Kühlung moderner Hochleistungsmosfets

[AlexAtRobo]

Hallo Kollegen,

ich spiele wieder einmal mit dem Gedanken einen ordentlichen DC Regler zu basteln. Dabei habe ich mir unter anderem Powermosfets wie diesen hier (IRLH5036PbF) angesehen. Liest sich ja prinzipiell ganz nett, allerdings stellt sich für mich die Frage nach der Kühlung.

Die SMD Mosfets haben 3 Angaben zur Thermal Resistance.
Junction to Mounting Base - 0,5-0,8 K/W
Junction to Case (Top) - 15 K/W
Junction to Ambient 35 K/W

Der Teil der leicht umzusetzen ist, ist letzterer - Junction to Ambient.
Der Mosfet soll bis 150°C aushalten. Wenn wir jetzt von 40°C Umgebung ausgehen (Die hats ja gleich mal) bleiben uns 110°C über. Davon noch Reserve von min. 30°C vorsehen - bleiben uns 80°C zur Erwärmung.

80°C / 35K/W -> 2,3Watt Verlustleistung -> bei RDS On von 0,004 -> max. 24A ohne Kühlung.

Jetzt stellt sich die Frage nach der Kühlung
Kühlkörper oben Drauf scheint ja nicht das Gelbe vom Ei zu sein - obwohl man das gerne sieht.
Dann kommt man zwar von 35K/W auf 15K/W + Kühlkörper - Steigt aber im Endeffekt nur auf 36A.

Am Besten wäre also der Kühlkörper unten auf der Platine - also Richtung Mounting Base. Nur - wie rechnet man das dann?

Vielleicht hat sich jemand ja damit schon beschäftigt und kann mir hier ein paar Tipps geben, wie man hier ansetzen muss - Vias, Rth der Platine / Kupfer, Übergangswiderstände, etc.

lg
Alexander

[021aet04]

Im Datenblatt http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irlh5036pbf.pdf steht auf Seite 7 das die vorgeschlagene Footprint und Stencil Design im AN-1154 (http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1154.pdf) zu finden sind.
Oft wird um das Bauteil eine größere Cu-Fläche benutzt und mit der anderen Platinenseite mittels Vias verbunden (damit die Wärme von der Bauteilseite auf die 2te Seite übertragen wird).
Es gibt auch noch Al-Platinen, die als "Platinenmaterial" Aluminium verwendet. Das Cu und das Al sind mit Keramik o.Ä. getrennt. Dieses Platinenmaterial wird bei Hochleistungsleds verwendet.

MfG Hannes

[Thomas E.]

Zusätzlich zur den "Kupfer-Platine-Flächen" bietet sich natürlich auch eine aktive Zwangskühlung mittels Lüfter an.

[021aet04]

Zwangskühlung kann aber nur an der Bauteiloberseite verwendet werden, die Frage war aber Richtung Platine.

Wie man das rechnet weiß ich jetoch nicht, bzw habe keine Erfahrung. Mit der Wärmeleitfähigkeit von Cu könnte man das ausrechnen, wie man dann aber den Übergang Platine/Umgebung berechnet weiß ich nicht.

MfG Hannes

[AlexAtRobo]

Hallo zusammen,

erstmal danke für die Mühe. Was ich suche, waren Berechnungsgrundlagen für die Wärmeabfuhr durch die Platine. Gefunden habe ich bis jetzt diesen ElektronikPraxis Artikel (http://www.elektronikpraxis.vogel.de/fileserver/vogelonline/files/236.pdf) . Auch dort wird aber nicht genau erklärt wie man zu Rechnen hat. Der thermische Übergangswiderstand zur oberen Kupferlage ist natürlich sehr gering (Lötverbindung). Dann muss die Wärme jedoch durch eben Vias (hier stellt sich die Frage, wieviel man da ansetzen darf, hängt auch stark von der Wandstärke der Kupferschicht ab) und dann auf die untere Kupferlage. Der weitere Übergang zum Kühlkörper ist dann wieder einfach.
Was die aktive Kühlung betrifft - da stellt sich mir die Frage, ob es dann nicht eventuell besser wäre, die Platinenunterseite zu kühlen (mit Lüfter) da oben ja die Gehäuse sitzen und somit die der Junction to Top (15K/W) zum Tragen kommt. Alternativ lässt man oben entsprechend große Kupferflächen zur aktiven Belüftung frei stehen.

Alles in allem komme ich jedoch zu dem Schluss dass bei den heutigen Bauteilpreisen wahrscheinlich die Aufdopplung der Mosfets wohl die einfachste Lösung ist. Halber Strom bedeutet schließlich nurmehr 1/4 der Verlustleistung. Und die schafft man dann meist schon mit Junction to Ambient 35 K/W.

Grüße Alexander