Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 40+A für Heizung per PWM einstellen mit niedriger Verlust-Leistung?


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von Rudolph R. (rudolph)


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Hallo,

ich sehe im nächsten Jahr die Aufgabe auf mich zu kommen eine Heizung zu 
steuern.
Diese Heizung besteht im Grunde genommen aus einem Draht mit 0,3 Ohm 
woraus sich bei nominell 12V ein Strom von 40A ergibt.
Okay, die Spannung geht wohl bis 13,5V hoch, also 45A.

Ein Relais soll da nicht verwendet werden.
Ja, das wird Automotive, aber Prototyping.

Und ja, 40A sind etwas ausserhalb meiner Komfort-Zone. :-)

Zum Einstellen der effektiven Heiz-Leistung dachte ich daran, eine 1Hz 
PWM zu verwenden, damit sollten Umschalt-Verluste schon mal weitgehend 
vernachlässibar sein.

Nur womit schaltet man diesen Strom wenn das Gerät selber nicht zur 
Heizung werden soll?

Aus der Erfahrung heraus mit früheren Projekten weiss ich, dass ICs sich 
sehr viel schneller erhitzen können als die Platine drum herum.
Das schlimmste war mal ein High-Side Schalter im Power-SO12 der sich 
dank im PWM-Betrieb ausgehebelter Temperatur-Überwachung selber 
ausgelötet hat obwohl die Platinen-Fläche zur Kühlung drum herum nur 
schlapp 40°C erreicht hat. Bei 13A obwohl das Teil 40A schalten können 
sollte.
So mit diversen Durchkontaktierungen drunter und auf einen Kupferblock 
geschraubt.

Woran auch immer das im Detail gescheitert ist, tendenziell möchte ich 
lieber die Verlust-Leistung im IC auf ein Minimum reduzieren um gar 
nicht erst Probleme mit der Kühlung bekommen zu können.


Auf der Seite von Infineon habe ich spontan den hier gefunden:
https://www.infineon.com/cms/en/product/power/mosfet/20v-800v-automotive-mosfet/20v-40v-n-channel-automotive-mosfet/auirls8409-7p/

Hurra, 350A.
Bei 5V Ansteuerung muss ich von 1,1mOhm RDSon ausgehen, das sind dann 
mal eben 45²*1,1mR = 2,23W Verlust-Leistung.
Bei 350A wären das 135W Verlust-Leistung.

Okay, direkt zu bekommen soll das Teil auch sein.
Dann lande ich ein paar Einträge weiter unten in der nach RDSon 
sortierten List und komme auf den IPB180N03S4L-H0 der 180A schalten 
können soll mit einem RDSon von 1,3mR bei 4,5V am Gate.
45²*1,3m = 2,63W
180²*1,3m = 41W

Ja, blöd, 2,63W sind mir noch deutlich zu viel.

Was macht man da?

Da ich mal nicht davon ausgehen kann, dass hier als nächstes jemand 
postet: "nimm doch den xxxyyy Typ von sowieso, das ist ein 0,2mR 
Automotive NFET...", vier Stück von den IPB180N03S4L-H0 parallel 
schalten?
So mit vier Gate-Treibern und einer gemeinsamen Steuer-Leitung?

Wie schaltet Ihr solche Ströme ohne eine parasitär-Heizung zu bauen?

von Dünnwandtroll (Gast)


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So eine Heizung schaltet man Lowside mit einem N-Fet, resp ein paar 
Parallel. zB 4x xxx. mit x mOhm. Da muss jeder dann noch 10A bringen, 
das waeren dann noch...

