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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schaltungsentwurf: 500V / 10A elektronische Last


Autor: Rockstar (Gast)
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Hallo zusammen.

Bei mir steht der Bau einer elektronischen Last an, die bei 
Eingangsspannungen von 200V - 500V für die Dauer von 10 Sekunden einen 
konstanten Strom von 10A ziehen kann.
Bevor ich mich an den detaillierten Schaltungsentwurf mache würde ich 
gerne verschiedene Lösungsansätze diskutieren und noch ein paar Ideen 
sammeln.

erstmal die Eckdaten:
Eingangsspannung:   200V - 500V
Strompuls:          10s bei 10A +- 0,5%
Zeitkonstante der Regelung:    <10ms

Die Schaltung sollte kasadierbar sein, dass gegebenenfalls mehrere 
Module für höhere Ströme parallelgeschalten werden können.



Erste Ansätze für den Leistungsteil der Schaltung:
(I) Lineare Regelung:
Ein Lastwiderstand übernimmt Highside die Grundlast(so grob 180V bei 
10A). Der Rest wird über geregelte MOSFETs verbraten. (OP misst an einem 
Shunt den Strom und regelt entsprechend nach) Dabei erscheit es mir 
sinnvoll, den Gesamtstrom auf mehrere Zweige aufzuteilen und jeden 
einzeln mit einem Shunt +  Regelung zu versehen.

(II) PWM
uC Steuert die Leistungshalbleiter. Über eine einfache Messung der 
Gesamtspannung ließe sich leicht das Tastverhältnis errechnen und 
ausgeben Eine Strommessung würde komplett entfallen.

Auswahl der Leistungshalbleiter: MOSFETs oder vielleicht doch IGBTs?


Potentialtrennung:
Aufgrund der Spannungen bis 450V ist es sinnvoll den Steuerteil vom 
Leistungsteil galvanisch zu trennen. (--> Optokoppler)

Kühlung:
Der Kühlkörper soll so dimensioniert werden, dass er die gesammte frei 
werdende Wärme (bis 5kW*10s) aufnehmen und in der Pausenzeit langsam an 
die Umgebung abgeben kann. (Pausen zwischen den Strompulsen: >10min)



Freue mich über Tips und Anregungen!

  Grüße
     Bernhard

Autor: MaWin (Gast)
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Gleichstrom/Wechselstrom ?
Wie genau ? Auf 10% oder auf 1mA ?

Ich würde versuchen, mehrere Widerstände
per MOSFET oder TRIAC zu schalten,
also nur im Schaltbetrieb, eine Art D/A-Wandler,
denn du brauchst eh mehr als 1 Widerstand.

Es muss immer noch eine Dauerkühlleistung von fast
100 Watt weggeschafft werden, ein Lüfter wäre wohl
sinnvoll. Als Wärmespeicher könnte man statt dem
Aluklotz eines Kühlkörpers auch Wärmespeicherfähigkeit
von Wasser oder Umkristallisation einer Salzlauge
verwenden, das ist baulich kleiner, falls das wichtig ist.

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Rockstar schrieb:
> II) PWM
>
> uC Steuert die Leistungshalbleiter. Über eine einfache Messung der
>
> Gesamtspannung ließe sich leicht das Tastverhältnis errechnen und
>
> ausgeben Eine Strommessung würde komplett entfallen.

So ganz leuchtet mir das nicht ein.

Wenn du Leistung mit einer elektronischen Last verbraten willst, kannst 
du entweder die Leistung ins Netz einspeisen, oder in Transistoren, 
Widerstand etc in Wärme umwandeln. Was hilft einen denn eine PWM?

Ich hatte mal in einer Dienststelle eine elektronische einstellbare 
Konstantstromsenke mit 24V und 20Amp gebaut. Diese wurde gebraucht um 
den optimalen Arbeitspunkt einer Brennstoffzelle zu finden.

Das war ein zwangsbelüfteter riesengroßer Kühlkörper mit 20 BD249 
parallel geschaltet. Davon existieren sogar Wärmebilder der Transistoren 
und Kühlkörper bei Vollast. Das war schon nicht ohne.

Und du willst gleich 5KW belasten? Das ist schon sehr sportlich.

Das geht schon fast nur mit Wasserkühlung.

Ralph Berres

Autor: oszi40 (Gast)
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1.Wenn man wüßte, WOZU das gut sein soll, würden evtl. schon ein paar 
simple Ölheizkörper als Last reichen ?

