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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Temperaturmessung MOSFETs


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Autor: RH (Gast)
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Hallo,

zum Überlastungsschutz zwei MOSFETs in einer Brückenschaltung, bzw. 
einem Buck-Converter, überlege ich deren Temperatur zu überwachen.

Die Messung muss ja keine immense Genauigkeit aufweisen, jedoch schon 
einen großen Temperaturbereich abdecken (ca. bis 170°C).

Um es möglichst einfach zu halten, hatte ich jetzt an einen NTC gedacht 
an dem ich die abfallende Spannung mittels einer OP-Schaltung an den ADC 
des uControllers schicke.

Ich finde im Netzt keine Beispiel-Applikations oder Information zu 
üblichen Herangehensweisen (evtl. ja auch mit einem IC?).

einen OP eines LM358 habe ich eh noch in der Schaltung frei und könnte 
diesen verwenden.

Also die Frage: Kann man das so machen oder gibts Alternativen, die ihr 
empfehlen könnt?

Autor: Route_66 H. (route_66)
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Ein NTC hat bei Sicherheits- oder Überwachungsschaltungen den Nachteil, 
dass bei einem Bruch des Sensors oder der Anschlussleitung "kalt" 
gemeldet wird.
Eine PTC-Schaltung meldet im Fehlerfall "heiss" und kühlt maximal oder 
schaltet ab.

Autor: RH (Gast)
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Route_66 H. schrieb:
> Ein NTC hat bei Sicherheits- oder Überwachungsschaltungen den
> Nachteil,
> dass bei einem Bruch des Sensors oder der Anschlussleitung "kalt"
> gemeldet wird.
> Eine PTC-Schaltung meldet im Fehlerfall "heiss" und kühlt maximal oder
> schaltet ab.

Jau, das ist mir vorhin auch aufgefallen. Die Frage ist, inwiefern sich 
über den PTC/NTC auf die MOSFET-Temperatur schließen lässt... bzw. wo 
könnte man den platzieren? Parallel zur Source des oberen MOSFETs der 
Halbbrücke?

Autor: Thomas S. (tom_63)
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Ein Thermoelement. Geht bis x - 350 Grad, ist kostengünstig und völlig 
ausreichend. Dazu die entsprechende Brückenschaltung aus dem Datasheet.

Oder PT1000 für Backöfen !? Gehen ebenfalls bis ca. 350 Grad. Gibt es 
als Chip, vorkonfektioniert als Rohr oder Einstechfühler, und evtl mit 
Stück Kabel.

Autor: RH (Gast)
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Thomas S. schrieb:
> Oder PT1000 für Backöfen !? Gehen ebenfalls bis ca. 350 Grad. Gibt es
> als Chip, vorkonfektioniert als Rohr oder Einstechfühler, und evtl mit
> Stück Kabel.

Die Messung soll für den Dauereinsatz auf der Platine aufgebaut sein. Am 
besten wäre also irgendein Sensor der auf der Platine selber verbaut 
ist, ohne Kabel oder Einsteckfühler.
Ich frage mich wie die Hersteller ihre Platinentemperaturen überwachen.

Autor: RH (Gast)
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Es handelt sich über D2PAK MOSFETs die ohne Kühlkörper auskommen. 
Ansonsten würde ich einen Sensor an den Kühlkörper befestigen und 
darüber auf die MOSFET-Temperatur schließen. Da die FETs ja aber nur 
direkt auf der Platine liegen, weiß ich nicht wie ich am sinnvollsten 
messen kann.

Autor: RH (Gast)
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Im Netz habe ich nun folgenden Beitrag gefunden:

https://www.amwei.com/ptc-thermistor-protect-converters-mosfet-from-overheating/

Dort werden die MOSFETs direkt abgeschaltet, indem die Gates über einen 
Transistor auf LOW-gehalten werden. So würde ich es nicht machen wollen, 
sondern im uController die Temperatur über den Spannungsabfall am PTC 
überwachen und bei zu hoher Temperatur abschalten.

Die Frage ist jetzt nur wo der PTC dann in der Schaltung platziert wird 
oder ob er einfach nur im Layout nahe den MOSFETs platziert werden 
sollte?

