Kuehlkoerperdimensionierg

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Andre Grosse Bley

Guest
Hallo NG,

ich habe hier ein Problem, bei dem ich nicht weiter komme.
Ich muss drei MOSFETs (Ptot = 182W, Rth JC=0.26K/W) und drei
Widerstände (Ptot = 14W, Rth JC=0.70K/W)
auf ein gemeinsames Kühlblech montieren (Rth HA= 0.09K/W,
Kühlaggregat von Fischer). Isolation etc ist kein Problem.
Die Literatur die ich hier habe geht von einem Halbleiter
auf einem Kühlblech aus, das übliche Tj=(Rth JC + Rth CH +
Rth HA) * P + Tamb
(Rth CH ca. 0.05K/W)
Oft wird der Vergleich Verlustleistung = Stromquelle gemacht.
Daher habe ich geschlossen, dass ich die JC und CH Zweige samt
Quelle parallelschalte. Wird im Tietze-Schenk auch kurz angedeutet.
Die Widerstaende verheizen deutlich weniger Leistung als die MOSFETs,
bleiben also auch deutlich kühler. Demnach müsste das Kühlblech
doch die Widerstände aufheizen?
Rechne ich 588W * 0.09K/W komme ich auf 53K, damit würde das Kühlblech
wärmer als die MOSFET-Gehäuse?

Irgendwo muss da ein großer Denkfehler sein. Nur wo?
Über einen Literaturtip oder eine Erleuchtung wäre ich dankbar.
Ich denke, dass ich auch dafür sorgen muss, die Verlustleistung
gleichmässig auf die Fläche zu verteilen.
Genauere Informationen dürfte man vermutlich nur mit FE-Simulation
erhalten? Mir würde eine "Faustformel" schon ausreichen.

Grüße,
Andre
 
grossagk@rz.ruhr-uni-bochum.de (Andre Grosse Bley) wrote:

Ich muss drei MOSFETs (Ptot = 182W, Rth JC=0.26K/W) und drei
Widerstände (Ptot = 14W, Rth JC=0.70K/W)
auf ein gemeinsames Kühlblech montieren (Rth HA= 0.09K/W,
Kühlaggregat von Fischer). Isolation etc ist kein Problem.
Die Literatur die ich hier habe geht von einem Halbleiter
auf einem Kühlblech aus, das übliche Tj=(Rth JC + Rth CH +
Rth HA) * P + Tamb
(Rth CH ca. 0.05K/W)
Oft wird der Vergleich Verlustleistung = Stromquelle gemacht.
Daher habe ich geschlossen, dass ich die JC und CH Zweige samt
Quelle parallelschalte. Wird im Tietze-Schenk auch kurz angedeutet.
Die Widerstaende verheizen deutlich weniger Leistung als die MOSFETs,
bleiben also auch deutlich kühler. Demnach müsste das Kühlblech
doch die Widerstände aufheizen?
Rechne ich 588W * 0.09K/W komme ich auf 53K, damit würde das Kühlblech
wärmer als die MOSFET-Gehäuse?
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Ganz grob und überschlagsmäßig:

Aus der gesamten Verlustleistung und dem Rth des Kühlkörpers ergibt sich
eine Temperaturerhöhung der Montagefläche (real muss man annehmen, dass
die Montagefläche an den sechs montagestellen jeweils noch etwas wärmer
ist) um ca. 53K (558W * 0.09K/W). Bei einer angenommenen Umgebungs- bzw.
Kühlmitteltemperatur von ca. 25 Grad Celsius hat dann die Montagefläche
des Kühlkörpers ca. 78 Grad Celsius.

Ich nehme an, dass Rth CH der thermische Widerstand der Isoliermaßnahmen
inklusive Wärmeleitpad/-paste sein soll. Daraus ergibt sich eine
Temperatur der Transistorgehäuse von ca. 9K über derjenigen der
Montagefläche des Kühlkörpers, also ca. 87 Grad Celsius.
Die Sperrschichttemperatur beträgt dann etwa 134 Grad Celsius (ca. 47K
über Gehäusetemperatur).

Bei den Widerständen kommst Du mit dem Gehäuse auf grob 1K über der
Montagefläche des Kühlkörpers, also um die 79 Grad Celsius. Die
Widerstandsschicht liegt noch einmal 10K höher, also bei etwa 89 Grad
Celsius.


Dabei muss man (wie oben schon kurz angedeutet) beachten, dass die
Temperatur der Montagefläche des Kühlkörpers nicht homogen sein wird.
Schließlich hat er lateral auch einen Wärmewiderstand, wodurch die
Stellen, an denen Wärme eingespeist wird, wärmer werden, als deren
Umgebung.
Wegen dieses lateralen Wärmewiderstandes sind Kühlkörper (zumindest
solche für Konvektionskühlung) effizienter, wenn die abzuführende
Leistung nicht von einem einzelnen Transistor/Widerstand/etc.
eingebracht wird, sondern von mehreren.

Auch die Temperaturerhöhung des Kühlmediums muss eventuell bedacht
werden.