2.Bei Statron mal fragen? 
http://www.statron.de/produkte/elektronische-last

Autor: SCNR (Gast)
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Autor: Rockstar (Gast)
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Erstmal vielen Dank für die sehr schnelle Antwort!

>Gleichstrom/Wechselstrom ?
>Wie genau ? Auf 10% oder auf 1mA ?

Es Handelt sich um DC. Bei der Genauigkeit Schweben mir als Ziel +- 50mA 
vor.

>Es muss immer noch eine Dauerkühlleistung von fast
>100 Watt weggeschafft werden, ein Lüfter wäre wohl
>sinnvoll. Als Wärmespeicher könnte man statt dem
>Aluklotz eines Kühlkörpers auch Wärmespeicherfähigkeit
>von Wasser oder Umkristallisation einer Salzlauge
>verwenden, das ist baulich kleiner, falls das wichtig ist.>

Abführung der Leistung:
Netzrückspeisung hatte ich mir auch schon überlegt, ist sicher eine sehr 
elegante Möglichkeit, steht bei der freigesetzten Energie von max 50kWs 
pro Puls in keinem Verhältnis zum Aufwand.
Ein ausreichend massiver Kühlkörper in Rohrform mit Lüfter, wie er zum 
Beispiel bei Leistungsendstufen verwendet wird  sollte ausreichend Wärme 
abführen können.
Das Gerät sollte mobil bleiben, deswegen würde ich in dem Punkt einen 
großzügig dimensionierten Alkukühlkörper der Wasserkühlung vorziehen.

>Rockstar schrieb:
>> II) PWM
>>
>> uC Steuert die Leistungshalbleiter. Über eine einfache Messung der
>>
>> Gesamtspannung ließe sich leicht das Tastverhältnis errechnen und
>>
>> ausgeben Eine Strommessung würde komplett entfallen.

>So ganz leuchtet mir das nicht ein.


Schaltung: zu schaltende Spannung über Widerstand und MOSFET als 
Schalter an GND
Setzt man die Spannung und die Größe des Widerstandes als bekannt 
voraus, müsste sich über die PWM der Strom recht genau >steuern< lassen.


>Und du willst gleich 5KW belasten? Das ist schon sehr sportlich.

In der Höhe des Stromes bzw der Gesamtleistung sehe ich weniger das 
Problem. Der lässt sich durch ausreichende Kaskadierung von einzelnen 
Schaltungsbausteinen realisieren, die jeweils einen gewissen Teilstrom 
übernehmen können. Das 'sportliche' sehe ich eher im sicheren Schalten 
der 500V und der genauen Regelung/Steuerung des Stromes.


>1.Wenn man wüßte, WOZU das gut sein soll, würden evtl. schon ein paar
>simple Ölheizkörper als Last reichen ?

Das Gerät soll zum Test von chemischen Energiespeichern verwendet 
werden.

Autor: MaWin (Gast)
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> Das Gerät soll zum Test von chemischen Energiespeichern
> verwendet werden.

Och nööö. Da kann man den Strom auch messer statt ihn auf 50mA
genau regeln zu wollen. Aber egal, 50mA heisst, du wirst einen
MOSFET linear regeln, und versuchen den Grossteil der Leistung
in Widerständen zu verheizen. Eine Umschaltung des Widerstands
je nach anliegender Spannung reduziert den Rest den der
Transistor schaffen muss.

Autor: Fralla (Gast)
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Ein haufen Fets (ca 15) auf einen KK, jeder mittels OPV+Shunt 
Stromgeregelt und das ganze in ein Fass mit Wasser schmeißen. Da man 
weis, dass, das Fass dann nicht Potgetrennt (wozu auch?) ist, braucht 
auch niemand wegen Sicherheit und so jammern, daneben zu stehen hat 
niemand (wegen platzen, warum auch immer).
Hatte sowas für weit mehr Leistung im Einsatz (mehrere Fässer parallel).
Als konstanter Lastwiderstand am Drain waren Straßenbahn Bremswiderstäde 
im Einsatz die es für wenig geld vom Schrott gibt.
War eine günstige, sicher nicht professionele Lösung die aber gut (und 
auch heute) noch Funktioniert um ein paar Minuten Spitzenlasten zu 
Testen. Da zahlt sich eine richtige gekaufte DC-Last (vl Rückspeisend) 
nicht aus (zumindest hat meine Bude kein Geld dafür).

