Kühlkörperauswahl so richtig?

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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

[PICture]

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.

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

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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.

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

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

[PICture]

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. ).

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.

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

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

[PICture]

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

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.

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

Ja, sicher.