Hallo Zusammen,
ich möchte gerne für einen Mosfet vom Typ IXYS IXFK180N10 TO-264 den
Kühlkörper berechnen. Dieser befindet sich im Schaltbetrieb an einer 3,9
kHz PWM. Nur weiss ich nicht ganz ob meine Rechnung stimmt.
Aus dem Dateblatt:
RDson = 0.008 Ohm
Tj = 150°C
RthJC = 0,22 °C/W
RthCS = 0,15 °C/W
Gemessen:
I = 30 A
U = 12,6V
Angenommen:
TUmgebung = 50°
P = I² * R = 30² * 0,008 = 7,2 W
Rth = ((150°C - 50°C) / 7,2W) - (0,22°C/W + 0,15°C/W) = 13,56 °C/W
Kann das sein?
Vielen Dank. Gruß Steffen
Die 7.2W stimme, der Rest nicht. Was sollen die 100 Grad Differenz ? Ich
wuerde nicht mal daran denken 100 Grad Delta T zu haben. Geh mal von 30
Grad Delta T aus.
Hm, im Prinzip stimmts doch.
Ich würde allerdings auch nicht bis ans Temperaturlimit gehen.
Ausserdem: die Angaben der KK-Hersteller gelten für perfekte
Betriebsbedingungen, die hat man in der Realität nie. Wärmewiderstand
des KK halbieren, fertig. Ist ja immer noch ein rel. kleiner. Hast du
Platzprobleme oder gehts um ne kostensensitive Serienfertigung, kann man
nochmal genauer rechnen.
Immer diese Ueberhitzerei ... geht auf die Lebensdauer. Speziell die
Elektrolytkondensatoren daneben moegen die das nicht.
Die fuer Kuehlkoerper spezifizierten Werte gelten fuer senkrechten
Einbau, mit ungehinderter Luftstroemung von unten dran und oben weg. Dh.
Mit einem Sekrecht auf der Leiterplatte stehenden Kuehkoerper, mit elko
daneben kriegt man die spezifizierten Werte nicht nur annaeherungsweise.
Und wenn dann noch ein Gehause drum ist, sowieso nicht.
Mein Tip : nimm 4 von diesen FET parallel und die Verlustleistung ist
noch 1.8W. Die bringt man schon fast bei planem Einbau mit der
Leiterplatte selbst weg.
Die ganze Rechnerei stimmt aber nur dann, wenn du genügend schnell
einschalten kannst. Der Typ hat fast 11nF Eingangskapazität! Da brauchst
du ne kräftige Ansteuerung - selbst bei den mickrigen 4kHz.
Dann müsste es ja so stimmen:
Rth = (30°C / 7,2W) - ((0,22°C/W + 0,15°C/W) / 2) = 3,98 °C/W
Berechnung der Ansteuerungsleistung:
Qg(on) = 390nC
I = C / t = 390nAs / 100ns = 3,9A
Als Treiberstufe verwende ich einen MCP1407 der bringt 6A.
Nehme ich anstatt des IXFK180N10 den IXTK550N055T2:
VDSS = 55V
ID25 = 550A
RDS(on)= 1,6mOhm
P = I² * R = 30² * 0,0016 = 1,44 W
Rth = (30°C / 1,44W) - ((0,12°C/W + 0,15°C/W) / 2) = 20,70 °C/W
Aber warum wäre dann da der Kühlkörper größer? Die Verlustleistung ist
doch viel kleiner?
Vielen Dank. Gruß Steffen
Bei Conrad kostet der 18,40, bei Mouser 14,26 Dafür kann man VERDAMMT
lange 10W Verlustleistung verbraten, ehe man den Aufpreis zu einem 1
Euro 10mOhm MOSFET + Kühlkörper reinhat.
10 Euro macht 50 kWh, das reicht bei 10W für 5000 Betriebsstunden.
Hier wurde übrigens noch vergessen die Einschalt und Ausschaltverluste
zu berechnen.
Je nach FET kommt da auch schon nett was zusammen.
P = Leitverluste + Umschaltverluste + Umladeverluste
P = (Iout / (1-DC))2 * RDS(on) * DC + 0,5 Vout (Iout /
(1-DC)) * (Tr+Tf) * f + QGateSource VGateSource f
Vor allem die FETs mit nem geringen RDSon haben dafür nen dicken Kanal
der ne Weile zum Umschalten braucht.
> 10 Euro macht 50 kWh, das reicht bei 10W für 5000 Betriebsstunden.
