnug des Kühlkörpers.

Ja klar, aber wie ich oben schon schrieb. Was ist bei 98% PWM?
Da gibt es annähern maximalen Durchlassverlust und Schaltverluste dazu.
>
> Und nun kommt aaaaaaaaber:
> Die Gate-Source-Strecke eines FETs ist wie ein Kondensator zu
> betrachten. Man legt Spannung ans Gate, GS lädt sich auf, und während
> dieser Zeit hat der FET DS deutlich mehr als 10mOhm, ich nenne es
> 'analogen Bereich'. Wenn ich meinen Elektrokocher nur alle 10s ein / aus
> schalte und länger an lasse, kann ich das vernachlässigen. Wenn ich das
> Ding aber einige hundert / tausend mal pro Sekunde schalte, schnelle
> PWM, wird dieser analoge Durchgang den FET umbringen.
>
> Da muß man gucken, mit einer niederohmigen Quelle den FET mit möglichst
> viel Strom schnell zu schalten, und zwar sowohl ein als auch aus. Dafür
> gibt es keine allgemeingültige Formel, das muß man individuell nach
> Anforderung festlegen.

Ja das stimmt, aber für meinen fiktiven Anwendungsfall sind gerade diese 
Verluste vernachlässigbar.
Mich interessieren nur die Schaltverluste, die durch das Schalten 
aufgrund von Flankensteilheiten entstehen.

Kann man diese Frage nicht einfach direkt beantworten?

Im wesentlichen: deine Annahme für die Schaltzeiten ist ca. Faktor 100 
zu lang. Wenn du wirklich so langsam schaltest hast auch entsprechende 
hohe Verluste.
Der Wikipedia Artikel ist leider ziehmlich rudimentär und stark 
vereinfacht.

Grundsätzlich ist die Berechnung der Schaltverluste (ähnlich zu den 
Spulenverlusten im anderen Thread) in den meisten Fällen unmöglich, da 
sie von einem ganzen Stapel Parameter abhängen die man nicht kennt und 
die schwer zu bestimmen sind (z.B. parasitäre Induktivitäten und 
Kapazitäten des PCBs, aber auch MOSFET Parameter). Viele der Grössen 
sind zudem temperaturabhängig (z.B. die Reverse Recovery Ladung der 
verwendeten (Body)diode (die Reverse Recovery Ladung kann einen ganz 
erheblichen Anteil der Schaltverluste ausmachen).
Es gibt von Infineon eine App Note zu dem Thema:"MOSFET Power Losses 
Calculation Using the Datasheet Parameters". Leider ist auch das mit 
Vorsicht zu geniessen: das darin behandelte Modell ist zwar an sich 
richtig, die Schwierigkeiten mit den Parametern bleiben aber die selben 
(die benötigten rise und fall time Parameter hängen z.B. stark von 
Parasitics ab). Ausserdem fehlt der Einfluss der Drain-Source Kapazität 
Coss (zeigt sich z.B. daran, dass die berechneten Schaltverluste mit 
abnehmendem Strom gegen Null gehen, was natürlich nicht stimmt). Die 
Abweichungen die wir gemessen haben waren oft gross (Faktor 5 und mehr).
In der Praxis gibt es verschiedene Abschätzungen die jedoch selten 
brauchbare Ergebnisse liefern. Wenn man es wirklich wissen will hilft 
nur nachmessen. Schaltverluste elektrisch zu messen ist jedoch ebenfalls 
sehr schwierig (im Falle von Soft Switching de facto unmöglich). Man 
kommt oft nicht um eine kalorimetrische Messung herum. Diese gemessenen 
Schaltverluste kann man dann für zukünftige Auslegungen verwenden.

Alex -. schrieb:
> Beim Einschalten treten auch noch mal Schaltverluste auf. Einschalt- und
> Ausschaltverluste unterscheiden sich sehr.

Bei MOSFETs sind es eigentlich immer die Einschaltverluste (Hard 
Switching losses) die dominieren. Die Reverse Recovery Ladung spielt 
hier (zumindest bei Silizium Dioden, bei SiC und GaN sieht es anders 
aus) eine entscheidende Rolle. Hat man Soft Switching (ZVS) gibt es kein 
Hard Switching, dann sieht es anders aus. Bei IGBTs spielen die 
Ausschaltverluste eine wesentlich grössere Rolle (Stichwort "tail 
current").

Georg schrieb:
> Welche Zeit soll man bei unwesentlichen Schaltungen in etwa einstellen?
> 1u, 500ns oder doch 50ns?

die kürzestmögliche Umschaltzeit, bei der das Gebilde aus Transistor, 
Last, Diode, Leiterinduktivitäten und -kapazitäten nicht noch zusätzlich 
zu schwingen beginnt. Mit mehr Aufwand (Gatetreiber) sinken die 
Verluste. Kostet halt geld und Aufwand, spart dafür Kühlkörper ein. 
Also: al gusto.

