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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik MOSFET Ansteuerung


Autor: Sebastian B (Gast)
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Hi!

Ich bin im Moment dabei mir Gedanken zu MOSFETS zu machen. Das
endgueltige Ziel ist ein sekundaegetaktetes Labornetzteil zu bauen, im
Moment versuche ich aber erstmal zu verstehen wie diese Teile
ueberhaupt funktionieren, bislang habe ich mich noch nie damit
beschaeftigt.

Um den FET zu schalten brauche ich eine Gate-Spannung, die ueber der
Source-Spannung liegt, z.B. 10V. Wenn Source an Masse liegt ist das ja
auch kein Problem, ich nehme einfach die hoehere ungeregelte
Versorgungsspannung oder einen der zahllosen MOSFET-Treiber mit
eingebauter Ladungspumpe.

Was mir jetzt aber unklar ist, ist das Vorgehen bei einem
Step-Down-Converter. Hier liegt Source ja nicht an Masse sondern u.U.
sehr nah an meiner Eingangsspannung, z.B. 30V. Um den FET zu Schalten
braeuchte ich also 40V. Wo nehme ich die her?
Saemtliche Treiber die ich gefunden habe scheinen nur eine
Eingangsspannung (TTL) zu nehmen und da dann nochmal etwa 12V
draufzupacken. Ich muesste aber ja schon meine 30V Eingangsspannung
nehmen und da nochmal 10-12V draufpacken. Wo finde ich denn
entsprechende Treiber? Habe ich das ueberhaupt richtig verstanden?

Selbst bei Logic-Level MOSFETs hat das dann ja irgendwie mit
Logic-Level nicht mehr viel zu tun...

Autor: Dennis Strehl (Gast)
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Hast du noch nie über P-Kanal MosFETs nachgedacht oder sagen die dir
wegen der schlechteren Werte nicht zu? Damit müsstest du zumindest
nicht mehr über die Versorgungsspannung.
Ansonsten musst du dir den Treiber wohl diskret selbst aufbauen.

Autor: Sebastian B (Gast)
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Mit den P-Kanal Typen hab ich mich noch nicht genauer beschaeftigt. Hab
nur gelesen das die deutlich hoehere Durchgangswiderstaende haben. Da
ich in den Bereich 10-20A will ist das schon nicht so schoen.

Scheinbar benutzen ja alle und fuer alles die N-Typen, es muss also
doch ne vernuenftige Loesung geben!? Ich werde mir aber auch die
P-Typen mal genauer ansehen...

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Will man N-FET mit einem Treiber ansteuern unterscheidet man High Side
und Low Side Treiber.
Low Side ist alles kein Problem: Source, Gate und Schaltsignal beziehen
sich alle auf die gleiche Masse. Die Versorgungsspannung für den Treiber
wird extern zugeführt. Eine Ladungspumpe ist hierfür meist nicht
notwendig.
High Side Treiber: Das floatende Gate Potential wird typischerweise
über eine Ladungpumpe erzeugt, relativ zu dem Source Potential.

Schau dir mal z.B. das IR2117 Datenblatt an. Der hat eine passive
Ladungspumpe.

Im OFF zustand lät sich der externe Boost Kondensator über die Diode
auf die Vcc Spannung auf (manchmal nimmt man dafür auch die Drain
Spannung). Gate und Source sind im Treiber kruzgeschlossen.

Im ON zustand wird die im Kondesator gespeicherte Ladung zum Gate hin
kurzgeschlossen. Da der Kondensator schwebend an Source aufgehängt ist
wird die Kondensatorspannung automatisch mit dem ansteigenden
Sourcepotential mit angehoben und das Gate bleibt automatisch immer
positiver als Source (und damit der N-FET durchgeschaltet), egal wohin
das Sourcepotential wandert.
Da nur minimale Gate Leckströme fliesen reicht die Ladung im Boost
Kondenstator für eine ganze Weile, wenn nicht, dann halt zwischendurch
mal kurz Aus und Einschalten und der Boost Kondensator ist wieder voll.
Man braucht also keine Versorgungspannung die höher ist als Drain.

Das Prinzip der floatend aufgehängten Gate Spannung kann man auch mit
einer aktiven Ladungspumpe (z.B.NE555+Diode/Kondesator) selbst
nachbauen.

Autor: Sebastian B (Gast)
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Ok, soweit hab ich das verstanden, vielen Dank.

Also mal gucken wie die Umsetzung aussehen könnte. Bei meiner Suche im
Web ist mir der IRL1004 N-Kanal MOSFET aufgefallen, weil er einen
kleinen R_on=9mOhm bei V_GS=4,5V hat, Q_G ist 100nC.

