Hi, ich plane grad eine Treiberschaltung für einen Brushless Motor (36V, 800W). Geplant sind sechs MOSFETs (IRFB7545). Als Treiber will ich einen MC33035 verwenden. Die geplante Schaltung ist auf Seite 21 vom Datenblatt zu finden: http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MC33035-D.PDF Nun meine Frage: Als ich eben die Kühlkörper für die Mosfets (http://www.infineon.com/dgdl/irfb7545pbf.pdf?fileId=5546d462533600a401535619e1ca1e66) berechnen wollte, sagte mir das Onlinetool unter http://www.alutronic.de/service/rthk-rechner dass die von mir eingetragenen Werte nicht realistisch seinen (Screenshot anbei). Welchen Fehler habe ich gemacht? Was muss ich ändern? Ich danke für alle zielführenden Antworten! Liebe Grüße Matze
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Mit unendlichem Kühlkörper wäre die Sperrschichtemperatur immer noch bei fast 200°C.
Die abzuführende Verlustleistung scheint mir zu hoch. Wie hast du diese berechnet?
Du willst nicht wirklich 125W abführen. Das kann kein Transistor im TO220 Gehäuse. Wie bist du denn auf die 125W gekommen?
@ Matze Apa (matzeapa) >eingetragenen Werte nicht realistisch seinen (Screenshot anbei). Welchen >Fehler habe ich gemacht? Was muss ich ändern? Dein Grundlagenverständnis zum Thema Kühlkörper. ;-) Ein TO220 Gehäuse kann vielleicht 30W abführen, mit VIEL Aufwand vielleicht 50W. Dann ist Feierabend. In deiner Onlinerechnung müsste dein Kühlköroer einen Wärmewiderstand von -0,22 K/W haben ;-) Wenn aber eine 800W Leistungsendstufe mit 3 Halbbrücken / 6 Transistoren 125W PRO TRANSISTOR Verlustleistung macht, dann stimmt was nicht 8-0
>Welchen Fehler habe ich gemacht? Was muss ich ändern?
Den Fehler, daß Du Dir nicht die Formel für die Wärmewiderstands- bzw.
KK-Berechnung genauer angeschaut hast. Denn dann sollte Dir eigentlich
klar sein, daß bei 125W und 95K Temp-Differenz schon Rthjg komplett
ausgereizt - nein - überreizt ist. Dies restlichen Wärmewiderstande
müssten negativ sein, um das wieder kompensieren zu können.
Auserdem hat der genannte Mosfet 1,21K/W, was bei 125W und Ta=25°C
gerade so die 175°C innen bewirkt.
Hi, ich danke für die Antworten! Auf den Wert der Wärmeleistug kam ich durch das Datenblatt: Maximum Power Dissipation 125 W (Seite 2, 4te Zeile in der Tabelle) Wenn ich davon ausgehe, dass durch jeden Mosfet 1/3 von 800W Motorleistung gehen -> 267W und die Formel ((Rthjc+Rthck+RthK)*PV)+Tu = Tmosfet mit: Rthjc = 1,21 K/W Rthck = 0,5 K/W RthK = gesucht PV = 267 W Tu = 35 °C Tmosfet <= 175°C gilt. Dann kommt für den Kühlkörper nach dem Umstellen -1,186 K/W raus, und das kann ja nicht sein... -> (Tmosfet - Tu - (Rthjc+Rthck)*PV)/PV = RthK = -1,186 K/W Bitte nicht lachen, ich mache soetwas zum erstem Mal. Liebe Grüße
Die Verlstleistung ergibt sich aus dem Innenwiderstand des Transistors multipliziert mit dem Strom. Dazu kommen aber noch größere Verluste beim Umschalten. Je höher die Schaltfrequenz ist, umso höher sind diese zusätzlichen Verluste. Genrell würde ich nicht versuchen, mehr als 20A pro Transistor zu schalten. Denn viel mehr schaffen sie nicht, ohne Probleme zu bereiten. Ich rate dazu, die Verluste experimentiell zu ermitteln und danach den Kühlkörper so auszulegen, dass er doppelt so viel ableiten kann. Dann hast du genug Puffer für Bauteil-Streuungen.