Eine andere Last funktioniert wie ein Boost Konverter der auf einen 
konstanten Lastwiderstand geht, verheizt wird sowieso alles. Somit kann 
man auch billigste, alte Mosfets nehmen (rdson ist ja quasi egal) und 
linear wegheizen.

Autor: Max (Gast)
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Zur Kühlung:
schraub ein paar igbts (gabs bei pollin mal 30 stück für 30€) mit 
kühlpaste und so auf einen aluklotz und füll den mit (am besten 
destiliertem) wasser. Wenn du da jetz power in die igbts jagst, dann 
wird das alu heiss und das wasser verdampft (~ 100 °C) wenn du jetz 
weniger als 30° temperaturgefälle zum igbt schaffst (is machbar), dann 
bleiben die igbts im erlaubten bereich (is glaub ich bis 150° oder so), 
das ganze is relativ klein da die abfuhr per wasserdampf nich viel platz 
braucht ... und mobil wirds per abgiesen vom wasser...

Autor: Max (Gast)
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hier noch der link für die igbts:
http://www.pollin.de/shop/dt/MzkwOTY4OTk-/Baueleme...

Autor: Jakob Lell (jakob)
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Das mit dem Wasser würde ich mir bei den Leistungsdaten sparen. Wenn man 
die Schaltung so auslegt, dass sich der Kühlkörper in den 10 Sekunden um 
50 Grad erwärmen darf, dann braucht man (theoretisch) etwa 1.1 kg 
Aluminium. Das steht dem Einsatz als mobiles Gerät nicht im Wege und man 
hat keine Sicherheitsprobleme (Wasser+Strom), kann beim Transport kein 
Wasser verlieren und muss nicht ständig nachfüllen bzw. den Füllstand 
kontrollieren.

@Fralla:
15 Mosfets/IGBTs sind doch recht knapp. Für eine Leistung von 330 Watt 
pro Bauteil muss der Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlkörper (und 
innerhalb des Bauteils) schon sehr gut sein und man braucht teure Teile, 
die für diese Leistungen spezifiziert sind. Bei Halbleitern in 
"normalen" Gehäusen (TO220/TO247 oder so) würde ich schon eher 30-60 
Stück nehmen. Die Halbleiter selbst haben nur eine geringe 
Wärmekapazität, so dass auf jeden Fall nahezu die gesamte Energie 
innerhalb der 10 Sekunden an den Kühlkörper abgeführt werden muss.


Angesichts des Preises für die Leistungshalbleiter sowie der 
Notwendigkeit weiterer Teile für die gleichmässige Lastverteilung würde 
ich eher zu Lastwiderständen tendieren. Die Widerstände könnte man mit 
Schrauben + Unterlegscheiben auf einem Kühlkörper befestigen. 
Widerstände sind im Vergleich zu Leistungshalbleitern relativ billig und 
haben eine wesentlich höhere Maximaltemperatur (z.B. 350 Grad), so dass 
man die vorhandene Wärmekapazität über einen höheren Temperaturbereich 
nutzen kann. Ausserdem hat man keine Probleme mit der 
Leistungsverteilung auf die einzelnen Widerstände.

Bei einer PWM-Regelung hat man einen nicht unerheblichen Ripple-Strom, 
der wahrscheinlich durch einen Kondensator geglättet werden muss. Eine 
Aufteilung auf mehrere Widerstände mit zeitversetzter PWM-Regelung 
könnte sinnvoll sein, um die Belastung der Kondensatoren reduzieren.

Autor: Düsendieb (Gast)
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Abwärtswandler?

Autor: Fralla (Gast)
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>15 Mosfets/IGBTs sind doch recht knapp. Für eine Leistung von 330 Watt
>pro Bauteil muss der Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlkörper (und
>innerhalb des Bauteils) schon sehr gut sein und man braucht teure Teile,

Ja 15 ist knapp nehmen man 18 dann gehts locker, und man braucht keine 
teuren Bauteile.
Wenn unter wasser getaucht stimmt der RthJC ja nicht mehr ganz.
Tatsache ist, das ich erfolgreich ca 280W in einem TO-247 Gehäues 
verheizt habe.

Mit der Siedewasserkühlung von Max geht das nicht mehr da dürften es 
dann wohl nicht mehr als 80W pro T0-247 sein, dafür kann man 
kontinuierlich heizen.

