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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Thermische Kopplung von MOSFETs, Transistoren und Dioden


Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Ich möchte MOSFETs parallelschalten, wie muß die thermische Kopplung 
dieser Bauteile aussehen?

Ein Beispiel:
ich möchte 2 MOSFETs im TO220-Gehäuse parallelschalten, und habe 
ausgerechnet, dass jeder einen Rth von 2K/W bräuchte.
a) Ist es jetzt besser, wenn ich 2 einzelne KK mit je 2K/W nehme, und so 
keinerlei thermische Kopplung habe (ausser der Umgebungsluft).
b) Oder muß ich die beiden Bauteile auf einen 1K/W KK so dicht wie 
möglich aneinander montieren, um eine optimale thermische Abhängigkeit 
zu erhalten?

Meine Antwort wäre:

Bipolarer Transistor, Dioden --> b
Grund:
Wird ein Transistor in einer Parallelschaltung warm, wird auch die Uce 
kleiner (negativer Temperaturkoeffizient). Deshalb wird er mehr Strom 
durchlassen, dadurch noch etwas wärmer, mehr Strom, mehr Wärme ... tot. 
Deshalb sollte er über eine sehr direkte thermische Kopplung seinem 
Partner etwas von seinen Hitzewallungen mitteilen, damit auch der seine 
Uce etwas verkleinert.
Das selbe gilt für die Uf von Dioden.

MOSFET --> a
Grund:
Ein MOSFET hat einen positiven Temperaturkoeffizienten, Rds steigt also, 
wenn das Ding wärmer wird. In der Parallelschaltung würde jetzt der 
Mosfet, der mehr Leistung abbekommt, wärmer und damit hochohmiger. 
Deshalb wird dann der kühlere der beiden (der bisher nur faul 
herumgelgen hat) mehr Strom abbekommen, und die Welt wäre in Ordnung.

Wenn aber beide MOSFETs thermisch eng gekoppelt sind, dann heizt der 
MOSFET mit dem höheren Rds den kühleren auf, und dessen Rds steigt jetzt 
durch die "Fremdheizung". Das dürfte doch mindestens als unschön zu 
bezeichnen sein.

Das hier hat mich doch stutzig gemacht:
Beitrag "Re: paralellschaltung von buz 10"

Wer kann hier was aus der Praxis erzählen?

Autor: Gast (Gast)
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richtig, besser hätte ich es auch nicht gewusst.
Bei Dioden und Bipolartranistoren kann (sollte) man noch einen 
Emitterwiderstand zur Gegenkopplung vorsehen.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Lothar Miller wrote:
> Ich möchte MOSFETs parallelschalten, wie muß die thermische Kopplung
> dieser Bauteile aussehen?
>
> Ein Beispiel:
> ich möchte 2 MOSFETs im TO220-Gehäuse parallelschalten, und habe
> ausgerechnet, dass jeder einen Rth von 2K/W bräuchte.
> a) Ist es jetzt besser, wenn ich 2 einzelne KK mit je 2K/W nehme, und so
> keinerlei thermische Kopplung habe (ausser der Umgebungsluft).
> b) Oder muß ich die beiden Bauteile auf einen 1K/W KK so dicht wie
> möglich aneinander montieren, um eine optimale thermische Abhängigkeit
> zu erhalten?
>
> Meine Antwort wäre:
>
> Bipolarer Transistor, Dioden --> b
> Grund:
> Wird ein Transistor in einer Parallelschaltung warm, wird auch die Uce
> kleiner (negativer Temperaturkoeffizient). Deshalb wird er mehr Strom
> durchlassen, dadurch noch etwas wärmer, mehr Strom, mehr Wärme ... tot.
> Deshalb sollte er über eine sehr direkte thermische Kopplung seinem
> Partner etwas von seinen Hitzewallungen mitteilen, damit auch der seine
> Uce etwas verkleinert.
> Das selbe gilt für die Uf von Dioden.
>
> MOSFET --> a
> Grund:
> Ein MOSFET hat einen positiven Temperaturkoeffizienten, Rds steigt also,
> wenn das Ding wärmer wird. In der Parallelschaltung würde jetzt der
> Mosfet, der mehr Leistung abbekommt, wärmer und damit hochohmiger.
> Deshalb wird dann der kühlere der beiden (der bisher nur faul
> herumgelgen hat) mehr Strom abbekommen, und die Welt wäre in Ordnung.
>
> Wenn aber beide MOSFETs thermisch eng gekoppelt sind, dann heizt der
> MOSFET mit dem höheren Rds den kühleren auf, und dessen Rds steigt jetzt
> durch die "Fremdheizung". Das dürfte doch mindestens als unschön zu
> bezeichnen sein.
>
> Das hier hat mich doch stutzig gemacht:
> Beitrag "Re: paralellschaltung von buz 10"
>
> Wer kann hier was aus der Praxis erzählen?

Meine Praxiserfahrung:

Nun, die Praxis sagt für den MOSFET-Fall b.) als Antwort.
Und außerdem Source-Widerstände, insbeosndere bei Impuls-Belastung.

Und für den Bipolarfall bei Transistoren: Da sagt die Praxis getrennte 
KK, weil 2 Stück 2K/W deutlich kleiner und billiger sind als 1 Stück 
1K/W. Erleichtert die Montage und Gehäuseplanung, schont den Geldbeutel.
Emitterwiderstände sind vorzusehen.

