Wärmeentwicklung Mosfet

Thomas Gast #4426514
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Guten Tag,

Ich habe mich für meinen Schrittmotorantrieb für einen TMC 262 
Motortreiber entschieden.

Dieser betreibt externe Mosfet´s die ich mir aus dem Datenblatt passend 
herausgesucht habe.

Nun versuche ich zu ermitteln welche Wärmeentwicklung bei den Mosfet 
auftritt.

Dafür habe ich zuerst einmal die Verlustleistung beim Durchgang 
berechnet:
P=I²* Rds(on)

Mit R(thja)* P errechne ich mir ja die Temperaturdifferenz zwischen 
Sperrschicht und Umgebung die ich ja benötige um zu gucken ob ich einen 
Kühlkorper benötige.

Wie ich mir aber denke reich diese einfache Rechnung für die 
Verlustleistung nicht, da ich die Schaltverluste nicht mit einbeziehe.
Jetzt ist meine Frage wie ich diese berechne bzw. woher ich die 
Schaltfrequenz bekomme ? ( Habe mich bisher für keine Frequenz 
entschieden, da ich experimentieren will und ich den Motor mal schnell 
und mal langsam drehen will.)

Gibt es keine Worst Case Szenarien ?
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Stefan F. Gast #4426528
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Ohne detaillierte Kenntnis der Schaltung kannst du die Schaltverluste 
nicht berechnen. Um die Sache abzukürzen, würde ich messen.

> Habe mich bisher für keine Frequenz entschieden
Dann kann man es gar nicht berechnen.

Aber mutig schätzen geht schon. Man will ja, dass die allermeiste 
Energie in den Motor fließt. Und die Zeiträume, in denen Schaltverluste 
auftreten, hält man möglichst kurz. Deswegen würde ich einfach den 
Kühlkörper 2-3x so groß machen, wie deine Rechnung mit RDSon ergeben 
hat. Wird schon passen - jedenfalls bei einer halbwegs vernünftigen 
Schaltung und dazu passender Frequenz.

Je niedriger die Frequenz, umso weniger Schaltverluste.
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Joe F. #4426536
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Das entscheidende ist, wie lange der Fet beim Schalten im linearen 
Betrieb ist.
In diesem Bereich ist Rds wesentlich höher als im durchgeschalteten 
Zustand, daher auch die höhere Wärmeentwicklung beim Schalten.
Aus diesem Grund möchte man ja durch den Treiber eine möglichst 
schnelle/steile Änderung des Gates erreichen.

Wenn man es ganz genau wissen möchte, müsste man den Verlauf der 
Gate-Spannung und den daraus resultierenden Verlauf von Rds und P 
errechnen.
Am einfachsten macht man soetwas in der Praxis mit einer Spice 
Simulation... Da kannst du dir die Verlustleistung direkt ermitteln 
lassen.
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Teo D. #4426539
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Thomas schrieb:
> ( Habe mich bisher für keine Frequenz
> entschieden, da ich experimentieren will und ich den Motor mal schnell
> und mal langsam drehen will.)

Hab mir jetzt nicht das Dabla angesehen aber bin mir sicher.....

Du wirst sicher wegen den Vorteilen im Copperbetrieb arbeiten wollen?! 
Dessen Frequenz wäre dann das (hauptsächlich)bestimmende für die 
Schaltverluste.
Deren Berechnung hab ich leider nicht im Effeff.
https://de.wikipedia.org/wiki/Schaltverluste
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Michael B. #4426579
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Thomas schrieb:
> Gibt es keine Worst Case Szenarien ?

Natürlich: So schnell schalten, daß der MOSFET gar nicht mehr mitkommt 
sondern halb-leitend analog stehen bleibt, dann fliesst der halbe 
Maximalstrom an der halben Spannung, also 1/4 der Motormaximalleistung 
wird im MOSFET verbrannt.

Das hilft dir aber nicht, weil es unrealistisch viel ist.

Du könntest die Schaltgeschwindigkeit des MOSFETs und die Spannung und 
den Strom nehmen, sozusagen Rechteckimpuls, mal der Schaltfrequenz, das 
wäre schon mal näher dran.

Oder du verdoppelst einfach die von dir schon berechnete statische 
Leistung als sehr grob über den Daumen gepeilte Verlustleistung, nach 
dem Motto: Wenn er mehr Verluste hätte, wäre die Auswahl des MOSFETs 
passend zur Treiberleistung schlecht gewesen.
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Stefan F. Gast #4426596
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Also hängt die Berechnung der Verlustleistung von der Schaltfrequenz ab. 
Ohne Frequenz keine Berechnung - hab ich ja schon geschrieben.

> Oder du verdoppelst einfach die von dir schon berechnete statische
> Leistung ... (sonst) wäre die Auswahl des MOSFETs
> passend zur Treiberleistung schlecht gewesen.

Sag ich ja.
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Thomas Gast #4426717
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Die Chopperfrequenz bleibt ja in meinem System konstant.

Im Datenblatt meines Treibers steht es nun nicht 100% drin bzw. ich 
glaube ich überlese es einfach.
Auf seite 51 ist die Chopperfrequenz mit 40 kHz angegeben.

Diese Frequenz kann ich doch dann als fsw ansehen oder ? und mir so 
meine Verluste ausrechnen.

Vielen Dank schon für die Mühe
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Thomas Gast #4426752
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Errechnet habe ich mit diesen Werten und der Raise bzw Fall Time 
folgende Werte.
Durchflussverluste

P= 1,116W

Schaltverluste

Psw = 0,468W


Aber sind die Schaltverluste i.d.R nicht größer als die 
Durchflussverluste ?
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Jörg E. #4426760
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Thomas schrieb:
> Errechnet habe ich mit diesen Werten und der Raise bzw Fall Time
> folgende Werte.
> Durchflussverluste
>
> P= 1,116W
>
> Schaltverluste
>
> Psw = 0,468W
>
>
> Aber sind die Schaltverluste i.d.R nicht größer als die
> Durchflussverluste ?

Wenn du nur einmal die Stunde schaltest nicht. Bei 1 MHz evtl. schon 
eher. Wie du siehst kommt es auf die Frequenz und Umschaltzeit an.
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Lurchi Gast #4426791
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Etwa die gleiche Größenordnung für Schaltverluste und die Ron Verluste 
ist schon ein ganz guter Schätzwert. Wären die Schaltverluste wesentlich 
höher sollte man einen kleineren Fet wählen um die Schaltverluste auf 
kosten der On verluste zu reduzieren. Im Idealfall wird halt die Größe 
des MOSFETs entsprechend gewählt um die Verluste in der Summe zu 
minimieren, und bei dem Punkt sind die beiden Anteile in ähnlicher 
Größe.

Je nach Schaltung kommen die Verluste als Freilaufdiode dazu - den Teil 
kann man aber mit 50% der Zeit mal Strom mal 0,6 V abschätzen.
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schau halt hier im Forum! Gast #4427219
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Natürlich kann man die Schaltverluste berechnen...
Vielleicht einfach mal in der Artikelübersicht unter 
"Leistungselektronik" schauen?
http://www.mikrocontroller.net/articles/FET
Da steht alles drin.

Übrigens: Eine Simulation ist nur so gut wie das Modell, und wie der, 
der vor dem Rechner sitzt.
Da gibts einen alten Spruch
"problem exists between chair and screen" PEBCAS
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