Frage zu IGBT Kühlkörper, R-th und RG

[Marcel (Gast)]

Hallo Zusammen.
Ich Baue zur Zeit einen Vierquadrantensteller mit Freilaufdioden um 
damit einen Gleichstrommotor anzusteuern. Da dies meine erste 
selbsterstellte Platine ist würde ich gern ein wenig Bestätigung von ein 
paar erfahrenen Personen über die Richtigkeit meiner Berechnungen 
einholen.

Hier ein paar Daten zum Motor:
260V / 12,1A 1450min-1  bei Nennmoment
Ankerkreis Induktivität: etwa 17mH
PWM: f=20KHz
Spannungsversorgung würd über einen Gleichstromgenerator erfolgen

Meine Bauteile:

Treiber:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/87924/HP/HCPL-316J.html
IGBT:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/436971/INFINEON/IGW15N120H3.html
Diode:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/107151/IXYS/DSEP29-12A.html

Ich habe folgende Berechnungen gemacht, weiß aber nicht ob ich nicht 
überdimensioniere was Kühlkörper und Widerstände angeht. Meine Aufgabe 
als Ingeneur wäre es ja Dinge nur so groß zu machen wie nötig, nicht wie 
möglich aber es fehlt mir dazu die nötige Erfahrung.

Verlustleistung über die eine Diode:
Eine Diode hat nur Verluste wenn sie Leitet, was Bedeutet das Ptot=VF*IF 
ist.
Der Chip hält 175 °C aus aber ich gehe sicherheitshalber von einem 
maximum von 150°C aus.
Ptot = VF bei TJmax°C * IF        --> 21,901W = 1,81V *12,1A
TGehäuse max = Tjmax -Ptot *RthJC
TGehäuse max = 150 -21,901W *0,9 K/W = 130,28°C

Habe also ausgerechnet, dass das Gehäuse oder Case nicht heißer als 130 
°C warm werden darf oder das Bauteil überhitzt. Um das zu bewerkstellen 
brauche ich einen Kühlkörper. Ich gehe von 30°C Ausentemperatur aus, da 
ich die Leistungsseite meiner Platine nicht in ein Gehäuse packen 
möchte.

RthK= (TGehäuse - Tausen)/Ptot - RthJC
RthK =(130°C-30°C) / 21,901 - 0,9         RthK<= 3,679 K/W

Wähle ich also einen Kühlkörper der kleiner als RthK ist, würde mein 
Bauteil überleben und arbeiten können. Meine Frage ist jetzt: Habe ich 
groß genug Dimensioniert oder muss ich mit mehr Strom Rechnen, da der 
Motor auch mal mehr als 12,1 A zieht und parasitäre Induktivitäten und 
die Induktivität des Motors mir größere Ströme in die Schaltung geben?


Verlustleistung IGBT:
Bei diesen Verlusten muss ich einmal die Schaltverluste + die Leistung 
wenn der IGBT leitet zu berücksichtigen. Diese sind am Größten wenn ich 
den ich den IGBT 95% der Zeit leiten lassen (5% der Zeit wird geschaltet 
+ Totzeit)
Pon = VCsat IF  Tmax on
Pon = 2,6V*12,1A *0,95    =29,887 W

Schaltverluste werden Im IGBT Datenblatt bei folgenden Randwerten auf 
Seite 3 angegeben: TVJ 175°C und RG=35Ohm V=600 IF=15A
Esitwch =2,5mJ

Ich rechne mal mit den angegebenen Werten auch wenn ich nicht plane den 
Chip auf 175°C zu erhitzen noch 600V habe.

Pswitch = F * Eswitch = 50W

Ptot= Pon +Pswitch                      =80W
TGehäuse max = Tjmax -Ptot *RthJC
TGehäuse max = 150 -80W *0,7            = 94°C

Kühlkörper bei 30°C Ausentemperatur:
RthK= (TGehäuse - Tausen)/Ptot - RthJC
RthK =(94°C-30°C) / 80 - 0,7            RthK<=0,1K/W

Und jetzt steh ich da etwas wie der Esel vorm Berg und frage mich 
erstens:
habe ich irgendwo einen Rechenfehler gemacht? Habe ich zu groß oder zu 
klein Dimensioniert? Es stellt sich mir auch wieder die Frage:muss ich 
mit noch größeren Ströme durch Induktivitäten oder den Motor rechnen? 
Und was für einen Kühlkörper muss ich verwenden um auf  RthK<=0,1K/W zu 
kommen.

Habe mich mal umgesehen und folgenden Kühler gefunden:
http://www.fischerelektronik.de/web_fischer/de_DE/K%C3%BChlk%C3%B6rper/D04/L%C3%BCfteraggregate%20mit%20Axiall%C3%BCfter/PR/LA6_/$productCard/dimensionParameters/index.xhtml

Jetzt ist die Frage benötige ich nur 1 dieser Kühlköper von einer länge 
von 30 cm um alle 8 Bauteile zu kühlen? Ich habe vor alternierend zu 
Takten und deswegen werden immer nur in 2 der 8 Bauteile Hitze erzeugen 
und bei einer länge von 30cm ist es da möglich die Bauteile wie im 
Anhang aufgezeichnet anzubringen? Also die oberen 4 auf eine Seite die 
anderen 4 auf die gegenüberliegende? Wie Befestige ich diese am 
Kühlkörper? Schrauben einfach durchs Gehäuse?

Und noch eine Frage zum RG also Gatewiderstand. Laut IGBT Datzenblatt 
wurden die Rise und Falltime mit einem Gatewiderstand von 35Ohm 
gemessen. Habe mich etwas umgeschaut und halt gelesen das die 
Dimensionierung des Widerstandes eine Wissenschaft für sich sei und ich 
deswegen auch einfach RG von 35Ohm wähle. Gibt es irgendwelche erfahrung 
dazu? Solte ich noch sicherheits etwas größer Wählen?

Wäre sehr froh wenn man mir Helfen könnte diese Fragen zu beantworten.

Grüße Marcel

[rth (Gast)]

In der Rechnung fehlt noch der thermische Widerstand der elektr. 
Isolation zwischen IGBTs/Dioden und Kühlkörper.

[Marcel (Gast)]

Danke für den Tipp.
Also rechne ich noch den Faktor RTH_Paste mit mit 0,5K/W mit ein