Für Dioden: Nun, in der Leistungsklasse kenne ich nur "fette" 
Brückengleichrichter. z.B. von Siemens. Da sind bis zu 5 Dioden auf 
einer 100x200x1.5 mm AL KK Platte eingepresst.  Und damit thermisch und 
elektrisch "parallelgeschaltet". Keine Ausgleichswiderstände.


So sieht die Praxis aus.


hth,
Andrew

Autor: faraday (Gast)
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>Wenn aber beide MOSFETs thermisch eng gekoppelt sind, dann heizt der
>MOSFET mit dem höheren Rds den kühleren auf

Irgendwas gefällt mir an dem Satz nicht:
a) wieso gibt es einen kühleren?
b) müßte nach P=UxU/R nicht der kleinere Rds mehr heizen?

Hier noch etwas Lektüre

http://www.irf.com/technical-info/appnotes/para.pdf

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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faraday wrote:
>>Wenn aber beide MOSFETs thermisch eng gekoppelt sind, dann heizt der
>>MOSFET mit dem höheren Rds den kühleren auf
> Irgendwas gefällt mir an dem Satz nicht:
> a) wieso gibt es einen kühleren?
Weil die Welt nicht gerecht ist ;-)

> b) müßte nach P=UxU/R nicht der kleinere Rds mehr heizen?
Richtig, es erwischt den niederohmigeren  :-o
Das hat aber dieselbe Wirkung.

Ein Rechenbeispiel:
Also wir kaufen uns 2 Stück IRL540 und schalten die parallel. Bei einem 
haben wir Glück, der hat 30mOhm Rds (das ist der T1), der andere ist ein 
Grenzfall mit 50mOhm (der heißt jetzt mal T2). Jeder einzelne kann 20A, 
dann lassen wir da sauber 40A drauflos. Der Strom wird sich jetzt auf T1 
und T2 im Verhältnis 5:3 verteilen. Also bekommt T1 25A ab, T2 sieht die 
Sache beschaulich mit 15A.
Durch P=U²/R oder P=I²R wird sich T1 nun erwärmem und dadurch seinen Rds 
erhöhen. Damit bekommt T2 etwas mehr Bedeutung und darf auch etwas mehr 
Strom durchschalten.

Wäre jetzt T2 direkt an T1 gekoppelt, würde sich T1 durch T2 erwärmt, 
und das Stromverhältnis bliebe gleich. T1 müsste immer mehr Strom 
schalten als T2.

Aus der Appnote im Abschnitt
> Current Unbalance Limits
> ... current unbalance ...
> ... temperature compensation reduces the ... unbalance.
> If a common heatsink is used, the reductions will not be as large.

Mein Fazit (noch immer):
die MOSFETs sollten thermisch nicht miteinander gekoppelt sein.

Autor: faraday (Gast)
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>Mein Fazit (noch immer):
>die MOSFETs sollten thermisch nicht miteinander gekoppelt sein.

sehe ich eigentlich auch so.
Wenn aber die Praxis was anderes sagt, sollte man vielleicht einfach mal 
eine kleine Testschaltung bauen.

Autor: Wolf (Gast)
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> If a common heatsink is used, the reductions will not be as large.

Wenn ein gemeinsamer Kk benutzt wird, werden die Beschränkungen geringer 
ausfallen.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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reduction = Abnahme

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Wolf wrote:
>> If a common heatsink is used, the reductions will not be as large.
> Wenn ein gemeinsamer Kk benutzt wird, werden die Beschränkungen geringer
> ausfallen.
Danke für die Übersetzung ;-)
Aber mein Englisch ist alltagstauglich (auch wenn meine Herkunft von den 
in England Eingeborenen schon mal in Irland vermutet wird),
und ich habe den Text der Appnote schon verstanden.

Sinngemäß steht da, dass durch unterschiedliche Rds eine Ungleichheit in
der Stromverteilung parallelgeschalteter MOSFETs auftritt (für den
MOSFET: schlecht).
Dieser Stromunterschied wird teilweise durch die Temperaturabhängigkeit
der DS-Strecke kompensiert/aufgehoben (für den MOSFET: gut).
Die Aufhebung des Unterschieds wird aber durch einen gemeinsamen KK
reduziert (für den MOSFET: wieder schlechter).

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Lothar Miller (lkmiller)

>Dieser Stromunterschied wird teilweise durch die Temperaturabhängigkeit
>der DS-Strecke kompensiert/aufgehoben (für den MOSFET: gut).
>Die Aufhebung des Unterschieds wird aber durch einen gemeinsamen KK
>reduziert (für den MOSFET: wieder schlechter).

Qualitativ ist das richitg, aber wie sieht es quantitativ aus?
Sprich, über wieviel Prozent reden wir hier?
Und selbst wenn man zwei TO220 auf einen fetten KK schraubt, sind die 
ganz sicher nicht so eng thermisch gekopplelt wie wenn beide Dies in 
einem Gehäuse säßen. Sprich, die "gute thermische Kopplung" ist ein 
denhnbarer Begriff. Aus praktisch-konstruktiven Erwägungen wird man halt 
oft einfach alle Leistungshalbleiter (isoliert) auf einen fetten KK 
schrauben und gut.
Am Ende ist es "nur" wichtig, dass die Sache nicht thermisch kippt, 
sprich die Gegenkopplung zu klein wird und ein MOSFET nach dem anderen 
durchglüht. Gewisse Lastdifferenzen wird man wohl in Kauf nehmen müssen 
und können, das sollte man halt bei der Dimensionierung der Reserve 
berücksichtigen (1+1<2, wenn es um Strom/Leistung geht.)

MFG
Falk

Autor: Ben (Gast)
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threadleichenausbuddler...

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