>Die Verlstleistung ergibt sich aus dem Innenwiderstand des Transistors >multipliziert mit dem Strom. Also ich würde das Resultat als Spannung bezeichnen ;-)
Stefan U. schrieb: > Die Verlstleistung ergibt sich aus dem Innenwiderstand des Transistors > multipliziert mit dem Strom. > > Dazu kommen aber noch größere Verluste beim Umschalten. Je höher die > Schaltfrequenz ist, umso höher sind diese zusätzlichen Verluste. OK, ich glaube wir kommen der Sache näher! :D 800W Motorleistung / 36V = 22,2 A Mit der Formel R * I² = PV folgt 0,0059Ohm * 22,2A² = 2,91W <- Verlustleistung. Eingesetzt in die Formel von mir oben: (Tmosfet - Tu - (Rthjc+Rthck)*PV)/PV = RthK mit: Rthjc = 1,21 K/W Rthck = 0,5 K/W RthK = gesucht PV = 2,91 W Tu = 35 °C Tmosfet <= 175°C bedeutet das, dass der Kühlkörper besser sein muss, als 135 K/W. Passt der Rechenweg nun? Stefan U. schrieb: > Genrell würde ich nicht versuchen, mehr als 20A pro Transistor zu > schalten. Denn viel mehr schaffen sie nicht, ohne Probleme zu bereiten. -> Wie kommst du auf die 20A? Danke und liebe Grüße, Matze
@ Matze Apa (matzeapa) >Auf den Wert der Wärmeleistug kam ich durch das Datenblatt: >Maximum Power Dissipation 125 W (Seite 2, 4te Zeile in der Tabelle) Das ist ein theoretischer Wert im Labor! Beitrag "Re: Dicker MOSFET, dünnes Anschlusspin?" >Wenn ich davon ausgehe, dass durch jeden Mosfet 1/3 von 800W >Motorleistung gehen -> 267W Schon mal GANZ falsch! Die Endstufen für einen BLDC arbeiten im Schaltbetrieb mit PWM, eben damit NICHT soviel Verlustleistung entsteht! >und die Formel >((Rthjc+Rthck+RthK)*PV)+Tu = Tmosfet OK. >800W Motorleistung / 36V = 22,2 A >Mit der Formel R * I² = PV >folgt 0,0059Ohm * 22,2A² = 2,91W <- Verlustleistung. Naja, auch das ist reichlich theoretisch, denn dazu kommen noch Schaltverluste. Und ein 5,9mOhm MOSFET für 22A ist schon relativ luxeriös überdimensioniert. >bedeutet das, dass der Kühlkörper besser sein muss, als 135 K/W. Das schafft der MOSFET >Passt der Rechenweg nun? Ja.
> Passt der Rechenweg nun? Ja, aber er berücksichtigt die Verluste im Umschaltmoment nicht. Die kann man auch nicht so einfach ausrechnen*, daher mein Vorschlag, es experimentiell zu ermitteln. *) Hängt ab von der STeuerspannung, dem Steuerstrom, dem Vorwiderstand, dem Ausgangswiderstand des Treibers, der Schaltfrequenz, der Kapazität des Transistors, der Temperatur und ob deine Frau gerade ihre Tage hat :-) > Wie kommst du auf die 20A? Grober Erfahrungswert. Das Datenblatt verspricht zwar 67A bei 100°C aber wie sollen die 67A durch die dünnen Anschlussbeinchen fließen ohne dass diese sich zu sehr aufheizen? Und danach geht es ja weiter durch kleine Lötstellen und Leiterbahnen. Die sind auch nicht beliebig hoch belastbar. Genau so traue ich dem Transistor keine 125W Leistung zu, obwohl das so im Datenblatt steht. Du hast ja schon gesehen, dass man die Leistung gar nicht abführen kann, ohne dass der Transistor dabei zu heiß wird. Leider geben die Hersteller in den Datenblättern oft phantastische Lesitungsangaben an, die unter realen Bedingungen so nicht erreichbar sind. Was nützen mir "bis zu 125 Watt Dauerleistung", wenn man ihn dazu mit Trockeneis kühlen muss? Was nützen mir "bis zu 380A Puls-Belastbarkeit" wenn sich dabei die Anschlussbeinchen in Luft auflösen? Wenn jemand bei einem Bauteil im TO220 Gehäuse mehr als 50 Watt oder mehr als 20A verspricht, sagt mir mein Pi-Mal-Daumen Bauchgefühl, dass da ein Haken dran ist.
> Und ein 5,9mOhm MOSFET für 22A ist schon relativ > luxeriös überdimensioniert. Ja, der Transistor hat einen beeindruckend niedrigen Innenwiderstand, dafür hat er aber eine außergewöhnlich hohe Kapazität, was zu außergewöhnlich hohen Umschaltverlusten führen wird. Man kann nicht alle tollen Eigenschaften gleichzeitig bekommen! Irgendwo ist immer ein Haken. Bei den 22A sollte man mal hinterfragen, wie hoch denn der Anlaufstrom des Motors ist. Mit BLDC kenne ich mich nicht gut aus. Aber "herkömmliche" DC Motoren nehmen ja bekanntlich den fünf bis zehnfachen Strom beim Anlaufen auf. Wenn das auch bei dem BLDC so ist, hilft auch schönrechnen gepaart mit Optimismus nicht mehr.