>Widerstände sind im Vergleich zu Leistungshalbleitern relativ billig und
Nein bestimmt nicht, diese Drahtwiderstände im Gehäuse sind garantiert 
teurer als alte Mosfets die keiner mehr Einsetzen möchte weil 
langsam+schlechter Rdson. Die bekommt man ja nachgeschmissen.
Sagen wir ein Fet kostet 1€ macht 18€ + OPVs und Hühnerfutter 
übertriebene 22€. Oder um sicher zu gehen doppelte Anzahl an Fets, 36€. 
Jetzt treib mit dem Geld (schraubare, wie du gesagt hast)Lastwiderstände 
auf die 5kW wegheizen...

MFG

Autor: Rockstar (Gast)
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Hallo zusammen,

da kamen schon ein paar gute Anregungen rüber!

Ist diesmal kein Lowbudged Projekt, vielmehr soll es ein solides und gut 
durchdachtes Gerät werden. Auf 100Euro hin oder heir kommts 
ausnahmsweise  nicht an!

Was die Kühlung betrifft favourisiere ich den ausreichend massiven 
Alublock (mit kräftigem Lüfter). Auf den werden dann 
Leistungswiderstände vom Typ "Wirewound Aluminium Clad" mit Nennleistung 
200W geschraubt. Wieviele ich von denen Brauche um in den 10sek die 
anfallende Wärme in den Block zu bekommen werd ich dann wenns so weit 
ist ausrechnen. Kurzzeitig kann man die Dinger aber schon ganz 
ordentlich überlasten. :)

Es wird wohl auf PWM rauslaufen. Dabei will ich den Festwiderstand so 
auslegen, dass bei der Minimalspannung T,ein zu T gegen 1 geht. Für die 
MOSFETs sind Typen mit geringem RDS,on sinnvoll. Da sich die Stöme in 
grenzen halten kann der Aktive Teil so relativ klein ausfallen.

@Düsendieb
Welche Form/Welligkeit der Strom der in den Widerständen verheiz wird 
hat, ist egal. Es kommt nur darauf an Welcher Strom von der Quelle 
gezogen wird. Die Spule + Diode könnten somit wegfallen, was wieder zur 
normalen PWM
führt.

@MAX
Die Idee mit den IGBTs gefällt mir schon ganz gut. Bisher ergab sich bei 
mir noch nie die Notwendigkeit mit IGBTS zu arbeiten. Werd mich mal noch 
etwas genauer einlesen.

@Jakob
Die Idee mit mehrern Phasenverschobenen PWMs gefällt mir sehr gut. Den 
Kondensator zur Begrenzung der Rippel will nur so groß machen wie es 
unbedingt sein muss.
Welche Frequenz für die PWM scheint sinnvoll?

@Fralla
Du hast sicher Recht, für den Preis was ein ordentlicher 200W 
Drahtwiderstand bei z.B. Farnell kostet bekommt man viele Restposten 
FETs. Da wie oben beschrieben das Budget nicht oberste Priorität hat, 
kann ich das in jedoch in kauf nehmen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Rockstar (Gast)

>ist ausrechnen. Kurzzeitig kann man die Dinger aber schon ganz
>ordentlich überlasten. :)

Die meisten Hersteller von Drahtwiderständen geben als Überlastfähigkeit 
an

10fache Nennlast für 5s.

Aus Sicht der Energie ist 10s mit 5facher Nennlast das Gleiche.

>Es wird wohl auf PWM rauslaufen.

Hmmm, und welche Quelle soll damit belastet werden? Meine innere Stimme 
sagt, dass PWM nicht so das glebe vom Ei ist.

> Dabei will ich den Festwiderstand so
>auslegen, dass bei der Minimalspannung T,ein zu T gegen 1 geht. Für die
>MOSFETs sind Typen mit geringem RDS,on sinnvoll.

Nöö, denn du musst so oder so 5KW verheizen. Ob da nun die MOSFETs 100 
oder 500W verheizt ist egal.

MFG
Falk

Autor: MaWin (Gast)
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> Kurzzeitig kann man die Dinger aber schon ganz
> ordentlich überlasten. :)

So solltest solche kaufen, bei denen die zulässige
Kurzzeitbelastung (unter der du bleiben wirst)
auch im Datenblatt dokumentiert ist.

