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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Elektronische Last, Kühlung von Halbleitern


Autor: Roland B. (Gast)
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Hallo,
ich will selber eine professionelle elektronische Last entwickeln, da 
dies ein Gerät ist, welches ich wirklich oft benötige. Und da selber 
bauen Spass macht, werde ich es einmal versuchen :-)

Ich habe 10 MOSFET-Stufen vorgesehen, welche die Leistung verbraten 
sollen. Das Vorgehen ist klar: Mittels Shunt wird der Strom pro MOSFET 
gemessen; ein als Differenzverstärker beschalteter OpAmp misst die 
Spannung über dem Shunt und führt sie einem Regler zu, welcher das Gate 
des MOSFETs ansteuert. Soweit so gut; das Prinzip ist ja nichts neues 
und funktioniert problemlos.
Jetzt geht es aber an die Kühlung der MOSFETs, und da haperts bei mir 
noch etwas.
Schön wäre es, wenn ich insgesamt ca. 300W verbraten könnte. Mehr wäre 
besser, aber 300 reichen vorerst. Allerdings bin ich in der Grundfläche 
des Geräts beschränkt: Da es in mein von mir entwickeltes Rack von Mess- 
und Prüfgeräten rein passen soll, darf die Leiterplatte mit den MOSFETs 
nicht grösser als 100 x 160 werden. Was auch kein Problem ist. Die 
MOSFETs (TO-220, oder TO-247, da habe ich freie Wahl) werden liegend 
bestückt, mit der Kühlfläche von der Leiterplatte weg zeigend. Auf 
dieses Konstrukt drauf kommt dann ein Kühlkörper, der auch wieder 100 x 
160mm gross ist. Die Kühlrippen sind ca. 50 mm hoch. Frage: Wenn ich 
diesen Kühlkörper nun mit einem kleinen Lüfter belüfte, kann ich meine 
geforderten 33W erreichen? Jeder MOSFET soll ja dann ca. 30W verbraten. 
Da die MOSFET-Stufen voneinander nicht galvanisch getrennt sein müssen, 
kann ich die MOSFETs direkt ohne Isolierpd auf den Kühlkörper schrauben 
(Wärmeleitpaste nicht vergessen).

Geht das so, wie ich es mir vorstelle?

Autor: mhh (Gast)
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Roland B. schrieb:
> Kühlkörper, der auch wieder 100 x
> 160mm gross ist. Die Kühlrippen sind ca. 50 mm hoch.

Das reicht nicht. Und kleiner Lüfter schon garnicht. Große Lüfter 
brauchst Du.

Autor: Roland B. (Gast)
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Naja, der Lüfter ist 100 x 100 mm gross.

Anders gefragt: wie viel kann ich denn mit diesem Setup maximal 
verbraten?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Roland B. (Gast)

>dieses Konstrukt drauf kommt dann ein Kühlkörper, der auch wieder 100 x
>160mm gross ist. Die Kühlrippen sind ca. 50 mm hoch.

Datenblatt nach dem Wärmewiderstand fragen. Siehe auch Kühlkörper.

>diesen Kühlkörper nun mit einem kleinen Lüfter belüfte, kann ich meine
>geforderten 33W erreichen?

Ein Bild sagt mehr als tausend Worte. Aber bitte die Bildformate 
beachten.

>Da die MOSFET-Stufen voneinander nicht galvanisch getrennt sein müssen,
>kann ich die MOSFETs direkt ohne Isolierpd auf den Kühlkörper schrauben
>(Wärmeleitpaste nicht vergessen).

Ja das ist OK.

>Geht das so, wie ich es mir vorstelle?

Jain. Ob ein Kühlkörper der von dir vaage beschrieben ist die 300W 
wegbekommt ist nicht so klar. Du solltest versuchen, so ein Kühlaggregat 
zu bekommen, wo zwei Halbschalen aufeinendergreifen und ein Rohr bilden, 
bei dem die Kühlrippern nach innen zeigen. Dort kann man per Lüfter 
prima reinblasen.

http://www.fischerelektronik.de/index.php?id=114

Autor: mhh (Gast)
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Roland B. schrieb:
> Anders gefragt: wie viel kann ich denn mit diesem Setup maximal
> verbraten?

Aus dem Bauch raus (kenne ja die Daten vom KK ebenso wie Du nicht, 
hättest ja sonst berechnet): 2 von den Kühlkörpern mit den Rippen 
zueinander, vorn und hinten einen Lüfter - ca. 200 bis 220 Watt. Aber 
nur bei ausreichender Anzahl von Rippen. Sonst eher dann 150 Watt für 
die zwei.