Na gugg. Bißchen über ein halbes Jahr. Das wäre für mich eindeutig
Optimierungspotential. Aber ich bin da generell so, daß ich mich freue
wenn die Eigenbau-Produkte mehr leisten als ein Seriengerät... Also
enweder mehr Dampf haben oder bei gleiche Leistung deutlich kälter
bleiben. Das ist mir persönlich auch den einen oder anderen Euro wert.
Klar ist der 550A Mosfet ein bisschen übertrieben. Aber vielleicht komme
ich da ohne große Kühlung aus.
Stimmt die Rechnung soweit bis auf die Ein- und Ausschaltverluste? Nach
was wähle ich jetzt den Kühlkörper aus? Es kann doch nicht sein das der
Wert beim 550A Mosfet größer ist, der hat doch viel weniger
Verlustleistung.
>Rth = (30°C / 7,2W) - ((0,22°C/W + 0,15°C/W) / 2) = 3,98 °C/W>Berechnung der Ansteuerungsleistung:>Qg(on) = 390nC>I = C / t = 390nAs / 100ns = 3,9A>Als Treiberstufe verwende ich einen MCP1407 der bringt 6A.>Nehme ich anstatt des IXFK180N10 den IXTK550N055T2:>VDSS = 55V>ID25 = 550A>RDS(on)= 1,6mOhm>P = I² * R = 30² * 0,0016 = 1,44 W>Rth = (30°C / 1,44W) - ((0,12°C/W + 0,15°C/W) / 2) = 20,70 °C/W
Für die Verlustleistung mit Ein- und Ausschaltvorgang:
P = (Iout / (1-DC))2 * RDS(on) * DC + 0,5 Vout (Iout /
(1-DC)) * (Tr+Tf) * f + QGateSource VGateSource f
P = (30A / (1-12,6V))2 * 0,008ohm * 12,6V + 0,5 * 12,6V *
(30A / (1-12,6V)) * (0,12°C/W + 0,15°C/W) * 3900Hz +
55nC 10V 3900Hz
Aber da kommt voll die utopische Zahl von 17157,31 raus. Das kann doch
nicht stimmen.
Gruß Steffen
@Steffen Ha (stef_fen)
>Aber da kommt voll die utopische Zahl von 17157,31 raus. Das kann doch>nicht stimmen.
DC ist auch nicht deine DC Spannug sondern dein Tastverhältnis,
neudeutsch Duty Cycle. Also z.B. 0,5.
Zerleg die Formel doch mal, damit man das besser sieht.
P = Leitverluste + Umschaltverluste + Umladeverluste
P = P_L + P_U + P_C
P_L = (Iout / (1-DC))2 * RDS(on) * DC
Sieht bissel Komisch aus. Ich hätte einfach gerechnet
U = 12V
I = 30A
DC = 0,5
1
P_L = I^2 * RDS(on) * DC
2
= 30A^2 * 8e-3 Ohm * 0,5
3
= 3,6W
4
5
P_U = (Tr+tf)*f * 0,25 * U * I * DC
6
= (100ns+100ns)*3,9kHz * 0,25 * 12V * 30A * 0,5
7
= 35,1 mW
8
9
P_C = QGateSource * VGateSource^2 * f
10
= 55nC * 10V^2 * 3,9kHz
11
= 21,4mW
12
13
P = P_L + P_U + P_C
14
= 3,6W + 35,1 mW + 21,4mW
15
~3,7W
Duch die niedrige PWM-Frequenz und steilen Flanken sind die Umlade - und
Schaltverluste gering. Man könnte aus EMV-Gründen auch deutlich
langsamer schalten, 500ns wären immer noch voll OK.
Steffen Ha schrieb:> Es kann doch nicht sein das der> Wert beim 550A Mosfet größer ist, der hat doch viel weniger> Verlustleistung.
ÄÄHH, da haste wohl noch nicht ganz verstanden was der Wert aussagt.
Ein Kühlkörper mit 1K/W wird bei 1W die ihm zugeführt werden um 1 Kelvin
wärmer.
Also umso mehr sich ein Kühler pro zugeführter Energie erwärmt umso
kleiner ist dieser.
Dann mal die Umschaltverluste für 30A/12,6V/3900Hz:
40 und 230 ns sind die rise bzw fall time.
Ptot_umschalt = 0,5*30*12,6*3900*(270ns) = 0,2W
In deiner Formel haste da lustige Sachen eingesetzt, hab auch leider
verpennt die ein bissel zu erklären :/
Hallo Falk,
Falk Brunner schrieb:> @Steffen Ha (stef_fen)>>>Aber da kommt voll die utopische Zahl von 17157,31 raus. Das kann doch>>nicht stimmen.>> DC ist auch nicht deine DC Spannug sondern dein Tastverhältnis,> neudeutsch Duty Cycle. Also z.B. 0,5.
warum multiplizierst du in deiner Rechnung die Leitverluste P_L mit dem
Duty Cycle DC?