IRFP064N  8 mOhm
IRFP2907  4.5 mOhm
IRFP3077  3.3 mOhm
IRFP4004  1.7 mOhm

Nein, Ein Treiber und 4 Gatewiderstaende von zB 4.7 Ohm genuegen.

von hinz (Gast)


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AUIRF8739L2

von Rudolph R. (rudolph)


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hinz schrieb:
> AUIRF8739L2

Nettes Teil, nur zuverlässig gelötet bekomme ich den dann eher nicht so.
Wie geschrieben, Prototyping, muss nicht perfekt sein, aber über die 
Dampfphase kann ich das dann auch nicht ziehen.

von hinz (Gast)


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Rudolph R. schrieb:
> hinz schrieb:
>> AUIRF8739L2
>
> Nettes Teil, nur zuverlässig gelötet bekomme ich den dann eher nicht so.
> Wie geschrieben, Prototyping, muss nicht perfekt sein, aber über die
> Dampfphase kann ich das dann auch nicht ziehen.

Dann bleibt dir nur die Parallelschaltung.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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IRFB3077, zwei Stück davon parallel auf einer kleinen Kühlfahne lösen 
das Problem (etwa 2,3W Verlust bei 40A und 10V Ugs) selbst wenn sie in 
einem Gehäuse eingebaut werden. Vermutlich würde es sogar ganz ohne 
Kühlfläche funktionieren.

Was soll damit beheizt werden? PWM mit sehr niedriger Freqenz und so 
hoher Last kann für ein KFZ-Bordnetz problematisch sein. Vielleicht wäre 
es besser, den Heizdraht an einem echten Step-Down-Wandler zu betreiben 
(kann man mit Tricks auch mit einem N-Channel-FET in der Low-Side bauen, 
braucht ja keine ultragenaue Spannungsregelung zu sein). Das vermeidet 
die ständigen Lastsprünge.

von Rudolph R. (rudolph)


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Das soll eine Scheibe heizen. Fragt nicht, das Projekt an sich ist ja 
vertraulich. Irgendwer hat sich das als Lösung ausgedacht und meine 
Aufgabe wird sein kontrolliert Strom durch den Draht zu schicken. :-)

Auf die Idee dafür einen Stepdown zu benutzen bin ich noch gar nicht 
gekommen.
Und irgendwie mag ich mich damit auf dem Strom auch nicht anfreunden. 
:-)

Aber ist schon richtig, immer wieder 45A für 0,5s und dann 0,5s Pause 
klingt auch nicht so besonders sinnvoll.
Eine Bank fetter Kondensatoren müsste da schon mit rein.

von Harald W. (wilhelms)


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Rudolph R. schrieb:

> Eine Bank fetter Kondensatoren müsste da schon mit rein.

Ja, am besten nimmt man dafür einen Anhänger.

von Rudolph R. (rudolph)


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Harald W. schrieb:
>> Eine Bank fetter Kondensatoren müsste da schon mit rein.
>
> Ja, am besten nimmt man dafür einen Anhänger.

Doch nicht, um das dauerhaft zu treiben. :-)
Aber zum Beispiel auch im die Induktivität der Zuleitung etwas 
auszugleichen.

Ja, das würde ich jetzt eher so in die Kategorie Alptraum stecken. :-)

von temp (Gast)


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Oder so was wie BTS555. Die sind als High-Side-Switch für KFZ entwickelt 
und haben noch Überlast-, Kurzschluss- und Übertemperaturschutz an 
Board. Einfach ansteuerbar über einen Transistor oder OK.

von U. M. (oeletronika)


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Hallo,
> Rudolph R. schrieb:
> Das soll eine Scheibe heizen. Fragt nicht, das Projekt an sich ist ja
> vertraulich. Irgendwer hat sich das als Lösung ausgedacht und meine
> Aufgabe wird sein kontrolliert Strom durch den Draht zu schicken. :-)
Man sollte aber trotzdem über unterschiedliche Konzepte nachdenken.