Einbauen in ein Rack würde ich es nicht. Freie Wärmeentfaltung ist 
besser.

Autor: Thomas Decker (t0mmy)
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Das Ding hier schafft laut Datenblatt bei den 15cm Länge ein Rth von 
0,125K/W. Das sind bei 300W theoretische 40°C mehr.
http://www.reichelt.de/?ACTION=3;ARTICLE=75430;PROVID=2402
Das ist vermutlich die richtige Größenordnung für dein Projekt.

Autor: Dieter M. (Gast)
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... glaube auch, dass das Reichelt-Teil in die richtige Richtung geht.
Bei Dauerbetriebe würde ich, Temperatur und/oder Lüfterfunktion 
überwachen. Ein Arbeitskollege hat schon mal von einer bösen 
Überraschung nach einem Wochenende erzählt...

Autor: mhh (Gast)
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http://www.reichelt.de/?ACTION=3;GROUP=C86;GROUPID...

Die scheinen in der Art wie Deine Planung zu sein. Bei zwei Stück Rippen 
zueinander mit vier 80mm Lüftern (2 vor, 2 dahinter - Luftrichtung 
beachten) dürften die 300 Watt zu schaffen sein.

Von dem Lüfteraggregat halte ich nicht so viel, zu wenig Metall - nur 
ein kleiner lärmiger Lüfter - keine Reserven wenn der Lüfter stirbt.

Autor: MaWin (Gast)
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> Geht das so, wie ich es mir vorstelle?

Die leistungsfähigsten Pentium Kühler brachten 115 Watt,
das waren die Rechner die oft mit Wasserkühlung betrieben wurden,
in denen aber auch ein 120mm Lüfter auf 120mm Kühlkörper lief.

Es ist also zu vermuten, daß dein Kühlkörper, auch bei grossem
Lüfter, keine 330W schafft, sondern du 2 davon brauchst.

Aber meine Erfahrung bei elektronischer Last ist, daß man vor
allem wechselnde Last braucht, und die muss schnell wechseln,
braucht aber nicht so genau zu sein.

Daher ist der Ansatz, eine normale elektronische Last zu bauen
(einstellbar) und parallel dazu schaltende MOSFETs anzubringen
die induktionsfreie Hochlastwiderstände schalten können (ich
habe 1 Ohm, 10 Ohm, 100 Ohm) z.B. mit 50 Hz (ich habe
einstellbare Zeiten) die RICHTIG SCHNELL umschalten,
damit man z.B. Schaltregler auf reale Transienten testen (und
verbessern) kann, denn die per Shunt geregelten MOSFET so
schnell sauber umzutasten, funktioniert schlechter als das
was man testen will.

Autor: Roland B. (Gast)
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Dank euch!
ich werde mir ein solches Lüfteraggregat zulegen. Ich habe ein relativ 
günstiges gefunden, welches in mein Rack passt und 0.15K/W macht. Das 
nehme ich! Das wäre am Kühlkörper dann eine Temperaturerhöhung von 
+40..50K. Bei einer Umgebungstemperatur von 25°C wird der KK also max. 
70°C  bei 300W.
Meine MOSFETs haben ca. 1.5K/W Rthjc; da jeder MOSFET 30W verbraten 
muss, kommen also nochmal 45K dazu. Macht also eine 
Sperrschinttemperatur von ca. 120°C. Ist zwar relativ warm, meine 
MOSFETs sind aber bis 170°C Junction Temperature spezifiziert und dürfen 
max. 500W verbraten. Ich habe also genug Reserve. Nur: habe ich wirklich 
richtig gerechnet? Ich weiss nicht, wie man das rechnen muss, wenn man 
mehrere Halbleiter hat, die gekühlt werden müssen. Einen einzelnen KK zu 
berechnen ist aber kein Problem...

Autor: Jens G. (jensig)
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Da Du die Wärme parallel über mehrere Punkte verteilt einspeist, 
verbessert sich sogar effektiv betrachtet der Wärmewiderstand des KK. 
D.h., die Reserve vergrößert sich dadurch eigentlich sogar (es sei denn, 
der Wärmewiderstand des KK wurde bereits für eine gewisse Parallelität 
angegeben)
So aus dem Bauch heraus scheint Deine Rechnung in etwa zu stimmen.

Autor: Roland B. (Gast)
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Okay, dann habe ich also ungefähr richtig geraten bei der Berechnung ;-)
Aus reiner Neugier: wie sieht es denn aus, wenn ich einen "normalen" 
schwarz eloxierten flachen Kühlkörper 100 x 160mm nehme, der einen Rth 
von 1K/W hat und diesen belüfte? Wie verändert sich der Rth durch den 
zusätzlichen Lüfter? Solche Kühlkörper hätte ich nämlich hier; die 
Aggregate sind zwar toll, aber nicht ganz günstig.

