mikrocontroller.net

Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Leistung gemittelt am Mosfet berechenen


Autor: Th Wa (frischling)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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 ?

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@ 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

Autor: Th Wa (frischling)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@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 ?

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
>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

Autor: Th Wa (frischling)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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 ???

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@ 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

Autor: Th Wa (frischling)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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 !

Autor: yalu (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> 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.

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.