Hi, ich betreibe einen IRLU024 Mosfet http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irlr024n.pdf an einem Atmega328 für PWM. Schaltspannung 5V, Lastspannung 24V, Laststrom 6A, PWM-Frequenz 200Hz. Ich rechne wie folgt: Qg = 15nC (Gate-Charge, aus Datenblatt) t = 180ns (Schaltzeit, mit Oszi gemessen) daraus folgt nach I = Q / t, das mein Schaltstrom, den der Atmega liefert ca. 84mA wäre. Nun weiter zur Verlustleistung: P = ( ( Vds x I_last ) / 2 ) x ( ( t2 + t3 ) / T ) (aus diesem Dokument http://www.ti.com/lit/ml/slup169/slup169.pdf) Verlustleistung als Dreieck unter Phase 2 und 3 des Schaltvorgangs gerechnet, also Anstieg von Id und Millerplateau das ergäbe dann: ( ( 24V * 6A ) / 2 ) x ( 60ns / 180ns ) = 24W Das ist aber die Verlustleistung ohne Berücksichtigung des Duty Cycle, m.E. muss ich das nun um den Duty Cycle korrigieren, also durch 200 dividieren, damit wäre meine durchschnittliche Verlustleistung 0,12W. Nun die Erwärmung berechnet nach: Tj (Junction-Temperatur) = Ta (Umgebungstemperatur) + dT (Erwärmung) und vom Datenblatt die "max 110 C/W" (für Junction-Ambient) eingesetzt: 50 + 0,12W x 110 C/W = 63 Grad was völlig in Ordnung wäre und ich brauche keinen Kühlkörper. Irgendwas stimmt hier aber mit der Verlustleistung bzw. der Korrektur nach Duty Cycle nicht. Ohne Duty Cycle käme ich aber auf 2.700 Grad (wobei die Rechnung mit Kühlkörper wieder ganz anders aussieht). Oder muss ich die Formel oben so nehmen: P = ( ( 24V * 6A ) / 2 ) x ( 60ns / 1s ) x 200 also Verlustleistung während der Schaltzeit x 200 Schaltvorgänge? Ich hänge hier grad und komm nicht drauf. Dank & Grüße, Conny
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So > Oder muss ich die Formel oben so nehmen: > P = ( ( 24V * 6A ) / 2 ) x ( 60ns / 1s ) x 400 (PWM-Frequenz 200Hz, also 400 Schaltvorgänge) Dann käme ich auf eine Temperatur von 240 Grad oder Erwärmung um 190 Grad ohne Kühlkörper, was mir eher logisch erscheint. Wenn es auch ein bisschen hoch aussieht. Spiegelt auch wider, dass die Schaltzeit mit dem uC als Treiber echt lange ist und ich einen Treiber in Betracht ziehen sollte. Anbei noch ein Screenshot des Schaltvorgangs (Gatespannung).
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Conny G. schrieb: > daraus folgt nach I = Q / t, das mein Schaltstrom, den der Atmega > liefert ca. 84mA wäre. Ohne den Atmega im Detail zu kennen, würde ich behaupten, dass der Pin diesen Strom nicht liefern kann. Rein aus dem Bauch raus würde ich sagen, bei max. 25mA ist Schluss. Die Lösung dieses Problems: Gatetreiber zwischen MOSFET und Atmega-Pin.
TX schrieb: > Ohne den Atmega im Detail zu kennen, würde ich behaupten, dass der Pin > diesen Strom nicht liefern kann. Rein aus dem Bauch raus würde ich > sagen, bei max. 25mA ist Schluss. > > Die Lösung dieses Problems: Gatetreiber zwischen MOSFET und Atmega-Pin. 1. ja, stimme zu, ein Gatetreiber ist hier sehr sinnvoll. 2. Aber die Spannungskurve rechnet sich ja runter auf die 84mA - die hab ich ja nicht erfunden :-)
Datenblatt sagt "Absolute Maximum" 40mA, sonst je nach Temp und Versorgungsspannung irgendwas um die 10mA Driver Strength. Dann frage ich mich, wo die 80mA hier herkommen....
