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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik [Mosfet] Verständnisfrage zu Kennwert "Avalanche Energy"


Autor: Mille (Gast)
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Hallo,

ich setze einen Power-MOSFET zum Schalten (Low-Side) einer induktiven 
Last mit Strömen in der Größenordnung von bis zu 12A ein.
Welche Probleme können eigentlich beim Schalten von induktiven Lasten 
mit einem Mosfet entstehen? Beim Abschalten entstehen ja relativ hohe 
Spannungsspitzen, die man normalerweise mit einer Freilaufdiode 
"begrenzt"...

- Bei den von mir gefundenen Mosfet-Typen (z.B. STB40NF10 oder BUK9640) 
sind im Ersatzschaltbild jeweils eine Freilaufdiode eingezeichnet... 
bedeutet dies, dass die Mosfet's diese bereits integriert haben?

- Was sagt der Kennwert "Single pulse avalanche energy" oder 
"non-repetitive avalanche energy" in diesem Zusammenhang aus? Ist das 
ein Kennwert für die maximale Energieaufnahme beim Schalten von 
induktiven Lasten? Der Wert ist jeweils in der Größenordnung von 150mJ?

LG Mille

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Mille schrieb:

> - Bei den von mir gefundenen Mosfet-Typen (z.B. STB40NF10 oder BUK9640)
> sind im Ersatzschaltbild jeweils eine Freilaufdiode eingezeichnet...

Nein! Das ist keine Freilaufdiode. Eine Freilaufdiode liegt immer über 
der Last.

> bedeutet dies, dass die Mosfet's diese bereits integriert haben?

Nein. Das ist eine parasitäre Diode die automatisch bei der Produktion 
mitentsteht.

> - Was sagt der Kennwert "Single pulse avalanche energy" oder
> "non-repetitive avalanche energy" in diesem Zusammenhang aus? Ist das
> ein Kennwert für die maximale Energieaufnahme beim Schalten von
> induktiven Lasten? Der Wert ist jeweils in der Größenordnung von 150mJ?

Das ist die Energie, die der Mosfet als Z-Diode verbraten kann.
Man könnte also bei kleinen Energiemengen der Spule auf die 
Freilaufdiode verzichten, ohne dass der Mosfet sofort kaputt geht. 
Allerdings sollte man dies nicht machen, denn dies kann andere, negative 
Auswirkungen auf die Schaltung haben.

Autor: Jens G. (jensig)
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Die von Benedikt genannte "Z-Diode" wird sichtbar, wenn zu hohe 
Spannungen (irgendwas über Uds_max) am Mosfet anliegen - dann wird er 
leitend (Avalanche), und verbrät die Energie.
Ich denke aber, wenn das DB konkret die Avalanche-Energie spezifiziert, 
dann sollte dies auch permanent ausnutzbar sein (ohne weitere bleibende 
Schäden am Mosi).

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Jens G. schrieb:

> Ich denke aber, wenn das DB konkret die Avalanche-Energie spezifiziert,
> dann sollte dies auch permanent ausnutzbar sein (ohne weitere bleibende
> Schäden am Mosi).

An sich ja, nur das permanent ist so eine Sache:
Das Datenblatt sagt unter welchen Bedingungen diese Energiemenge 
zulässig ist nämlich bei 25°C, bestimmten Gatebedingungen und Strömen. 
Sobald alles wärmer wird, gilt dieser Grenzwert nicht mehr. Wie groß die 
Avalanche Energie z.B. bei 50°C ist, davon steht da kein Wort. Das macht 
die ganze Sache etwas schwer dimensionierbar, daher wird das selten 
genutzt.
Ich habe zumindest noch nie eine Schaltung gesehen, bei der der Mosfet 
auch als Z-Diode verwendet wurde, höchstes unter Fehlerbedingungen. Die 
Energie wurde immer in irgendeinem Snubber oder auch einer externen 
Überspannungsschutz oder Freilaufdiode verheizt.
Die meisten werden die Avalanche Energie genauso betrachten und 
verwenden, wie ich auch: Als Schutzfunktion die den Mosfet im Fehlerfall 
schützt.

Bei kleinen Relais, oder Motoren die nur ab und zu geschaltet werden, 
dürfte das aber kein Problem sein. Wobei ich aber auch da eine 
Freilaufdiode einbauen würde, alleine schon aus EMV Gründen.