Grüße,

Günther
 
"Andre Grosse Bley" <grossagk@rz.ruhr-uni-bochum.de> schrieb im Newsbeitrag
news:caiemc$n0g$1@sunu789.rz.ruhr-uni-bochum.de...
Hallo NG,

ich habe hier ein Problem, bei dem ich nicht weiter komme.
Ich muss drei MOSFETs (Ptot = 182W, Rth JC=0.26K/W) und drei
Widerstände (Ptot = 14W, Rth JC=0.70K/W)
auf ein gemeinsames Kühlblech montieren (Rth HA= 0.09K/W,
Kühlaggregat von Fischer). Isolation etc ist kein Problem.
Die Literatur die ich hier habe geht von einem Halbleiter
auf einem Kühlblech aus, das übliche Tj=(Rth JC + Rth CH +
Rth HA) * P + Tamb
(Rth CH ca. 0.05K/W)
Oft wird der Vergleich Verlustleistung = Stromquelle gemacht.
Daher habe ich geschlossen, dass ich die JC und CH Zweige samt
Quelle parallelschalte. Wird im Tietze-Schenk auch kurz angedeutet.
Die Widerstaende verheizen deutlich weniger Leistung als die MOSFETs,
bleiben also auch deutlich kühler. Demnach müsste das Kühlblech
doch die Widerstände aufheizen?
Rechne ich 588W * 0.09K/W komme ich auf 53K, damit würde das Kühlblech
wärmer als die MOSFET-Gehäuse?
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Hallo Andre,
das ist schon mal die halbe Miete.
Damit weißt du jetzt, daß deine Kühlkörpertemperatur 53Grad über der
Umgebungstemperatur(Tamb) liegt.
Diesen Wert mußt du jetzt bei den Bauteilen hinzuzählen. Schließlich
sitzen die ja auf dem heißen Kühlblech.

Heatsink: Ths = Tamb + 588W*0.09K/W = Tamb + 53K

Mosfet: Tj = Tamb + 53K + Pmosfet*(Rthjc+Rthch)
Widerstand: Tr = Tamb + 53K + Pwiderstand*Rth

Gruß
Helmut
 
Helmut Sennewald schrieb:

Damit weißt du jetzt, daß deine Kühlkörpertemperatur 53Grad über der
Umgebungstemperatur(Tamb) liegt.
Diesen Wert mußt du jetzt bei den Bauteilen hinzuzählen. Schließlich
sitzen die ja auf dem heißen Kühlblech.

Heatsink: Ths = Tamb + 588W*0.09K/W = Tamb + 53K

Mosfet: Tj = Tamb + 53K + Pmosfet*(Rthjc+Rthch)
Widerstand: Tr = Tamb + 53K + Pwiderstand*Rth
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Und mit diesen Werten gehst Du in die Deratingkurve der Transistoren
bzw. Widerstaende und siehst, welche Verlustleistung Du ihnen bei dieser
Tj bzw. Tr zumuten kannst. Ist diese zumutbare Verlustleistung kleiner
als Deine vorauszusehenden/gewuenschten 182 bzw. 14 Watt, dann musst Du
einen besseren Kuehlkoerper auswaehlen, und neu rechnen. -->
Schrittweise annaehern.

Viel Erfolg.

Wolfgang
 
Moin Günther,

Wegen dieses lateralen Wärmewiderstandes sind Kühlkörper (zumindest
solche für Konvektionskühlung) effizienter, wenn die abzuführende
Leistung nicht von einem einzelnen Transistor/Widerstand/etc.
eingebracht wird, sondern von mehreren.
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Genau da steckt ja die Crux. Bei allen Fundstellen wird bei der Angabe
des Wärmewiderstands eines Kühlblechs oder Kühlkörpers von genau einer
Heizquelle ausgegangen. Die Frage ist nun, wie weit sich die Effizienz
eines gegebenen Kühlaggregats verbessert, wenn zwei oder mehrere
Transistoren drauf montiert sind und heizen. Die einzige Quelle, die
ich in dem Zusammenhang gefunden habe (ein uraltes
Schaltungspraxisheft von Franzis ;-)) zeigt eine kleine Grafik, nach
der sich bei Verwendung zweier Transistoren der Wärmewiderstand um ca.
20-40% verbessert. Was ja auch in etwa den Praxiserfahrungen
entspricht. Hab das Bild mal hier zum Anschauen abgelegt:

www.smial.prima.de/pix/waermeverteilung.jpg

Googelt man weiter nach dem Problem, landet man immer bei FloTherm -
anscheinend ein teurer Spaß.

Rainer

--
"Immerhin sind im aktuellen Linux-Kernel etwas über 7000 GOTO's"
"19 sind von mir ;-)"
(H. Milz und G. Acher in de.sci.electronics)
 
=?ISO-8859-1?Q?G=FCnther?= Dietrich (guenther_dietrich@despammed.com) wrote:
: Ich nehme an, dass Rth CH der thermische Widerstand der Isoliermaßnahmen
: inklusive Wärmeleitpad/-paste sein soll. Daraus ergibt sich eine

Genau. (Case -> Heatsink). Extra isolierung ist nicht noetig, da die
Montagefläche bei den verwendeten Bauelementen isoliert ist.

Danke an alle, ich habe meinen Denkfehler jetzt gefunden. Der
"Wärmestrom" durch Rth_HA ist natürlich die Summe aller
Einzelströme.
Jetzt weiss ich, dass ich ein Kühlaggregat mit geringerem R_th
benötige. Oder die Leistungen anders aufteile. Mal schauen.

Grüße,
Andre

PS: Ich gehe von 50° Umgebung aus und versuche auch mgölichst
deutlich unter den absolute Maximum Ratings zu bleiben. Ich denke
25K Reserve sollte ausreichen.
 
Andre Grosse Bley schrieb:
"Wärmestrom" durch Rth_HA ist natürlich die Summe aller
Einzelströme.
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Zum Nachlesen hab ich zwischenzeitlich was dazu gefunden:

Auf Seite
http://www.fischerelektronik.de/download/download_fr.htm
Im Katalog "A_Gruppe.zip" auf den ersten paar Seiten gibt es u.a. eine
Beispielrechnung fuer mehrere Waermequellen.

Gruss,

Wolfgang
 
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