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
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.
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).
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.
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
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
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.
@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
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.
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
@ 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
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.
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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