Autor: Rockstar (Gast)
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Die Drahtwiderstände scheinen nicht ganz optimal zu sein. Der 200Watt 
Typ von Farnell ist laut Datenblatt bei einem 10s Puls maximal mit 
dreifacher Nennlast belastbar. Somit müsste ich Drahtwiderstände mit 
nahezu 3kW Nennlast verbauen. Bei er weiteren suche habe ich folgenden 
Typ gefunden:

http://www.farnell.com/datasheets/323252.pdf

Sehr hohe Impulsbelastbarkeit und von der Bauform her so ausgelegt, dass 
sie wenig Platz brauchen und maximal viel Wämrme an den KK abgegeben 
können. Mit einer Masse von 1,5kG ist der KK groß genug um nicht mehr 
als 40K wärmer zu werden. Bauform und Gewicht sind dann akzeptabel und 
das Gerät bleibt schön handlich.

Kommende Woche mache ich mich an einen konkreten Schaltungsentwurf 
sowohl für den Ansatz mit Linearer Regelung und MOSFETs, als auch mit 
PWM und IGBT als Leistungshalbleiter. So müsste es dann leichter sein 
die Vor- und Nachteile abzuwägen.

Ich werde die Entwürfe dann hier posten.

Ich wünsche allen voll ein schönes Wochenende.

Grüße

Autor: Dieter Werner (dds5)
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Hier wird gerade ein Kühlkörper angeboten

Beitrag "Monster Kühlkörper"

Autor: Georg A. (Gast)
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Wenn da eh schon eine Regelung dabei sein muss, könnte man doch auch ein 
paar 500W Halogenstäbe nehmen. Die bräuchten nichtmal eine Kühlung...

Autor: Düsendieb (Gast)
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Rockstar schrieb:
> Zeitkonstante der Regelung:    <10ms

Da wird das mit der PWM und dem Strommessen schon schwierig wegen der 
Einschwingvorgänge. Irgendwie ist der Aufbau immer induktiv.


Ansonsten:

FET und Widerstand für 20mS einschalten und den Strom messen
Pausenzeit berechnen, dass sich der gewünschte mittlere Strom ergibt
Pause abwarten und sich freuen
Gehe wieder zu Anfang

Autor: Michael O. (mischu)
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Düsendieb schrieb:
> Rockstar schrieb:
>> Zeitkonstante der Regelung:    <10ms
>
> Da wird das mit der PWM und dem Strommessen schon schwierig wegen der
> Einschwingvorgänge. Irgendwie ist der Aufbau immer induktiv.

Nein, eigentlich kein Problem.

Wir haben das in einem Umrichter mit 7kV Zwischenkreisspannung mit recht 
trägen IGBTs bei 2kHz Schaltfrequenz realisiert (Brake Chopper an 
hochbelastbare Widerstände - 15kW dauerleistung 100kW peak).

Derzeit sehe ich zwei alternative Konzepte:

1. Leistungshalbleiter parallelschalten und die Leistung Linear 
verbraten
 + schnelle Regelung
 + wenige Störungen
 + kein zusätzlicher Widerstand
 - Schaltung ist schwer stabil zu bekommen (thermisch / parasitäre 
Oszillationen)
 - SOA schwer einzuhalten (Bauteile müssen noch ordentlich Strom 
abkönnen)
 - großer Kühlkörper
 - Auslegung der Halbleiter muss den Temperaturhub aushalten

2. Leistungshalbleiter als reine Schalter (z.B. PWM moduliert) mit 
elektrischer Leistungslast.
 + einfache Ansteuerung des Leistungsteils (Stabilität)
 + Als Last kann jede beliebige (auch nichtlineare) Last genommen werden
 + Robust gegen transiente Änderungen
 - mehr Störungen als Rückwirkung auf Spannungsquelle
 - lansamere Regelung


Ich würde dir zu Variante 2 raten. Als Last kannst Du theoretisch auch 
einen Draht nehmen, der bis zum Glühen gebracht wird. Damit wird der 
Aufbau deutlich leichter als mit Widerständen auch massivem Alublock 
montiert.

Autor: Michael O. (mischu)
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Überlastfähige Widerstände kannst Du mit dem Begriff "Bremswiderstände" 
suchen. Die sind 5 - 20 fach überlastbar.

z.B.
http://www.frizlen.com/pdf/t500/T500_FGT.pdf

Autor: Rockstar (Gast)
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Hallo,

@Michael O
Sehr gute und konstruktive Zusammenstellung der Fakten!! Danke!


