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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Problem bei Berechnung der Verlustleistung und Kühlung eines n-MOSFETs


Autor: Martin Z. (mzahedi)
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Hallo liebe Community,

habe mich nun mit der im Betreff angeführten Thematik für mein aktuelles 
Projekt beschäftigt. Es geht um eine Motorsteuerung. Ich habe diese 
beiden Artikel sorgfältig durchgelesen und bin ein bisschen 
misstrauisch:

https://www.mikrocontroller.net/articles/FET#Schalt-Verluste
https://www.mikrocontroller.net/articles/K%C3%BChl...

Power n-MOSFET:
http://www.farnell.com/datasheets/1915990.pdf?_ga=...

Allgemeine Parameter:
Un = 24V
In = 15A
Schaltfrequenz = 1kHz
/* folgende Werte stammen aus dem Datenblatt */
Rdson = 1.5mOhm
Ton = 19ns
Trise = 70ns
Toff = 78ns
Tfall = 53ns
typ. Qg = 150nC
max. Qg = 220nC
Ciss = 7330 pF

Nun zu meinen Berechnungen:

********* Verlustleistung **********

Statische Verlustleistung mit Berücksichtung des Tastverhältnisses:
Pon = I²n*Rdson*ton/T = 15^2*(1.5*10^-3)*(19*10^-9)/(1*10^-3) ~= 6.5µW

Schaltverluste beim Einschalten:
Pswr = 1/4*Un*In*tr/T = 1/4*24*15*(70*10^-9)/(1*10^-3) ~= 6.5mW

Schaltverluste beim Ausschalten:
Pswr = 1/4*Un*In*tf/T = 1/4*24*15*(53*10^-9)/(1*10^-3) ~= 5mW

Treiberleistung:
1x mit typ. Qg (diese Formel habe ich von 
Beitrag "Verlustleistung Mosfet" ):
Pvsteuer = f*Qg*Ugs = (1*10^3)*(150*10^-9)*10 ~= 1.5mW <= sind hier die 
10V für Ugs richtig?

1x mit max. Qg:
Pvsteuer = f*Qg*Ugs = (1*10^3)*(220*10^-9)*10 ~= 2.2mW <= sind hier die 
10V für Ugs richtig?

1x mit Gate-Kapazität (diese Formel wiederum aus dem FET Artikel):
Pvsteuer = 5*Ciss*U²*fschalt = 5*(7.33*10^-9)*10^2*(1*10^3) ~= 4mW <= 
sind hier die 10V für Ugs richtig?

==> Wenn ich nun großzügig alle Werte zusammenrechne, komme ich auf 15mW 
... whad? Kann das stimmen? Mache ich etwas falsch? Muss ich die 
dynamischen zeitlichen Charakteristiken für meine Condtion "anpassen"? 
Das Datenblatt gibt ja Vdd=20V, Id=30A usw. an.

********* Berechnung des Kühlkörpers **********

Rthk = (Tj - Ta) / Pv - (Rjc + Rcs) = (125-35)/15mW-(0.65K/W+0.5K/W)

==> Rthk <= 5998.85K/W

WTF?! :) :)

Ich bin mir sicher dass ich etwas bei der Berechnung der Verluste nicht 
berücksichtige komme aber nicht drauf. Kann mir jemand bitte 
weiterhelfen. Wäre sehr dankbar.

Liebe Grüße aus Wien

: Bearbeitet durch User
Autor: Hans (Gast)
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Wie kommst du auf dein Ton???

73

Autor: oszi40 (Gast)
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Martin Z. schrieb:
> ==> Wenn ich nun großzügig alle Werte zusammenrechne, komme ich auf 15mW

Ohne jetzt nachgerechnet zu haben würde ich nochmals überlegen wie 
schnell/langsaaam die Umschaltung erfolgt und was in dieser Zeit 
verheizt wird. Weiterhin kann eine interne Schutzdiode durch böse 
induktive Abschaltspannungen (Motor) recht heiß werden ...

Autor: Max M. (jens2001)
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Martin Z. schrieb:
> Ton = 19ns
> Trise = 70ns
> Toff = 78ns
> Tfall = 53ns
> Schaltfrequenz = 1kHz

???

