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Ich bin auf der Suche nach einem MOSFET zum Schalten einer 5V-Spannung mit max. 30A.
Beim Durchsuchen der Datenblätter stoße ich bei den Kennlinien der Bauteile immer wieder auf Verständnisprobleme:
(Bitte anhängenden Datenblattauszug beachten)

1. Diagramm "Safe operating area":
Aus dem Diagramm lese ich, daß bei 5V der Arbeitsbereich bis knapp über 20A geht, d.h. ein Dauerstrom bis gut 20A wäre noch "safe"?
Und höhere Stromstärken dürfen nur pulsartig auftreten (entsprechend der gestrichelten Linien) - ist das richtig?

2. Diagramm "Typical output characteristics":
Wie ist das Diagramm zu lesen? Bei einer Gate-Source-Spannung von 5V läge der max. Drain-Source-Strom irgendwo unterhalb 10A oder wie?
Und für einen Drain-Source-Strom von 30A müßte die Gate-Source-Spannung min. 6V betragen... oder?

Vielen Dank vorab!
Chris

Datenblattauszug:

Hallo,
» Ich bin auf der Suche nach einem MOSFET zum Schalten einer 5V-Spannung mit
» max. 30A.
» Beim Durchsuchen der Datenblätter stoße ich bei den Kennlinien der Bauteile
» immer wieder auf Verständnisprobleme:
» (Bitte anhängenden Datenblattauszug beachten)
»
» 1. Diagramm "Safe operating area":
» Aus dem Diagramm lese ich, daß bei 5V der Arbeitsbereich bis knapp über 20A
» geht, d.h. ein Dauerstrom bis gut 20A wäre noch "safe"?
» Und höhere Stromstärken dürfen nur pulsartig auftreten (entsprechend der
» gestrichelten Linien) - ist das richtig?

Grundsätzlich ja. Aber Du willst schalten, also "on" entsprich P= I² x Rds on, da mußt Du Uds also über Rds und den Strom bestimmen. "off" entspräche dann P=UxI mit U=5V aber I ist der Leckstrom, also eher zu vernachlässigen. Allerdings mußt Du ausreichend schnell schalten, da natürlich während des Schaltens Verluste auftreten, die relevant sein können. Dafür muß eine ausreichende Ansteuerung gegeben sein, also Gate-Spannung hoch genug und ausreichend Treiberleistung wegen der oft sehr großen Gate-Kapaziät.
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» 2. Diagramm "Typical output characteristics":
» Wie ist das Diagramm zu lesen? Bei einer Gate-Source-Spannung von 5V läge
» der max. Drain-Source-Strom irgendwo unterhalb 10A oder wie?
» Und für einen Drain-Source-Strom von 30A müßte die Gate-Source-Spannung
» min. 6V betragen... oder?

ja, siehe Logic-Leve (LL) MOSFETS, die wären besser geeignet.
»
» Vielen Dank vorab!
» Chris

» Grundsätzlich ja. Aber Du willst schalten, also "on" entsprich P= I² x Rds
» on, da mußt Du Uds also über Rds und den Strom bestimmen. "off" entspräche
» dann P=UxI mit U=5V aber I ist der Leckstrom, also eher zu vernachlässigen.
» Allerdings mußt Du ausreichend schnell schalten, da natürlich während des
» Schaltens Verluste auftreten, die relevant sein können. Dafür muß eine
» ausreichende Ansteuerung gegeben sein, also Gate-Spannung hoch genug und
» ausreichend Treiberleistung wegen der oft sehr großen Gate-Kapaziät.

» ja, siehe Logic-Leve (LL) MOSFETS, die wären besser geeignet.

Vielen Dank für den Hinweis, ich habe mir nun einen IRL3803 ausgeguckt, der schaltet schon bei Vgs 4V rund 100A im Dauerstrombetrieb mit Rds 9mΩ. Wenn ich den so unter Volllast fahren würde, würde der FET bei "on" also P = 100² x 0,009 = 90 W verbraten?

