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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 10. Nov 2017, 05:15 
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Mir fällt gerade beim Durchlesen meines Beitrages ein weiterer Punkt für den BSM111 spricht ein: Du benötigst keine weitere Isolation da dieser schon isoliert ist.

PS

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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 10. Nov 2017, 13:26 
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Hier mal passende Lektüre in einem anderen Forum.
Auch wenn da kein Schaltplan vorhanden ist, kann man zumindest den mechanischen Aufbau und den verwendeten Mosfet erkennen.

Wenn nicht gewünscht, dann den Link bitte entfernen.
http://www.fingers-welt.de/phpBB/viewto ... 25#p197018


Gruß


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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 11. Nov 2017, 01:27 
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Dev hat geschrieben:
Das Ding fliegt Dir so schnell um die Ohren... :mrgreen:
Im Schaltplan ist als Mosfet der IRFP048N eingetragen. Da stehen im Datenblatt zwar 140 W, diese beziehen sich aber auf zwei für Dich vollkommen unrealistische Fälle:
1. Die Gehäusetemperatur des Mosfets muss konstant bei 25°C gehalten werden!
2. Die Angabe gilt nur im Schaltbetrieb, also voll durchgesteuert! Sie gilt nicht im Analogbetrieb als Widerstandslast.

Punkt 1 steht sogar explizit im Datenblatt, Punkt zwei muss man selbst erkennen, weil zum einen im SOA-Diagramm keine DC-Kurve ist und zum anderen die Forward Transconductance relativ hoch ist - wenn auch nicht ganz so schlimm wie bei vielen anderen Mosfets.

99% aller modernen Mosfets sind nur noch für den Schaltbetrieb entwickelt. Bauteile für den linearen Bereich werden so gut wie gar nicht mehr gebaut.

Deinem Mosfet würde ich im Linearbetrieb etwa 40 bis 60 W zutrauen - bei sehr guter Kühlung, d.h. der Kühlkörper bleibt unter 50°C.
Das hängt aber auch vom ZTC-Punkt (Zero Temperature Coefficient) ab, den man erst ermittelb müsste. Da Du generell bei niedrigen Spannungen und mit hohen Strömen arbeitest, hast Du vermutlich Glück und liegst über ZTC.
Ein wenig Literatur zu dem Thema.

Ein Mosfet, der gut für den Linearbetrieb geeignet ist, ist der FDH44N50. Oder Du nimmst Bipolartransistoren. Die sind meist unkritischer.
Okay, starten wir mit dem Transistorthema das ist das wichtigste. Ich hab mir den Text von dem Infineon Blatt mal durchgelesen, darf jedoch nicht behaupten alles verstanden zu haben.

Fangen wir mit dem Maximum Power Limit im SOA Diagramm an.
Dateianhang:
ZthJCt.jpg
ZthJC sollte für DC etwa 1,05 betragen, also rechnen wir uns mit eq.3 aus dem Infineonblatt den Strom aus. IDS = dTmax/(1,05*VDS) mit dTmax = 150K für den Transistor. Bei vollem Strom und 4,5V beträgt VDS 4,5V-0,94V = 3,56V weil am Shunt auch noch was anfällt. IDS beträgt dann 40,13A. Das wäre mehr, als die angedachten 37,5A.
Mal ins SOA Diagramm vom Hersteller eingetragen.
Dateianhang:
SOA.jpg
Was uns zur Thermal (in-)stability limit-line bringt. Also wenn man sich das SOA Diagramm anschaut, hat es entweder _nur_ eine Maximum Power Limit Line _oder nur_ eine Thermal stability limit Linie. Das ist natürlich unpraktisch wenn man die Steigung von letzterer übernehmen und auf die neue Maximal Power Limit Linie verschieben will :D

Mal einen Blick in das ID zu VGS Diagramm mit dem ZTO Punkt.
Dateianhang:
IDVGS.jpg
Okay, ich bin im _sehr_ instabilen Bereich. Nur wie funktioniert das derating ohne dass beide Linien im SOA Diagramm vorhanden sind? Treten solche punktuellen runaways im Transistor nur bei großen Spannungen auf? Das SOA Diagramm aus dem Infineonblatt würde das zumindest implizieren, also für mich mit vergleichsweise niedrigen Spannungen weniger betreffen. Aber wie lege ich das aus, gibt es da überhaupt eine Möglichkeit?