Autor: yalu (Gast)
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Man kann solche avalanche-gerateten Mosfets bspw. dazu verwenden, ein
Relais, Magnetventil o.ä. sehr schnell auszuschalten.

Nimmt man eine Freilaufdiode, wird der Strom beim Ausschalten nur durch
den Wicklungswiderstand (der evtl. sehr klein ist) und die Flussspannung
der Diode (0,5-1V) "gebremst". Erst wenn der Strom ausreichend
abgeklungen ist, fällt das Relais ab. Das kann etwas dauern.

Man kann in Reihe zur Freilaufdiode einen Widerstand schalten, um den
Spannungsabfall zu erhöhen und das Ausschalten zu beschleunigen.
Allerdings nimmt dieser Spannungsabfall mit abklingendem Strom ebenfalls
ab, so dass auch hier nicht die minimale Ausschaltzeit erreicht wird.

Ohne Freilaufdiode und Snubber stemmt sich dem Strom eine Spannung in
Höhe der Sperrspannung des Mosfets abzüglich der Versorgungsspannung
entgegen. Diese Gegenspannung bleibt so lange konstant, bis der Strom 0
ist. Der Strom klingt damit annähernd linear in der kürzestmöglichen
Zeit ab, die mit solch einfachen Mitteln erreichbar ist. Je
spannungsfester der Mosfet ist, umso kürzer ist die Ausschaltzeit.

Weiteres zum Thema Avalanche-Rating kannst du hier nachlesen:

  http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1005.pdf

Autor: Mille (Gast)
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Ok danke schonmal für die Antworten...

Ich möchte mit dem Mosfet eine Hochdruckpumpe ansteuern und da schalte 
ich relativ oft (Stromsteuerung - PWM-Signal).
Wie kann ich eigentlich die Energie berechnen, die beim Abschalten der 
Hochdruckpumpe entsteht? Da ich den Induktivitätswert der Pumpe nicht 
kenne, ist es wahrscheinlich auch schwer zu schätzen...
Ich will eher nur ein Gefühl dafür bekommen, wieviel die ca. 150mJ sind, 
die der Mosfet vertragt?

Eine Berechnung wäre ja sowieso nicht möglich, da im DB ja nicht 
spezifiziert ist, wie sich der mosfet bei periodischen 
Abschaltvorgängeen hinsichtlich Energieaufnahme verhaltet ("Single pulse 
avalanche energy")...

lg mille

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Mille schrieb:
> Ich möchte mit dem Mosfet eine Hochdruckpumpe ansteuern und da schalte
> ich relativ oft (Stromsteuerung - PWM-Signal).

Dann ist auf jedenfall eine Freilaufdiode notwendig, aber aus einem 
anderen Grund: Ohne Freilaufdiode fällt der Strom sehr schnell ab, wie 
yalu es schön beschrieben hat. Dadurch bekommt der Motor einen gepulsten 
Strom. Im Gleichen Takt schwankt das Drehmoment (ok, ist bei ein paar 
kHz nicht wirklich kritisch, aber unnötig).
Mit Freilaufdiode fließt der Strom in der Motorwicklung auch in der 
Abschaltphase weiter. Dadurch erhält man einen konstanten Strom und ein 
konstantes Drehmoment bis runter auf etwa 1kHz (je nach Motor etwas 
unterschiedlich). Im prinzip missbraucht man die Motorwicklung als Spule 
für einen Abwärtswandler.
Ohne die Freilaufdiode würde man die in der Motorinduktivität 
gespeicherte Energie verheizen, mit wird diese quasi in den Motor 
zurückgeführt.

> Da ich den Induktivitätswert der Pumpe nicht
> kenne, ist es wahrscheinlich auch schwer zu schätzen...

Mess mal den Widerstand der Motorwicklung und teile den durch 1000. Das 
ist ein ganz, ganz grober Anhanhaltspunkt, davon ausgehend dass die RL 
Zeitkonstante 1ms beträgt.

> Ich will eher nur ein Gefühl dafür bekommen, wieviel die ca. 150mJ sind,
> die der Mosfet vertragt?

Einmal pro Sekunde die 150mJ abgeschaltet entsprechen 150mW.
Wenn du also die Spule wie im Datenblatt angegeben hättest, mit 1kHz 
schalten würdest, dann würde das 150W Verlustleistung produzieren.

