close

Anmelden

Neues Passwort anfordern?

Anmeldung mit OpenID

1 Lösungen zu Übungsblatt 1 1) Ein 1kΩ-Widerstand ist für einen

EinbettenHerunterladen
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
Lösungen zu Übungsblatt 1
1) Ein 1k-Widerstand ist für einen Temperaturbereich von -55°C bis +125°C
spezifiziert. Seine Nennbelastbarkeit bis 70°C beträgt P70 = 0.25W.
a) Wie groß ist sein thermischer Widerstand?
Bei passiven Bauelementen ohne explizite Angabe immer Betrieb ohne
Kühlkörper:
R thJA 
TJ max  TA
PDS
DS
A

125C  70C
55K
K

 220
0.25 W
0.25 W
W
b) Skizzieren Sie die Derating-Kurve:
PVmax/W
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
25
50
75
100 125 150
TA/°C
c) Welche Spannung darf bei einer Umgebungstemperatur von 85°C maximal am
Widerstand anliegen?
TA  85°C  PVmax  0.18W (aus Derating-Kurve)
oder rechnerisch: PV max 
TJ max  TA 125C  85C
40K


 0.182 W
R thJA
220 K W
220 K W
U2
PV 
 Umax  PV max  R  0.182 W  10 3   13.5 V
R
1
tw 18.10.2014 Loesung_1.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
2) Eine Diode 1N4001 (Datenblatt s. Vorlesungsunterlagen) soll bei einer Umgebungstemperatur von 50°C ohne Kühlkörper betrieben werden.
a) Zeichnen Sie die Derating-Kurve für den Betrieb ohne Kühlkörper.
A
DS
Aus Datenblatt: TJmax  150°C, PDS  2.5W, TA
 25°C
PVmax/W
4
3
2
1
0
0
25
50
75
100 125 150 175
TA/°C
b) Wie groß ist die maximale Verlustleistung beim Betrieb ohne Kühlkörper?
TA  50°C  PVmax  2W (aus Derating-Kurve)
oder rechnerisch: R thJA 
TJ max  TA
A
PDS
DS

150C  25C 125K
K

 50
2 .5 W
2. 5 W
W
(RthJA kann in diesem Fall auch direkt aus dem Datenblatt
entnommen werden)
PV max 
TJ max  TA 150C  50C
100K


 2W
R thJA
50 K W
50 K W
2
tw 18.10.2014 Loesung_1.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
c) Zeichnen Sie die Safe Operating Area in das untenstehende Diagramm:
ID/A
1
Imax
0.8
0.6
0.4
0.2
SOA
PVmax
0
2
0
4
6
8
10
12
14
16
18 UD/V
Die Spannungsgrenze Umax  100V ist in das Diagramm nicht einzeichenbar.
Sie spielt bei Dioden in Durchlassrichtung auch keine Rolle, da die Diode vor
Erreichen dieser Spannung durch Überschreitung der Strom- oder
Leistungsgrenze zerstört wird.
3) Ein MOSFET BUZ 22 (Datenblatt s. Vorlesungsunterlagen) soll bei einer Umgebungstemperatur von 80°C mit Kühlkörper betrieben werden.
a) Zeichnen Sie die Derating-Kurve für den Betrieb mit Kühlkörper.
C
DS
Aus Datenblatt: TJmax  150°C, PDS  125W, TC  25°C
PVmax/W
200
150
100
50
0
0
25
50
75
100 125 150 175
3
TC/°C
tw 18.10.2014 Loesung_1.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
b) Berechnen Sie den maximalen thermischen Widerstand des Kühlkörpers, wenn
eine Verlustleistung von 30W anfällt.
R thJC 
TJ max  TC
PDS
DS

