Kühlkörperauswahl so richtig?

Hallo,

ich versuche gerade eine Schaltung mit MOSFET zu entwerfen. Dabei ergibt sich die Frage nach der Kühlung. Kann man folgenderweise vorgehen?

Ein Gleichstromverbraucher (Campinggartenpumpe) mit 120 Watt an 12 Volt soll geschaltet werden.
MOSFET ist IRLZ34N http://www.datasheetcatalog.org/data...rf/irlz34n.pdf

Ohmscher Widerstand der Pumpe ist R = U^2 / P = 1,2 Ohm (12V * 12V / 120W)
Rds(on) aus MOSFET Datenblatt ist 0,035Ohm
Im eingeschalteten Zustand fliest der Strom über die Reihenschaltung Pumpe MOSFET.
Strom = 12V / (0,035 + 1,2) Ohm = 9,716A
Im MOSFET in Wärme umgesetzte Leistung: P = I^2 * Rds(on) = 3,3Watt

Der Wärmewiderstand Junction to Case Sink ist 2,2K/W und weiter zum Kühlkörper mit Wärmeleitpaste nochmal 0,5K/W, also 2,2K/W + 0,5K/W = 2,7K/W.

Angenommen, im Gehäuse ist die Umgebungstemperatur 40°C. Die Operating Junction Temperatur ist mit max. 175°C angegeben. Ich möchte die nicht über 100°C steigen lassen.
Die Differenz zwischen Umgebungstemperatur und Junction ist somit 60°C (K).
Um die 3,3W loszuwerden brauche ich einen gesamten Wärmewiderstand von höchstens 60°K / 3,3W = 18,182K/W

Vom Junction zum Kühlkörper gibt es schon 2,7K/W
Ich suche also nach einem Kühlkörper mit höchstens 18,182K/W - 2,7K/W = 15,482K/W also mit weniger als 15K/W?


Ist die Rechnung richtig?
Welche Junction Temperatur nimmt man normalerweise für die Rechnung? Rechnet man hier die Sicherheit ein?
Wie macht man das praktisch?

Gruß
Searcher

Hallo Searcher!

So wie meisten von Euch schon Wissen, bin ich eher 1 Praktiker, der nie etwas angenommen, sondern immer alles gemessen und untersucht hat. Obwohl ich deine Berechnungen richtig finde, ist für mich die Annahme von 40° C im geschlossenem Gehäuse 2felhaft, da in meiner Wohnung im Sommer musste ich bisher mit 45°C leben können (sogar vor festgestellter Klimaerwärmung). ;)

Wenn d1 MOSFET (vermutlich laut deiner Beschreibung) mit dauerstrom arbeitet, entspricht es der "A" Klasse. Weil die fast permanent entstehende Wärme immer fast gleich ist, wird 1 sehr gut leitender Kühlkörper (z.B. Kupferblech) gefragt. Ich habe (nur privat als echter Bastler) die Kühlfläche bisher immer empirisch ermittelt mit Finger als "Thermometer" in bestimmten Zeitabständen "abgetastet". Dabei habe ich m1e Testschaltung mit 1em Kartonschachtel zugedeckt. Um bestimmte Innentemperatur im Karton zu erzeugen habe ich Föhn benutzt. Als praktish ausprobierte Faustregel könnte man als Zeitkonstante für thermische Abläufe 1/2 Stunde annehmen.

Profesionell wurde es immer in 1nem klimatiesierten "Schränkchen" mit einstelbaren Versuchsparamater (z.B. Feutigkeit, Vibrationen, usw.) durchgeführt, damit 1 Patient mit implantierten Herzschrittmacher nach Treppensturz noch Überlebungschance hätte. :lol:

Übrigens, bei m1en bisherigen, sogar profesionellen, "Bastlereien" war das Gehäuse immer störend, aber leider unvermeindbar. :( Des1/2 funktionieren die "Versuchsaufbauten" immer am besten. :D

Hallo,

@PICture: danke für die praktischen Tipps!