TX schrieb: > Die Lösung dieses Problems: Gatetreiber zwischen MOSFET und Atmega-Pin. Bei 400Hz an einem Logic Level. LOL. Conny G. schrieb: > daraus folgt nach I = Q / t, das mein Schaltstrom, den der Atmega > liefert ca. 84mA wäre. Nicht unbedingt, es hängt davon ab, wie du gemessen hast. Nimm lieber 20mA und t = Q/I, also wirkliche rechnerische Abschätzung aus den garantierten Datenblattwerten. > Nun weiter zur Verlustleistung: Obere Abschätzung, in der Realität geringer. Die Formel passt: > P = ( ( 24V * 6A ) / 2 ) x ( 60ns / 1s ) x 200 = 0.864W PLUS 5A^2 RDSon dutyCycle, also schlechtestenfalls 2W was mit 2.864W viel zu viel wäre ohne Kühlkörper. aber zum Grossteil vom RDSon abhängt und nicht der Umschaltverluste,
MaWin schrieb: >> P = ( ( 24V * 6A ) / 2 ) x ( 60ns / 1s ) x 200 > > = 0.864W ( ( 24 * 6 ) / 2 ) * ( 60 * 10^-9 / 1 ) * 200 .00086400000000000000
MaWin schrieb: > aber zum Grossteil vom RDSon abhängt Und wenns ohne Kühlkörper gehen soll, und immer noch in I-Pak, dann nimmt man IRLU3114Z.
Conny G. schrieb: > Datenblatt sagt "Absolute Maximum" 40mA, sonst je nach Temp und > Versorgungsspannung irgendwas um die 10mA Driver Strength. > Dann frage ich mich, wo die 80mA hier herkommen.... Die brauchst du nicht, die willst du nicht mal. Selbst mit mehreren kOhm als Gatewiderstand schaltet der MOSFET noch schnell genug. Und mit zu schnellem Schalten handelt man sich nur EMV Probleme ein.
Die PWM-Frequenz hat absolut gar nicht mit dem Duty-Cycle zu tun. > Das ist aber die Verlustleistung ohne Berücksichtigung des Duty Cycle, > m.E. muss ich das nun um den Duty-Cycle korrigieren, also durch 200 Warum 200 ? Wegen den 200Hz ? Duty-Cycle ist bei mir das Tastverhältnis. Also wenn eine PWM 50% An und 50% Aus ist hat Sie enen Tastgrad von 0,5 oder auch Duty-Cycle.
MaWin schrieb: > TX schrieb: >> Die Lösung dieses Problems: Gatetreiber zwischen MOSFET und Atmega-Pin. > > Bei 400Hz an einem Logic Level. LOL. > > Conny G. schrieb: >> daraus folgt nach I = Q / t, das mein Schaltstrom, den der Atmega >> liefert ca. 84mA wäre. > > Nicht unbedingt, es hängt davon ab, wie du gemessen hast. > Nimm lieber 20mA und t = Q/I, also wirkliche rechnerische Abschätzung > aus den garantierten Datenblattwerten. Aber dann komme ich auf t = (15 * 10^-9) / (20 * 10^-3) = 750ns und das passt mit meiner Messung überhaupt nicht zusammen. Entweder die benötigte Ladung ist doch nur ein Drittel (widerspricht dem Datenblatt), oder meine Zeitmessung von 180ns passt nicht. Versteh's nicht. :-( >> Nun weiter zur Verlustleistung: > > Obere Abschätzung, in der Realität geringer. Die Formel passt: > >> P = ( ( 24V * 6A ) / 2 ) x ( 60ns / 1s ) x 200 > > = 0.864W Da komme ich auch auf 0.000864W. Also ist der Schaltvorgang überhaupt kein Thema. > PLUS 5A^2 RDSon dutyCycle, also schlechtestenfalls 2W > > was mit 2.864W viel zu viel wäre ohne Kühlkörper. > aber zum Grossteil vom RDSon abhängt und nicht der Umschaltverluste, Jaaaa, den hab ich vergessen. Ähem. Da sind wir dann bei 316 Grad Erwärmung bei 100% Duty Cycle, der hier definitiv vorkommen kann. Ouch. Kühlkörper ausrechnen: 100 Grad maximal heisst dann Rmax = dTMax / P = 50K/3W = 17 K/W. R_kuehlkoerper = R_max - R_junctioncase = 17 K/W - 3.3 K/W = 14 K/W Das wäre dann (bei TO220) ein Kühlkörper dieser Art: http://www.reichelt.de/Finger-Aufsteckkuehlkoerper/V-PR32-25-4/3/index.html?&ACTION=3&LA=2&ARTICLE=35374&GROUPID=3379&artnr=V+PR32%2F25%2C4 Gerade mal den IRLZ34 angeschaut, der hat bei 5V / 16A einen Rdson von 0.046, da wären wir dann bei 1,7W oder 105 Grad Erwärmung - das ginge (theoretisch) grad noch ohne Kühlkörper, bis 175 Grad dürfte er haben.