C
150C  25C 125K
K

1
125 W
125 W
W
(RthJC kann in diesem Fall auch direkt aus dem Datenblatt
entnommen werden)
R thCA max 
TJ max  TA
150C  80C
 R thJC 
 1K W  1.3K W
PV
30 W
c) Welche Gehäusetemperatur stellt sich in diesem Fall ein?
aus Derating-Kurve: TC  120°C
oder rechnerisch:
TC  TJ max  R thJC  PV max  150C  1
oder:
TC  TA  R thCA  PV max  80C  1.3
K
 30 W  120C
W
K
 30 W  119C
W
d) Zeichnen Sie die Safe Operating Area in das untenstehende Diagramm:
ID/A
50
40
Imax
30
20
10
SOA
PVmax
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 UDS/V
Die Spannungsgrenze Umax  100V ist in das Diagramm nicht einzeichenbar.
Bei MOSFETs ist diese Grenze auch in Vorwärtsrichtung relevant, wenn der
MOSFET ausgeschaltet ist (UGS  Uth).
4
tw 18.10.2014 Loesung_1.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
4) Bei Aufgabe 3 wird davon ausgegangen, dass die Durchlassverlustleistung
dauerhaft anfällt. Dies ist der Fall, wenn die Einschaltdauer so groß ist, dass
sowohl der MOSFET als auch der Kühlkörper das thermische Gleichgewicht
erreichen. Dies ist zumindest für den Kühlkörper in der Regel nicht der Fall, da
dessen thermische Zeitkonstante bei einigen Minuten liegt.
Berechnen Sie den maximalen thermischen Widerstand des Kühlkörpers und die
Gehäusetemperatur bei einer maximalen Umgebungstemperatur von 85°C, wenn
der MOSFET BUZ22 mit einer Frequenz von 50Hz ein- und ausgeschaltet wird
und jeweils 10ms eingeschaltet bleibt. Die Durchlassverlustleistung beträgt 30W,
die Schaltverluste werden vernachlässigt.
Die thermische Impedanz des MOSFET kann aus dem Datenblatt mit tP  10ms
t
K
10ms
.
 0.5 entnommen werden: Z thJC  0.6
und D  P 
T 20ms
W
Damit kann die maximale Gehäusetemperatur ermittelt werden:
P
T T
P
P
TC max  TJ max  Z thJC  PV
Aus Z thJC  J P C folgt:
PV
K
TC max  150C  0.6  30 W  132C
W
T
t
 TA
P
Aus TC  TA  R thCA  P  PV folgt: R thCA max  C max
P
T
PV  t P T
132C  85C
K
R thCA max 
 3 .1
30 W  0.5
W
Alternativ kann der thermische Widerstand des Kühlkörpers auch direkt durch
Auflösung der im Skript angegebenen Formel ermittelt werden:
TJ max  TA  Z thJC  PV
P
t p T  PV
P
TJ  TA  R thCA  t p T  PV  Z thJC  PV
P
P
R thCA max 
P
 R thCA max 
P
150C  85C  0.6 K W  30 W
K
 3 .1
0.5  30 W
W
TC max  TA  R thCA max  PV 
P
tP
K
 85C  3.1  30 W  0.5  132C
T
W
5
tw 18.10.2014 Loesung_1.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
5) Der MOSFET BUZ22 wird bei einer Umgebungstemperatur von 85°C mit einem
Kühlkörper betrieben, dessen thermischer Widerstand 5K/W beträgt. Mit dem
MOSFET wird ein Einspritzventil 2400mal pro Minute jeweils für 5ms
eingeschaltet. Wie groß darf die Durchlassverlustleistung des MOSFETs in diesem
Fall sein, wenn die Schaltverluste vernachlässigt werden? Welche
Gehäusetemperatur stellt sich bei dieser Verlustleistung ein?
2400 Schaltvorgänge pro Minute entsprechen einer Schaltfrequenz von 40Hz. Die
Periode beträgt damit T  25ms.
Die thermische Impedanz des MOSFET kann aus dem Datenblatt mit tP  5ms
K
t
5ms
und D  P 
 0.2 entnommen werden: Z thJC  0.3
.
W
T 25ms
Damit kann die maximale Durchlassverlustleistung ermittelt werden:
TJ max  TA
R thCA  t p T  Z thJC
P
TJ  TA  R thCA  t p T  PV  Z thJC  PV
P
P
PV max 
P
P
 PV max 
P
150C  85C
65K