Ich habe noch nie rechnerisch einen Kühlkörper bestimmt. Zum Experimentieren brauch ich aber irgendeine Grundlage und kann dann mit zB Fingerkontakt überprüfen ob das Ding dann doch zu heiß wird oder der Kühlkörper und eventuell auch das Gehäuse kleiner gewählt werden kann.

Bevor ich den IRLZ34N gewählt hatte, habe ich einen ausgeschlachteten MOSFET mit 0,5 Ohm Rds(on) durchgerechnet und bin da auf eine Wärmeleistung von 24 Watt gekommen. Das hätte einen erheblich anderen Kühlkörper erfordert. Bei meiner Unerfahrenheit hätte ich mich da sicher grob verschätzt.

Zitat:

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Zitat von PICture

Wenn d1 MOSFET (vermutlich laut deiner Beschreibung) mit dauerstrom arbeitet, entspricht es der "A" Klasse. Weil die fast permanent entstehende Wärme immer fast gleich ist, wird ein sehr gut leitender Kühlkörper (z.B. Kupferblech) gefragt

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Ja, der MOSFET soll ca. 10A Dauerstrom aushalten. Abgesehen von der praktischen Erprobung gehe ich doch davon aus, daß die Angabe des Wärmewiderstandes bei einem gekauften Kühlkörper stimmt und ich nicht noch extra auf "sehr gut leitender" achten muß ?

Wo ich mir sehr unsicher bin, ist die zu wählende Junction Temperatur. Das scheint mir schon eine wichtige Größe zu sein :-) Nimmt man da die maximale im Datenblatt angegebene für die Rechnung und rechnet später beim Kühlkörper nach Faustformel eine Sicherheit ein (wenn ja, welche) oder bei der Junction Temperature schon zB 50% des max. Wertes nehmen?

Gruß
Searcher

Das ist die beste Methode: zuerst möglich realistisch abschätzen und anschliessend praktisch ausprobieren. Bei den fertigen Kühlkörper müssen die angegebene Parameter schon stimmen (an irgendwas muss man doch glauben dürfen, sonst wurde ich mir k1e Spritze mehr erlauben, seit AIDS bekannt ist. :D ).

Aus meiner bisherigen Wissen und Erfahrung, darf man annnehmen, dass mit optimalem realem Kühlkörper ohne Lüfter man nicht mehr als 1/3 der im Datenblatt angegebenes Ptot ausnutzen kann, also um 23 W für IRLZ34N). Bei von dir ausgerechneter Velustleistung wird die Wärmeabfuhr hauptsächlich per Wärmewiderstand des Gehäuses zwischen Kühlkörper und Umgebung definiert, und das musst du eventuell messen/ermitteln versuchen. Über "junction temperature" habe mir bisher keine gedanken gemacht, weil sie sowieso real nicht messbar ist. ;)

In der Praxis enden die Berechnungen für Kühlung leider nicht auf dem Kühlkörper. :(

Zitat:

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...dass mit optimalem realem Kölkörper ohne Lüfter man nicht mehr als 1/3 der im Datenblatt angegebenes Ptot ausnutzen kann

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Danke für Ptot - danach wollte ich schon fragen.

Im Datenblatt unter "Absolute Maximum Ratings" ist wohl statt Ptot ein "Power Dissipation" bei 25°C von 68 Watt angegeben und ein "Linear Dearating Factor" von 0,45W/°C.

Wenn ich das richtig verstehe? bedeutet das bei 100° Junction Temperature (übernommen von meiner ersten Rechnung):
100°C - 25°C = 75°C
75°C * 0,45W/°C = 33,75W
68W - 33,75W = 34,25W

Bei 100°C Junction Temperature soll man also nicht mehr als 1/3 davon, also 34,25W / 3 = 11,42 Watt Verlustleistung im MOSFET erzeugen.

Mit meinen 3,3 Watt bin ich davon noch weit entfernt und möchte natürlich einen ausreichenden aber natürlich möglichst kleinen Kühlkörper nutzen.

