Wärme als Messgröße für Leistung
Verlustleistg. therm. beanspr. Bauteile von DC/DC-Wandlern messen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Ergebnisse für den integrierten Abwärtswandler
Die Schaltung des integrierten Abwärtswandlers enthält vier Wärmequellen: die Induktivität (W1), das Treiber-IC (W2), den spannungsseitigen MOSFET (W3) und den masseseitigen MOSFET (W4). Das Steuer-IC SiC739 ist intern mit mehreren Chips realisiert (Multi-Chip) und die Wärmequellen W2, W3 und W4 sind sehr nahe in einem Gehäuse montiert.
Weil es insgesamt vier Wärmequellen sind, ist S eine 4×4-Matrix. Die Werte von S werden ermittelt, indem die einzelnen Wärmequellen nacheinander mit einem definierten Gleichstrom erwärmt und die resultierenden Temperaturanstiege gemessen werden. In Bild 2 sind die Temperaturanstiege der vier Wärmequellen in Abhängigkeit von einem erzwungenen Gleichstrom durch die Substrat-Diode des masseseitigen MOSFET dargestellt.
Bei einer Umgebungstemperatur TA von 23,3 °C erhält man folgende Werte:
ΔT14 = 8,2 K
ΔT24 = 13,1 K
ΔT34 = 13,4 K
ΔT44 = 22,8 K
Für den Strom I4 wurden 2,14 A gemessen, die Spannung U4 betrug 0,6589 V. Folglich ist die Leistung P4 = I4 × U4 = 1,41 W. Mit den gemessenen Temperaturwerten erhält man für Si4, (i = 1, 2, 3, 4) folgende Werte:
S14 = 5,82
S24 = 9,29
S34 = 9,5
S44 = 16,2
Dieses Vorgehen wurde für alle Wärmequellen wiederholt, um alle Werte der Matrix S:
(5)
und daraus die inverse Matrix zu ermitteln:
(6)
Jetzt können mit Hilfe des SiC739- Evaluation-Boards und der Gleichungen (3) und (6) die Verlustleistungen der einzelnen Wärmequellen berechnet werden:
P1 = 0,224 W, Induktivität
P2 = 0,431 W, Treiber-IC
P3 = 0,771 W, spannungsseitiger MOSFET
P4 = 0,512 W, masseseitiger MOSFET
Aus den elektrischen Messungen ergibt sich die Gesamtverlustleitung der Leistungsstufe zu:
P1 + P3 + P4 = 1,538 W
Das Thermographie-Messverfahren liefert eine Gesamtverlustleistung von:
P1 + P3 + P4 = 1,507 W
Die Unterschiede zwischen den Ergebnissen der thermischen und der elektrischen Methode sind auf weniger signifikante Wärmequellen zurückzuführen, die nicht in die Berechnung einbezogen wurden. Hierzu zählen beispielsweise die Leiterbahnwiderstände und die äquivalenten Serienwiderstände in den Kondensatoren.
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