 50 W
5 K W  0 .2  0 . 3 K W 1 . 3 K W
Für die Berechnung der Gehäusetemperatur gibt es zwei Möglichkeiten:
TJ  TC
P
Aus Z thJC 
PV
P
folgt:
TC  TJ max  Z thJC  PV max
P
P
K
 50 W  135C
W
K
TC  85C  5  0.2  50 W  135C
W
TC  150C  0.3
Aus TC  TA  R thCA 
tP
P
 PV folgt:
T
6
tw 18.10.2014 Loesung_1.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
6) Im allgemeinen müssen sowohl die Durchlassverluste als auch die Schaltverluste
berücksichtigt werden. Man nimmt dazu an, dass sich die Peak-Temperaturerhöhungen addieren, die sich mit der thermischen Impedanz aufgrund der
verschiedenen Verluste ergeben. Dies ist eine worst-case-Abschätzung, da die
berechneten Peak-Temperaturerhöhungen nicht zum gleichen Zeitpunkt auftreten.
Da in üblichen Anwendungen die Schaltvorgänge aber sehr kurz sind und die
zugehörigen Peaks somit nur schwach ausgeprägt sind, ist der Fehler gering.
Der MOSFET BUZ22 wird mit einer Frequenz von 100kHz ein- und ausgeschaltet
und bleibt jeweils 5s eingeschaltet. Dabei fällt eine Durchlassverlustleistung von
10W an. Beim Einschalten fällt ca. 100ns lang eine Verlustleistung von 600W an
und beim Ausschalten fällt ca. 100ns eine Verlustleistung von 500W an.
Berechnen Sie die maximale Gehäusetemperatur und den maximalen thermischen
Widerstand des Kühlkörpers bei einer maximalen Umgebungstemperatur von
85°C.
Schaltfrequenz  100kHz  Periode T  10s
Die therm. Impedanz des MOSFET für die Schaltverluste wird aus dem Datenblatt
K
t
100ns
 0.01 entnommen: Z thJCein  Z thJCaus  0.01
mit tP  100ns und D  P 
W
T
10s
Damit kann die Peak-Temperaturerhöhung der Sperrschicht relativ zum Gehäuse
aufgrund der Einschaltverluste ermittelt werden:
K
P
P
TJein  TC  Z thJCein  PVein  0.01  600 W  6K
W
Die Peak-Temperaturerhöhung für die Ausschaltverluste beträgt entsprechend:
K
P
P
TJaus  TC  Z thJCaus  PVaus  0.01  500 W  5K
W
Die therm. Impedanz des MOSFET für die Durchlassverluste wird aus dem DatenK
t
5s
blatt mit tP  5s und D  P 
Z thJCdurch  0.5
 0.5 entnommen:
W
T 10s
Damit kann die Peak-Temperaturerhöhung der Sperrschicht relativ zum Gehäuse
aufgrund der Durchlassverluste ermittelt werden:
K
P
P
TJdurch  TC  Z thJCdurch  PVdurch  0.5  10 W  5K
W
Im worst-case addieren sich die Peak-Temperaturerhöhungen zu 16K, so dass
sich für die maximale Gehäusetemperatur ergibt: TC max  150C  16K  134C
t
t
t
P
P
P
Aus TC  TA  R thCA  Pein  PVein  R thCA  Paus  PVaus  R thCA  Pdurch  PVdurch folgt:
T
T
T
R thCA max 
R thCA max 
TC max  TA
P t
P t
P t
PVein  Pein  PVaus  Paus  PVdurch  Pdurch
T
T
T
134C  85C
K
 3 .1
600 W  0.01  500 W  0.01  10 W  0.5
W
7
tw 18.10.2014 Loesung_1.doc
Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
Alternativ kann der maximale thermische Widerstand des Kühlkörpers auch direkt
durch Auflösung der im Skript angegebenen Formel ermittelt werden:
TJ  TA  R thCA  t p1 T  PV1  Z thJC1  PV1  R thCA  t p 2 T  PV 2  Z thJC 2  PV 2  
P
P
R thCA max 
P
P
TJ max  TA  Z thJCein  PVein  Z thJCaus  PVaus  Z thJCdurch  PVdurch
P t
P t
P t
PVein  Pein  PVaus  Paus  PVdurch  Pdurch
T
T
T
P
 R thCA max 
P
P
P
P
150C  85C  0.01K W  600 W  0.01K W  500 W  0.5 K W  10 W
K
 3.1
600 W  0.01  500 W  0.01  10 W  0.5
W


P t
P t
P t
 TC  TA  R thCA   PVein  Pein  PVaus  Paus  PVdurch  Pdurch 
T 
T
T

TC  85C  3.1
K
 600 W  0.01  500 W  0.01  10 W  0.5   135C
W
Anmerkung:
Dass die thermischen Impedanzen und die Tastverhältnisse bei dieser Aufgabe
zahlenmäßig übereinstimmen, ist Zufall und liegt daran, dass dieser MOSFET
einen statischen thermischen Widerstand von RthJC  1K/W besitzt und dass die
Pulse so kurz sind, dass Z thJC  D  R thJC gilt.
8
tw 18.10.2014 Loesung_1.doc
Document
Kategorie
Technik
Seitenansichten
12
Dateigröße
46 KB
Tags
1/--Seiten
melden