noch eine MOSFET-H-Brücke

[Anfänger (Gast)]

Hallo Elektronikerinnen und Elektroniker
Vorneweg, ich habe mir (hoffentlich) alle Beiträge durchgelesen, die es 
hier zu diesem Thema gibt und auch das Roboter-Forum schein ein nahezu 
unerschöpflicher Fundus an Missinformation zu sein, dass das Thema bei 
jeder Frage aufs  Neue bis in alle Details zerrissen wird.

Ich suche nach einem Weg eine H-Brücke für Spannungen von 24 - 60V zu 
bauen die 10 - 20 Ampere Last schalten kann.

Dazu habe ich mir jetzt mal einen HIP4082 besorgt und mir das Datenblatt 
angesehen und nun einige Fragen auf die ich keine brauchbare Antwort 
finde.

1. Bootstrap Kondensatoren.
In irgend einem anderen Datenblatt habe ich gelesen, dass es Fehler 
sowohl bei zu grossen, als auch zu kleinen Kondensatoren gibt, aber 
nirgendwo, wie man die Größe des erforderlichen Kondensators ermittelt. 
Wie errechnet sich nun die Größe des Kondensators?

2. Die Schaltung der Transistoren erfolgt durch die korrespondierenden 
Eingänge wobei jedoch die Spannung am Eingang nahe der gewählten 
Versorgungsspannung liegen muss die mindestens 8,5V, typisch jedoch um 
die 12V liegen wird. Die davor befindliche Elektronik wird aber 
vermutlich ehr High-Pegel bei 3,3 V oder 5V haben. Wie macht man diese 
Anpassung?

3. Sofern man PWM nutzt, was bei Lasten dieser Größenordnung 
empfehlenswert erscheint, gibt es offenbar unterschiedliche Konzepte, 
bei denen der Motor in der Aus-Phase durch Kurzschluss gebremst wird, 
bzw. alle Transistoren offen sind und keine Bremsung des Motors erfolgt. 
Wo aber bleibt die Induktionsspannung in diesem Fall?

4. Bei der Konzeption einer H-Brücke für >24V wird die Erzeugung der 
einzelnen Versorgungsspannungen problematisch. Bis 24 V lassen sich die 
12 / und 5 V noch recht unproblematisch, dafür verlustreich mittels 
Festspannungsregler erzeugen, darüber hinaus aber wird es haarig. DC/DC 
- Wandler haben in der Regel recht feste Eingangsspannungsbereiche. Gibt 
es ein bessere Lösung die Versorgungsspannungen von 15 - 60V zulässt?

[Matthias L. (Gast)]

>1. Bootstrap Kondensatoren.
EIn Hinweis auf die Größe sollte im Datenblatt des entsprechenden ICs zu 
finden sein. Falls nicht muss man sich selbst Gedanken machen. Die Größe 
sollte abhängig sein von Gatekapazität, Schaltfrequenz, Gatespannung, 
...


>2. Die Schaltung der Transistoren
So wie das im Datenblatt klingt, benötigen die Eingänge 0V oder Vdd, 
welches sich wohl um 12V bewegen wird. Da du mit 3V3 / 5V ansteuern 
willst, wirst du um einen Levelshifter nicht drum herum kommen.

>3. Sofern man PWM nutzt
Es gilt IMMER: UL = L*di/dt. Schließt du die Spule kurz (UL=0), dann ist 
di/dt halt eben fast null. Sind alle Transistoren offen, steigt die 
Induktionsspannung solange an, bis Strom fließen kann. Das passiert bei 
UL=Ubrücke+2*Uf  (Uf=Flussspannung Freilaufdioden im FET)
------o-------o-------Ubrücke
      |       |                   Annahme: Im eingeschaltenen Moment
      T1      T2                     ist T1 und T4 an. Strom fließt
      |       |                      "nach rechts" durch Last. Spannung
      o--Last-o                      über der Spule: +Last-.  Schaltest
      |       |                      du alle 4 T. aus, dann will strom
      T3      T4                     weiter von rechts nach links durch
      |       |                      die Spule => Spannung über Spule
------o-------o------ GND            dreht sich um: -Last+ (wirkt als
                                     Spannungsquelle). Diese 
Ind.spannung steigt solange an, bis die Spule den Stromfluß aufrecht
                   erhalten kann, dass geschieht, wenn die Ind.Spannung 
die Betriebsspannung (+2mal Uf)erreicht, dann werden die interen 
Freilaufdioden  der T2 und T3 durchlässig. Der Strom fließt zurück in 
den Zwischenkreiselko (der hier nicht dargestellt ist) der zwingend 
EMV-gerecht vorhanden sein muss!

>4. Bei der Konzeption einer H-Brücke für >24V
Ja, ein selbst dimensioniertes Schaltnetzteil mit einem 
Eingangsspannungsbereich von 15..60V und einer Ausgangsspannung von 
12V/5V/3V3,.. Da das ja gewöhnlich wenig Strom liefern muss, ist das 
auch nicht besonders groß, garantiert aber verlustarm die 
Hilfsversorgung.

Gruß
Matthias

[Bernd R. (Firma: Promaxx.net) (bigwumpus)]

Anfänger wrote:

> 3. Sofern man PWM nutzt, was bei Lasten dieser Größenordnung
> empfehlenswert erscheint, gibt es offenbar unterschiedliche Konzepte,
> bei denen der Motor in der Aus-Phase durch Kurzschluss gebremst wird,
> bzw. alle Transistoren offen sind und keine Bremsung des Motors erfolgt.
> Wo aber bleibt die Induktionsspannung in diesem Fall?

Grundsätzlich gibt es immer die Body-Diode in einem MOSFET. Diese Diode 
kann evtl. auch als Freilauf-Diode arbeiten, bei modernen MOSFETs eher 
nicht. Da würde ich Shottky-Dioden parallel schalten, die dann auch 
schneller schalten als die integrierten Dioden !
Und es gibt die "synchrone" Ansteuerung, da wird (gerade bei diesem 
hohen Strom), der MOSFET durchgeschaltet, der die Freilaufdiode 
entlastet, weil er einen kleineren Widerstand darstellt.
Sieht aus wie ein Kurzschluß zum Bremsen, läßt aber den Strom durch die 
Spule (Motor) weiterhin fließen, ohne die Elektronik zu beschädigen...


Nebenbei:
bei PWM reicht es ja aus, eine Hälfte der MOSFETs (oben oder unten) zu 
takten. Oftmals werden die unteren getaktet, um die 
Bootstrap-Kondensatoren der oberen nicht unnötig zu entladen.