(Ich habe beim Datenblatt lesen übrigens gemerkt das der IRFP048N kein Logic Level MOSFet ist, was naja dazu führt, dass ich ihn eigentlich nicht ansteuern kann in meiner Schaltung ooops :D
Aber die Auslegung sollte ich trotzdem kapieren, die ändert sich bei einem anderen Transistor nicht).


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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 11. Nov 2017, 01:46 
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Oh, jetzt seh ich erst das Problem, wenn ich wärmer werde schwindet mein dTmax, ich sollte die Maximum Power Linie also nochmal mit 75° oder so berechnen, okay, jetzt ist der Groschen gefallen. Bei 4,2V würd ich ca. 30A haben, bei 4,5V 25A. Naja die anderen Fragen bleiben jedoch noch aktuell...

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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 11. Nov 2017, 14:22 
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Registriert: 10. Sep 2009, 20:50
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Das erste von Dir genannte Diagramm ist nicht das SOA Diagramm, sondern eine Darstellung des effektiven Wärmewiderstands bei sehr kurzen Pulsdauern. Du nutzt den Mosfet aber mit einem Dutycycle von D=1,0 (also 100% Einschaltdauer), was ungefähr der roten von mir eingezeichneten Linie entspricht, und ein Entladezyklus dauert mehrere Sekunden. Der abzulesende Arbeitspunkt im Diagramm ist also näherungsweise der rechts eingezeichnete rote Kreis. Das sollte einem Korrekturwert von 1,0 entsprechen - d.h. es ist kein Korrektur notwendig. Irgendwie logisch, denn das Diagramm liefert ja nur Korrekturwerte für sehr kurze Pulse, die bei Dir aber gar nicht vorliegen. Das kannst Du also ignorieren.
Dateianhang:
Transient thermal impedance.png


Zum SOA-Diagramm kann ich bei dem Mosfet nur wenig sagen. Ich habe mal als rein theoretische Betrachtung die 140 W Kurve in das Diagramm eingezeichnet und Deinen gewünschten Arbeitspunkt blau markiert.
Dateianhang:
SOA.png

Du siehst zumindest, selbst für einen uneingeschränkt für den Linearbetrieb geeigneten Mosfet würde das theoretisch betrachtet eng werden. Praktisch klappt es nicht.

Dein drittes und letztes Diagramm zeigt, dass der ZTC-Punkt des Mosfets bei ca. 65 bis 70 A liegt. Oberhalb davon ist er thermisch stabil, unterhalb davon kann er instabil werden.
Die Betonung liegt auf kann - nicht muss.
Die HEXFETs bestehen intern aus einer Vielzahl kleiner parallel geschalteter Mosfets. Mit diskreten Bauteilen kann man das ohne Stromverteilungswiderstände nicht machen, weil die thermische Kopplung zwischen den Bauteilen fehlt.
Auf einem IC klappt das relativ gut. Aber auch dort ist es ein Wettlauf zwischen der Bildung von Hot-Spots und der Wärmeleitung zwischen den einzelnen Mini-Transistoren.

Etwas unterstützen kann man den Mosfet, indem man
1) einen Kühlkörper mit dicker Bodenplatte nimmt, damit die Bodenplatte überall gleich warm ist
2) die Wärmeleitpaste sehr dünn und vor allem gleichmäßig aufträgt
3) den Anpressdruck gleichmäßig gestaltet.

Der letzte Punkt bedeutet insbesondere, dass man die Befestigungsschraube nicht zu fest anzieht. Sonst verbiegt man das Gehäuse minimal (< 1/100 mm) und die einzelnen Bereiche des Mosfets haben eine unterschiedlich gute Kopplung an den Kühlkörper.

Was kann man Deinem Mosfet jetzt realistisch an Verlustleistung zutrauen? Nehmen wir einfach mal an, er ist für den Linearbetrieb geignet.
Die maximale Chiptemperatur ist mit 175°C angegeben. Das ist aber nicht der sinnvolle Betriebspunkt, sondern die Grenze ab wann er kaputt gehen darf. Ein paar Grad sollten wir daher abziehen. Maximum sind also 160°C.
Der Wärmeübergangswiderstand vom Siliziumchip zur Bodenplatte des Mosfets sind 1,1 °C/W und von der Bodenplatte zum Kühlkörper kommen weitere 0,24°C/W hinzu. Wenn Dein Kühlkörper jetzt beispielsweise 3°C/W (großer Kühlkörper ohne Lüfter oder kleinerer mit Lüfter) hat kommst Du in Summe auf 4,34°C/W.
Im Sommer haben wir 30°C Lufttemperatur, also hast Du 130 °C erlaubte Differenz und kannst somit 130 / 4,34 = 30 W verbraten.
Wenn Dein Kühlkörper auf 1 °C/W kommt (Sehr großer Kühlkörper ohne Lüfter oder ein mittelgroßer mit Lüfter) sind es 55 W.

