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Power Electronics

© Roland Küng, 2010

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Power LED

Wikipedia bietet eine umfassende Sicht auf LEDs: http://de.wikipedia.org/wiki/Led

engl. Super Bright LED

vgl. Glühbirne 12 lm/WHalogen 18 lm/WLeuchtstoff 60 lm/W

≈ 70 lm/W

3 W5 €

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Power LED

Lebensdauer gross, wenn beitiefer Temperatur betrieben! Gute Kühlung wichtig

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Power LED

Konstantstromquelle (nicht getaktet)ILED = 0.7/RE

Boost Regler für LEDBetrieb ab Batterie/Akku möglichmax. 250 mA

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Power LED

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)

1n 4k7 2.2

IRF7524

220µ

Luxeon III

1N5819

6 V

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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 BereichBeispiel 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.

off: 900 pFon: 900 pF

off: 52 pFon: 900 pF

IRF 540

Man benötigt einen Treiber (Driver)

QGS = C·VGS = IDriver·∆t

dt

dVCi C

C =

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Driving Power FET

• 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

Es gibt viele gute Driver IC‘sDiskrete Schaltung

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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 FlipFlopüber 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

Utilizing The Best Features From Each Power Devices:

• BJTs erlauben hohe Ströme im On-Zustandmit geringer Restspannung über dem Schalter

• Power MOSFET sind einfach steuerbar durch eineSpannung am Gate

IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor

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

Parasitäre Elemente

Schaltung idealAufbau

i2 = i1*β

*** Bezeichnung aus Sicht G: C entspricht Emitter des PNP

***

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Kennlinie IGBT

Max. 400 A cont. 1200 V

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Power Devices im Vergleich

Spannung

StromFrequenz

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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

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

TA = 250

TJ = 1750

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Kühlung (Heat Sink)

Verlustleistung P entspricht „Stromquelle auf Potential TJ“. Leitfähigkeit repräsentiert durch thermische Widerstände RTemperatur T (auch Θ) entspricht Spannungspotential

Modell

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Heat Sink Details

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.

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),

- radiation (heat transfer through electromgnetic waves).

)(convRPTT SAAS ⋅=−

)(***)(

4A

4S

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ASSA

TTA103

TTradR

−

−=

−

Overall RSA is the parallel resistor of convection and radiation part, convection dominates.

T in KelvinA is Surface Area

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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.

FlächeähigkeitWärmeleitf

DickeRCS

⋅=

Wärmeleitfähigkeit Luft: 0.025 W/oC·mWärmeleitfähige Pasten: ~1 W/oC·m case

sink

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Bsp. zur Kühlung

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?

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

12 cm

0C = Grad Celsius W = Watt

Katalog

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Kühlung

Grobe Regel:

Bis 3 W keine Kühlung nötig bei Anwendung in RaumtemperaturBis 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 ÜberlastungsschutzKühlung 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 =

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

)(*** 4A

4S

8 TTA103P −= −

1)PCB (Sink) nur Radiation:A in m2, T in oK, P in W

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LED Lab

LED0

LEDBat

If

VVL

⋅

−=

036 f2

1~CR

⋅π⋅

VBATT = 9 V , f0 = 20 kHzP-Enh: IRF9540 (Vt = -2...-4 V)D: Schottky Power:1N5818C3 = 1nF, R8: 2.2 Ω, 0.5 W, L = 1mHLED Luxeon Modul, Imax 350 mAVDrive ≤ 1V (Schutzdiode)

Messen mit Oszilloskop:ILED, VG, VC3VDrive 0…1 V

Simplified Buck Driver for Power LED