Guten Tag, wir alle kennen die Möglichkeit zur Begrenzung des Ladestromes der Elkos in einem Ungeregelten Netzteil mit Hilfe eines Leistungswiderstandes (50 Ohm, 5W) und Überbrückungsrelais. Im Worst-Case entsteht an 230V Netzspannung in dem Widerstand eine Verlustleistung (Momentanwert) von ca. 325²/ 50 Ohm =2,1 kW. Soweit mir bekannt sind 50 Ohm für diesen Widerstand ein gerne eingesetzer Wert. Ich weis....das kann man so pauschal nicht sagen...aber für den Moment soll uns das mal genügen. Soweit mir bekannt ist hält ein solcher 5W Widerstand diese kurzzeitige (bspw. 1s) Überlastung gut aus. Ich habe mir nun überlegt, dass ganze mit nur einem MOSFET zu machen, welcher langsam über eine potentialgetrennte Ladungspumpe eingeschaltet wird. Sagen wir innerhalb von 1s wird der MOSFET von voll sperrend auf voll leitend durchgeschaltet. Testweise habe ich das mal mit einem Leistungs-Mosfet simuliert. Und ja es geht. Nun aber zu dem warum ich mich an euch wende. Laut Simulation ergibt sich am MOSFET eine maximale momentane Verlustleistung von ca. 240W (schon deutlich weniger wie beim Widerstand). Ohne Kühlkörper ergäbe dies laut Datenblatt des MOSFETS eine Junction-Temperatur von 240W*Rth_ja=240W*62K/W=14880°C---->Rauch!!! Laut dem Datenblatt des Transistors hat dieser ein Rth_jc von 0,3 k/W. Bei einer Umgebungstemperatur von 25°c und einer maximalen Junction-Temperatur von 125°C bräuchte ich hierfür einen Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von Rth_k=(100°C / 240W)-0,3K/W=0,41KW-0,3k/W=0,11K/W. Ich habe hier nicht mit der mittleren Leistung gerechnet, da die Strompulse relativ lange sind. ca. 6 ms. Zieht man das Diagramm für die Thermische Impedanz zu rate kommt man schnell drauf dass 6ms Pulse schon fast wieder Gleichstrom sind. Also so wie ich das verstehe sind das dann die richtig großen und Teuren Kühlkörper (0,11K/W). Mach ich hier einen gewaltigen Denkfehler oder kann so ein MOSFET im TO247 Gehäuse das im Vergleich zu einem Leistungswiderstand wirklich nicht ohne gewaltigen Kühlkörper aushalten?
:
Verschoben durch Admin
240W zum Heizen ist eine Menge! Du hast schon richtig gerechnet.
Die thermischen Gegebenheiten sind das Eine, die andere Seite ist die elektrische Belastbarkeit. Wenn du mit der Belastung nicht unterhalb der DC-SOA-Kurve bleibst, brauchst du dir um Kühlkörper keine Gedanken machen.
Danke Joe für das überprüfen meiner Rechnung. Gut in einem Leistungswiderstand gibt es kein "empfindliches" Silizium, das mag ein Grund sein warum der heißer werden darf. Aber was geht dann bitte temperaturtechnisch wirklich in einem Leistungswiderstand ab wenn schon der MOSFET bei 240W ohne Kühlung verdampfen würde? Immerhin sind es nach meiner Rechnung (Schätzung ;-)) beim Widerstand 2,1kW.
Die Energie die im Widerstand/MOSFET umgesetzt wird ist genauso gross wie anschliessend im Kondensator gespeichert ist. W = 1/2 x U^2 x C Und das muss du mit dem Kuehlkoerper und seiner thermischen Kapazitaet wegbringen.
