Mosfet vermogen dissipatie berekenen

Hallo,

Als zelfstudie opdracht wil ik uitzoeken of en hoeveel koeling er nodig is voor een Mosfet welke ik hypothetisch als PWM schakelaar inzet.

Tijdens het doorlopen van de tutorial van Maxim Integrated op adres:
https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/tutorial…

Loop ik tegen een probleem aan, dat volgens mij door een berekeningsfout komt.

De som van Pdissipated Resistive + Pdissipated Switching zou een antwoord op mijn vraag moeten geven.

Pd Res geeft mij als uitkomst 4 Watt
Pd Sw geeft mij als uitkomst 648 Watt

Het resusltaat van de Pd Sw berekening is onrealistisch. Door herhaling van de berekening blijf ik tot hetzelfde resultaat komen.

Hiervoor heb ik gekozen:

Uitgaande van een omgevingstemperatuur van 50 graden celcius (tevens junction temperature)

Power Mosfet pn RFD14N05L.
Gegevens (voor de berekening) in het kort:
Rds on hot (bij 50 graden) = 1,2 Ohm uit datasheet figuur 11.
Ids max = 2 Ampere (uitgangspunt toepassing)
R ja = 100 graden Celcius / Watt
V in = 18 Volt (uitgangspunt toepassing)
V uit = 15 Volt (uitgangspunt toepassing)
f Sw = 2 kHz (uitgangspunt toepassing)
C rss = 50 pF -> 50 * 10^-12 (datasheet)
I gate = 100 nA -> 0,1 * 10^-6 (datasheet)

Vin en Vuit zijn gevraagd in de berekening, en heb hiervoor 2 waarden aangenomen. V uit is wel de spanning die ik in mijn berekening wil schakelen.

De formule waarbij ik vastloop is:
PDSWITCHING = (CRSS × VIN² × fSW × ILOAD)/IGATE

Ingevuld:
PDSWITCHING = ( 50 * 10^-12 * 18^2 * 2000 * 2) / 0,1 * 10^-6
Verder uitgewerkt: (50 * 10^-12 * 324 * 4000) / 0,1 * 10^-6
Verder uitgewerkt: 64,8 * 10^-6 / 0,1 * 10^-6 = 64,8 / 0,1 = 648

De waarde 648 Watt voor het vermogen gedissipeerd door het schakelen op 2kHz vind ik erg onwerkelijk. Klopt er iets niet aan mijn berekening, gegevens of formule?

De 648 watt klinkt inderdaad niet reëel. ik vond op internet een voorbeeld van iemand anders met dezelfde formule en daar lijkt vooral de Igate die jij gebruikt er een aantal ordes naast te zitten. Volgens mij wordt met de Igate de sink/source current bedoelt van het device waarmee je de Mosfet aanstuurt, en dan op de turn-on treshold. Ik denk dat je nu de Idss uit de datasheet hebt genomen maar dat lijkt me niet de bedoeling.

Ik heb idd de Id ss current uit het datasheet overgenomen.

Het datasheet geeft hier Gate to Source Leakage current weer met een waarde van ca 0,1 nA. Dit lijkt me ook wel redelijk voor een hoog ohmige ingang.

Bij deze berekening kan ik dan beter de Zero Gate Voltage Drain Current toepassen? De gegeven waarde hiervoor is 50 uA max.

Hieruit volgt dan:
Ingevuld:
PDSWITCHING = ( 50 * 10^-6 * 18^2 * 2000 * 2) / 0,1 * 10^-6
Verder uitgewerkt: (50 * 10^-6 * 324 * 4000) / 0,1 * 10^-6
Verder uitgewerkt: 64,8 / 0,1 * 10^-6 = 648 Mega Watt

Bedankt voor de reactie, ik ben er nog niet uit :) !

[Bericht gewijzigd door SuperPrutser op 13 januari 2022 14:59:12 (32%)]

CRSS = 50.10-12 volgens datasheet.

IGATE= de gatestroom die er loopt tijdens schakelen.
Stel dat je gatedriver 10V geeft en je gate-weerstandje 100 Ω is, dan loopt er dus 0,1A tijdens het schakelen.

Op 13 januari 2022 14:56:51 schreef SuperPrutser:
Ik heb idd de Id ss current uit het datasheet overgenomen.

Het datasheet geeft hier Gate to Source Leakage current weer met een waarde van ca 0,1 nA. Dit lijkt me ook wel redelijk voor een hoog ohmige ingang.

Bij deze berekening kan ik dan beter de Zero Gate Voltage Drain Current toepassen? De gegeven waarde hiervoor is 50 uA max.

Hieruit volgt dan:
Ingevuld:
PDSWITCHING = ( 50 * 10^-6 * 18^2 * 2000 * 2) / 0,1 * 10^-6
Verder uitgewerkt: (50 * 10^-6 * 324 * 4000) / 0,1 * 10^-6
Verder uitgewerkt: 64,8 / 0,1 * 10^-6 = 648 Mega Watt

Bedankt voor de reactie, ik ben er nog niet uit :) !

