BLDC-Steuerung Mosfets werden heiß

[Tim K. (timkl94)]

Hallo Leute,

ich habe eine Platine für eine BLDC-Steuerung auf Basis des 
Steval-Spin3202 Boards von ST entworfen. Ich habe das Board modifiziert 
und andere Mosfets verbaut, sodass ich mehr Leistung bekomme. Nun habe 
ich das Problem, dass die Mosfets ziemlich heiß werden (bis zu 130°C) 
bei einer Leistung von ca. 650 W.

Wie kann ich die Wärme von der Platine besser abführen?

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Tim K. schrieb:
> und andere Mosfets verbaut
Geheime Mosfets?

> Wie kann ich die Wärme von der Platine besser abführen?
Am Besten leitest du die Wärme direkt vom Mosfet auf einen 
Kühlkörper...

[Steffen W. (derwarze)]

andere Mosfets verbaut
 Welche? Bauform?
bei 650W besser direkte Kühlung.

Ist die Ansteuerung korrekt? Also genügen steile Ansteuerflanken - 
Ausreichend Ansteuerstrom.
Passt die Totzeit? Leistungsstarke FETs haben höhere Gatekapazität so 
das die Totzeit mitunter verlängert werden muss damit die zu den 
Schaltflanken passt.

[Tim K. (timkl94)]

Lothar M. schrieb:
> Tim K. schrieb:
>> und andere Mosfets verbaut
> Geheime Mosfets?

Das sind die besagten Mosfets: 
https://www.mouser.de/datasheet/2/408/TPH2R608NH_datasheet_en_20150123-768911.pdf

[Tim K. (timkl94)]

Steffen W. schrieb:
> andere Mosfets verbaut
>  Welche? Bauform?
> bei 650W besser direkte Kühlung.
>
> Ist die Ansteuerung korrekt? Also genügen steile Ansteuerflanken -
> Ausreichend Ansteuerstrom.
> Passt die Totzeit? Leistungsstarke FETs haben höhere Gatekapazität so
> das die Totzeit mitunter verlängert werden muss damit die zu den
> Schaltflanken passt.

Ich nutze die Firmware von ST (Motor Control Workbench). Ich kann hier 
die min. dead-time einstellen. Aktuell sind 700ns eingestellt. Soll ich 
mal eine höhere Zeitdauer ausprobieren?

[Guest (Gast)]

Bisschen mehr Infos währen nett. Welche Spannung, wie viel Strom, welche 
Schaltfrequenz, Gatetreiber usw.

[Thomas K. (rlyeh_drifter)]

Also ohne Schaltplan und Layout kann man da eigentlich nichts haltbares 
dazu sagen, bei derart viel Verlusten hats sicher etwas recht 
grundlegendes, das wird ein Kühlkörper allein nicht richten können.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Tim K. schrieb:
> Soll ich
> mal eine höhere Zeitdauer ausprobieren?

Überschneidungen sollten sofort als Stromspitzen auf der Motorspeisung 
auftauchen. Betreibe die MOSFets mal ohne die Last - der Motorstrom muss 
dann null sein.
Generell ist SO8 nur schlecht zu kühlen. Beachte bitte, das die 
angegebenen 168A max. Strom bei den MOSFets kein realer Wert sind, 
sondern nur das Chiplimit. Der max. Strom wird durch das Gehäuse 
bestimmt, wobei auffällt, das in den Grafiken nur 100A als grösster 
Strom auftaucht. Die MOSfets müssen dabei mit kraftigem Treiber 
angesteuert werden und genügend Ugs zum vollen Durchsteuern erhalten.

[Tim K. (timkl94)]

Thomas K. schrieb:
> Also ohne Schaltplan und Layout kann man da eigentlich nichts haltbares
> dazu sagen, bei derart viel Verlusten hats sicher etwas recht
> grundlegendes, das wird ein Kühlkörper allein nicht richten können.

