Bürstenlose Dreiphasen-Motoren
Thermische Optimierung einer Hochleistungs- Leiterplatte
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Abschätzung der Verluste
Die thermische Optimierung des EvalSTDrive101 begann mit einer Abschätzung der während des Betriebs im Frequenzumrichter abfallenden Verlustleistung, die wiederum als Eingabewert für den thermischen Simulator diente. Die Verluste lassen sich in zwei Kategorien aufteilen, nämlich in die Stromwärmeverluste in den Leiterbahnen und die in den elektronischen Bauelementen auftretenden Verluste. Anhand der importierten Layoutdaten kann Celsius die Stromdichten und damit die Leiterplattenverluste präzise ermitteln. Dagegen müssen die Verluste in den elektronischen Bauteilen berechnet werden. Obwohl ein Schaltungssimulator sehr exakte Resultate liefern könnte, bevorzugte das Team die Verwendung vereinfachter Formeln für eine sinnvolle Abschätzung der Verluste – wenn auch mithilfe von Näherungen. Es kann sein, dass vom Bauteilhersteller keine elektrischen Modelle verfügbar sind und die Eigenentwicklung solcher Modelle aufgrund fehlender Daten schwierig ist oder ganz ausscheidet. Die angegebenen Formeln benötigen aber nur ganz elementare Angaben aus den Datenblättern. Lässt man Sekundärphänomene unberücksichtigt, wird die Verlustleistung im Frequenzumrichter von den Verlusten in den Shunt-Widerständen (Psh) und in den MOSFETs dominiert. Diese Verluste setzen sich aus Leitungs- (Pcond), Schalt- (Psw) und Diodenverluste (Pdt) zusammen:
Psh = (Rsh∙ Il2)/2
Pcond ≈ (Ron· Il2 ∙ (1 – 2 ∙ tdt∙ f))/2
Psw ≈ (f ∙ Vs∙ Il ∙ ((Qp· Rg)/(Vgd – Vp) + Qp/Igd + Rg∙ Ciss∙ ln ((Vgd – Vth)/(Vgd – Vp)) +
(Ciss∙ (Vp – Vth))/Igd))/4
Pdt ≈ Vd∙ Il∙ tdt∙ f
Die Parameter, ihre Bedeutung und die Werte sind Tabelle 1 zu entnehmen.
Als geschätzte Verlustleistung wurden Werte von 1,303 W pro MOSFET und 0,281 W pro Shunt-Widerstand ermittelt.
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