ArnoR schrieb: > Die thermischen Gegebenheiten sind das Eine, die andere Seite ist die > elektrische Belastbarkeit. Wenn du mit der Belastung nicht unterhalb der > DC-SOA-Kurve bleibst, brauchst du dir um Kühlkörper keine Gedanken > machen. Hallo ArnoR. Danke für den Hinweis. Ich habe mir das Geschreibe über die SOA gespart da ich das auf jeden Fall gecheckt hatte. Wenn ich das SOA-Diagramm richtig lese, dann sind 240W problemlos mit Kühlung machbar. Hier das Datenblatt: http://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q=spw52n50c3&source=web&cd=1&cad=rja&ved=0CEgQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.infineon.com%2Fdgdl%2FSPW52N50C3_Rev1%2B2%2B6_PCN12.pdf%3FfolderId%3Ddb3a304412b407950112b408e8c90004%26fileId%3Ddb3a304412b407950112b42d227d4812&ei=pqObUcDhKdHwtQbJqIHoCw&usg=AFQjCNFDRf5kj2AaJW5zEgBQ7B4Img6-lw&bvm=bv.46865395,d.Yms
@ Markus B. (lordnoxx) Benutzerseite >Netzspannung in dem Widerstand eine Verlustleistung (Momentanwert) von >ca. 325²/ 50 Ohm =2,1 kW. Jo. >Soweit mir bekannt sind 50 Ohm für diesen Widerstand ein gerne >eingesetzer Wert. Kann sein. >sagen...aber für den Moment soll uns das mal genügen. Soweit mir bekannt >ist hält ein solcher 5W Widerstand diese kurzzeitige (bspw. 1s) >Überlastung gut aus. Kaum. Gute Leistungswiderstände halten bisweilen Faktor 10 für 5s aus, das wären hier 50W. Nicht 2100W! Solche riesigen Leistungen halten nur bestimmte Widerstände aus, und das auch nur kurz (Pulsleistung). Entscheidend ist die Energie, die im Widerstand umgesetzt wird. Drahtwiderstände sind halbwegs pulsfest, aber wenn es richtig zur Sache geht, braucht man Volumenwiderstände. So auch hier. >Ich habe mir nun überlegt, dass ganze mit nur einem MOSFET zu machen, >welcher langsam über eine potentialgetrennte Ladungspumpe eingeschaltet >wird. Warum Potentialtrennung? Kostet nur Aufwand. >mich an euch wende. Laut Simulation ergibt sich am MOSFET eine maximale >momentane Verlustleistung von ca. 240W (schon deutlich weniger wie beim >Widerstand). Weil hochohmiger. > Ohne Kühlkörper ergäbe dies laut Datenblatt des MOSFETS >eine Junction-Temperatur von 240W*Rth_ja=240W*62K/W=14880°C---->Rauch!!! Im Dauerzustand. Gott sei Dank ist dein Elko aber in endlicher Zeit geladen. Auch hier gilt das Gleiche, die Energiemenge bestimmt den Temperaturanstieg. Bei der Ladung eines Kondensators mit Vorwiderstand bzw. MOSFET wird ebensoviel Energie in Widerstand umgesetzt, wie am Ende im Elko drin steckt (Die Energiequelle muss also die doppelte Energie liefern). Um einen MOSFET im TO220 Gehäuse nennenswert aufzuheizen, braucht es schon einige J. >Junction-Temperatur von 125°C bräuchte ich hierfür einen Kühlkörper mit >einem Wärmewiderstand von Rth_k=(100°C / >240W)-0,3K/W=0,41KW-0,3k/W=0,11K/W. Ich habe hier nicht mit der >mittleren Leistung gerechnet, da die Strompulse relativ lange sind. ca. >6 ms. Das ist kurz. > Zieht man das Diagramm für die Thermische Impedanz zu rate kommt >man schnell drauf dass 6ms Pulse schon fast wieder Gleichstrom sind. Nö. >Also so wie ich das verstehe sind das dann die richtig großen und Teuren >Kühlkörper (0,11K/W). Nö. >Mach ich hier einen gewaltigen Denkfehler Ja. Du rechnest mit Spitzenleistung = mittlere Leistung und das ist Quark. Die Energiemenge ist der Schlüssel. >oder kann so ein MOSFET im >TO247 Gehäuse das im Vergleich zu einem Leistungswiderstand wirklich >nicht ohne gewaltigen Kühlkörper aushalten? Doch, aber die erlaubte Maximaltemperatur ist deutlich geringer, beim MOSFET vielleicht 175 °C, beim Widerstand vielleicht 200-400°C, je nach Typ. Rechne die Energiemenge im Elko aus. Dann heize einen Mosfet mal für 10ms so, dass die gleiche Energiemenge rauskommt und miss die Temperatur vom Gehäuse.
@ Markus B. (lordnoxx) Benutzerseite >Hallo ArnoR. Danke für den Hinweis. Ich habe mir das Geschreibe über die >SOA gespart da ich das auf jeden Fall gecheckt hatte. jaja > Wenn ich das >SOA-Diagramm richtig lese, dann sind 240W problemlos mit Kühlung >machbar. 240W sind auch für eine TO247 Gehäuse alles andere als "problemlos". > Hier das Datenblatt: >http://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q=spw52n50c3&s... Perfekt, dort sind die thermischen Wärmekapazitäten angegeben, damit kann man sehr schön und einfach den Temperaturanstieg simulieren!