Uwe schrieb: > Die PWM-Frequenz hat absolut gar nicht mit dem Duty-Cycle zu tun. >> Das ist aber die Verlustleistung ohne Berücksichtigung des Duty Cycle, >> m.E. muss ich das nun um den Duty-Cycle korrigieren, also durch 200 > Warum 200 ? Wegen den 200Hz ? > Duty-Cycle ist bei mir das Tastverhältnis. > Also wenn eine PWM 50% An und 50% Aus ist hat Sie enen Tastgrad von 0,5 > oder auch Duty-Cycle. Sorry, hast Recht, ich meinte PWM-Frequenz.
Wie rechne ich das, wenn ich statt einen einzelnen Kühlkörper für einen Mosfet ein dickes Ding für 4 oder 8 nehmen will? Ein Viertel / Achtel des Wärmewiderstands oder die "Masse" eines einzelnen x4 bzw. x8? Hintergrund: arbeite an einer Schaltung, die einen Soft-PWM-Controller (=AVR) auf einer Platine hat, der voraussichtlich per Schieberegister die on/offs auf weitere Platinen schickt, die dann das Schalten der Leistung durchführen. Von diesen "Client-Platinen" entweder 2 weitere mit 8 Mosfets oder 3 weitere mit 4 Mosfets, womit ich dann 12 oder 16 "Objekte" (LED-Spot, Halogenspot oder LED-Streifen) mit je maximal 150W dimmen kann. Die Client-Platinen hätten je ein eigenes Netzteil, das zu den daran angeschlossenen Verbrauchern passt, also 12V oder 24V.
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hinz schrieb: > MaWin schrieb: >> aber zum Grossteil vom RDSon abhängt > > Und wenns ohne Kühlkörper gehen soll, und immer noch in I-Pak, dann > nimmt man IRLU3114Z. Der ist cool, der hat ja eine Zehnerpotenz weniger Rdson! Danke für den Tipp!! I-Pak muss nicht, aber lieber ohne Kühlkörper, wenn es dann immer noch genug Toleranz hat. Ich stehe nicht auf >100 Grad heisse Bauteile im Dauerbetrieb.
Conny G. schrieb: > Wie rechne ich das, wenn ich statt einen einzelnen Kühlkörper für einen > Mosfet ein dickes Ding für 4 oder 8 nehmen will? > Ein Viertel / Achtel des Wärmewiderstands oder die "Masse" eines > einzelnen x4 bzw. x8? Der Wärmewiderstand des KK bleibt gleich, nur die Wärmeleistung erhöht sich durch mehrere FETs.
hinz schrieb: > Conny G. schrieb: >> Datenblatt sagt "Absolute Maximum" 40mA, sonst je nach Temp und >> Versorgungsspannung irgendwas um die 10mA Driver Strength. >> Dann frage ich mich, wo die 80mA hier herkommen.... > > Die brauchst du nicht, die willst du nicht mal. Selbst mit mehreren kOhm > als Gatewiderstand schaltet der MOSFET noch schnell genug. Und mit zu > schnellem Schalten handelt man sich nur EMV Probleme ein. Mir geht's weniger darum schneller zu schalten, eher um erstmals einen Mosfet komplett durchzurechnen und zu verstehen, was da genau passiert und ob ich einen Treiber brauche bzw. wann ich einen brauche. Dito mit Kühlkörper. Und ich verstehe gerade nicht, warum ich einen Vg Anstieg in <200ns habe, wenn es rechnerisch eigentlich 700/800ns sein sollten... Doch anfänglich höherer Spitzenstrom aus dem AVR? Und/oder etwas weniger an benötigtem Qg als die 15nC bei 5V an Vgs?