Ist das so richtig und bezieht sich "Power Dissipation" bzw. "Ptot" auf die "Junction", Junction verstehe ich als den Kern des FETs?

Gruß
Searcher

Zitat:

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Zitat von Searcher

Mit meinen 3,3 Watt bin ich davon noch weit entfernt und möchte natürlich einen ausreichenden aber natürlich möglichst kleinen Kühlkörper nutzen.

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Würde ich ja sagen. Ohne mich in unnötige Berechnungen zu vertiefen, würde ich (ohne Gewähr) sagen, dass es passt. Ich glaube sogar, dass d1n MOSFET sich sogar ohne Kühlkörper (ausserhalb des Gehäuses) auf lebensgefährliche Hitze nicht beschweren dürfte.

Zitat:

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Zitat von Searcher

Ist das so richtig und bezieht sich "Power Dissipation" bzw. "Ptot" auf die "Junction", Junction verstehe ich als den Kern des FETs?

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Ja, sicher. :)

Vielen Dank PICture!

Zur Abwechslung mal was Praktisches:

Anhang 18813

Das ist ein mit IR-Fernbedienung betätigter Schalter mit 3 schaltbaren Stromkreisen und Dämmerungsschalter - µC gesteuert wg einfacher RC5 Auswertung der FB. An einen Schalter soll die Pumpe dran. Weil ich die IRLZ34N noch nicht habe, traue ich mich noch nicht eine hohe Last anzuschalten, da die verwendeten MOSFETS vermutlich sicher nicht durchhalten (und mein Netzteil nur 3A liefert - wird später mit Autostarterbatterie betrieben)

Ihr seht also, die Junction Temperatur liegt mir schon am Herzen :-)

Gruß
Searcher

Die Rechnung oben ist schon recht gut. Meist wird der On Widerstand der MOSFETs bei 25 C angeben. Bei 100 C Junction Temperatur kann das schon noch etwas mehr werden. "Nur" bis 100 C an Junction Temperatur zu gehen ist OK, auch um etwas Reserve zu haben. Bei einem offenen Aufbau wäre ggf. 60 Grad als Maximale Temperatur für den Kühlkörper eine andere Sinnvolle Grenze (da kann man sich noch nicht so richtig dran verbrennen).
Die Wärmewiderstände der Kühlkörper sind nicht so genau zu bestimmen, die hängen u.A. von der Einbaulage ab und der Zusammenhang Leistung - Temperatur ist nicht zu 100% linear.

Ohne Kühlkörper wird das dem FET im TO220 aber wohl schon zu heiß - da hat man rund 60 K /W, käme also bei 3,3 W auf rund 200 K über Umgebungstemperatur.

Vielen Dank Besserwessi,

jetzt weis ich, das ich da keinen grundsätzlichen Fehler drin habe.

Zitat:

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Bei einem offenen Aufbau wäre ggf. 60 Grad...

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:-) Das Foto stellt den Probeaufbau dar und die Schaltung soll später strapazierfähig ;) in einem Gehäuse für den Outdoor Einsatz untergebracht werden. Wie auch PICture schon geschrieben hat, werd ich auf jeden Fall die angenommene Umgebungstemperatur von 40° nochmal überdenken.

Gruß
Searcher

Beim Outdoor Einsatz muss man eventuell direkte Sonnenstrahlung je nach Gehäusefarbe berücksichtigen. ;)

Ich bin mal wieder etwas spät.
Der Kühlkörper im Bild hat ja etwas weniger als die berechneten 15K/W er sieht etwa aus wie dieser hier mit 6,2K/W:

http://www.pollin.de/shop/dt/NzE5OTY...50_8_STIS.html
http://www.pollin.de/shop/downloads/D430082D.PDF

So einen würde ich wieder nehmen. Ich traue dem RDS = 0,35Ohm nicht so ganz wenn er als universeller Wert übernommen wurde.
In Bild 1 und 2 des Transistor Datenblatts sieht man was bei 10A auftritt.

