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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Frage zur Mosfet Gateladung/Gatestrom


Autor: Der Neue (Gast)
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Hi,
ich habe eine Frage zum Gatestrom eines Mosfet, wie berechnet man den?

Was ich mir bisher zusammen gereimt habe:
Der Mosfet z.B. IRL 530N hat eine Gatekapazität von 34nC laut 
Datenblatt.
Das Gate wird per PWM mit einer Frequenz von z.B. 50kHz 
geladen/entladen.

Und hier beginnt mein Problem, von der Überlegung her sind es 50000 
Ladevorgänge pro Sekunde á 34nC.
Allerdings wird der Mosfet ja nicht 1/50000 Sekunde lang geladen sondern 
um einiges schneller. Im Datenblatt habe ich eine Risetime von 53ns 
gefunden, ist das die Zeit bis das Gate geladen ist?
Wenn ja sollte dann der Gatestrom 34nC/53ns * 53ns*50000/1s = 1,7mA 
betragen?!?

Irgendwie glaube ich das ich auf dem Holzweg bin.
Danke wenns jemand erklären kann.

Autor: Wolfgang Horn (Gast)
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Hi, "Anonymus"

schaue bei ON-Seminconductor und International Rectifier nach den 
Applikationen zu Gate Charge.

Denn die Gate-Drain-Kapazität schlägt erst dann so richtig zu, wenn die 
Drainspannung springt.

Ferner: Die Eingangskapazität eines MOSFET ist spannungsabhängig.
Mit einfachen Formeln ist das gar nicht zu handeln. Schau besser nach 
Treiberbausteinen für solche Zwecke - und kaufe die. Oder baue sie nach.


Ciao
Wolfgang Horn

Autor: Martin (Gast)
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Hi,

nC ist keine Kapazität sondern eine Ladung. Die Gatekapazität liegt etwa 
bei 580 pF. Die entscheidende Ladung ist die Miller Charge. Die trägt 
effektiv zur Anstiegszeit und Abfallzeit bei.

Entscheidend ist, welcher Strom bei der Treshhold Voltage in das Gate 
fließt. Bei einer Treshhold Voltage von 1,5V, einer Versorgungsspannung 
von 12V und einem Vorwiderstand von 10 Ohm fließen 1,05A.
Mit der Formel I=Q/t ist t = Q / I
Das macht dann t = 10nC / 1,05A = 10ns. Bei entsprechend weniger Strom 
mehr Zeit.

Insgesamt fließen dann 50000/s * 1,05A * 10ns = 0,5mA (theoretisch). Da 
du das Gate aber mit mehr Spannungs als nur der Treshhold Voltage 
auflädst, fließt ein größerer Strom.

Gruß, Martin

Autor: Der Neue (Gast)
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@Wolfgang: Ich glaube das ist ein Problem das viele hier haben, da die 
wenigsten es genau wissen werden unmengen "ist besser"-Bausteine 
verballert. Nichts gegen deine Idee, hab das auch so gemacht, nur jetzt 
will ich einen Schritt weiter. Ansonsten werde ich mir halt einfach die 
5 Standard N-Mosfets die mir so vorschweben nehmen und die Ports von 1-2 
Mega16 knallen.

@Matin:

> nC ist keine Kapazität sondern eine Ladung.
Ja, hatte mich verschrieben, hatte auch als Ladung gerechnet.

>Entscheidend ist, welcher Strom bei der Treshhold Voltage in das Gate
>fließt. Bei einer Treshhold Voltage von 1,5V, einer Versorgungsspannung
>von 12V und einem Vorwiderstand von 10 Ohm fließen 1,05A.
>Mit der Formel I=Q/t ist t = Q / I
>Das macht dann t = 10nC / 1,05A = 10ns. Bei entsprechend weniger Strom
>mehr Zeit.
Beim Standard AVR Port:
Imax sollte ~10mA nicht überschreiten, Vcc=5V, Vth=1,5V mal 
unberücksichtigt, 5V/0,01A=500Ohm, also 470Ohm und gut. Macht dann einen 
Strom von 10,6mA.
Miller Charge laut DB 20nC, 20nc/10,6mA=1,89µS
Bedeutet das dann das ich bei einer 50kHz PWM -> 20µS Periodendauer 
praktisch Pulszeiten unter 10% vergessen kann oder kompensiert sich das 
irgendwie beim Entladen des Gates, wirkt also nur als eine Art 
Zeitoffset?

Den theoretischen Gesammtstrom kann ich ignorieren, hatte dabei einen 
Denkfehler, es interessiert ja nur jeder momentan Strom, nicht der Strom 
über einen Zeitraum gemittelt.

Autor: Der Neue (Gast)
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Achso, danke schonmal für die Antworten, bin ein ganzes Stück weiter.
Mir ist jetzt auch klar warum die Dinger doch so warm werden, nur mit 
RDSon konnte ich es mir bislang nicht erklären.

Autor: Martin (Gast)
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Also wenn du die Mosfets direkt an den AVR hängst, dann können schon 
Schaltzeiten im us Bereich stattfinden. (Bei großen Mosfets). Du kannst 
ja locker auch 100 Ohm nehmen, der AVR wird das schon aushalten.
Wenn du aber schneller schalten willst, dann kannste einen pnp/npn 
Folger hinten ranhängen.