Wäre es eigentlich eine sinnvolle Idee, zur besseren Stromverteilung und Wärmeableitung mehrere kleine FETs parallel zu schalten statt eines dicken FETs?

Thanx,
Chris

Hallo,
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» Vielen Dank für den Hinweis, ich habe mir nun einen IRL3803 ausgeguckt, der
» schaltet schon bei Vgs 4V rund 100A im Dauerstrombetrieb mit Rds 9mΩ.
» Wenn ich den so unter Volllast fahren würde, würde der FET bei "on" also P
» = 100² x 0,009 = 90 W verbraten?

na ja, den RDS nehme ich zur groben Abschätzung, für die Auslegung der Schaltung sehe ich in das Datenblatt.
In dem von IR ist in Fig. 2 für 4V Ansteuerung und 100A ein UDS von 2V angegeben (das gilt zwar für 175°, aber bei dem Strom ist die Tj eher an der Obergrenze als bei 25°C).
Desweiteren ergibt sich aus dem Datenblatt ein thermischer Widerstand von der Sperrschicht zum Kühlkörper von 1,25K/W.

Meine Annahme wäre jetzt: max. Sperrschichttemperatur in der Anwendung 150°C (Sicherheit!, 175°dürfen auch kurzzeitig nicht überschritten werden!), Umgebungstemperatur 40°C (Sommer bzw. warmes Gerät!). Als Kühlkörper sei einer mit 0,5K/W gewählt, das ist schon recht ordentlich.

so ergibt sich: max. Temperatursteigerung 150°-40°=110°C.
Thermischer Widerstand Sperrschicht/Umgebung = 1,75K/W
Max. Belastung des IRL3803 = 110/1,75 = 62,9W

Das ist keinesfalls zu großzügig gerechnet.
Edit/Nachtrag:
KK mit 0,5K/W sind schon recht teuer, je nach Profil 40-80€. Da wäre es realistischer, mit 1,5K/W zu rechnen, man käme dann auf 110K Temperaturdifferenz / 2,75K/W = 40W je MOSFET maximal. Ja, oberflächlich gesehen sieht das Datenblatt gut aus, aber wenn man mal rechnet.....
Die Rechnung ist natürlich nur für den statischen "on"-Betrieb gemacht. Man muß jetzt noch das Tastverhältnis beim Schalten berücksichtigen, die thermische Trägheit und bei hohen Schaltfrequenzen auch die Umschaltvorgänge selbst, da wird ja ein Bereich recht hoher Belastung durchfahren (daher ist schnelles Schalten so wichtig, und dem wirkt wieder die Gatekapazität entgegen, daher brauch es da kräftige Treiber!)! Das alles hängt natürlich von Deiner Anwendung ab. Allerdings sollte die Schaltung z.B. auch für "Ruhezustäne" ("on" oder "off" ) dimensioniert sein, es sollte sich durch einen einfachen Fehler in der Ansteuerung nicht gleich alles in Rauch auflösen. Zumindest sollte man die Zeit einplanen, um eine Sicherung zum Ansprechen zu bringen.

»
» Wäre es eigentlich eine sinnvolle Idee, zur besseren Stromverteilung und
» Wärmeableitung mehrere kleine FETs parallel zu schalten statt eines dicken
» FETs?

Das macht aus beiden Gründen Sinn. Allgemein wird gesagt, daß man MOSFETs im Schaltbetrieb einfach parallel schalten kann. Das hat aber seine Grenzen, die auch von der Anwendung abhängen. Da würde ich mal bei den Herstellern nach Applikationshinweisen suchen. Dur müsstest also mindesten 4 Exemplare parallel schalten. Wahrscheinlich wäre ein IGBT die bessere Wahl für Deine Anwendung. Bedenke auch die Treiberleistung - 5nF Gatekapazität erfordern schon kräftige Treiber für ein schnelles Umschalten.