Meine einste Euphorie für die PWM kann ich nichtmehr vertreten. Das Ziel 
des ganzen ist das Verhalten Quelle bei Belastung zu vermessen. Da diese 
selbst über eine frequenzabhängige Impedanz verfügt würde das belasten 
mit einer'Frequenz' durch die PWM die Messung beeinflussen.

Was bleibt ist:
o Festwiderstand für Grundlast + lineare Regelung über Transistoren
o Nur Transistoren, in denen die gesamte Leistung verbraten wird.

Da es sich bei 10 sekunden schon nicht mehr wirklich um Implulsbelastung 
handelt, sind normale Widerstände maximal mit dem 3fachen Nominalwert 
belastbar. (recherche Datenblätter) Damit sind MOSFETs sowohl im 
Verhältnis Volumen zu Leistung als auch Leistung zu Preis wesentlich 
besser. In einem MOSFET im TO247 müssten bei guter Kühlung kurzzeitig 
annähernd 200W verheizen lassen. Somit ersetzen 5 Mosfets einen 
Hochleistungsdrahtwiderstand vom Typ HS300.

Deswegen mein gewählter Ansatz:
o Verbratung der gesamten Leistung in Mosfets.
o Messung des Stromes an einem Shunt -> OP -> analoge Regelung der 
MOSFETS


Prinzipansatz für die Schaltung: (erster Entwurf)
-------------------------------------------------
Über die Schaltung sollen ca. 20- 30 Mosfets parallelgeschalten werden. 
Selbstverständlich gilt die Beschaltung im Bild für jeden einzelnen.

Da die Thresholdspannungen bei den MOSFETS untereinander relativ stark 
schwanken sollen, wird über den Sourcewiderstand über die 
Stromgegenkopplung der Arbeitspunkt stabilisiert. Ich dachte da an etwas 
zwischen fünf und zehn Ohm. Bei 300mA würden sich Unterschide in der 
U_GS_th von 3V ausgleichen.

Würde doch einmal ein Transistor durchbrennen würde sich die 
Betriebsspannung (500V) auf alle Gates legen, was keiner der Mosfets 
überleben würde. Dem soll die Diode vom Typ Ultra Fast vorbeugen.

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Rockstar schrieb:
> In einem MOSFET im TO247 müssten bei guter Kühlung kurzzeitig
>
> annähernd 200W verheizen lassen.


Sei mir nicht böse. Aber das kann ich einfach nicht glauben. Zumindest 
nicht mit einem Halbleiter in dem Gehäuse TO247.

Bedenke bitte folgendes. Wenn Ein Transistor mit 200W Verlustleistung 
angegeben ist, so wird vorrausgesetzt, das die Kühlfläche des 
Transistors , der auf dem Kühlkörper sitzt auf 25° Temperatur konstant 
gehalten wird. Aus der Differenz der maximalzulässigen 
Halbleiertchiptemperatur und den 25° errechnet sich dann der 
Wärmewiderstand des Transistors in °/Watt.

Du must um 1KW abzuführen schon verdammt viele Transistoren auf einen 
großen zwangsbelüfteten Kühlkörper montieren, um die zulässige 
Sperrschichttemperatur nicht zu überschreiten. Ohne jetzt nachzurechnen, 
da ich weder den verwendeten Kühlkörper noch den Transistor kenne den du 
verwenden willst, würde ich bei einen Transistor mit 200W P-Mausetod für 
1KW schon mindestens 20 Stück einplanen und dann mal nachrechnen.
Du willst aber 5KW abführen. Dann mal viel Spass. Das wird ohne 
Wasserkühlung schwierig werden. Denn einen mit Lüfter gekühlten 
Kühlkörper wirst du auch nur schwer unter 0,05°/Watt bekommen. Da wäre 
fast schon Wasserkühlung angesagt.

Ralph Berres

Autor: Fralla (Gast)
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deshalb den ganzen kk in ein Fass Wasser werfen. Funktioniert Problemlos 
mit mehr als 200W. Und jetz bitte kein Sicherheits blabla wie üblich 
hier.

Autor: Rockstar (Gast)
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Schaut euch mal die Rechnung zur maximalen Wärmeabfuhr an, freue mich 
über Kritik und Anregungen!


