Power Electronics. Roland Küng, 2010

Transkript

1 Power Electronics Roland Küng,

2 Power LED Wikipedia bietet eine umfassende Sicht auf LEDs: 3 W 5 engl. Super Bright LED vgl. Glühbirne 12 lm/w Halogen 18 lm/w Leuchtstoff 60 lm/w 70 lm/w 2

3 Power LED Lebensdauer gross, wenn bei tiefer Temperatur betrieben! Gute Kühlung wichtig 3

4 Power LED Konstantstromquelle (nicht getaktet) I LED = 0.7/R E Boost Regler für LED Betrieb ab Batterie/Akku möglich max. 250 ma 4

5 Power LED 6 V 1N5819 IRF µ Luxeon III 1n 4k7 2.2 Buck Converter mit LED als Last (anstelle Kapazität und RL) - V Drive stellt die Helligkeitsreferenz ein - R8 misst den Strom durch die LED Spannung über R8 toggelt um V Drive - R6, C3 wirken als Verzögerung um Taktrate einzustellen (50 100kHz) 5

6 Driving Power FET MOSFET Schalter brauchen keinen Strom im Gate Bereich oder doch? Bei schnellem Schalten müssen die Gate Kapazitäten C GS und C GD 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: C GS = 900 pf. Für 1 MHz Taktrate sollte in 10 ns am Gate geschaltet werden (10% Regel). Schaltet man z.b. V GS von 0 V auf 10 V in 10 ns, so fliesst ein 900 ma Ladestrompuls! In der gleichen Zeit sollte auch C GD von V DD auf ~0 V umgeladen werden. IRF 540 off: 52 pf on: 900 pf ic = dv C dt C Man benötigt einen Treiber (Driver) off: 900 pf on: 900 pf Q GS = C V GS = I Driver t 6

7 Driving Power FET Diskrete Schaltung Es gibt viele gute Driver IC s Z GS Zenerdiode schützt Gate vor Überspannung Ron und Roff begrenzen Lade und Entladestrom am Gate R GS hält Gate Potential statisch auf 0 V im Falle eines offenen Anschluss C block liefert die Ladung für das Umladen beim Einschalten des FET Freilaufdiode schützt bei (teil-) induktiver Last 7

8 Überstromschutz Kurzschluss bei der Last kann zu sehr hohen Verlustleistungen bei Power BJT, FET, IGBT führen. Strommessung und Abschaltschutz ist empfehlenswert Fällt über R shunt 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) 8

9 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 V t Wegen des positiven Temperatur-Koeffizienten von FET und IGBT leitet der kühlere Transistor besser und übernimmt etwas mehr Strom. 9

10 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 10

11 Aufbau IGBT BJT(physics) + Power MOSFET(physics) = IGBT i 2 = i 1 *β *** Schaltung ideal Aufbau *** Bezeichnung aus Sicht G: C entspricht Emitter des PNP Parasitäre Elemente 11

12 Kennlinie IGBT Max. 400 A cont V 12

13 Power Devices im Vergleich Spannung Frequenz Strom 13

14 Anwendung IGBT 14

15 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. 15

16 Safe Operating Area SOA T A = 25 0 T J = T C = Gehäuse Temperatur (Case) T J = Halbleiter Temperatur (Junction) T A = Umgebungstemperatur (Ambient) T S = Kühlkörpertemperatur (Sink) d.h im Bsp. Umgebung konstant auf 25 0 I begrenzt P begrenzt VCE begrenzt durch Device r DS begrenzt MOSFET IRF540 16

17 Kühlung (Heat Sink) Modell Verlustleistung P entspricht Stromquelle auf Potential T J. Leitfähigkeit repräsentiert durch thermische Widerstände R Temperatur T (auch Θ) entspricht Spannungspotential 17

18 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), T S T A = P R SA (conv) - radiation (heat transfer through electromgnetic waves). R SA ( TS TA rad) = * 10 * A * ( T T 4 ) S A T in Kelvin A is Surface Area Overall R SA 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. 18

19 Kritischer Faktor R CS The interface resistance R CS (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. R CS = Dicke Wärmeleitfähigkeit Fläche sink Wärmeleitfähigkeit Luft: W/ o C m Wärmeleitfähige Pasten: ~1 W/ o C m case 19

20 Bsp. zur Kühlung 0 C = Grad Celsius W = Watt Betrieb eines IRF540: P < 50 W, T A < 40 0 IRF Datenblatt Grenzen: T J < 175 0, R JC = C/W, R CS = C /W, R JA = 62 0 C/W 1. Gesucht min. Kühlblechgrösse? 12 cm Katalog T S = T J P *( R JC + R CS ) = 92 0 (heiss!) R SA = (T S T A ) / P = C/W 2. Max P ohne Kühlkörper? P = (T J T A ) / R JA = 2.2 W 20

21 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 0 C/W aber >> R CS Metall - Metall Bei Metall - Metall Montage Wärmeleitpaste nicht vergessen Ohne: R CS ~ C/W Mit: R CS < C/W 21

22 Zusammenfassung Power LED Stromspeisung basieren auf Boost oder Buck Konvertern. Sie haben dann einen hohen Wirkungsgrad. Für die Langlebigkeit sollte die Chiptemperatur unter 80 0 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 R th einfach behandeln. 22

23 Design A Heat Sink Weisse LED Cree 3 W: T J < 125 0, R JC = 14 0 C/W T J_longlife < 80 0 T A = 20 o, R CS = 1 0 C/W, R CA = 16 0 C/W 1. Gesucht Temperatur und min. therm. Widerstand Kühlfläche (Longlife) T S = R SA = 1) PCB (Sink) nur Radiation: A in m 2, T in o K, P in W P = 3 * 10 8 * A * ( T 4 S T 4 A ) 2. Welche PCB Fläche bräuchte es alternativ? PCB Luft nur Abstrahlung 1) : 3. Max. P ohne Kühlkörper bei T A = 40 o (Longlife)? P = Lösung: 35 0, 5 0 C/W, 24x24 cm, 1.3 W 23

24 LED Lab Simplified Buck Driver for Power LED L = V f Bat 0 V I LED LED R 6 C 3 ~ 1 2 π f 0 V BATT = 9 V, f 0 = 20 khz P-Enh: IRF9540 (V t = V) D: Schottky Power:1N5818 C 3 = 1nF, R 8 : 2.2 Ω, 0.5 W, L = 1mH LED Luxeon Modul, I max 350 ma V Drive 1V (Schutzdiode) Messen mit Oszilloskop: I LED, V G, V C3 V Drive 0 1 V 24