Angehängte Dateien:
-
therm.png
34 KB
Falk Brunner schrieb: > Perfekt, dort sind die thermischen Wärmekapazitäten angegeben, damit > kann man sehr schön und einfach den Temperaturanstieg simulieren! Ich habe das gerade mal mit LTSpice simuliert. Über das Ergebnis bin ich überrascht. Habe das RC-Netz mit den Werten aus dem Datenblatt aufgebaut. Der Abschlusswiderstand dürfte in etwa dem thermischen widerstand Case-to-Ambient entsprechen. Mit der Stromquelle gebe ich einen 10ms langen Puls mit einer Amplitude von 240A auf das Netzwerk. Das müsste dann ja einer Verlustleistung von 240W entsprechen welche für 10ms anliegt. Aus den Angehängten Diagrammen ist zu erkennen, dass die Junctiontemperatur gerade mal um 35°C ansteigt. Erwartet hätte ich einen höheren Temperaturanstieg. Denn... ...Im Datenblatt ist in Fig 3 (Transien thermal impedance) zu sehen, dass die Impedanz des RC-Netzes bei einem 10ms langen Verlustleistungspuls bei ca. 0,3 K/W liegt. Damit würde ich einen Temperaturanstieg von 240W*0,3K/W=72K. Der parallel liegende thermischen widerstand Case-to-Ambient von 61,7K/W kann hier denke ich vernachlässigt werden. Oder kann er nicht vernachlässigt werden weil er doch in Reihe liegt?
@ Markus B. (lordnoxx) Benutzerseite >überrascht. Habe das RC-Netz mit den Werten aus dem Datenblatt >aufgebaut. Der Abschlusswiderstand dürfte in etwa dem thermischen >widerstand Case-to-Ambient entsprechen. Passt. >Junctiontemperatur gerade mal um 35°C ansteigt. Erwartet hätte ich einen >höheren Temperaturanstieg. Ich nicht. >Denn... >...Im Datenblatt ist in Fig 3 (Transien thermal impedance) zu sehen, >dass die Impedanz des RC-Netzes bei einem 10ms langen >Verlustleistungspuls bei ca. 0,3 K/W liegt. Damit würde ich einen >Temperaturanstieg von 240W*0,3K/W=72K. Du verwechselst schon wieder WärmeWIDERSTAND und WärmeKAPAZITÄT! Einfaches Beispiel: Thermoskanne, 0,5l mit Wasser gefüllt. Die hat geschätzt vielleicht einen WärmeWIDERSTAND von 100K/W. Wenn ich aber dort drin einen Widerstand mit 100W 1s einschalte, wie heiß wird dann das Wasser? Die WärmeKAPAZITÄT des Wasser spielt hier eine wesenliche Rolle. Die Energie muss ja die thermische Masse erstmal aufheizen.
Falk Brunner schrieb: > Du verwechselst schon wieder WärmeWIDERSTAND und WärmeKAPAZITÄT! Ich denke nicht das ich da was verwechsle. Diese beiden Begriffe kann ich schon deuten. Aber wenn im Datenblatt von einer thermischen IMPEDANZ die Rede ist, dann ist das für mich der komplexe Ersatzwiderstand des RC-Netzwerkes bei dieser einen speziellen Pulslänge. Abzulesen aus dem Diagramm im Datenblatt. Bei einem elektrischen RC-Tiefpass kann ich ja auch sagen dass der Wechselstrom durch das RC-GLied i=u/Z_rc ist. Die tatsächliche größe es ohmschen und des Kapazitiven Anteils interessiert mich bei dieser Betrachtungsweise erstmal nicht.
Markus B. schrieb: > Die tatsächliche größe es > ohmschen und des Kapazitiven Anteils interessiert mich bei dieser > Betrachtungsweise erstmal nicht. Gerade das ist der Fehler. Bei kurzen Impulsen ist die Kapazität (Ws/Grad)maßgebend, zusammen mit der umgesetzten Energie (Ws) "Kurz" bedeutet dabei kurz im Vergleich zur Zeitkonstante (sec) des "Wärme-RC-Gliedes" mit K/W (Wärmewiderstand) mal Ws/K (Kapazität). Da bei Leistungshalbleitern die Zeitkonstante im Zehntel-Sekundenbereich liegt, hat man es bei Einzel-Schaltvorgängen im ms-Bereich im Wesentlichen nur mit der Wärmekapazität zu tun, muss also die Ws berechnen, die beim Schaltvorgang entstehen und damit den Temperatursprung abschätzen. Grenze hat diese Abschätzung mit dem second-breakdown-Verhalten. Dieses berücksichtigt zusätzlich die Wärmeverhältnisse unmittelbar im und am Chip des Halbleiters.
Oft schmilzt Silizium schneller, als ein dicker Widerstand sich auslötet.
> Oft schmilzt Silizium schneller
Das schmilzt nicht, Das brennt. Aber die Bondingdrähte die schmelzen...
.