Autor: Mille (Gast)
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@Benedikt:

- warum würdest du eine Freilaufdiode alleine schon aus EMV-Gründen 
verwenden? Sprichst du dabei die Tatsache an, dass der Strom, der beim 
Abschalten der Induktivität aufgrund der Gegeninduktivität getrieben 
wird, nicht in das Steuergerät fliesst sondern "draußen" beim Aktuator 
bleibt?

- wie kommst du beim Abschätzen des Induktivitätswertes auf R*L=1ms?
(Hochdruckpumpe hat so 2 Ohm --> 2mH)

LG Mille

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Mille schrieb:
> - warum würdest du eine Freilaufdiode alleine schon aus EMV-Gründen
> verwenden? Sprichst du dabei die Tatsache an, dass der Strom, der beim
> Abschalten der Induktivität aufgrund der Gegeninduktivität getrieben
> wird, nicht in das Steuergerät fliesst sondern "draußen" beim Aktuator
> bleibt?

Der Strom fließt schon durch das Steuergerät, aber dazu muss erstmal die 
Avalanche (Durchbruchs-)Spannung erreicht werden: Die Spannung schießt 
innerhalb weniger 100ns von nahezu 0V auf diese Spannung hoch, das 
ergibt eine nette, recht breitbandige Störspitze, vor allem wenn die 
Kabel lang sind.

> - wie kommst du beim Abschätzen des Induktivitätswertes auf R*L=1ms?
> (Hochdruckpumpe hat so 2 Ohm --> 2mH)

Die 1ms sind ein typischer Wert den viele Motoren haben. Je nach Motor 
kann der Wert natürlich abweichen, aber die meisten Motoren die ich 
gemessen hatte, hatten irgendwas um die 0,5-2ms und ähnliche Angaben 
(falls sowas angegeben ist), findet man auch in Datenblätter von 
Motoren.

Autor: J.K. (Gast)
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Was mich jetzt theoretisch interessieren würde:
Nach Abschalten einer induktiven Last wirkt die Induktivität ja als 
Generator, der Strom wird in die gleiche Richtung getrieben und die 
Spannung dreht sich um (Gegeninduktivität; Generator ist ja Spannung und 
Strom gegengleich). Im Idealfall sperrt der MOSFET nach dem Abschalten 
komplett, es kann kein Strom fließen... wohin fliesst dann im Idealfall 
die in der Induktivität gespeicherte Energie?

Durch das nicht ideale Abschalten (verzögerte hochohmig-werden) der 
Drain-Source Strecke und dem Delay der Freilaufdiode entsteht ja das 
"Problem" für den MOSFET oder? In dieser Phase muss er ja eine hohe 
Spannung vertragen und Energie aufnehmen (Stichwort: "Avalanche 
Energy").

Was mich noch interessieren würde:
Was ist dann der Unterschied, ob ich die Freilaufdiode direkt am Motor 
verbaue oder direkt am Pin im Steuergerät? Wie du gesagt hast, fliesst 
der Strom ja sowieso durchs Steuergerät, wenn die Druchbruchsspannung 
der Z-Diode überstiegen ist...

lg mille

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  J.K. (Gast)

>Strom gegengleich). Im Idealfall sperrt der MOSFET nach dem Abschalten
>komplett, es kann kein Strom fließen... wohin fliesst dann im Idealfall
>die in der Induktivität gespeicherte Energie?

Nirgendow hin, denn die Induktionsspannung wird unendlich. Was real 
nicht mal ansatzweise funktioniert.

>Durch das nicht ideale Abschalten (verzögerte hochohmig-werden) der
>Drain-Source Strecke und dem Delay der Freilaufdiode entsteht ja das
>"Problem" für den MOSFET oder?

Nöö. Je langsamer der Schalter/MOSFET ausschaltet, umso geringer kann 
die Induktionsspannung werden (wenn sie nicht ohnehin durch die 
Freilaufdiode verhindert wird.

> In dieser Phase muss er ja eine hohe
>Spannung vertragen und Energie aufnehmen (Stichwort: "Avalanche
>Energy").

Nur wenn die Freilaufdiode fehlt.

>Was ist dann der Unterschied, ob ich die Freilaufdiode direkt am Motor
>verbaue

Dann fleisst der Freilaufstrom nicht über die Ansteuerleitung. Kann ggf. 
weniger EMV-Probleme machen.