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Joe S. schrieb: > Der Wärmewiderstand des KK bleibt gleich, nur die Wärmeleistung erhöht > sich durch mehrere FETs. Ah ja, dann brauche ich im Datenblatt Angaben wie angehängt um mir einen Kühlkörper auszusuchen. Es ist also nicht notwendigerweise linear. Wenn ich das Diagramm richtig lese, dann brauche ich bei doppelter Verlustleistung den dreifachen Kühlkörper für dieselbe Temperatur. Wobei es sich sicherlich bei mehreren Wärmequellen (4 x 3 Watt) anderes verhält als mit einer (1x 12V), da dürfte es etwas milder ausfallen, weil sich die Wärme besser verteilt.
hinz schrieb: > Conny G. schrieb: >> I-Pak muss nicht > > IRL1404 Der ist jetzt in der Kombi von Rdson und Wärmewiderstand noch besser (Rdson gleiche Dimension, Wärmewiderstand Junction - Ambient geringer), aber er hat die zehnfache Qg ... kann das der AVR noch treiben oder brauch ich dann einen Treiber? Zehnfaches Qg hiesse ja zehnfache Schaltzeit - 2µs vs. 200ns (vs meine Messung) bzw. 7µs vs. 750ns (vs. Rechnung). Evtl. passt mir das bzgl. EMV ja auch gut, mal rechnen... 200 Hz - 5ms für einen PWM-Cycle 1000 Schritte / 10 Bit - 5µs Dann vermischt sich die Schaltzeit schon mit den PWM-Steps, das ist nicht so optimal. Heisst hier bei der kleinsten Dimmstufe schaltet der Mosfet schon nicht mehr ganz durch bevor wieder abgeschaltet wird und bei der zweiten kommt weniger an Duty Cycle zustande als gewollt. Aber der dritten ist's dann schon wurst. Naja, das ging ja noch.
Conny G. schrieb: > 1000 Schritte / 10 Bit - 5µs > > Dann vermischt sich die Schaltzeit schon mit den PWM-Steps, das ist > nicht so optimal. > Heisst hier bei der kleinsten Dimmstufe schaltet der Mosfet schon nicht > mehr ganz durch bevor wieder abgeschaltet wird und bei der zweiten kommt > weniger an Duty Cycle zustande als gewollt. Aber der dritten ist's dann > schon wurst. > Naja, das ging ja noch. Was zum Teufel ist denn das für eine Last?
hinz schrieb: > Was zum Teufel ist denn das für eine Last? Wie meinst du das? Es wären um die 150W pro Mosfet (12V / 12A, 24v / 6A). Ist das Qg von Ids abhängig?
Conny G. schrieb: > hinz schrieb: >> Was zum Teufel ist denn das für eine Last? > > Wie meinst du das? Was da dran hängen soll, da wird doch wohl was reales dran kommen.
Die Verlustleistung bei 100% Duty-Cycle am MOSFET ist das Quadrat des durchfließenden Stroms mal RDSon. Bei den angegebenen 6A kommst du beim IRLU024 auf 2.88W Verlustleistung. Das geht nicht ohne Kühlkörper. Nimmst du dagegen einen IRF6201, so hast du gerade mal 0.088W Verlustleistung. (Wobei VDS allerdings nur bei 20V liegt.)
Hättet ihr da noch Input für mich, warum ich rechnerisch bei 20mA am Atmega-Pin auf eine Schaltzeit von 750ns komme und mit dem Oszi 180ns messe? Also selbst wenn der AVR 40mA liefern würde wäre immer noch ein Unterschied von knapp 400ns vs. 180ns da... Und bzgl. des IRL1404 ... komme ich mit dem riesen Qg da noch hin mit dem Atmega oder brauch ich einen Treiber? Bedeutet das einfach nur längere Schaltzeit und ist ok so (falls ich mit der Schaltzeit ok bin)?
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