Wenn Du davon jetzt noch 10W Reserve abziehst, weil er nicht gut für den Linearbetrieb geeignet ist, ist die Chance gut, dass es funktioniert. Bei 45W pro Mosfet und einem Shuntwiderstand von 0,1 Ohm pro Strang kann jeder Strang dann etwa 11 A. Du brauchst dann 7 Stränge, um auf 75 A zu kommen.
Mit einem etwas größeren Widerstand von 0,2 Ohm wären 15 A möglich. Letzteres ist auch besser für die thermische Stabilität, da der Mosfet (bei gleicher Verlustleistung) bei höheren Strömen stabiler ist. Je größer der Widerstand wird, desto weniger Strom kannst Du natürlich bei kleineren Eingangsspannungen ziehen.
Ich nehme aber an, Du willst mit dem vollen Strom Deiner elektronischen Last von 75 A bis zur Entladeschlussspannung der Zelle entladen können. Das sind ca. 2,5 V für Li-Ion und für LiFePO4 (falls relevant) sind es sogar knapp über 2 V.
Für 2,5 V sind mit dem 0,1 Ohm Widerstand noch die vollen 11 A pro Strang möglich, mit dem 0,2 Ohm Widerstand nur noch 10 statt 15 A. Dann würde der Entladestrom also nicht über die volle Entladedauer konstant gehalten werden können.
Also empfehle ich, einen 0,1 Ohm als Shunt für jeden Zweig zu nutzen. Dann bleiben noch ein paar mOhm als Reserve für die Verkabelung. Die Mindeststpannung, die für den vollen Strom notwendig ist, liegt dann bei knapp über 2V. Bei kleineren Eingangsspannungen sinkt der maximal mögliche Strom.

Besser ist es natürlich, direkt einen geeigneteren Mosfet mit DC-Kurve im SOA Diagramm zu nehmen. Dann hat man nicht die Restgefahr, dass es doch nicht funktioniert. Denn kaputt gehen kann der Mosfet auch mit den oben berechneten Parametern noch. Es ist nur relativ unwahrscheinlich.

Der von mir genannte FDH44N50 kostet um die 8-9 € und kann realistisch knapp über 100 W bei guter Kühlung verheizen. Er hat aber einen etwas höheren RDS_on Widerstand (120 mOhm), so dass Du trotzdem fünf Stück brauchen würdest, um auf Deinen gewünschten Strom zu kommen. Das ist dann zwar ein thermisch absolut stabiler Aufbau, weil die Mosfets sich praktisch nur langweilen, aber Du sparst keine Bauteile und auch kein Geld.
Eventuell lohnt es sich, noch mal nach geeigneten Mosfets zu gucken. PS hatte auch noch einen Typen genannt, den habe ich mir aber noch nicht angesehen.

So weit so gut. Jetzt muss ich aber erst einmal ein paar Quadratmeter Fliesen entfernen. Dabei kann der Kopf sich dann erst einmal entspannen. Der muss da recht wenig arbeiten. :mrgreen:


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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 11. Nov 2017, 15:25 
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Dass das erste Diagramm kein SOA Diagramm ist hab ich grade noch verstanden, aber für das SOA Diagramm braucht man den ZthJC Wert, deshalb hab ich damit begonnen.

Naja, der vorgesehene Kühlkörper ist ein PC Kühlkörper der normalerweise CPUs bei bis zu 180W auf 70°C oder so halten muss, das Teil hat nen Lüfter, arbeitet mit Heatpipes und wiegt 1kg. Ich kann mir nicht vorstellen, dass der mehr als 0,3 K/W Wärmewiderstand hat. Für 3K/W findet man so etwas: http://de.rs-online.com/web/p/kuhlkorper/6925093/
Würd ich jetzt eher als "lieb" bezeichnen :D