In Bild 1 bei 25°C und 12V Ansteuerung hat man VDS=0,3V also 3W. Bei 4V Ansteuerung sind es 0,5V also 5W.
In Bild 2 bei 175°C und 12V Ansteuerung hat man VDS=0,6V also 6W. Bei 4V Ansteuerung sind es 1V also 10W.
175°C sollten schon deshalb vermieden werden, man ist bei kleiner Gatespannung aber auch schon mal schnell bei etwas mehr Leistung.

Das Hauptargument für mich ist der Vergleich der Kühlkörper der bei 15K/W etwas klein für den Zweck aussieht.
Du kannst ja mal Bilder mit Kühlkörpern und Wärmewiderstandsdaten bei Conrad oder Pollin durchblättern, häufig hat man ja dann noch so einen als Ausbau herumliegen.


Wo ich gerade dabei war und es selbst wissen wollte:
Hier ist auch der Übergang case to haetsink (qcs) angegeben:
http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1012.pdf
1 K/W trocken und 0,2 K/W mit Paste, hier also kaum von Bedeutung.

Vielen Dank Manf,

Zitat:

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Zitat von Manf

In Bild 1 und 2 des Transistor Datenblatts sieht man was bei 10A auftritt...

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@Manf: Da hat sich in Deinem Beitrag ein C&P Fehler eingeschlichen? In Bild 2 bei 175°C, 4V Ansteuerung sind es 1V also 10W.

Die Diagramme habe ich bisher auch nicht so richtig zu deuten gewußt. Die FETs werden mit 4 bis 5 Volt vom µC angesteuert (µC hat einen Festspannungsregler mit 5V). Muß also von den vorher gerechneten 3,3 W nochmal anständig nach oben korrigieren.

Zitat:

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Der Kühlkörper im Bild hat ja etwas weniger als die berechneten 15K/W er sieht etwa aus wie dieser hier mit 6,2K/W

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Gutes Auge! und gleich noch Bezugsquelle. Hab meinen nachgemessen, müßte der mit 7K/W sein und hab ihn irgendwo ausgebaut.

Gruß
Searcher

Zu der Berechnung: Du verwendest den RDS_ON bei einer Spannung von 10V zwischen Gate und Source. Falls du den Mosfet mit 5V (z.B. mit einem Widerstand an einem µC-IO-Pin) ansteuerst, musst du mit entsprechend höheren Werten rechnen (am besten zur Sicherheit mit der Angabe für 4,0V, also 60 mOhm). Ansonsten ist die Berechnung prinzipiell richtig und durch die Begrenzung auf 100 Grad hat man noch etwas Spielraum. Mit einem besseren Mosfet (z.B. IRL3803) könnte man jedoch auch ganz auf einen Kühlkörper verzichten (Verlustleistung max 0.9W => Temperaturerhöhung um ca. 55 Grad gegenüber Umgebung).

http://www.irf.com/product-info/data...ta/irl3803.pdf

Zitat:

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Mit einem besseren Mosfet (z.B. IRL3803) könnte man jedoch auch ganz auf einen Kühlkörper verzichten

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@Jakob L. Vielen Dank. Da ich sowieso eine Bestellung aufgeben muß könnte ich mir den höheren Preis des IRL3803 durch die nicht gebrauchten Kühlkörper einsparen. (Ein paar kleinere Kühlkörper hab ich zur Not noch hier rumliegen) Spielt zwar nicht sooo die Rolle, aber man fängt doch an zu vergleichen. Vor allem die Platzersparnis wär ein Grund.

Werd mal die Autobatterie aufladen:) , Last auf den Aufbau geben, noch ein bißchen mit Gehäuse und Platzierung der FETs wg Wärmeabfuhr etc. experimentieren. Ist das erste heiße Ding, das ich selbst baue.

Insgesamt hat sich der thread durch die vielen guten Beiträge sehr für mich gelohnt.

Vielen Dank nochmal an alle.
Gruß
Searcher