Autor: Martin Z. (mzahedi)
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Die Schaltfrequenz wähle ich natürlich aus, sie stammt nicht aus dem 
Datenblatt. Die anderen Werte habe ich aus dem Datenblatt. Siehe Seite 
3. Ich vermute dass hier wsl der Fehler liegen wird. Ich müsste das 
selbst messen und dann die Werte bestimmen nicht wahr?

Autor: oszi40 (Gast)
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Martin Z. schrieb:
> selbst messen

Ansteuer-Impulse ansehen ob sie ´wirklich steil genung sind während der 
Umschaltphase? Eine zu gemütliche Umschaltung erzeugt Wärme im linearen 
Bereich. ______/

Autor: Hans (Gast)
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1/(ton+toff)=f_schalt

zumindest für deine statische betrachtung...

73

Autor: Martin Z. (mzahedi)
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Hans schrieb:
> 1/(ton+toff)=f_schalt
>
> zumindest für deine statische betrachtung...
>
> 73

oh mann ich bin so ... aarrrr danke!:D :D

Autor: Possetitjel (Gast)
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Martin Z. schrieb:

> Statische Verlustleistung mit Berücksichtung des
> Tastverhältnisses:
> Pon = I²n*Rdson*ton/T = 15^2*(1.5*10^-3)*(19*10^-9)/
> (1*10^-3) ~= 6.5µW

Fünf Größenordnungen daneben.

Genauer Lesen: td(on) ist die Einschaltverzögerung des FET;
das t_on, das Du brauchst, ist die Gesamtdauer der Leitphase.
Das ist nicht dasselbe!

Einfach worst-case-Abschätzung: FET ist 100% der Zeit leitend;
die Leitverluste sind also I² * R_ds_on = 225*A² * 1.5mOhm = 0.34W.

> Schaltverluste beim Einschalten:
> Pswr = 1/4*Un*In*tr/T = 1/4*24*15*(70*10^-9)/(1*10^-3) ~= 6.5mW
>
> Schaltverluste beim Ausschalten:
> Pswr = 1/4*Un*In*tf/T = 1/4*24*15*(53*10^-9)/(1*10^-3) ~= 5mW

Kuriose Rechnungen, aber richtige Ergebnisse.

Durch die niedrige Schaltfrequenz dominieren die Verluste in der
Leitphase; die Schaltverluste sind zu vernachlässigen.

Autor: Gerd E. (robberknight)
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Martin Z. schrieb:
> Power n-MOSFET:
> 
http://www.farnell.com/datasheets/1915990.pdf?_ga=...

vs.

> In = 15A

Der FET ist mit einer ganzen Größenordnung Reserve ausgewählt, daher 
wird der nicht mal handwarm werden wie Possetitjel schon richtig 
abgeschätzt hat.

Für nen Hobbyprojekt/Einzelstück kommt es nicht so auf den Preis des 
FETs an, da kann man sich den Luxus des dicken FETs leisten.

Autor: Martin Z. (mzahedi)
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Super Leute danke! Finde es herrlich dass ich für ton und toff 
irgendwelche Werte nehme ohne daran zu denken, dass fschalt = 1/ton+toff 
ist :D :-/ ironiemodus-off

Ich hab das rechnen wollen, weil ich drüber eine Arbeit schreiben muss. 
Hab mir eh schon gedacht dass er bei 15A nicht amal zum jucken beginnt 
:) Brauchte nur die Rechnung um das einmal richtig verstanden zu haben. 
Vielen Dank :)

PS: kann ich trotzdem einen Kühlkörper als zusätzliche Schutzmaßnahme 
nehmen? Gibt es sowas wie einen Standardwert wenn es denn so ist?

Autor: Klaus (Gast)
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Gerd E. schrieb:
> Für nen Hobbyprojekt/Einzelstück kommt es nicht so auf den Preis des
> FETs an, da kann man sich den Luxus des dicken FETs leisten.

Dafür muß man dann auch ne luxoriösere Gatekapazität umladen und heizt 
mit den Flanken.

MfG Klaus

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