Beispiel

Georg schrieb:

> Ja klar, aber wie ich oben schon schrieb. Was ist
> bei 98% PWM?

Dann hat man 98% der maximal möglichen Durchlassverluste;
diese betragen

Ich verstehe die Diskussion um diesen Punkt nicht.


> Da gibt es annähern maximalen Durchlassverlust und
> Schaltverluste dazu.

Richtig.


> [...]
> Mich interessieren nur die Schaltverluste, die durch
> das Schalten aufgrund von Flankensteilheiten entstehen.
>
> Kann man diese Frage nicht einfach direkt beantworten?

Ja nu... selbst Raketentechnik ist keine Raketentechnik...

Je Zyklus wird einmal eingeschaltet und einmal ausgeschaltet.
Die Zahl der Schaltvorgänge je Sekunde ist also das Doppelte
der Schaltfrequenz. Bei 20'000 Hz Schaltfrequenz gibt es
40'000 Schaltvorgänge je Sekunde.

Am Anfang des Einschaltvorganges ist zwar die Spannung über
dem FET maximal, der Strom aber gleich Null -- also ist die
momentane Verlustleistung auch gleich Null. Am Ende des
Einschaltvorganges ist der Strom zwar maximal, die Spannung
aber (fast) gleich Null -- also ist auch hier die Leistung
gleich null. Nur in der Mitte fließt bei halber Spannung
ungefähr halber Strom; genau in der Mitte sind somit die
Verluste maximal.
Bedeutet: Während des Schaltvorganges verläuft die Verlusteistung
ungefähr parabolisch; sie kann nie höher als U/2 * I/2 werden.
Man kann diese Parabel daher durch ein Rechteck der Größe U/2 *I/2
nach oben abschätzen.
(Für den Ausschaltvorgang gilt eine entsprechende Argumentation.)

Daher gilt insgesamt:

Unrealistisch ist daran nur die angenommene Schaltzeit von
1.5µs; das ist ungefähr um Faktor 10 zu lang.

Egon D. schrieb:

> Am Anfang des Einschaltvorganges ist zwar die Spannung über
> dem FET maximal, der Strom aber gleich Null -- also ist die
> momentane Verlustleistung auch gleich Null. Am Ende des
> Einschaltvorganges ist der Strom zwar maximal, die Spannung
> aber (fast) gleich Null -- also ist auch hier die Leistung
> gleich null. Nur in der Mitte fließt bei halber Spannung
> ungefähr halber Strom; genau in der Mitte sind somit die
> Verluste maximal.

Ach so... Nachtrag:
Die Argumentation gilt streng nur für rein reelle Lasten;
dort sind die Einschalt- und Ausschaltverluste (bei gleicher
Schaltzeit) identisch.
Weist die Last Blindkomponenten auf, dann ändert sich das;
die dargestellte Abschätzung liefert aber m.W. immer noch
einen brauchbaren Anhaltspunkt.

Bei einem (belasteten) Motor sollte der Wirkwiderstand
dominieren; schließlich soll er mechanische Arbeit
verrichten.

Egon D. schrieb:

>
> Je Zyklus wird einmal eingeschaltet und einmal ausgeschaltet.
> Die Zahl der Schaltvorgänge je Sekunde ist also das Doppelte
> der Schaltfrequenz. Bei 20'000 Hz Schaltfrequenz gibt es
> 40'000 Schaltvorgänge je Sekunde.
>
> Am Anfang des Einschaltvorganges ist zwar die Spannung über
> dem FET maximal, der Strom aber gleich Null -- also ist die
> momentane Verlustleistung auch gleich Null. Am Ende des
> Einschaltvorganges ist der Strom zwar maximal, die Spannung
> aber (fast) gleich Null -- also ist auch hier die Leistung
> gleich null. Nur in der Mitte fließt bei halber Spannung
> ungefähr halber Strom; genau in der Mitte sind somit die
> Verluste maximal.
> Bedeutet: Während des Schaltvorganges verläuft die Verlusteistung
> ungefähr parabolisch; sie kann nie höher als U/2 * I/2 werden.
> Man kann diese Parabel daher durch ein Rechteck der Größe U/2 *I/2
> nach oben abschätzen.
> (Für den Ausschaltvorgang gilt eine entsprechende Argumentation.)
>
> Daher gilt insgesamt:P=U/2∗I/2∗ts∗2∗f P = U/2 * I/2  t_s  2 * f
> =U∗I∗ts∗f/2  = U  I  t_s * f/2 =24V∗10A∗1.5µs∗20′000Hz/2  = 24V * 10A
> * 1.5µs * 20'000Hz/2 =240W∗0.015  = 240W * 0.015 =3.6W  = 3.6W
> Unrealistisch ist daran nur die angenommene Schaltzeit von
> 1.5µs; das ist ungefähr um Faktor 10 zu lang.

Hallo Egon

Das ist so ziemlich auf den Punkt gebracht, was ich wissen wollte. Sehr 
gut erklärt. Vielen Dank dafür.