>Mit der Formel R * I² = PV >folgt 0,0059Ohm * 22,2A² = 2,91W <- Verlustleistung. Einen Fehler habe ich gerade erst bemerkt: Der Strom fließt immer durch 2 Transistoren, also hast du doppelt so viel Ohm und doppelt so viel Verlustleistung.
@ Stefan Us (stefanus) >Bei den 22A sollte man mal hinterfragen, wie hoch denn der Anlaufstrom >des Motors ist. Mit BLDC kenne ich mich nicht gut aus. Aber >"herkömmliche" DC Motoren nehmen ja bekanntlich den fünf bis zehnfachen >Strom beim Anlaufen auf. Jede vernünftige Endstufe in der Leistungsklasse hat eine elektronische Strombegrenzung. Aber von der Konstruktion einer derartigen ist der OP noch weit entfernt ;-)
Stefan U. schrieb: > Genau so traue ich dem Transistor keine 125W Leistung zu Die Verlustleistung eines Transistors ist vom Hersteller unter der Voraussetzung angegeben, das die Temperatur am Montageblech des Transistors auf 25° Celsius konstant gehalten wird. (Maximal zulässige Sperrschichttemperatur minus 25°)/Temperaturwiderstand zwischen Sperrschicht und Transitorgehäuse = maximale Verlustleistung. Die 25° am Montageblech des Transistors konstant zu halten ist natürlich nicht möglich. Deswegen kann man die angegebene maximala Verlustleistung nicht ausnützen. Hinzu kommt der Sekond Breackdown Effekt der vor allem bei bipolaren Transistoren ein Problem werden kann, und oft ignoriert wird. Ralph Berres
Matze A. schrieb: > Wenn ich davon ausgehe, dass durch jeden Mosfet 1/3 von 800W > Motorleistung gehen -> 267W Würde im Umkehrschluß bedeuten, das ich an meinem Netzschalter vom Wasserkocher (2400Watt) einen dicken fetten Kühlkörper bräuchte ;) Nagut, wurde weiter oben ja schon hinlänglich diskutiert. Viel wichtiger: Du müsstest Dir bitte zusätzlich zu den ausgesuchten IRFB7545 noch passende Kandidaten komplementären Typs für die obere Hälfte der Brücken suchen, wenn Du das nach Seite21 im Datenblatt aufbauen willst. StromTuner
Matze A. schrieb: > 800W Motorleistung / 36V = 22,2 A > Mit der Formel R * I² = PV > folgt 0,0059Ohm * 22,2A² = 2,91W <- Verlustleistung. > Eingesetzt in die Formel von mir oben: Vergiss auch nicht, dass der Mosfet einen positiven Temperaturkoeffizienten hat, wenn er warm wird, erhöht sich der Drain-Source-Widerstand (Faktor 2-2,5 bis zur max. Sperrschichttemperatur wenn ich mich recht entsinne) und somit auch die Verlustleistung. Beim Kühlkörper also besser nicht sparen, kälter ist nie schlecht, was sich in der Effizienz, aber auch in der Lebensdauer bemerkbar macht. Ich würde zumindest über den Daumen gepeilt, jeweils zwei dieser Mosfets parallel schalten, dann dann muss jeder nur noch ein Viertel der ursprünglichen Verlustleistung abführen. 20A pro Mosfet im TO-220 ist tatsächlich sehr viel.
Ja rechne doch mal nach: 125 W * 0,8 K/W = 100 K Wenn du eine Sperrschichttemperatur von von 130 °C nicht überschreiten willst, darf das Gehäuse schon mal nicht wärmer, als 30 °C werden. Das geht aber nicht bei 35 °C Umgebungstemperatur mit einem dissipativen Kühler. Due brauchst eine Wärmepumpe!
Wärmewiderstandsberechnung ist doch daselbe wie ohmsche Widerstandsberechnung. ohmscher R emtspricht dem Wärmewiderstand el. Strom dem Wäremstrom (Wärmeleistung) el. Spannung der Temperaturdifferenz Damit kannste dann auch alle Maschensätze anwenden, wobei hier eigentlich nur die Reihenschaltung interessant ist. Also einfach nur die Kenntnisse aus der Elektronik anwenden ...