Berechnung des Spreading-Wärmewiderstandes:
-------------------------------------------
Ansatz: Einseitig kontaktierter, runder Plattenerder:
(Kontaktfläche sei rund, mit äquivalenter Fläche)

Wärmeleitwert CU:                       400W/mK
Wärmeleitwert Alu:                      235W/mK
Kontaktfläche:                          ca. 226*10^-6m^2
enspricht runder Fläche mit Durchmesser:  170*10^-4 m

R_A = rho_E_CU/ (2 * D) = 1/ lambda_cu *2 *D

Ausbreitungswiderstand = 1 / Wärmeleitwert *2 *Durchmesser der 
Kontaktfläche

R_A_CU = 1 / ( 2* 400W/mK *170*10^-4) = 0,0735 W/K
R_A_Al = ...........................  = 0,104  W/K


Wärmewiderstand des Mosfet:   0,36 W/K
Wärmewiderstand der Leitpaste: 0,068 W/K

R_th_gesamt = 0,5015 W/K für Kupfer
R_th_gesamt = 0,532 w/K  für Aluminium


Maximale Verlustleistung:
-------------------------
P_tot_max = (T_junct_max - T_KK_max) / (R_th_ges)

P_tot_max = Maximale Juncion Temp - Umgebungstemp (=Temp KK) / Rth_ges

T_junct_max = 150°C (Datenblatt) Wird der Kühlkörper so groß 
dimensioniert, dass er sich im Betrieb auf 40°C erwärmt, gilt:

P_tot_max = (150°C - 40°C) / (0,5015 W/K) = 219,34 W für reines CU
P_tot_max = .............. .............. = 206,76 W für reines Al

Dabei handelt es sich um die absoluten max Werte. Wird die Schaltung auf 
80% der maximalleistung ausgelegt, würde dies 175W für CU Anbindung und 
165W für Al Anbindung bedeuten.


Grüße

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Rockstar schrieb:
> Wärmewiderstand des Mosfet:   0,36 W/K

Rockstar schrieb:
> T_junct_max = 150°C (Datenblatt)

Danach müsste der Transistor einen Ptot von fast 350W haben.

Oder sehe ich das falsch?

Ralph Berres

Autor: Rockstar (Gast)
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ja, P_tot_max ist 350W

Autor: Rockstar (Gast)
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nach dem derzeitigen Stand ist das der Transistor mit dem ich vor habe 
die Schaltung zu realisieren:

http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/10937.pdf


Kriterien waren: Sehr hohe maximale Verlustleistung, hohe 
Spannungsfestigkeit, Preis

Autor: Rockstar (Gast)
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http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/9663.pdf

..hatte aus versehen den link zum spannungstechnisch kleinen Bruder 
erwischt.

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Schöner Transistor!!

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Rockstar (Gast)

>ja, P_tot_max ist 350W

Aber nur, wenn das Gehäuse auf 25°C gehalten wird. Ich sag mal Pi mal 
Dauemn kriegt man bei dem Teil unter realen Bedingungen mit etwas 
Reserve nicht viel mehr als 150W weg, eher etwas weniger.
Und für 500V Umax reicht ein 600V MOSFET. RDSON ist vollkommen schnuppe, 
denn der wird sowieso linear betrieben. Da ist eher das Problem, obe der 
MOSFET dafür geeignet ist. Hatten wir auch schon ausführlich diskutiert. 
Viele MOSFETs sind nur als Schalter gedacht, nicht für Linearbetrieb. 
Denn die sind intern aus vielen EinzelMOSFETs (Zellen) aufgebeut, die 
u.U. thermisch weglaufen können (Hot Spot). Was die abführbare Leistung 
weiter einschränkt.

MFG
Falk

Autor: Rockstar (Gast)
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@Ralph
>Schöner Transistor!!
:)

@falk
Maximale Verlustleistung: Sollte bei dem Transistor über CU anbindung an 
das Kühlsystem(sei es jetzt aktiv oder passiv) 175 Watt möglich sein 
(s.Rechnung. etwas weiter oben) 20% Reserve sind hierbei schon 
einkalkuliert.