Z.B. ist es evtl. möglich, das ganze in mehrere Teilkreise 
aufzusplitten?
Wenn man 4 Teilkreise mit je 10A hätte, wäre die Auswahl der 
Transistoren  unkritisch und der Stromrippel könnte auch reduziert 
werden, indem man die Heizkreise phasenverschoben schaltet. Nebenbei 
bekommt man noch eine gewisse Redundanz.
Gruß Öletronika

von Schaltmosfet L. (schaltmosfet)


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Wenn man den Stromripple mit Elektrolytkondensatoren glätten möchte,
sollte man mindestens mit 1kHz schalten.
Dabei bleiben die Schaltverluste noch im Rahmen (vernachlässigbar) und 
bei dem erwartbaren Spannungsripple an den Elkos von vielleicht 100mV - 
200mV fließen zumindest an den Schaltflanken nennenswert die Ströme aus 
und in die Elkos.

von Dieter (Gast)


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http://www.mouser.com/ds/2/149/FDD86540-109589.pdf

Sowas und einen passenden Gatetreiber dazu. Gibt aber noch bessere 
MOSFET.

https://www.mouser.de/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/Transistors/MOSFET/_/N-ax1sf/?Ns=Rds%20On%20-%20Drain-Source%20Resistance|0

1Hz ist relativ langsam, wenn dir die Trägheit reicht, wieso nicht? 
Wobei die Erzeugung von 1Hz auf Software Timer hinauslaufen wird, mit 
Hardware Timer wäre die Lösung deutlich einfacher und sicherer, ggf. 
Hardwareschutzschaltung? Kenne deine Anforderungen nicht...

von Anja (Gast)


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Rudolph R. schrieb:
> Zum Einstellen der effektiven Heiz-Leistung dachte ich daran, eine 1Hz
> PWM zu verwenden, damit sollten Umschalt-Verluste schon mal weitgehend
> vernachlässibar sein.
>
> Nur womit schaltet man diesen Strom wenn das Gerät selber nicht zur
> Heizung werden soll?

1 Hz PWM bei 40A sollte man vermeiden. (Sichtbares Flackern der 
Beleuchtung durch den Spannungseinbruch).
Normalerweise wird mindestens 30 Hz verwendet.

Ein BTS555 wäre ein gangbarer Weg. (Automotive geeignet).

Gruß Anja

von Anja (Gast)


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Rudolph R. schrieb:
> Ja, blöd, 2,63W sind mir noch deutlich zu viel.

Die Frage ist: willst Du die Verluste im FET, in den Steckverbindern 
oder in den Leiterbahnen (35my?) der Leiterplatte verbraten?
Das Gesamtkonzept muß stimmen.

Gruß Anja

von Rudolph (Gast)


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Hallo,

um das noch mal abzuschliessen, vielen Dank auch für Euren Input!

An dem Aufbau war leider nichts mehr zu ändern.
Also kein Aufteilen in mehrere Kreise möglich - die Idee fand ich aber 
gut.
Schalten gegen GND war gesetzt, also fällt die Spannungsquelle auch 
raus.
Und eine Stromsenke kommt nicht in Frage wenn diese praktisch keinen 
Widerstand haben darf.

So habe ich mich darauf vorbereitet die 45A mit drei Stück AUIRF1324S-7P 
parallel einzuschalten.
Aber viel langsamer als 1Hz, eher so 0,05Hz, also 20 Sekunden Zyklen 
oder noch mehr.

Jetzt kam gerade raus, dass der Heizdraht einen um mehr als Faktor 3 
höheren Widerstand hat.
So 15A ist zwar immer noch nicht nett für das Bordnetz, aber für den 
Schalter an sich ja eher witzlos.

Oben habe ich natürlich auch Mist geschrieben, das habe ich mit einer 
anderen Geschichte durcheinander geworfen.
Die Induktivität der Leitung muss ja gar nicht mit Kondensatoren 
ausgeglichen werden, also Puffer am Einspeisepunkt, im Gegenteil, wenn 
sich die Leitung gegen das Einschalten wehrt wird der Strom-Puls doch 
weicher.
Der Draht an sich wird auch nicht spontan Strom fliessen lassen.
Das darf in der Anwendung gerne etwas runder sein. :-)
Und ja, eine Freilauf-Diode hatte ich trotz der eigentlich ohmschen Last 
sowieso schon vorgesehen.

von Andrew T. (marsufant)


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Anja schrieb:
> Ein BTS555 wäre ein gangbarer Weg. (Automotive geeignet).