Grüße Löti
Peter R. schrieb: > Gerade das ist der Fehler. Und wie ist dann das Z-th Diagramm aus dem Datenblatt zu interpretieren? Oder anders gefragt: Was kann ich mit dem Diagramm dann anfangen?
> Und wie ist dann das Z-th Diagramm aus dem Datenblatt zu interpretieren? Du hast da schon recht mit deiner Interpretation. Der Zthjc sollte demnach 0,3K/W sein und weil scheinbar schon nach 10ms alles erledigt ist, darfst du auch diese Betrachtungsweise anwenden: > Bei einem elektrischen RC-Tiefpass kann ich ja auch sagen dass der > Wechselstrom durch das RC-GLied i=u/Z_rc ist. Die tatsächliche größe es > ohmschen und des Kapazitiven Anteils interessiert mich bei dieser > Betrachtungsweise erstmal nicht. Aber allgemein kann man das so nicht sagen, denn diese Betrachtungsweise gilt nur für eingeschwungene Systeme. Im Einschaltmoment gibt es Ausgleichsprozesse, die von den jeweiligen Komponenten bestimmt werden. Allerdings scheint das thermische Ersatzschaltbild deines Mosfet nicht zu stimmen, denn dort müsste die Summe der Rth auch 0,3K/W ergeben. Außerdem erscheint mir eine Zeitkonstante von weniger als 10ms für einen fetten Chip im TO247 viel zu klein. Der IRFP4868 mit ebenfalls 0,3K/W hat auch ein TO247, aber eine um den Faktor ~10 größere Zeitkonstante.
Markus B. schrieb: > Mach ich hier einen gewaltigen Denkfehler Ja, die ganze Rechnung mit Wärmewiderstand gilt nur für den stationären Fall. Und ab wann etwas als stationär zu betrachten ist, wird u.a. durch die Wärmekapazitäten und die Wärmeleistung bestimmt.
Leider hast Du noch nicht gesagt, was Du für eine Anwendung hast (Leistungsbereich, Kapazität die geladen werden soll, Betriebsstrom, ...) Wir nehmen für unsere Schaltnetzteile sowas in der Art: http://www.epcos.com/inf/50/db/icl_12/NTC_ICL_S238.pdf und überbrücken diesen, sobald die Spannung am C einen bestimmten Wert erreicht hat. An einen MOSFET hatte ich auch mal gedacht, nur: Gehen wir mal von einem 1kW PFC Netzteil aus. Bei 85V Netzspannung haben wir im Betrieb bei Vollast knapp 11,7A Netzstrom was - je nach Verbauort des MOSFETs und bei dem von Dir genannten SPW52N50C3 - bis zu 13,5W Verluste (11,7A ; 100mOhm) im MOSFET erzeugen würde ( bei 230V analog hierzu 1,9W). Hier ist ein Relais die wesentlich bessere Wahl - auch was den Preis an geht. Lass doch noch etwas mehr von Deiner Anwendung hören. Schönen Abend!
Markus B. schrieb: ...Im Datenblatt ist in Fig 3 (Transien thermal impedance) zu sehen, dass die Impedanz des RC-Netzes bei einem 10ms langen Verlustleistungspuls bei ca. 0,3 K/W liegt. Damit würde ich einen Temperaturanstieg von 240W*0,3K/W=72K. Der parallel liegende thermischen widerstand Case-to-Ambient von 61,7K/W kann hier denke ich vernachlässigt werden. Oder kann er nicht vernachlässigt werden weil er doch in Reihe liegt? Hallo Markus, du hast schon richtig simuliert, man muß aber den Wert 61,7 auf 0 setzt, dann geht V(junction) auch wieder auf 0. Zum Zth-Diagramm: Ich denke das die X-Beschriftung etwas irreführend ist. 10-3 sind wahrscheinlich 10ms, im Diagramm hat man dann bei der Single-Puls-Kurve ~140mK/W * 240W = 33,6K Gruß Walter
Walter schrieb: > Zum Zth-Diagramm: > Ich denke das die X-Beschriftung etwas irreführend ist. > 10-3 sind wahrscheinlich 10ms, im Diagramm hat man dann bei der > Single-Puls-Kurve ~140mK/W * 240W = 33,6K Danke Walter für diese Überlegung. Das passt zumindest zum Simulationsergebnis. Dennoch leuchten mir auch die Ausführungen deiner Vorredner hinsichtlich stationärem Zustand und Einschwingvorgängen ein.
Thread beobachten
Seitenaufteilung abschaltenBitte melde dich an um einen Beitrag zu schreiben. Anmeldung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.
Bestehender Account
Schon ein Account bei Google/GoogleMail? Keine Anmeldung erforderlich!
Mit Google-Account einloggen
Mit Google-Account einloggen
Noch kein Account? Hier anmelden.