Den 900V Typ habe ich gewählt, da er bezüglich P_tot_max und Preis 
keinen Unterschied zu einem 600V Typ darstellt. R_DS,on ist eh egal. Der 
Vorteil: er ist bezüglich eventueller Spannungsspitzen robuster als der 
600V Typ. Zudem schützt die eingebaute Z-Diode.
HotSpots sind sicher eine 'Gefahrenquelle'. Da die vielen kleinen 
mosfets im Mosfet in einem Schritt gefertigt wurden sollte die Streuung 
wesentlich kleiner ausfallen als zwischen verschiedenen Chargen. Wie 
stark schätzt du die Unterschiede ein, sind 80% der maximal möglichen 
Leistung Sicherheit genug?

Grüße

Autor: mhh (Gast)
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Rockstar schrieb:
> Wie
> stark schätzt du die Unterschiede ein, sind 80% der maximal möglichen
> Leistung Sicherheit genug?

Nein.

Autor: Rockstar (Gast)
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>>Rockstar schrieb:
>> Wie
>> stark schätzt du die Unterschiede ein, sind 80% der maximal möglichen
>> Leistung Sicherheit genug?
>
>Nein.
>


Wie sollte man P zu P_max wählen?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Rockstar (Gast)

>HotSpots sind sicher eine 'Gefahrenquelle'. Da die vielen kleinen
>mosfets im Mosfet in einem Schritt gefertigt wurden sollte die Streuung
>wesentlich kleiner ausfallen als zwischen verschiedenen Chargen.

Wenn das alles kein großes Problem wäre, würde man da nicht so einen 
Aufwand treiben und eine Unterscheidung machen.

> Wie stark schätzt du die Unterschiede ein,

Keine Ahnung.

> sind 80% der maximal möglichen Leistung Sicherheit genug?

Möglicherweise. Oder auch nicht. Bin da nicht der Profi.

Mfg
Falk

Autor: mhh (Gast)
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Mehr als 30-40 Watt würde ich nicht mit dieser Art Schalttransistor 
machen. Für den Betrieb sind die nicht ausgelegt - sondern für hohe 
Spannung an Gate für schnelles und sicheres schalten aller parallelen 
Transistoren im inneren.

Nimm lieber einen Typ, der für analog gemacht ist.

Autor: Falk Brunner (falk)
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http://www.mikrocontroller.net/articles/FET#Linear...

Auch die Links unter "Siehe auch" ansehen.

Autor: mhh (Gast)
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http://de.rs-online.com/web/search/searchBrowseAct...

Mit 25 bis 30 Stück bist Du dabei. Soll es dauerlastfähig sein, dann 
noch mehr.

Autor: Axel Düsendieb (axel_jeromin) Benutzerseite
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Dann also doch PWM und den Strom mit einer Spule glätten.

Wie ein Schaltnetzteil nur andersherum (auf den Eingangsstrom bezogen).


Axel

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Axel Düsendieb (axel_jeromin) Benutzerseite

>Dann also doch PWM und den Strom mit einer Spule glätten.

Und was glaubst du damit zu gewinnen? Die Energie MUSS verbraten werden, 
so oder so. Und Rückspeisen ins Netz lohnt sich nicht.

MfG
Falk

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Ich wuerd auf weniger als 50% der Maximalleistung gehen, da im 
dynamischen Fall nicht alle Fets gleich schnell sein muessen. Wie 
schnell auch immer die Ansteuerung ist.

Autor: Clemens S. (zoggl)
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Falk Brunner schrieb:
> Die Energie MUSS verbraten werden,
> so oder so

Dauerhaft:
ja, aber lieber in einem Heizelement, das dafür gemacht wurde. schau dir 
amerikanische Warmwasseranlagen an. Durchlauferhitzer können weit mehr 
Leistung ab und mit 110V hast du genügend Speilraum, um mit PWM und 
Spule zu Regeln. Da bist du mit 50$ in der Bucht dabei.

Impuls:
um diese Energie in Wärme zu speichern würde ich erneut Wasser 
vorschlagen 4,19kJ/(kg*K) ist weit mehr als Kupfer oder sonstige Metalle 
(Kupfer 385J/(kg*K) ein Kühlkörper aus Aluminium kann das aber nur 
schwer umsetzen, da der Wärmeübergang bei leicht bewegtem Wasser (1m/s) 
4000W/(K m²)beträgt. Bei einem Temperaturabfall von 10°C (viel mehr ist 
nicht drin, da du den IC ja kalt halten musst, um ihn belasten zu 
dürfen) benötigst du 35x 35cm um das umzusetzen.

sg Clemens

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