Zur Steuerung möchte ich einen AVR benutzen (soll später natürlich auch
Strom und Spannung messen), der schafft bei 16Mhz mit 8Bit PWM max.
62,5kHz. Die Schaltzeit des MOSFET sollte also viel kleiner als 16us
sein, ich nehme einfach mal willkürlich 500ns. Der Umladestrom muss
also betragen:
I = Q / t = 100nC / 500ns = 0,2A

Das sollte ja mit dem IR2117 wunderbar zu machen sein. Oder lohnt es
sich den MOSFET noch mehr zu treten um auf schnellere Schaltzeiten zu
kommen? Wie kann ich denn in etwa abschätzen wie heiß das Teil wird
wenn ich z.B. 10 oder 20A bei 30V schalte? Im Datenblatt
(http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irl1004.pdf) gibts
zwar viele Zahlen und Diagramme, mir ist aber nicht so ganz klar wo ich
da anfangen muss...

Stimmen meine Überlegungen so weit? Notfalls werde ich das einfach mal
aufbauen (wenn ich die Bauteile habe) und gucken ob's anfängt zu
rauchen...

Autor: johnny.m (Gast)
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Das Problem bei nem Step-Down- (oder Buck-) Converter ist, dass der
Source-Anschluss des MOSFET u.U. nie in die Gegend von 0 V kommt (außer
Du fährst das Ding permanent an der Lückgrenze). Dadurch kann es Dir bei
Verwendung eines Treibers mit Bootstrap-Schaltung (oder 'passiver
Ladungspumpe', wie Kupfer-Michi das nennt) passieren, dass die
Schaltung irgendwann die Flügel streckt, weil die Spannung am Gate
nicht mehr ausreicht, um den MOSFET voll aufzusteuern und die Verluste
hochgehen. Für die Anwendung ist eine aktive Ladungspumpe (also
getaktet) wahrscheinlich die empfehlenswertere Variante. Da Du ziemlich
dicke Ströme schalten willst (10..20A), brauchst Du vermutlich
(zumindest um die Schaltverluste am MOSFET im Rahmen zu halten) beim
Schalten schon a bissl mehr Strom als 200mA.

Autor: Marco S (Gast)
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Um Ugs auf ca. 10V zu bringen, musst du eine Ladung von ca. 200nC
einbringen. Pro Sekunde sind das 62500 einlagerungen, so dass pro
Sekunde eine Ladung von 12,5mC, entsprechend 12,5mA Effektivwert,
notwendig ist. Die 0,2A+ brauchst du nur kurzzeitig.

Autor: T. Petrulat (Gast)
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Da ich leider noch Anfänger auf dem Gebiet der MOSFET-Ansteuerung bin,
schließe ich mich gleich mal de Fragerei an:

- Im zusammenhang mit MOSFET trifft man immer wieder auf die beiden
Begriffe Low-Side und High-Side-Treiber. Handelt es sich dabei um
spezielle Treiberbausteine, die einen separaten MOSFET treiben oder
handelt es sich dabei um eine MOSFET in einer bestimmten
Schaltungsvariante ?

- Falls es spezielle Treiberbausteine sein sollten: Welche Aufgaben
erfülen Sie bei der MOSFET-Ansteuerung und welche Unterscheide bestehen
zwischen Low- und High-Side ?

Danke

Autor: Sebastian B (Gast)
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Bei N-Kanal MOSFETs als Schaltregler:

High-Side:
MOSFET liegt in der Versorgungsleitung, d.h. Drain an "ungeregelter"
Spannung, Source geht zur Last. Source liegt damit bei voll
durchgeschaltetem FET fast auf Drain-Spannung. Da die Gate-Spannung zum
Durchschalten höher als die Source-Spannung sein muss, muss sie u.U.
auch höher als die Eingansspannung sein! Deswegen gibt es Treiber mit
eingebauter Ladungspumpe, die eine Schaltspannung z.B. 12V über
Eingangsspannung erzeugen können.

Low-Side:
Source des MOSFET liegt an Masse. Damit kann man auch die
Schaltschwellen am Gate auf Masse beziehen. Wenn im Datenblatt steht
der FET schaltet bei 4,5V am Gate voll durch muss man tatsächlich nur
diese 4,5V anlegen.
Ein Treiber dient hier vor allem dazu den nötigen und eventuell recht
hohen Umladestrom für das Gate bereit zu stellen. Es kann auch z.B.
eine Gegentaktstufe aus zwei Transistoren verwendet werden.

Autor: Sebastian B (Gast)
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So hab ich das zumindest verstanden, bitte um Korrektur fals das nicht
zutrifft.

Es handelt sich also um Schaltungsvarianten die aber unterschiedliche
Anforderungen an den Treiber mit sich bringen.

Autor: Norbert (Gast)
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Hi,

johnny m. schrieb:
Das Problem bei nem Step-Down- (oder Buck-) Converter ist, dass der
Source-Anschluss des MOSFET u.U. nie in die Gegend von 0 V kommt (außer
Du fährst das Ding permanent an der Lückgrenze).

Sorry, das ist Unsinn. Bei einem Buckregler leitet die Diode wenn der
Fet ausgeschaltet ist, Source, Eingang der Speicherdrossel und Minus
des Highsidetreibers sind dabei auf 0,7V.
Das einzige was nicht geht ist voll durchschalten, der Highsidetreiber
braucht auch etwas Strom und dann ist der Bootstrap-C sofort leer.

Gruß,
Norbert

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