Power Electronics

Power Electronics
© Roland Küng, 2010
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Power LED
Wikipedia bietet eine umfassende Sicht auf LEDs: http://de.wikipedia.org/wiki/Led
3W
5€
engl. Super Bright LED
vgl. Glühbirne 12 lm/W
Halogen 18 lm/W
Leuchtstoff 60 lm/W
≈ 70 lm/W
2
Power LED
Lebensdauer gross, wenn bei
tiefer Temperatur betrieben!
Gute Kühlung wichtig
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Power LED
Boost Regler für LED
Betrieb ab Batterie/Akku möglich
max. 250 mA
Konstantstromquelle (nicht getaktet)
ILED = 0.7/RE
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Power LED
6V
1N5819
IRF7524
220µ
Luxeon III
1n
4k7
2.2
Buck Converter mit LED als Last (anstelle Kapazität und RL)
- VDrive stellt die Helligkeitsreferenz ein
- R8 misst den Strom durch die LED – Spannung über R8 toggelt um VDrive
- R6, C3 wirken als Verzögerung um Taktrate einzustellen (50…100kHz)
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Driving Power FET
MOSFET Schalter brauchen keinen Strom im Gate Bereich
…oder doch?
Bei schnellem Schalten müssen die Gate Kapazitäten CGS und CGD
dauernd umgeladen werden.
Dies muss schnell geschehen um die Verlustleistung klein zu halten.
Power FET weisen grosse Gateflächen auf, mit einer Kapazität im nF Bereich
Beispiel IRF540: CGS = 900 pF.
Für 1 MHz Taktrate sollte in 10 ns am Gate geschaltet werden (10% Regel).
Schaltet man z.B. VGS von 0 V auf 10 V in 10 ns, so fliesst ein 900 mA Ladestrompuls!
In der gleichen Zeit sollte auch CGD von VDD auf ~0 V umgeladen werden.
IRF 540
off: 52 pF
on: 900 pF
off: 900 pF
on: 900 pF
iC = C
dVC
dt
Man benötigt einen Treiber (Driver)
QGS = C·VGS = IDriver·∆t
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Driving Power FET
Diskrete Schaltung
Es gibt viele gute Driver IC‘s
• ZGS Zenerdiode schützt Gate vor Überspannung
• Ron und Roff begrenzen Lade– und Entladestrom am Gate
• RGS hält Gate Potential statisch auf 0 V im Falle eines offenen Anschluss
• Cblock liefert die Ladung für das Umladen beim Einschalten des FET
• Freilaufdiode schützt bei (teil-) induktiver Last
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Überstromschutz
• Kurzschluss bei der Last kann zu sehr hohen Verlustleistungen
bei Power BJT, FET, IGBT führen.
Strommessung und Abschaltschutz ist empfehlenswert
• Fällt über Rshunt mehr als 0.7 V ab, so schaltet der Transistor das FlipFlop
über den Reset !R zurück.
• Q wird 0 V und damit auch UND Tor Ausgang und die Gate- Spannung.
• Durch setzen (von einem µP) wir der Power Switch wieder eingeschaltet.
• Typische Schaltzeit von max. 10 µs sollte erreicht werden
für einen effektiven Schutz (vgl. SOA)
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Parallelschaltung Power FET
Reicht der Strom, oder die Verlustleitung nicht aus ?
Ist der Durchlasswiderstand zu gross ?
Man kann Power FET parallel schalten
ABER man sollte jeden Gate Anschluss mit einem eigenen
Widerstand an den Treiber anschliessen um Schwingungen zu vermeiden
• Von Vorteil sind möglichst gleiche Kennlinienwerte K und Vt
• Wegen des positiven Temperatur-Koeffizienten von FET und IGBT leitet
der kühlere Transistor besser und übernimmt etwas mehr Strom.
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High Voltage/Current: IGBT
IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor
Utilizing The Best Features From Each Power Devices:
•
BJTs erlauben hohe Ströme im On-Zustand
mit geringer Restspannung über dem Schalter
•
Power MOSFET sind einfach steuerbar durch eine
Spannung am Gate
IGBTs werden hauptsächlich in Anwendungen mit Spannungen > 600 V benutzt,
während darunter MOSFET bevorzugt sind
IGBTs können im Off- Zustand mehrere 1000V aushalten und im On- Zustand
mehrere 100 A bei einigen V Restspannung
IGBT sind langsamer im Schalten als MOSFET
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Aufbau IGBT
BJT(physics) + Power MOSFET(physics) = IGBT
***
i2 = i1*β
Schaltung ideal
Aufbau
*** Bezeichnung aus Sicht G: C entspricht Emitter des PNP
Parasitäre Elemente
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Kennlinie IGBT
Max. 400 A cont. 1200 V
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Power Devices im Vergleich
Spannung
Fr
eq
ue
nz
S
m
rt o
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Anwendung IGBT
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Safe Operating Area SOA
safe operating area (SOA) is defined as the voltage and current conditions
over which the device can be expected to operate without self-damage.