Natürlich werde ich am Kühlkörper einen Temperatursensor befestigen, 
welcher vor zu hohen Temperaturen schützt und die elektronische Last 
ggf. abschaltet.

Autor: oszi40 (Gast)
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Roland B. schrieb:
> Wie verändert sich der Rth durch den
> zusätzlichen Lüfter? Solche Kühlkörper hätte ich nämlich hier

Das wird wohl auch vom konkreten Aufbau, der Luftleistung und 
Abluftführung abhängen. Zum Größen-Vergleich schau mal da 
http://www.statron.de/produkte/elektronische-last

Autor: Roland B. (Gast)
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Hallo Leute,
mal noch eine kleine Frage zur Regelung. Ich möchte die MOSFETs gerne 
mit einem PI-Regler regeln. Dazu habe ich bei Agilent das Service-Manual 
einer vergleichbaren elektronischen Last runtergeladen, wo man auch das 
Schaltbild drin findet. Von da habe ich auch teilweise die Schaltung im 
Anhang abgekupfert. Kann man das so machen?
IC5A soll ein Differenzverstärker sein, der die Spannung über dem 
50mOhm-Shunt misst und um den Faktor 10 verstärkt. Anschliessend ist mit 
IC5B, C19 und R48 ein PI-Regler aufgebaut (ich hoffe, ich habe das noch 
einigermassen richtig in Erinnerung), der den MOSFET T6 ansteuert.
Der Strom soll vor allem möglichst präzise sein; deshalb die 
0.1%-Widerstände. Und wenn der Regelkreis einigermassen schnellen 
Spannungsänderungen noch zu folgen vermag, sodass der Strom möglichst 
konstant bleibt, wäre das auch gut. Muss dazu evtl. noch ein D-Anteil 
zum Regler hinzugefügt werden? schliesslich muss bei einer schnellen 
Spannungsänderung am INPUT das Gate des T6 möglichst schnell auf- oder 
entladen werden, um den Strom konstant zu halten.

Autor: MaWin (Gast)
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> Kann man das so machen?

Ja.

> Und wenn der Regelkreis einigermassen schnellen
> Spannungsänderungen noch zu folgen vermag

Dann solltest du erst mal einen OpAmp mit mehr Treiberleistung wählen 
und den bremsenden 47 Ohm Widerstand wegmachen.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Pass aber auf die Verlustleistung am Shunt auf!

Autor: Roland B. (Gast)
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Hallo MaWin,
der 47 Ohm Widerstand ist deswegen da, weil OpAmps ja nicht so gerne 
eine Kapazitive Last haben. Und das MOSFET-Gate hat schlimmstenfalls ca. 
1nF. Da könnte was schwingen....

Simon,
ja. Ich baue 10 solcher Module, welche alle parallel geschaltet werden. 
Jedes Modul wird 0..3A verheizen, wodurch ich eine Verlustleistung pro 
Shunt von ca. 0.5W habe. Der Shunt verkraftet 1W@70°C, und da ich die 
Dinger auf eine grosszügig dimensionierte Kupferfläche lege, sollte das 
passen.


Somit kann ich dann einen Gesamtstrom von 30A ziehen; Als MOSFET werde 
ich einen Typen wählen, welcher ca. bis 80V geht (Sicherheitsreserve). 
Somit wird die Elektronische Last dann einen Bereich von 0..60V und 
0..30A abdecken, bei max. 300W.

Autor: MaWin (Gast)
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> der 47 Ohm Widerstand ist deswegen da, weil OpAmps ja nicht so gerne
> eine Kapazitive Last haben. Und das MOSFET-Gate hat schlimmstenfalls ca.
> 1nF. Da könnte was schwingen....

Nein, dafür hast du ja C19.
Du hast deine Schaltung nicht verstanden.

Ausserdem gäbe es AD827, LM8262, ....

Autor: Jens G. (jensig)
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>> der 47 Ohm Widerstand ist deswegen da, weil OpAmps ja nicht so gerne
>> eine Kapazitive Last haben. Und das MOSFET-Gate hat schlimmstenfalls ca.
>> 1nF. Da könnte was schwingen....

>Nein, dafür hast du ja C19.
>Du hast deine Schaltung nicht verstanden.

>Ausserdem gäbe es AD827, LM8262, ....

Du scheinst der falsche MaWin zu sein, denn C19 ist nicht dafür da.

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