Autor: jemand (Gast)
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RH schrieb:
> Es handelt sich über D2PAK MOSFETs die ohne Kühlkörper auskommen.
> Ansonsten würde ich einen Sensor an den Kühlkörper befestigen und
> darüber auf die MOSFET-Temperatur schließen. Da die FETs ja aber nur
> direkt auf der Platine liegen, weiß ich nicht wie ich am sinnvollsten
> messen kann.

Die Gehäusetemperatur hat mit der Sperrschichttemperatur nur sehr wenig 
zu tun. Während das Gehäuse noch 50°C hat, kann die Sperrschicht schon 
lange tot sein.

Die MOSFET über die Gehäusetemperatur vor dem Tod bewahren zu wollen 
geht nur, wenn die Verlusleistung bekannt ist.
Dann kann man über RTHjc (Thermischer Widerstand zwischen Juction und 
Case) auf die Sperrschichttemperatur schließen. Der Wert ist im 
Datenblatt angegeben.
Beispiel:
https://www.vishay.com/docs/91015/sihf510.pdf
Hier sind es 3,5K/W.
Bei 10W ist die Sperrschicht um 35°C heißer als das Gehäuse. Die 
Differenz kennst du aber nur, wenn du die Leistung kennst.

Ist denn das bei deiner Anwendung überhaupt der Fall?

Bei Problemen Kurzschlüssen kann die thermische Abschltung niemals 
schnell genug greifen. Ja, diverse IC arbeiten mit thermischer 
Abschaltung. Aber da sitzt der Sensor direkt mit im Chip, da ist das RTH 
sehr klein.

Autor: RH (Gast)
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jemand schrieb:
> Die Gehäusetemperatur hat mit der Sperrschichttemperatur nur sehr wenig
> zu tun. Während das Gehäuse noch 50°C hat, kann die Sperrschicht schon
> lange tot sein.

jemand schrieb:
> Bei Problemen Kurzschlüssen kann die thermische Abschltung niemals
> schnell genug greifen. Ja, diverse IC arbeiten mit thermischer
> Abschaltung. Aber da sitzt der Sensor direkt mit im Chip, da ist das RTH
> sehr klein.

Klar, es geht auch nicht um den Kurzschlussschutz (der ist anders 
umgesetzt). Es geht um den Überlastschutz, wenn die Schaltung lange Zeit 
auf Maximum bei schlechten Umweltbedingungen läuft und sich zu sehr 
erhitzt. Es muss also nicht blitzschnell und mit hoher Genauigkeit 
reagiert werden.

Momentan ist es auch nur eine Überlegung eine Temperaturüberwachung mit 
in die Schaltung einzubauen.

Hm... den Leistungsabfall an den MOSFETs wird man nicht so ohne weiteres 
Messen können. Der uController misst sonst nur noch die zu regelnde 
Spannung und den fließenden Strom jeweils am Ausgang.

Autor: Michael B. (laberkopp)
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RH schrieb:
> Kann man das so machen

Sicher
http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.32

RH schrieb:
> Es geht um den Überlastschutz, wenn die Schaltung lange Zeit
> auf Maximum bei schlechten Umweltbedingungen läuft und sich zu sehr
> erhitzt. Es muss also nicht blitzschnell und mit hoher Genauigkeit
> reagiert werden

Bitmetallthermoschalter ?

Autor: RH (Gast)
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Michael B. schrieb:
> Bitmetallthermoschalter ?

Wäre theoretisch auch möglich. Allerdings wäre es schön am 
Mikrocontroller einen aktuellen Temperaturwert zur Verarbeitung zu 
haben. Außerdem stellt sich mir immer noch die Frage wo ich denn am 
besten die Temperatur messe. Kühlkörper gibt es ja nicht und einfach den 
Sensor in der nähe der MOSFETs zu platzieren ist ja auch nicht sooo 
hilfreich oder wie seht ihr das?

Autor: rogerz (Gast)
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NTC oder PTC ist prinzipiell egal, wenn über einen µC ausgewertet wird. 
Extremwerte (Bauteilbruch) könn enerkannt und entsprechend darauf 
reagiert werden. Es kann auch der Pullup-Widerstand brechen...

