neue H-Brücken

Der selbst balancierende einachsige Elektro-Roller

Postby guenter » Sat Sep 29, 2012 12:00 am

Hallo Forum,

wegen der abgerauchten H-Brücken habe ich das Layout nochmal verworfen. Als eines der Probleme habe ich die mechanischen Einschränkungen der Mosfets ausgemacht. Kurze und dicke Leiterbahnen auf der einen Seite, großer Kühlkörper auf der anderen Seite machen das Layout nicht gerade leicht. Deshalb habe ich mich nochmals auf die Suche nach Mosfets in anderem Gehäuse gemacht. Herausgekommen ist der IRLS4030-7 im D²Pack-7 Gehäuse.
Die Vorteile gegenüber dem IRFB4110:
15% niedrigerer Rdson (3,9mOhm statt 4,5mOhm), 50% niedrigere Ladung (93nC statt 150nC), er schaltet bei deutlich niedrigerer Gatespannung durch und hat eben das D²PAK-7 Gehäuse. Dadurch ist der Drainanschluss 8x10mm groß, Sourceanschlüsse gibt es sechs Stück mit 0,45 x 0,7mm. Das Gehäuse vereinfacht das Layout überraschenderweise sehr stark. Es ermöglicht auch eine Kühlung auf beiden Seiten der Platine. Es folgen 3D Ansichten:
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Postby guenter » Sat Sep 29, 2012 12:00 am

Die Mosfests sind auf der Unterseite die höchsten Bauteile. Somit kann man die Platine direkt auf eine Metallplatte oder Kühlkörper schrauben. Die dicke Brücke ist die +Batt Zuleitung für die rechte Platinenhälfte und kann auch anders aussehen.
Ich habe auch jeweils zwei Mosfets parallel geschaltet, um den Widerstand nochmals zu senken.
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Postby guenter » Sat Sep 29, 2012 12:00 am

auf der oberen Seite sieht man im Bereich der Mosfets garnichts. Mit Hilfe von Durchkontaktierungen kann man die Wärme nach oben transportieren und dort einen weiteren Kühlkörper anbringen. Der niedere Rdson von zwei parallelen Mosfets verringert die Verlustleistung: 3,9mΩ/2 = 1,95mΩ. Bei einem angenommenen Strom von 50A bedeutet dies P=I²xR = 50Ax50Ax0,00195Ω = 4,875 Watt. Da der Strom auch durch den anderen Brückenzweig fließt, werden nochmals 5 Watt an den Kühlkörper abgegeben.
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Postby guenter » Sat Sep 29, 2012 12:00 am

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Postby thomas scherer » Sat Sep 29, 2012 12:00 am

Falls über die Leiterbahnen mit Durchkontaktierungen Strom fließt, dann würde ich diese mäanderförmig versetzt anordnen, zur besseren elektrischen Leitung.
Hast Du 70µm Kupferauflage angedacht?
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Postby thomas scherer » Sat Sep 29, 2012 12:00 am

Es sind 5 x Source und 1 x Gate

Unter den Drain-Pads für die MOSFETs müssen aber doch massenhaft Durchkontaktierungen sein, oder? Man sieht die gar nicht.

Most worse case calculation:
Beim Bremsen fließen schon mal auch 100A für >1s. Dann würden pr FET ca. 10W vernichtet, insgesamt 40W, die abzuführen wären.
Ein sehr guter 1K/W-Kühlkörper würde sich dabei theoretisch um 40K erwärmen, wenn er Zeit hätte (wenn der Strom lang genug flösse). Hinzu käme der Wärmewiderstand der Platine. Ohne DuKos ist es indiskutabel (FR4 hat 0,3W/m/K). Mit obtimalen Dukos (dichte 0,25mm-DuKos) käme man bei 10% Cu dann auch λ = 30W/m/K.
Die Pad-Fläche ist 70mm2.
Die ΔT = l * P / λ /A
= 1,5mm * 10W / 30(W/m/K) / 70mm2 = 7K

Das geht, man kommt also auf unter 50K Temperaturerhöhung.

Da der Löwenanteil auf den Kühlkörper geht, wäre das auch mit nicht parallelen FETs nicht machbar. Denn dan sind es total ja 80W und die kann man nur mit Lüfter abführen. Bei gegebenem Lüfter aber sinkt der Wärmewiderstand des KK locker auf 1/4. Dann geht das auf. 80W machen dann 20K am KK.
Hinzu kommen je 40W pro FET. Die temperaturerhöhung am FET ist also 4 x höher und liegt bei knapp 30K. Zusammen also wieder bei 50K.

=> man muss schauen, ob einem ein Lüfter oder mehr FETs besser gefallen
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Postby thomas scherer » Sat Sep 29, 2012 12:00 am

PS: Bei der Gate-Charge vergelichst Du Äpfel mit Birnen.
beim IRLS4030 ist sie nämlich bei UGS von 4,5 V angegeben und beim IRFB4110 bei UGS = 10V. Da sie aber mit UGS steigt und der IRLS eine höhere Eingangskapazität hat, ist auch seine Gate-Charge bei gleichen Bedingungen größer.
Eine Idee wäre, die Gatespannung zu begrenzen. 6V müssten bei dem Typ voll reichen.
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Postby guenter » Sat Sep 29, 2012 12:00 am

Hallo Thomas,

im Hochstrombereich werden alle Leiterbahnen doppelt geführt und mit DuKos versehen. Somit ist die engste Stelle an der theoretischen Leiterbahn 12mm breit (4mm und 8mm) . Seither waren es 6mm (2x 3mm). Die DuKos kannst du nicht sehen, weil sie noch nicht da sind. Mir fehlt auch noch der thermische Widerstand einer Duko bei einer FR4.
Mehr als 16 Transistoren will ich eigentlich nicht verbauen, das wird mir zu teuer. Bei den BLDCs wärens ja sowieso nochmal 8 mehr. Bei einem Alukern würde ich die Möglichkeit von DuKos verlieren. Also oben und unten Wärme abführen und Lüfter dran.

Sollen wir das im Hangout verfeinern?
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Postby guenter » Sat Sep 29, 2012 12:00 am

Hallo Thomas,

beim IRLS4030 kann ich also wählen. Entweder bei gleicher Spannung deutlich schneller schalten, was wenig sinnvoll ist, da wir den Ladestrom sowieso schon begrenzen. Oder die Betriebsspannung des Brückentreibers senken. 10V wären hier am unteren empfohlenen Rand. Alternativ könnte man noch einen IRFP4468 einsetzen. Der ist nicht ganz doppelt so teuer wie der 4030 und im riesigen TO247 Gehäuse. Jedoch ist dann wieder der ganze Strom auf je einen Bondingdraht konzentriert.
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