>oder direkt am Pin im Steuergerät? Wie du gesagt hast, fliesst
>der Strom ja sowieso durchs Steuergerät, wenn die Druchbruchsspannung
>der Z-Diode überstiegen ist...

Nur wenn man keine Freilaufdiode hat.

MFG
Falk

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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J.K. schrieb:
> Im Idealfall sperrt der MOSFET nach dem Abschalten
> komplett, es kann kein Strom fließen... wohin fliesst dann im Idealfall
> die in der Induktivität gespeicherte Energie?

Sagen wir mal der Mosfet hätte eine unendliche Durchbruchsspannung, und 
würde daher die Spannung nicht begrenzen und somit den Stromfluss 
ermöglichen, dann würde die Spannung eigentlich nur durch die parasitäre 
Kapazität begrenzt ansteigen. Man hätte dann quasi einen LC 
Reihenschaltung.
Es ergibt sich daher eine abklingende Sinusschwingung. Die Energie wird 
in den ohmschen Verlusten der Spule, sowie in weiteren Verlusten im 
Kondensator und der Spule verheizt.

> Durch das nicht ideale Abschalten (verzögerte hochohmig-werden) der
> Drain-Source Strecke und dem Delay der Freilaufdiode entsteht ja das


Das langsame Abschalten hat damit nichts zu tun.
Und das verzögerte Leiten der Freilaufdiode kann man eigentlich umgehen 
indem man die Diode ausreichend schnell wählt, oder kompensieren indem 
man den Mosfet ausreichend langsam schalten lässt so dass die Diode 
ausreichend Zeit hat um leitend zu werden.

> In dieser Phase muss er ja eine hohe
> Spannung vertragen und Energie aufnehmen (Stichwort: "Avalanche
> Energy").

Die Avalanche Energie ist die Energie, die bei einer Überspannung 
auftritt. Die hat mit den Schaltverlusten bei einem langsamen Abschalten 
erstmal nichts zu tun. Allerdings steht in der AppNote die yalu weiter 
oben gepostet hat, dass dies die Energie ist, die die Sperrschicht von 
25°C auf die maximal zulässige erhitzt. Es ist also die maximale 
speicherbare Energie die die Sperrschicht aufnehmen kann, wenn die 
kurzzeitige Verlustleistung stark über der dauerhaft abführbaren liegt. 
Somit könnte man damit die maximal zulässigen Schaltverluste ableiten.

> Was mich noch interessieren würde:
> Was ist dann der Unterschied, ob ich die Freilaufdiode direkt am Motor
> verbaue oder direkt am Pin im Steuergerät? Wie du gesagt hast, fliesst
> der Strom ja sowieso durchs Steuergerät, wenn die Druchbruchsspannung
> der Z-Diode überstiegen ist...

Der Unterschied ist, dass bei einer Freilaufdiode direkt am Motor der 
Strom in der Zuleitung sprunghaft in jedem Takt von 0 auf denn 
fließenden Strom springt, da auf den Leitungen nur im eingeschalteten 
Zustand ein Strom fließt. Somit entstehen trotz der Freilaufdiode am 
Motor Spannungsspitzen am Mosfet aufgrund der Induktivität der 
Leitungen.
Wenn die Freilaufdiode dagegen direkt am Mosfet sitzt, wird die 
Zuleitung immer vom Strom durchflossen, durch die Leitung fließt also 
annähernd ein sauberer Gleichstrom. Damit erhält man weniger Störungen 
und keine Spannungsspitzen am Mosfet. Diese Lösung ist daher 
vorzuziehen.

Autor: Michael (Gast)
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Ist dein Motor für PWM-Betrieb überhaupt ausgelegt?

Eine klassische Drehstrommaschine (billigware) ist aus normalem 
Trafoblech gebaut und erzeugt relativ große Verluste wenn man sie mit 
einer Rechteckspannung beaufschlagt.
Außerdem können die hohen dU/dt Werte (Spannungsanstiegsgeschwindigkeit) 
die Isolation der Kupferlackdrähte/Litzen zerstören.

Sofern der Motor das nicht verträgt, solltest Du mindestens über ein 
dU/dt Filter nachdenken, besser aber ein LC Filter wie beim 
Tiefsetzsteller einbauen. Unter 100Vdc ist dies in der Regel unkritisch.

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