Üblich ist ein kleiner NTC (z.B. Murata NCP18-Serie) mit einem Pullup 
nach ADC-Reference. Die Teilerspannung (ohne OP, evtl. ein kleiner 
RC-Filter) auf den AD-Eingang des µC - fertig. Den Rest (NTC-Kennlinie 
in °C überführen) erledigt die Software.

Wichtig:
Alle Signale auf den µC beziehen (incl. GND) und vom eigentlichen 
Leistungsteil getrennt halten. Übersprechen vermeiden d.h. NTC besser 
nahe am Drain des Highside als nahe am Drain des Lowside MOSFETs 
platzieren.

Autor: jemand (Gast)
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RH schrieb:
> Hm... den Leistungsabfall an den MOSFETs wird man nicht so ohne weiteres
> Messen können. Der uController misst sonst nur noch die zu regelnde
> Spannung und den fließenden Strom jeweils am Ausgang.

Naja,  über den RDSon und den Strom wirst du schon eine Annahme treffen 
können. Man müsste halt einen worst-case-Wert berechnen. Schaltverluste 
nicht vergessen.
Daraus könntest du eine maximale Temperaturdifferenz abschätzen, eine 
Sicherheit aufschlagen, und die Schwelle auf den so berechneten Wert 
setzen.

Du könntest übrigens statt NTC oder dergleichen übrigens auch Thermostat 
IC verwenden, und die Ansteuerung in Hardware unterbrechen:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/20002268B.pdf
Das ist sehr viel einfacher, denn da kommt direkt ein digitales Signal 
raus, es ist Softwareunabhängig und hat die Hysterese schon mit drin.
Ich habe das schon für Lastwiderstände in SMD verwendet. Die Widerstände 
sind TO-252, und halten die angelegte Leistung für einige Sekunden aus. 
Mit 90° Schaltschwelle können die IC die Ansteuerung direkt 
unterbrechen.

Das setzt alles sowieso durchdachtes Layout voraus- also exzellente 
thermische Kopplung mit dem Widerstand (oder in deinem Fall FET). Es 
setzt außerdem auch voraus, dass man die Schaltschwelle eher konservativ 
setzt.

PS:
Von einem großen Wechselrichter kenne ich es sogar so, dass die Software 
ein Temperaturmodell der IGBT-Sperrschicht mitlaufen hatte. Ein recht 
komplexes, mit thermische Kapazitäten und so weiter. Die MOSFET 
Datenblätter enthalten schon genug Daten für ein einfaches Modell.
Wenn dir also sehr fade ist... ;-)

Autor: Wolfgang (Gast)
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RH schrieb:
> Am besten wäre also irgendein Sensor der auf der Platine selber verbaut
> ist, ohne Kabel oder Einsteckfühler.

Dann tu das doch, Pt100 wahlweise Gehäuse 0603, 0805 oder 1206.
https://www.mouser.de/datasheet/2/427/ptsat-710090.pdf

Autor: Al3ko -. (al3ko)
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RH schrieb:
> Hm... den Leistungsabfall an den MOSFETs wird man nicht so ohne weiteres
> Messen können. Der uController misst sonst nur noch die zu regelnde
> Spannung und den fließenden Strom jeweils am Ausgang.

Ist die Eingangsspannung bekannt? Dann kannst du über das Tastverhältnis 
den Effektivstrom durch den FET berechnen (oder Lookup Tabelle), die 
Schaltverluste können geschätzt werden. So kannst du die Verluste 
abschätzen und dann mittels thermischen Widerstand zur Sperrschicht die 
Sperrschichttemperatur berechnen.

Ohne die Verlustleistung zu kennen wird es sehr schwer, von der 
gemessenen Temperatur auf die Sperrschichttemperatur während des 
Betriebes zu schließen.

Wir stehen gerade vor demselben Problem, und bei uns ist die gefahrene 
Leistung nicht bekannt, da alles analog läuft.

Gruß,

Autor: Wolfgang (Gast)
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Al3ko -. schrieb:
> Ohne die Verlustleistung zu kennen wird es sehr schwer, von der
> gemessenen Temperatur auf die Sperrschichttemperatur während des
> Betriebes zu schließen.