Der TO hat 30A durch den FET gemessen. Wir wissen aber nicht, was die
30A bedeuten. Vielleicht ist es ja schon der Effektivwert des Stromes,
der das Duty Cycle innehält?
OH ein Motor, jetzt wirds spaßig.
Da musste dann noch schön ne Entstören sonst grillts dir den FET und der
Anlaufstrom kann um ein vielfaches höher sein.
Steffen Ha schrieb:> Was müsste ich da noch beachten?
Den Anlaufstrom, also eine Strombegrenzung reinpacken.
> Die 30A sind effektiv.
Dann stimme ich mit Falks Rechnung nicht überein, das Duty Cycle noch in
die Verlustberechnung mit reinzupacken. Die Leitverluste betragen
demnach nur P_L = I^2*R_on anstelle von P_L=I^2*R_on*DC
Ein 550A Fet hat natuerlich keine 550A, das ist eine thoeretische
Groesse. Auch keine 200A . Allenfalls das Datenblatt nochmals anschauen.
Der Bonddraht wuerde bei diesen Stroemen Verdampfen.
Das der Fet 550A auf Dauer und 200A ohne Kühlung nicht aushält ist mir
klar. Aber 30A ohne große Kühlung sollten schon drin sein.
Was brauche ich denn noch für eine Freilaufdiode? Der Fet hat doch eine
integriert.
Wie muss ich denn jetzt den Kühlkörper dimensionieren?
Vielen Dank. Gruß Steffen
@ al3ko -.- (al3ko)
>> Die 30A sind effektiv.>Dann stimme ich mit Falks Rechnung nicht überein, das Duty Cycle noch in>die Verlustberechnung mit reinzupacken.
jaja, ich bin von 30A Pulsstrom ausgegangen, mangels genauerer Angaben.
@ Steffen Ha (stef_fen)
>klar. Aber 30A ohne große Kühlung sollten schon drin sein.
Ja.
>Was brauche ich denn noch für eine Freilaufdiode? Der Fet hat doch eine>integriert.
Nö, die liegt vollkommen falsch. Siehe
http://www.mikrocontroller.net/articles/Motoransteuerung_mit_PWM#Mosfet_mit_Freilaufdiode.2C_1-Quadrantensteller>Wie muss ich denn jetzt den Kühlkörper dimensionieren?
Hast du doch ausgerechnet, 13 K/W max. Ich würde ein wenig Reserve
einbauen und mal Richtung 8K/W schauen.
Aber du hast noch ein anderes Problem
"Der Motor ist schon Grundenstört durch Kondensatoren."
Das kann dir ordentlich in die Suppe spucken. Denn normale
Bürstenmotoren, die mit den üblichen LC Kombinationen entstört sind,
kann man nicht direkt mit PWM steuern, denn da kommen die Cs der PWM
ungelegen.
@ Falk Brunner (falk)
>Was brauche ich denn noch für eine Freilaufdiode? Der Fet hat doch eine>integriert.>Nö, die liegt vollkommen falsch.
Warum liegt die falsch? Muss die dichter am Motor sein?
>Wie muss ich denn jetzt den Kühlkörper dimensionieren?>Hast du doch ausgerechnet, 13 K/W max. Ich würde ein wenig Reserve>einbauen und mal Richtung 8K/W schauen.
Ok. Ich verstehe den Zusammenhang zwischen dem errechnetem Wert und der
Dimensionierung des Kühlkörpers noch nicht ganz. Was sagen die Zahlen
mir jetzt genau?
>Aber du hast noch ein anderes Problem>Der Motor ist schon Grundenstört durch Kondensatoren.">Das kann dir ordentlich in die Suppe spucken. Denn normale>Bürstenmotoren, die mit den üblichen LC Kombinationen entstört sind,>kann man nicht direkt mit PWM steuern, denn da kommen die Cs der PWM>ungelegen.
Im Datenblatt des Motors steht nur was von Kondensatoren. Spulen werden
nicht erwähnt. Was meinst du mit den Cs der PWM?
Steffen Ha schrieb:> Ok. Ich verstehe den Zusammenhang zwischen dem errechnetem Wert und der> Dimensionierung des Kühlkörpers noch nicht ganz. Was sagen die Zahlen> mir jetzt genau?