[Steffen W. (derwarze)]

Schaltplan ist kaum lesbar so.
Scheint die FETs werden vom Ic direkt angesteuert, das kann 
problematisch sein wenn der Ic keinen leistungsfähigen Treiber enthält.
Signale am Mosfet mit Oszi kontrolieren ob die Flanken ok sind und keine 
Stromspitzen auftreten.
Die Kühlung auf der Platine dürfte für diese Leistung unzureichend sein, 
da werden die gewünschten Ströme nicht erreichbar sein. Da braucht es 
einen Kühlkörper, der sich bei SO8 aber nur schwer sinnvoll anbringen 
lässt.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Da geht nicht anderes als VBUS für die Speisung des Motors, da die 
Schaltung komplett auf Highside Treiber verzichtet.
Die von dir ausgesuchten MOSFet passen auch nicht in der Ugs zum Pegel 
des MC. Es müssen also, wie Steffen schon sagte, Gatetreiber ran.

[Thomas K. (rlyeh_drifter)]

Matthias S. schrieb:
> Da geht nicht anderes als VBUS für die Speisung des Motors, da die
> Schaltung komplett auf Highside Treiber verzichtet.
> Die von dir ausgesuchten MOSFet passen auch nicht in der Ugs zum Pegel
> des MC. Es müssen also, wie Steffen schon sagte, Gatetreiber ran.

???

Der STSPIN32F0A hat integrierte Treiber, mit 12V+Bootstrap.

Aber weitere Angaben zu VM, Strömen und Oszibilder der Gates wären noch 
interessant. Das Layout schaut jetzt nicht soo wild aus.

[Tim K. (timkl94)]

> Aber weitere Angaben zu VM, Strömen und Oszibilder der Gates wären noch
> interessant. Das Layout schaut jetzt nicht soo wild aus.

VM ist 44 V. Mein Board habe ich bisher mit 10 und 15 A Ausgangsstrom 
getestet und dabei die Temperaturen gemessen.

Als Nächstes werde ich mal die Signale am Gate messen.

[Andreas M. (amesser)]

Das Thermal-Pad hast du mit angelötet? Ich finde die Kupfer-Flächen 
etwas klein. Bei 15A Konstantstrom wird der Pulsstrom in den einzelnen 
Mosfets sicher höher ausfallen, Verlustleistung geht quadratisch mit dem 
Strom, d.h. wenn man einen Mosfet mit Duty 0.5 schaltet ist die 
Verlustleistung doppelt so hoch als wenn man den selben Mosfet dauerhaft 
bei halbem Strom (entspricht dann selbem Strommittelwert) an hat.

Edit: Doppelt gemoppelt.

[Tim K. (timkl94)]

Ich habe inzwischen den ST-Support angeschrieben. Der STSPIN32F0A soll 
maximal 500 W händeln können. Wenn ich mit dem Steval-Spin 3202 Board 
die 500 W erreichen will, müsste ich die Mosfets, sowie deren 
Ansteuerung ändern. Außerdem müsste das Board noch gekühlt werden, weil 
das Board nicht vollständig für 500 W ausgelegt ist.

Kann mir jemand sagen, wie ich die Ansteuerung für die neuen Mosfets 
anpassen könnte?

[Bernd K. (bmk)]

Schwierig bis unmöglich.

Sowohl Gatecharge Qg als auch Input capacitance Ciss vom Toshiba sind 
deutlich höher gegenüber dem ursprünglichen MOSFET. Da könnte die 
Treiberleistung zu knapp sein, um den schnell genug durchzuschalten.

Ein anderer MOSFET könnte vielversprechender sein. Beispiel:
http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?genericPartNumber=CSD18540Q5B&fileType=pdf

mit z.T. deutlich besseren Werten gegnüber dem Ursprungstyp STD140N6F7
- CIss = 3250pF (3100pF) fast gleich
- Qg = 41nC (55nC)
- Rdson = 1,8mOhm (3,1mOhm)
- Switching times erheblich schneller

[Tim K. (timkl94)]

Den Toshiba muss ich auch nicht verwenden.

Wenn ich die Kühlung verbessern möchte, kann ich dann z.B. Vias auf das 
Pad setzen oder insgesamt die Kupferstärke der Platine erhöhen?