Eine Sperrschicht wirst du bei einem MOSFET lange suche können. ;-)

Wenn man schaltungstechnisch nicht die Substratdiode als Sensor (V_f) 
nutzen kann, wird man bei einem externen Sensor immer mit einem gewissen 
Wärmewiderstand zwischen Substrat und Sensor rechnen müssen. Aber wenn 
der Sensor thermisch gut von der Umgebung abgeschirmt ist, ist das eher 
unkritisch. 170°C werden da im Normalfall extern allerdings wohl kaum 
ankommen.

Autor: hinz (Gast)
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Wolfgang schrieb:
> Eine Sperrschicht wirst du bei einem MOSFET lange suche können. ;-)

Schon gefunden! Ist sogar oft im Schaltzeichen zu sehen.

Autor: hinz (Gast)
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Ach ja: es gibt auch MOSFETs mit Temperaturfühler on Die.

Autor: Al3ko -. (al3ko)
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Wolfgang schrieb:
> Eine Sperrschicht wirst du bei einem MOSFET lange suche können. ;-)

Oh, warte - Asche auf mein Haupt... Ich habe die gesamte 
Leistungselektronik auf Englisch gelernt, in der es MOSFET junction 
temperature gibt.

Was wäre die richtige deutsche Übersetzung dafür?

Chiptemperatur? Klingt auch irgendwie komisch.

Autor: hinz (Gast)
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Al3ko -. schrieb:
> Chiptemperatur? Klingt auch irgendwie komisch.

Kanaltemperatur.

Autor: hinz (Gast)
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hinz schrieb:
> Al3ko -. schrieb:
>> Chiptemperatur? Klingt auch irgendwie komisch.
>
> Kanaltemperatur.

Und in den Datenblättern der japanischen Hersteller ist auch T_ch völlig 
üblich.

Autor: jemand (Gast)
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hinz schrieb:
> hinz schrieb:
>> Al3ko -. schrieb:
>>> Chiptemperatur? Klingt auch irgendwie komisch.
>>
>> Kanaltemperatur.
>
> Und in den Datenblättern der japanischen Hersteller ist auch T_ch völlig
> üblich.

Diese "Jumction to whatnot" Temperaturangaben sind eifach gängig.

Beispiele für Hersteller, die das so nennen:
Vishay:
https://www.vishay.com/docs/91015/sihf510.pdf
Onsemmi:
https://eu.mouser.com/datasheet/2/308/NVMFS5C406N-D-1509426.pdf
Infineon:
https://eu.mouser.com/datasheet/2/196/Infineon-BSZ018N04LS6-DS-v02_00-EN-1633797.pdf

Es mag ja sein, dass das semantisch nicht 100% korrekt ist, aber jeder 
weiß, was damit gemeint ist. Es wird einfach größtenteils so genannt.
Jetzt kann man sich darüber aufregen, oder das unwichtig finden.
Ich tendiere zu letzterem.

Autor: Harald W. (wilhelms)
Datum:

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Wolfgang schrieb:

> Eine Sperrschicht wirst du bei einem MOSFET lange suche können. ;-)

Nun, m.W. hat jeder MOSFET eine Diode zwischen Drain und Source.
Allerdings ist die normalerweise gesperrt und man will ja die
Durchlassspannung wissen.

Autor: Sven S. (schrecklicher_sven)
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Harald W. schrieb:
> Nun, m.W. hat jeder MOSFET eine Diode zwischen Drain und Source.

Streng genommen zwei Dioden: Bulk-Source und Bulk-Drain.

Autor: Manfred (Gast)
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RH schrieb:
> Um es möglichst einfach zu halten, hatte ich jetzt an einen NTC gedacht
> an dem ich die abfallende Spannung mittels einer OP-Schaltung an den ADC
> des uControllers schicke.

Einfach und OP-Schaltung an µC klingt unlogisch. Ich ziehe mal estwas 
aus einem meiner Geräte raus, Anhang.

Ich habe NTCs mit M4-Gewinde um 1kOhm in der Schublade, Wert und Verlauf 
leider unbekannt - der Thread dazu müsste sich hier finden lassen. In 
einem Testaufbau habe ich bei ein paar Temperaturen den Wert ermittelt 
und dann einen Spannungsteiler gerechnet.