Ook dat is volgens mij niet de juiste waarde. De in te vullen waarde is de stroom die geleverd wordt door de driver die je gebruikt voor de Mosfet. Je zal dus moeten weten wat je gaat gebruiken om de mosfet aan te sturen.
Daarbij gebruik je dan de Gate Treshold voltage van de mosfet, die is max 2v. De vraag is dus welke stroom de driver levert bij een spanning van 2v.
Met een beetje driver zal die waarde minstens in de tientallen tot honderden milliamperes zijn en je berekening een stuk reëler maken.

[Bericht gewijzigd door another noob op 13 januari 2022 15:17:40 (41%)]

Hartelijk dank allen,

De gatestroom op deze waarde berekenen geeft al wat meer hoop.

Wat me nog niet helemaal helder is is hoe de gate stroom berekend wordt.

De aansturing zou met 5 VDC geschieden over een (aanname) serieweerstand van 60 Ohm.

De max. Gate Treshold Voltage uit het datasheet is aangegeven als 1V min & 2V max.

Uitgaande van de laagste treshold spanning volt hieruit een spanningsval van 4 Volt. Deze veroorzaakt dan een stroom in de serieweerstand welke ik als de gate stroom zou beschouwen.

Of moet deze benaderd worden als de stroom waarbij er nog geen treshold spanning is opgebouwd, 5V / 60 Ohm?

Bij verschillende gate stromen volgend uit spanningen tussen 1 en 5 Volt kom ik op de volgende waardes uit. Voor een lage frequentie als 2 kHz denk ik dat dit wel de juiste range zou kunnen zijn, hoewel toch wel erg weinig vermogen.

1 Volt gate treshold spanning 4 Volt over weerstand 1 mWatt
2 Volt gate treshold spanning 3 Volt over weerstand 1,3 mWatt
3 Volt gate treshold spanning 2 Volt over weerstand 2 mWatt
4 Volt gate treshold spanning 1 Volt over weerstand 3,8 mWatt

Die gate threshold is dus min 1 max 2V.

Als je bron die de 60 Ohm aanstuurt ideaal is, dan krijg je dus tussen de 3 en de 4 volt over de weerstand.

Blijkt dat je voor de "worst case" berekening dus de 3V moet nemen: 3V/60 Ohm = 50mA gatestroom.

ALS je zegt dat je het met 5V aanstuurt dan denk ik aan een pootje van een microcontroller. Die hebben vaak ook nog eens 20-30 Ohm aan uitgangsweerstand. Dus die 60 ohm is "worst case" niet 60 maar 90 Ohm. Dan kom je op een igate van 33mA.

In de praktijk heb je een ongeschikte mosfet gekozen voor deze toepassing. Bij "laagspanning" (5V, 10V, 20V) en een stroom van "2A" moet je niet een mosfet gebruiken met een RDSON van 1.2 Ohm. Je kan ze makkelijk krijgen die een rdson van zeg 60mOhm hebben. En veel lager ook. Misschien niet in TO220 behuizing, maar tegenwoordig allemaal SMD. Jammer dan.

[Bericht gewijzigd door rew op 13 januari 2022 17:57:53 (27%)]

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Ik heb TO-220 MOSFETs met een Rdson van 2.3mR, max. 60V. Er zijn best leuke te koop, maar dan moet je niet bij Conrad kijken. Als particulier kun je ook bij Mouser kopen, en daar vindt je ze wel.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

TO247 zijn ook best moderne dingen te koop. Maar goed. Het mosfetje (*) voor centen-werk dat zit voornamelijk in de SMD hoek.

(*) met toffe specs bedoel ik dan. Dus < 40mOhm voor een SOT23, of < 10mOhm voor SO8 en dergelijke.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Ik heb recent deze uitgezocht als "leuke logic-level MOSFET": https://nl.mouser.com/ProductDetail/621-DMN6040SE-13

Een Rdson van 40mR (iets meer bij 5V), max. 60V, in een SOT-223. Echter, het overgrote deel van mijn logica draait op 3v3, en dan wordt het echt wel lastig om MOSFETs te vinden voor "een paar Ampere" die je direct vanuit een microcontroller pin kunt aansturen.

Ik gebruik SOT-23 voor signaal transistors, als het iets meer is dan dat pak ik toch al snel een SOT-89 (formaat SOT-23 met meer koeling), dan een SOT-223, en TO-252 (DPAK) en uiteindelijk TO-263 (D2PAK) en H7PAK. Voor professionele projecten zijn er packages met alleen vlakjes aan de onderkant, maar voor de hobby heb ik een sterke voorkeur voor componenten die ik gewoon met een bout kan solderen.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Ik ga dan liever voor de PSMN013-60YLX of SQJA92EP-T1_GE3 . Die eerste is prima te gebruiken tot 25A bij VGS=3V (i.e. bij 3.3V nominaal). Hij claimed 50A max, dus ik wil zowiezo liever niet boven de 10A.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/