Grüße
Hartwig
»
» Thanx,
» Chris

Hallo Hartwig,
vielen Dank abermals für die zahlreichen Überlegungen und Beispielrechnungen. Ich stimme völlig überein, daß bei einer derartigen Leistungsaufnahme durch den FET allein die Wärmeableitung großzügig dimensioniert werden muß. Fast noch schlimmer finde ich den Leistungsverlust, der mir für meine Anwendung dadurch fehlt und - nur für den FET - ein entsprechend größeres Netzteil erfordern würde.
Ich habe mal ein wenig bei IGBTs gestöbert, aber in diesem Punkt zumindest keine wesentlichen Vorteile entdeckt, übliche Typen haben einen Spannungsabfall Vce(sat) um die 2V, die gehen mir als Wärme verloren, müssen großdimensioniert abgeführt werden und fehlen mir letztlich in meiner Anwendung.
Ich frage mich mehr und mehr, ob ein FET/IGBT überhaupt sinnvoll ist für meine Anwendung, denn ich will ja nicht pulsen, sondern einfach nur 5V/70A an/aus schalten (für eine Überstrom+Temperaturüberwachung). Dafür würden sogar gute alte Relais genügen, die schlucken nur 1W und brauchen weder Kühlkörper, noch aufwendige Gatetreiber...

Hallo,
» Dafür würden
» sogar gute alte Relais genügen, die schlucken nur 1W und brauchen weder
» Kühlkörper, noch aufwendige Gatetreiber...

schon richtig, allerdings 70A unter Vollast trennen ist auch nicht so ganz ohne, insbesondere wenn induktivitäten im Spiel sein sollten....Wenn man sich mal die DC-Belatbarkeit von Relais ansieht. Aber im KFZ-Bereich sollte es schon was geben. Allerdings ist das auch eine Preisfrage. Wenn man sich ein 100A-Relais ansieht, dann hat das eine Stromtragfähigkeit von so bei 30A. Bei Deiner Anwendung wäre eher ein Batterietrennrelais angesagt - die haben auch ihren Preis ......
Grüße
Hartwig

» schon richtig, allerdings 70A unter Vollast trennen ist auch nicht so ganz
» ohne, insbesondere wenn induktivitäten im Spiel sein sollten....Wenn man
» sich mal die DC-Belatbarkeit von Relais ansieht. Aber im KFZ-Bereich sollte
» es schon was geben. Allerdings ist das auch eine Preisfrage. Wenn man sich
» ein 100A-Relais ansieht, dann hat das eine Stromtragfähigkeit von so bei
» 30A. Bei Deiner Anwendung wäre eher ein Batterietrennrelais angesagt - die
» haben auch ihren Preis ......

Das mit der Stromtragfähigkeit verstehe ich nicht ganz: Bei einem handelsüblichen 12V/100A DC Relais aus dem Kfz-Bereich bin ich eigentlich davon ausgegangen, daß es mehr als nur 30A schalten kann?

Thx
Chris

Hallo,
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» Das mit der Stromtragfähigkeit verstehe ich nicht ganz: Bei einem
» handelsüblichen 12V/100A DC Relais aus dem Kfz-Bereich bin ich eigentlich
» davon ausgegangen, daß es mehr als nur 30A schalten kann?
da hilft ein Blick in das Datenblatt. Ich hatte jetzt einfach nach einem 100A-Relais gegoogelt. 100A sind offenbar der Einschaltstrom, der Dauerstrom kann erheblich darunter liegen. Gerade im KFZ-Bereich liegen die Einschaltströme oft deutlich über den Dauerströmen (Anzugstrom von Motoren, Kaltstrom von Glühlampen). Der Abschaltstrom ist dann wieder eine andere Geschichte - da geht es um den Lichtbogen, und da spielt dann auch die Spannung ein Rolle. Sicher dürften da eben nur Batterie-Trennrelais sein (gut festhatlen, wenn man den Preis liest ).
Grüße
Hartwig
»
» Thx
» Chris