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
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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
@Steffen Ha (stef_fen) >VDSS = 55V >ID25 = 550A >RDS(on)= 1,6mOhm Einen 550A MOSFET um 30A zu schalten? Irgendwann wird es albern.
Aber bringt einen tollen Wirkungsgrad. Hat eben alles Vor- und Nachteile.
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?
Steffen Ha schrieb: > Die 30A habe ich mit einem Zangenampermeter gemessen. D.h.? Welchen Strom hast du gemessen?
Steffen Ha schrieb: > Der Strom den der Motor zieht. ... Ich will wissen, was die 30A bedeuten. Effektiv, peak, im Mittel oder weiß der Geier was.
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.
Der Motor ist schon Grundenstört durch Kondensatoren. Was müsste ich da noch beachten?Die 30A sind effektiv. Gruß Steffen
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
Martin Wende schrieb: > Da musste dann noch schön ne Entstören sonst grillts dir den FET... Wieso dass denn? Aber: Freilauf(Diode) nicht vergessen!
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.
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@ 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!
Was wäre denn mit der: http://www.conrad.de/ce/de/product/160744/Schottky-Diode-IXYS-DSS25-0025B-Gehaeuseart-TO-220-AC-IF-25-A/SHOP_AREA_17304&promotionareaSearchDetail=005 Leider finde ich keine größeren. Wie machen das denn Reglerhersteller mit 150A Strömen? Was hält die interne Diode des Mosfet aus?
> Wie machen das denn Reglerhersteller mit 150A Strömen?
Die nehmen keinen 1 Quadranten Steller.
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.
al3ko -.- schrieb: > Wie waere es mit einem Vierquadrantensteller? Wozu, wenn Rechts- Linkslauf nicht gefordert ist?
Hans Franz schrieb: > al3ko -.- schrieb: >> Wie waere es mit einem Vierquadrantensteller? > > Wozu, wenn Rechts- Linkslauf nicht gefordert ist? Okay, 2-Quadrantensteller :)
Was hält eigentlich die interne Diode aus? Die müsste doch die 30A aushalten.
Steffen Ha schrieb: > Was hält eigentlich die interne Diode aus? Die müsste doch die 30A > aushalten. Welche interne Diode?
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