Sagen wir wir haben 2 Mosfets pro Kühlkörper weil das geht sich vom Platz her aus. also das halbe Wärmeabfuhrbudget von 0,6K/W - eine Summe von ca. 2K/W. Bei 130°C wären das 65W - 10W weil er instabil werden könnte. also 55W.
Nehmen wir mal neue Randbedingungen an. Es gibt keine Hochleistungsakkus mit 4,35 oder 4,4V also haben wir 4,2V. Der Shunt hat 0,05Ohm pro Mosfet jetzt (weil wir dann nur einen pro Mosfet verwenden) der schluckt bei 15A 0,75V also bleiben am Mosfet 4,2-0,75V 3,45V über. 15A*3,45V=52W also 15A würden gehen. Dann hätte ich eine 60A Last mit 4 der genannten Transistoren. Dass bei 4,5V nicht so viel gezogen werden darf, kann ich ja dann in Software sperren, das macht jetzt keine Probleme.
Na gut mit 60A würd ich mich erstmal zufrieden geben und ich kann ja sobald die Kiste läuft messen wo ich thermisch stehe, und ob evtl. mit den neuen Erkenntnissen aus SOA und den 10W "Reserve" in Richtung 75A (18,75A pro Strang) gehen kann (weil der Kühlkörper vielleicht besser als 0,3K/W ist). Vielleicht verheiz ich einfach auch einen Transistor und schau ab wann er den Geist aufgibt, bräuchte da nur noch die passende Spannungsquelle :D

Die Auslegung auf die geringe Impedanz im System hab ich schon gemacht, daher auch 0,025Ohm durch die 2 parallel geschaltenen 0,05 Ohm Shunts - ich hätte gerne noch eine Schmelzsicherung im Akkustromkreis da brauch ich auch noch ein paar mOhm Reserve.

Befestigen werde ich die Bauteile übrigens nicht mit der Schraube am Transistor, weil da kein Fleisch am Kühlkörper ist für ein Gewinde. Also eher mit einer Klammer, wo ich über ne Schraube recht gut nen gleichmäßigen, hohen Anpressdruck machen kann. Elektrisch ist bei den Transistoren ja Drain auf Kühlkörper durchverbunden, der - falls ich den Transistor paarweise Nutze von der Schaltung her auch durchverbunden ist. Ich brauch also kein Isolierpad was mir nen zusätzlichen Wärmewiderstand verursacht.

Vielen Dank für die Mühe beim Erklären und durchrechnen, jetzt hab ich glaub ich nen ganz guten Überblick :)

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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 11. Nov 2017, 16:33 
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Hi

Für Entladung von LiIon Zellen kannst Du getrost mit max 4,0V rechnen. Ab 20A sind die binnen Sekunden alle eh recht schnell sogar noch deutlich darunter.
Wegen dem Parallelschalten der Drainanschlüsse liegst Du, mein ich falsch. Der ist bei den Mosfets unten am Messwiderstand und würde bei deiner Schaltung eine Parallelschaltung zweier Mosfets bedeuten.

Ich hatte mal mit IGBTs experimentiert die in einem Dreifach-Modul untergebracht sind. Diese waren mit 1250W pro IGBT angegeben. Bei ca 600W war der erste nach kurzer Zeit defekt. Der Grund lag wohl daran, dass pro Strang zwei Chips verbaut waren und einer, bedingt durch geringste Unsymmetrie den vollen Strom auf sich vereinte... Nachdem ich dessen Anschlüsse im Gehäuse kappte und einen Zweiten Transistor eines weiteren Stranges per Drainwiderstand parallelschaltete hielten diese der Leistung Stand.
IGBts kommen bei deiner Anwendung aber eher nicht infrage weil diese meist auch eine zu hohe Uce haben.

PS

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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 11. Nov 2017, 16:37 
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powersupply hat geschrieben:
Wegen dem Parallelschalten der Drainanschlüsse liegst Du, mein ich falsch. Der ist bei den Mosfets unten am Messwiderstand und würde bei deiner Schaltung eine Parallelschaltung zweier Mosfets bedeuten.
Dann hab ich den aber im Schaltplan falsch eingezeichnet, da wäre Drain auf Akku+ :lichtauf:
EDIT: 20s google sagt zumindest es müsste stimmen?

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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 11. Nov 2017, 19:29 
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m_karl hat geschrieben:
Dann hab ich den aber im Schaltplan falsch eingezeichnet, da wäre Drain auf Akku+ :lichtauf:
EDIT: 20s google sagt zumindest es müsste stimmen?

Hast ja Recht. :top:
Irgendwie bring ich das immer wieder mal durcheinander.
In Wikipedia ist es ja schön beschrieben.

PS

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