Basen verbinden, Emitter verbinden, Kollektor vom NPN an 5V, Kollektor 
vom PNP an Masse. Basen an den Ausgang vom uC, Emitter übern Widerstand 
ans Gate.
Dann hast du viel kürzere Schaltzeiten.

Martin

Autor: Atmega8 Atmega8 (atmega8) Benutzerseite
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@ Der Neue

> Im Datenblatt habe ich eine Risetime von 53ns
> gefunden, ist das die Zeit bis das Gate geladen ist?

Mach dir nicht so viel Sorgen um den Strom, mini Standardtreiber und es 
läuft.

Von Martin:
> Basen verbinden, Emitter verbinden, Kollektor vom NPN an 5V, Kollektor
> vom PNP an Masse. Basen an den Ausgang vom uC, Emitter übern Widerstand
> ans Gate.
> Dann hast du viel kürzere Schaltzeiten.

Wenn du einen kleinen Treiber (BC547C + BC557C + 330R oder 1K) hinter 
den I/O-Port hängst kannst du deinen Mosfet in 60ns bis 120ns an 
oder aus schalten.

Hab ich mit einem Oszi nachgemessen!

Die BC547/557 (max. 100mA) sind bei 100KHz (15V Gate-Treiber-Spannung) 
nicht mal warm geworden.
(wenn die eine weile laufen musst du die Schicht Eis, die sich gebildet 
hat abkratzen)


Es soll auch Treiber geben die das in 20ns schaffen, aber dann mit 
Mosfets und trigger.

Nach meiner Erfahrung reichen die paar Bauteile (2 Transistoren und 1 
Widerstand) um einen Mosfet ordentlich anzusteuern.

In SMD-Bauweise nehmen die doch keinen Platz weg.

Gruß atmega8

Autor: Der Neue (Gast)
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Danke für die Ideen mit den Treibern, mir gings aber nur mal um eine 
Grundsatzfrage wie bzw. bis wohin man ohne die kommt.

Glaube hab jetzt alles Zusammen was ich brauche.
Grade nochmal im Datenblatt von ein paar AVR´s nachgeschlagen, da ist 
unter Absolute Maximum Ratings ein DC Current per I/O Pin von 40.0 mA 
angegeben, keine Ahnung wie ich auf die 10mA kam. Wie weit sollte man 
davon wegbleiben?
Also die Grenzen ausloten, 5V/0,04A=125Ohm demnach ein 150Ohm 
Vorwiderstand und I=33,3mA. 20nC/33,3mA=0,6µS bei 20µS Periodendauer 
sind die ersten 3% des Pulses Schrott, damit kann man denke ich leben.
Werde glaubich mal ein paar Tests machen um zu sehen wie schlimm sich 
die Rundung in der Flanke auf die Temperatur auswirkt.

Hab ich noch irgendwas übersehen oder einen Denkfehler?

Autor: Martin (Gast)
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Die max. Ratings beziehen sich immer(meist) auf den Dauerstrom. In 
deinem falle fließt der ja nur gaaanz kurz. Da dürfte es kein Problem 
geben.

Autor: Der Neue (Gast)
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Bestens, werde dann die Woche mal was Rumtesten.
Danke für die Hilfe.

Autor: eProfi (Gast)
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Da wird Dir der vorher schon angesprochene Miller-Effekt noch 
mitspielen:
Neben der Gate-Source-Kapazität gibt es die Gate-Drain-Kapazität.

Wenn der Atmel-Port auf Gnd schaltet, entlädt sich das Gate bis zu dem 
Punkt, an dem der Fet "zu Nichtleiten" beginnt. Dann geht der Drain 
durch den Laststrom hoch und "nimmt das Gate mit" (durch die 
Gate-Drain-Kapazität).

Das ist ein schwebender (halbleitender) Zustand, bis der Drain ganz oben 
und die Kapazität geladen ist.
Der Gate-Level bleibt während des Vorganges auf ziemlich konstantem 
Pegel.
(ist auf einem Oszi gut zu sehen).
Erst dann wird die Gate-Source-C weiter entladen.

Lieber den Widerstand noch ein klein wenig kleiner machen. Ist ja kein 
Dauerstrom. Oder einen Treiber verwenden.

125Ohm  besser mit Leerzeichen schreiben, da 0 und O sehr ähnlich 
aussehen
125 Ohm

Die Zeit braucht er beim Ein- und Ausschalten, also wird nur verzögert.
Bei kurzen Pulsen wird der FET allerdings gar nicht richtig 
durchschalten.

Die Gate-Werte (nF / nC) hängen sehr stark vom Rdson  und vom Hersteller 
(Technologie) ab.

Mein Lieblings-Treiber: HIP4081, der kann mit 2,5A umladen und dank 
Ladungspumpe auch die High-Side dauernd einschalten.

Autor: Der Neue (Gast)
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Dafür ziehe ich das Gate noch Hochohmig auf Masse, sollte also kein 
Problem sein. Ohne diesen Widerstand schaltet der Mosfet beim 
Einschalten des AVR sonst auch durch.

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