MOSFETs berechnen

[irrenhaus]

Hallo,

ich sitze gerade daran, eine Steuerung für Schrittmotoren zu entwickeln.

Diese laufen bei 48V und haben 4A Phasenstrom.

Jetzt habe ich mit gerade selbst verwirrt.

Die MOSFETs die ich mir rausgesucht habe, haben RDSon = 12mOhm = 0,012Ohm (IRF1010ES, Pd=200W, Id=84A, Vdss=60V).
Das hieße ja, dass ich bei 4A Maximalstrom an den MOSFETs eine Verlustleistung von P = R * I² also P = 0,012 * 4² = 0,192W habe.

Müssen meine MOSFETs wirklich nur auf 0,192W ausgelegt sein? Denn darauf bezieht sich ja, wenn ich es richtig verstehe, die Angabe max. power dissipation Pd = 200W von den MOSFETs, die ich rausgesucht hatte.

Dann brauche ich ja bei weitem nicht die mit 200W und kann mit den günstigeren IRF540 (130W) genauso gut arbeiten und könnte dazu noch auf Kühlkörper verzichten?

Bin grade etwas verwirrt, würde mich freuen, wenn jemand meine Gedanken klären könnte :)

Danke und
Mit freundlichen Grüßen
Nils

[Siro]

Deiner Rechnung stimme ich zu. Du hast dann wirklich eine sehr geringe Verlustleistung am MOSFET. Vorausgesetzt er schaltet richtig und schnell genug durch.
Wenn er "weich" wird, die Flanken krumm werden, oder die Gate Spannung zu gering ist, wird der RDSon entsprechend höher und damit heizt er sich entsprechend mehr auf.
Das scheint aber auch ein sehr "flinker" Mosfet zu sein, hab mal eben ins Datenblatt geschaut. Rein "statisch" gesehen ist das Ding völlig überdimensioniert.
Wie es sich bei PWM-Betrieb verhält, mit entsprechender Rückspannung von den Motorspulen bin ich etwas überfragt. Da haben wir hier aber sicher auch noch Experten für.
mfg. Siro

[Besserwessi]

Die Wärmefreisetzung am MOSFET ist wirklicht relativ klein und bei 4 A kann man wohl auch noch ohne Kühlkörper auskommen. Wie schon geschrieben, kommen aber noch Umschaltverluste dazu - das kann noch mal ähnlich viel, oder auch mehr werden. Wenn man bei einer Brücke keine extra Freilaufdioden (Shottky-dioden) einbaut, kommen ggf. noch Verluste der Freilaufdioden dazu - das kann durchaus mehr sein als die des eigentlichen MOSFETs. Da sind das bei 4 A dann halt etwa 4 A mal 0,5 V, also rund 2 W für die Zeit in der die Freilaufdiode leitet.

Für Schaltanwendungen ist die Leistungsangabe ziemlich unwesentliche, da sind Ron, und die Gate Ladung wichtiger.

Der MOSFET ist vom Strom her ziehmlich überdiemensioniert und bräuchte einen relativ aufwendigen Gate Treiber. Gesucht ist da ein Kompromiss aus Gate Ladung und On Widerstand - hiermit ist man eindeutig zu weit bei kleinen Widerstand und großer Gate Ladung. Bei 4 A wäre eher ein FET mit eine Ron von etwa 0,05 Ohm passend. Von daher als eher der IRF540, der aber für eine relativ hohe Spannung ist, der IRF1010 ist dagegen bei der Spannung eher knapp.

Ist der Schrittmotor für 48 V Nennspannung (das wäre ungewähnlich), oder wird 48 V als Spannung genutzt ? Bei Schrittmotoren wird nämlich oft deutlich mehr als die Nennspannung genutzt.

[irrenhaus]

Hallo,

Danke für die schnellen und ausführlichen Antworten.

Ich glaube da werd ich mal noch schauen, dass ich noch Dioden einfüge.

Es werden nur 48V genutzt, die Motoren sind mit 4V angegeben.

Die H-Brücke wird dann über einen A3986 angesprochen.

Wenn du alternativvorschläge zu den MOSFETs hast bin ich offen für anderes, allerdings muss ich leider etwas aufs Geld achten, da ich gleich 32 davon brauche. Armer Student und so ;)

Ist es negativ zu werten, dass der IRF540 für eine relativ hohe Spannung ist? Es klang so... :)

Danke und
MfG
Nils

[PICture]

Hallo!

Nein, wegen einer Überdimensionierung ist mir bisher kein Bauteil gestorben, bin aber kein Wissenschaftler, nur Praktiker. ;)

[dagegen]

Hi,

Bei FET´s ist das Problem wie schon erwähnt nicht der geschaltete Zustand, sondern der Übergang von dem durchgeschalteten Zustand zu dem hochohmigen Zustand.
Geht dieser Vorgang zu langsam ab, zu langsam ist in der Kategorie schon wenige mSekunden bei häufiger wiederholung, dann wird dein FET zu einer Heizung und brennt dir mit Sicherheit irgendwan durch.

Der IRF540 ist an sich ganz nett, hat allerdings mit fast 2000pF eine rießige Gate-Kapazität (Input-Capacitance). Hierbei gilt, weniger ist mehr, denn je kleiner eine Kapazität, desto schneller ist Sie aufgeladen. Dieses Problem wird mit ansteigender Frequenz dramatischer, bedingt durch die häufiger Umladung der Gate Kapazität.

Der A3989 ist zwar laut Datenblatt recht zügig, was das auf bzw. zuschalten der FETs angeht, allerdings ist dabei eine deutlich kleiner Kapazität angesteuert worden. Der hohe Innenwiderstand des A3986 bereitet mir in dem Fall etwas Sorgen.

Um dieses Problem zu umgehen benutzt man bei starken Mosfets sogennante Mosfet-Treiber, die große Impulsströme(mehrere Amperé) liefern können, um so dass Gate so schnell wie irgend möglich umzuladen und somit den Mosfet schnell in die beiden Problemfreien Zonen zu befördern.

[Besserwessi]

So direkt hat eine hohe Spannungsfestigkeit des MOSFETs keinen Nachteil. Der kommt indirekt: MOSFETs mit hoher Spannungsfestigkeit haben bei gleichem Ron in der Regel eine höhere Kapazität, weil sie einfach intern größer sind. Der IRF540 ist auch noch ein eher alter Typ - da könnten neuere besser sein.

Ob man externe Dioden braucht, hängt von der Schaltung ab. Teils werden die FETs auch aktiv eingeschaltet und die Dioden sind dann nur noch als Reserve bzw. für eine kurze Überganszeit da. So viel schlechter sind die Dioden in den FETs auch nicht, als externe Dioden - wenn Geld knapp ist, aber platz und Leistung über ist, gehen auch die internen Diode.

Das A3989 IC paßt irgendwie weder zu 48 V noch zu externen MOSFETs.

Edit:
Der A3986 paßt schon zu 48 V und MOSFETs. Ob der Strom reicht müsste man sehen.

[irrenhaus]

Hallo,

danke für die Erklärungen. Ich werde mich mal nach anderen MOSFETs umsehen, die eine möglichst geringe Gate-Kapazität haben.

Vielen Dank und
MfG
Nils

[Crazy Harry]

Ich habe hier ein paar nette kleine (S08-Gehäuse) n-Kanal-FETs mit 25mOhm bei UGS=4.5V und max. 11A. Mit denen regle ich eine Motorradgriffheizung mit 6A und PWM @ 200 Hz Warm werden die überhaupt nicht.