Die sagen dir, um wieviel Grad sich der KK erwärmt, wenn er 1W
thermische Leistung abzuführen hat. Wenn du also einen 10°/W-KK
verwendest und 2W wegbraten willst, wird der 20° wärmer als die
Umgebung.
Der mit dem kleineren Zahlenwert ist also der bessere.
@ Steffen Ha (stef_fen)
>Warum liegt die falsch? Muss die dichter am Motor sein?
An einer anderen Stele in der Schaltung! Siehe Link.
>Ok. Ich verstehe den Zusammenhang zwischen dem errechnetem Wert und der>Dimensionierung des Kühlkörpers noch nicht ganz.
Bitte? Du errechnest 13k/W und weißt nicht, das das der maximale
Wärmewiderstand des Kühlkörpers ist?
>Im Datenblatt des Motors
Link?
>nicht erwähnt. Was meinst du mit den Cs der PWM?
Die Kondensatoren zur Entstörung des Motors stellen für deine PWM einen
Kurzschluss dar, das ist nicht so toll.
@ Falk Brunner (falk)
>Warum liegt die falsch? Muss die dichter am Motor sein?>An einer anderen Stele in der Schaltung! Siehe Link.
Ich habe den Schaltplan nochmal angehängt. Vielleicht könntest du mir
sagen wo eine Diode hin muss. Wäre super. Ist das bei den Reglern die
man fertig kaufen kann auch so?
@ Falk Brunner (falk)
@ H.joachim Seifert (crazyhorse)
Den Zusammenhang mit dem Kühlkörper habe ich jetzt verstanden. Vielen
Dank.
@ Falk Brunner (falk)
>Im Datenblatt des Motors>Link?>nicht erwähnt. Was meinst du mit den Cs der PWM?>Die Kondensatoren zur Entstörung des Motors stellen für deine PWM einen>Kurzschluss dar, das ist nicht so toll.
Im Internet gibt es glaube ich keine Datenblätter mehr. Das ist ein
Bürstenmotor von Graupner Typ Ultra 1600-5. Im Datenblatt. Ich denke er
ist so ähnlich wie von:
http://www.plettenberg-motoren.com/german/Motoren/buemo.htm
Im Datenblatt steht: Der Motor ist werksseitig enstört. Wenn ich mir den
Motor genau anschaue sehe ich auch die Kondensatoren. Wie arbeiten denn
die Regler die man fertige kaufen kann?
Gruß Steffen
@ Steffen Ha (stef_fen)
>>An einer anderen Stele in der Schaltung! Siehe Link.>Ich habe den Schaltplan nochmal angehängt. Vielleicht könntest du mir>sagen wo eine Diode hin muss. Wäre super. Ist das bei den Reglern die>man fertig kaufen kann auch so?
Wäre super, wenn DU mal meine Links lesen würdest!
Den Link habe ich gelesen. Beim Bild des 1. Quadrantenstellers ist eine
Diode direkt parallel zum Motor. Den 1. Quadrantensteller habe ich ja
praktisch auch.
Das hatte ich ja weiter oben auch schonmal gemeint:
>Was brauche ich denn noch für eine Freilaufdiode? Der Fet hat doch eine>integriert.>Nö, die liegt vollkommen falsch.>Warum liegt die falsch? Muss die dichter am Motor sein?
Welche Diode könnte ich da nehmen? Eine Schottky sollte es ja
wahrscheinlich schon sein. Aber mit welchem Bemessungsstrom?
@ Steffen Ha (stef_fen)
>Welche Diode könnte ich da nehmen? Eine Schottky sollte es ja>wahrscheinlich schon sein.
Hier schon.
> Aber nach welchem Strom?
Nennstrom des Motors. Und einen Kühlkörper nicht vergessen!
Falk Brunner schrieb:> Das kann dir ordentlich in die Suppe spucken. Denn normale> Bürstenmotoren, die mit den üblichen LC Kombinationen entstört sind,> kann man nicht direkt mit PWM steuern, denn da kommen die Cs der PWM> ungelegen.Falk Brunner schrieb:> Die Kondensatoren zur Entstörung des Motors stellen für deine PWM einen> Kurzschluss dar, das ist nicht so toll.
Funktioniert zu 98% dennoch problemlos und millionenfach im Modellbau
bewährt. Bei (modellbau-typischen) 3,9 kHz brauchst Du dir deshalb keine
sorgen zu machen.
Hans Franz schrieb:> al3ko -.- schrieb:>> Wie waere es mit einem Vierquadrantensteller?>> Wozu, wenn Rechts- Linkslauf nicht gefordert ist?
Okay, 2-Quadrantensteller :)
IXFK180N10.png
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