Axel R. schrieb: > Viel wichtiger: Du müsstest Dir bitte zusätzlich zu den ausgesuchten > IRFB7545 noch passende Kandidaten komplementären Typs für die obere > Hälfte der Brücken suchen, wenn Du das nach Seite21 im Datenblatt > aufbauen willst. Hi, danke für den Hinweis, nur leider weiß ich nicht, was du meinst. Warum sollte ich für die obere Hälfte der Schaltung einen komplimentren Mosfet suchen? Liebe Grüße und Danke!
> Warum sollte ich für die obere Hälfte der Schaltung einen > komplimentren Mosfet suchen? Weil die N-Kanal MOSFET's am Gate 10V mehr brauchen, als am Source Anschluss, was wiederum eine Hilfsspannung von 46V erfordern würden (Stichwort Ladungspumpe). Oder du nimmst P-Kanal MOSFET's, dann brauchst du keine Hilfsspannung. Da Dir das nicht klar war, würde ich Dir ganz dringend davon abraten, mit derart hohen Leistungen (800W) zu experimentieren. Übe das erstmal in klein auf einem Steckbrett mit kleinen Motoren z.B. aus dem R/C Modellbau Bereich. Dabei wirst du Erfahrungen sammeln, die hilfreich sind, die große Zielschaltung erfolgreich zu entwickeln.
Oder man nimmt einfach einen kleinen, kommerziellen DC/DC Wandler mit galv. Trennung für die high side FETs. Kostet n paar Euro und das Problem ist gelöst. Cheers,
Für die oberen drei Halbbrücken-MOSFETs mit P-FETs zu arbeiten ist bei den hohen Strömen Steinzeittechnik. Nimm einen moderneren Treiber der mit ausschließlich N-FET in den Halbbrücken auskommt. Mit freundlichen Grüßen Christian
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Alexander schrieb: > Oder man nimmt einfach einen kleinen, kommerziellen DC/DC Wandler mit > galv. Trennung für die high side FETs. Ich poste mal den MOSFET- Teil der Steuerung mit den Treibern und den geplanten DC/DC Wandlern. Die Widerstände und die Spannungsversorgung der Treiber habe ich noch nicht simuliert. Wenn ichs hab, dann zeige ich mal, wie schnell die Mosfets ansprechen werden. Zur Strommessung plane ich einen ACS712. Liebe Grüße
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@Matze Apa (matzeapa) >Ich poste mal den MOSFET- Teil der Steuerung mit den Treibern und den >geplanten DC/DC Wandlern. Ging's nicht noch ein wenig größer? >Die Widerstände und die Spannungsversorgung >der Treiber habe ich noch nicht simuliert. Simulation ersetzt kein Grundlagenwissen ;-) > Wenn ichs hab, dann zeige ich >mal, wie schnell die Mosfets ansprechen werden. Nebensächlich. Bau erstmal einen Treiber mit 20W und bring den SICHER zum Laufen. Dann reden wir weiter. >Zur Strommessung plane ich einen ACS712. Nett, aber für eine schnelle Strommessung innerhalb einer PWM-Periode zu langsam.
Falk B. schrieb: >>Die Widerstände und die Spannungsversorgung >>der Treiber habe ich noch nicht simuliert. > > Simulation ersetzt kein Grundlagenwissen ;-) Ich bin halt kein E-Techniker, "nur" Maschinenbauer, der sein Grundlagewissen mal in die Tat umsetzen möchte ;) >> Wenn ichs hab, dann zeige ich >>mal, wie schnell die Mosfets ansprechen werden. > > Nebensächlich. Bau erstmal einen Treiber mit 20W und bring den SICHER > zum Laufen. Dann reden wir weiter. Der Aufbau ist also nicht vollkommen falsch? Hast du Verbesserungsvorschläge? >>Zur Strommessung plane ich einen ACS712. > > Nett, aber für eine schnelle Strommessung innerhalb einer PWM-Periode zu > langsam. Guter Hinweis. Du spielst auf das Messen über einen Shuntwiderstand an. Aber ist das nicht ungenauer? Liebe Grüße Matze
Moin Ich bin jetzt Beitrag für Beitrag durchgegangen... Die Berechnung des Stromes für einen brushless Motor ist auch nicht richtig. Du kannst aus 36VDC keine 36VAC machen! Das gibt nur theoretisch maximale 25,5VAC. Dementsprechend muss für 800W entweder der Nennstrom ca 32A betragen oder die Akkuspannung auf 51V erhöht werden... Armin
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