Um nicht unnötig Strom zu verbraten, wird der Teiler aus einem 
Digitalport des µC gespeist und nur kurz eingeschaltet, wenn ich messen 
will.

Ich habe in der Software drei Punkte festgelegt:
Temperatur kleiner xx = alles gut / Lüfter aus.
Temperatur größer yy = Lüfter einschalten + LED an.
Tempertur größer zz = Leistungsstufe abschalten.

Irgendwann habe ich noch eine Spielerei nachgelegt, die Lüfter-LED 
blinkt zunehmend schneller, je wärmer das wird.

Route_66 H. schrieb:
> Ein NTC hat bei Sicherheits- oder Überwachungsschaltungen den Nachteil,
> dass bei einem Bruch des Sensors oder der Anschlussleitung "kalt"
> gemeldet wird.

Das ist kompletter Unfug, hängt von der Schaltung ab. Des weiteren kommt 
hier ein µC zum Einsatz, der erkennen könnte, wenn ein unglaubwürdiger 
Wert geliefert wird, Plausibilitätskontrolle nennt man das.

Autor: Al3ko -. (al3ko)
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Hi Manfred

Wozu dienen die drei Gummischläuche an den drei Beinchen vom LDO?

: Bearbeitet durch User
Autor: Manfred (Gast)
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Manfred schrieb:
> Ich habe NTCs mit M4-Gewinde um 1kOhm in der Schublade, Wert und Verlauf
> leider unbekannt - der Thread dazu müsste sich hier finden lassen.

Beitrag "Re: Hersteller / Daten von NTC"

Al3ko -. schrieb:
> Wozu dienen die drei Gummischläuche an den drei Beinchen vom LDO?

Der LDO ist ein Triac BTA24 und führt Netzspannung, da schienen mir ein 
paar Stück Isolierschlauch sinnvoll.

Beitrag "Re: Leitungsschutzschalter kommt beim Abschalten"

Der Link für diesen Thread bedeutungslos, aber es ist ein TO-220, was 
Wärme erzeugt und geschützt werden soll und ich denke, das sinnvoll 
gelöst zu haben.

Autor: Mani W. (e-doc)
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RH schrieb:
> Die Messung muss ja keine immense Genauigkeit aufweisen, jedoch schon
> einen großen Temperaturbereich abdecken (ca. bis 170°C).

Naja!

Wenn Du außen misst, dann ist der Halbleiter innen schon lange
verkohlt bei 170 Grad C...

Autor: hinz (Gast)
Datum:

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Mani W. schrieb:
> Wenn Du außen misst, dann ist der Halbleiter innen schon lange
> verkohlt bei 170 Grad C...

Der ist aber aus Silizium, nicht aus Diamant.

Autor: Test (Gast)
Datum:

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Manfred schrieb:
> Route_66 H. schrieb:
>> Ein NTC hat bei Sicherheits- oder Überwachungsschaltungen den Nachteil,
>> dass bei einem Bruch des Sensors oder der Anschlussleitung "kalt"
>> gemeldet wird.
>
> Das ist kompletter Unfug, hängt von der Schaltung ab.

Kannst du mal eine Schaltung als Gegenbeispiel zeigen?

Autor: Stefan F. (stefanus)
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Wer die Temperaturmessung mit einem µC durchführt, kann mit geringem 
Aufwand einen Plausibilitätscheck einbauen. Defekte Sensoren werden dann 
irgendwie gemeldet und nicht mehr beachtet. Das schafft sogar mein 
indisches Motorrad.

Autor: hinz (Gast)
Datum:

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Stefan F. schrieb:
> Wer die Temperaturmessung mit einem µC durchführt, kann mit
> geringem
> Aufwand einen Plausibilitätscheck einbauen. Defekte Sensoren werden dann
> irgendwie gemeldet und nicht mehr beachtet. Das schafft sogar mein
> indisches Motorrad.

Und schon in Heizungssteuerungen aus den 70ern hat man zusätzliche 
Komparatoren eingebaut um solcherlei Fehlerfälle erkennen zu können.

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