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Safe Operating Area SOA
TA = 250
TJ = 1750
TC = Gehäuse Temperatur (Case)
TJ = Halbleiter Temperatur (Junction)
TA = Umgebungstemperatur (Ambient)
TS = Kühlkörpertemperatur (Sink)
d.h im Bsp. Umgebung konstant auf 250
I begrenzt
P begrenzt
VCE begrenzt
durch Device rDS begrenzt
MOSFET IRF540
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Kühlung (Heat Sink)
Modell
Verlustleistung P entspricht „Stromquelle auf Potential TJ“.
Leitfähigkeit repräsentiert durch thermische Widerstände R
Temperatur T (auch Θ) entspricht Spannungspotential
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Heat Sink Details
Heat sinks can dissipate power in three ways:
- conduction (heat transfer from one solid to another),
- convection (heat transfer from a solid to a moving fluid (air),
TS − TA = P ⋅ RSA (conv )
- radiation (heat transfer through electromgnetic waves).
RSA (rad ) =
TS − TA
3 * 10 −8 * A * (TS4 − TA4 )
T in Kelvin
A is Surface Area
Overall RSA is the parallel resistor of convection and radiation part, convection dominates.
The orientation of PCB heat sinks should be
considered carefully!
It is important to position the board/heat sink so that
the plane is vertical. If the board plane is horizontal, it
will block the formation of air convection currents.
Radiation is then the only mechanisms.
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Kritischer Faktor RCS
The interface resistance RCS (Case to Sink) depends on the surface
finish, flatness, applied mounting pressure, contact area, and,
of course, the type of interface material and its thickness.
RCS =
Dicke
Wärmeleitfähigkeit ⋅ Fläche
Wärmeleitfähigkeit Luft: 0.025 W/oC·m
Wärmeleitfähige Pasten: ~1 W/oC·m
sink
case
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Bsp. zur Kühlung
0C
= Grad Celsius
W = Watt
Betrieb eines IRF540: P < 50 W, TA < 400
IRF Datenblatt Grenzen:
TJ < 1750, RJC = 1.15 0C/W,
RCS = 0.5 0C /W, RJA = 62 0C/W
1. Gesucht min. Kühlblechgrösse?
Katalog
cm
12
TS = TJ – P *( RJC + RCS) = 920 (heiss!)
RSA = (TS – TA) / P = 1.05 0C/W
2. Max P ohne Kühlkörper?
P = (TJ – TA) / RJA = 2.2 W
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Kühlung
Grobe Regel:
Bis 3 W keine Kühlung nötig bei Anwendung in Raumtemperatur
Bis 50 W passive Luftkühlung mit Kühlblech (Strahlung)
Bis 500 W Kühlblech mit Ventilator (Konvektion)
Grössere Leistungen: höhere Wärmekapazität von Wasser oder Öl
Kühlblech Tipps:
Isolieren des Halbleiters vom Kühlblech mit
spezieller Wärmeleitfolie möglich:
ca. 3 0C/W aber >> RCS Metall - Metall
Bei Metall - Metall Montage Wärmeleitpaste nicht vergessen
Ohne: RCS ~ 1…2 0C/W
Mit: RCS < 0.5 0C/W
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Zusammenfassung
Power LED Stromspeisung basieren auf Boost oder Buck Konvertern.
Sie haben dann einen hohen Wirkungsgrad. Für die Langlebigkeit
sollte die Chiptemperatur unter 800 liegen.
IGBT vereinen die Vorteile von FET und BJT und eigenen sich
für hohe Ströme bei grossen Spannungen.
Sie sind aber langsamer schaltbar als FET.
Power Elektronik beinhaltet auch Lösungen für Überlastungsschutz
Kühlung und Beherrschung des SOA.
Kühlungsproblem lassen sich mit einem Modell mit Stromquelle P
und thermischen Widerständen Rth einfach behandeln.
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Design A Heat Sink
Weisse LED Cree® 3 W: TJ < 1250, RJC = 14 0C/W
TJ_longlife < 800 TA = 20o, RCS = 1 0C/W,
RCA = 16 0C/W
1. Gesucht Temperatur und
min. therm. Widerstand Kühlfläche (Longlife)
TS =
RSA =
1)PCB
(Sink) nur Radiation:
A in m2, T in oK, P in W
P = 3 * 10 −8 * A * (TS4 − TA4 )
2. Welche PCB Fläche bräuchte es alternativ?
PCBLuft nur Abstrahlung1):
3. Max. P ohne Kühlkörper bei TA = 40o (Longlife)?
P=
Lösung: 350 , 5 0C/W, 24x24 cm, 1.3 W
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LED Lab
Simplified Buck Driver for Power LED
L=
VBat − VLED
f0 ⋅ ILED
R 6 C3 ~
1
2 ⋅ π ⋅ f0
VBATT = 9 V , f0 = 20 kHz
P-Enh: IRF9540 (Vt = -2...-4 V)
D: Schottky Power:1N5818
C3 = 1nF, R8: 2.2 Ω, 0.5 W, L = 1mH
LED Luxeon Modul, Imax 350 mA
VDrive ≤ 1V (Schutzdiode)
Messen mit Oszilloskop:
ILED, VG, VC3
VDrive 0…1 V
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