Dann ist in jedem Fall eine gute Wahl für einen 
Prototyp/Funktionsmuster.

Für die B- und C-Bemusterung dann der AUIRF8739L2 . Preislich in großen 
Stückzahlen deutlich attraktiver.

von Rudolph (Gast)


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Andrew T. schrieb:
>> Ein BTS555 wäre ein gangbarer Weg. (Automotive geeignet).
>
> Dann ist in jedem Fall eine gute Wahl für einen
> Prototyp/Funktionsmuster.

Mal davon abgesehen, dass der abgekündigt und ein HighSide Schalter ist?

von Relais (Gast)


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Na da hoffe ich doch mal auf einen Ersatz. So lange mein Lager noch 
gefüllt ist.

von Anja (Gast)


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Rudolph schrieb:
> Mal davon abgesehen, dass der abgekündigt und ein HighSide Schalter ist?

das mit dem Low-Side-Schalter wurde erst am 26.01.2018 vom TE bekannt 
gegeben. (Wobei ich das für einen Design-Fehler halte).

Abgekündigt: ok (hätte ich nie gedacht da er in vielen Glühsteuergeräten 
und Zusatzheizern verbaut ist) aber es gibt einen ähnlichen Nachfolger 
mit 1 mOhm.

Normalerweise ist Kurzschlußschutz (und Diagnosefähigkeit) ein "must" 
bei automotive.
Bei den vorgeschlagenen Low-Side FETs vermisse ich das.
Ich nehme ja nicht an daß der FET kurzschlußsicher in der 
Heckscheibenheizung integriert ist und Fehler wie 
Unterbrechung/Kurzschluss per Design ausgeschlossen werden können.

Gruß Anja

von Rudolph R. (rudolph)


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Anja schrieb:
>> Mal davon abgesehen, dass der abgekündigt und ein HighSide Schalter ist?
>
> das mit dem Low-Side-Schalter wurde erst am 26.01.2018 vom TE bekannt
> gegeben.

Der Zusammenhang war hier das Andrew erst einen BTS555 und für spätere 
Muster einen N-FET vorgeschlagen hat.

> (Wobei ich das für einen Design-Fehler halte).

Tja nun, man ist nicht immer bei wünsch-dir-was.

Anja schrieb:
> Normalerweise ist Kurzschlußschutz (und Diagnosefähigkeit) ein "must"
> bei automotive.

Naja, irgendwann ist auch mal Schluss.
Gegen Sabotage muss auch ein Steuergerät nicht imun sein.
Und das wird eher sowas wie ein Relais.

> Bei den vorgeschlagenen Low-Side FETs vermisse ich das.

Ja, ich auch, darum habe ich neben dem FET auch einen Temperatur-Sensor 
platziert.

> Ich nehme ja nicht an daß der FET kurzschlußsicher in der
> Heckscheibenheizung integriert ist und Fehler wie
> Unterbrechung/Kurzschluss per Design ausgeschlossen werden können.

Eine Unterbrechung lässt sich da ja leicht detektieren und melden,
das ist ein CAN-Knoten.
Ja, der Stecker hat KL30 und KL31 drauf, aber verschieden grosse 
Kammern, den kleinen Querschnitt könnte man auf eine große Kammer legen, 
anders herum klappt das aber nicht.
Aber selbst wenn es jemand schaffen sollte auf den Ausgang Kl30 drauf zu 
legen, dann löst halt die Sicherung aus mit der die Zuleitung 
abgesichert ist.

Wie sich ein Ex-Abteilungsleiter von mir mal ausdrückte, gelegentlich 
muss ein Prototyp auch mal brennen dürfen. :-)
Wenn da was dran ist habe ich schon ziemlich lange Bonus-Punkte für das 
nicht-Abfackeln gesammelt. :-)
Und ich habe kein Interesse daran die einzulösen. :-)

von Peter (Gast)


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Falls du auf die StepDown-Variante zurükgreifen möchtest, kann ich dir 
folgenden IC empfehlen:

http://www.linear.com/product/LT3744

Es gibt auch praktische Eval-Boards.

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