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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Mosfets absichern (DC-DC Schaltregler)


Autor: Robert S. (razer) Benutzerseite
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Hallo an alle,

Ich bin gerade am Entwickeln eines Schaltreglers für 0-24V bei maximal 
10A.

Nun muss ich die Gates der Fets absichern. Denn ungesichert sind sie 
sicher nicht gegen Überspannung geschützt. Als Treiber verwende ich 
einen TPS2811 von Texas Instruments. Als Fets verwende ich 1-2 N-Kanal 
Mosfets.

Nur wie mache ich das am besten? Kann ich dafür in dieser Applikation 
auch eine Zenerdiode verwenden?

Wie würdet ihr es machen?

Danke im Voraus
Mfg Robert

Autor: Düsentrieb (Gast)
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>Nun muss ich die Gates der Fets absichern
wozu???? der treiber hat doch (hoffentlich) nur 12v -oder?

Autor: Bernd Rüter (Firma: Promaxx.net) (bigwumpus)
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Die Treiber kannst Du für die Aufgabe vergessen.
Nimm diese High-Side-Treiber, die isoliert aufgebaut sind.
NCP5304 oder IR2101.

Autor: Robert S. (razer) Benutzerseite
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Bernd Rüter wrote:
> Die Treiber kannst Du für die Aufgabe vergessen.
Warum?

> Nimm diese High-Side-Treiber, die isoliert aufgebaut sind.
> NCP5304 oder IR2101.
Welche Vorteile haben diese?

Gruß Robert

Autor: Frank B. (frankman)
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Robert, warum möchtest Du die Gates gegen Überspannung schützen?
Wo kommt die denn her?

Du kannst die Gates mit einer Diode gegen VCC klemmen. Oder Du kannst 
einfach einen Spannungsteiler vorsehen.  ( Aber bei den höhen Strömen 
musst Du Deine FETS warscheinlich recht zackig ein- und ausschalten, 
deshalb kannst Du nur sehr niederohmige Widerstände verwenden)

Autor: Bernd Rüter (Firma: Promaxx.net) (bigwumpus)
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Ich habe die letzten Monate damit verbracht, solche Probleme zu lösen.
Den Treiber, den Du willst, wird die Gates mit tötlichen 24V ansteuern 
oder GAAAANZ laaaaahhhhm über Rs, Cs, Zenerdioden, Transistoren, bla, 
blupp.

Die richtigen Treiber steuern die Gates mit der richtigen Spannung an. 
Das nenne ich Vorteil.

Bei 24V bist Du über den max. 20V fürs Gate.

Autor: Robert S. (razer) Benutzerseite
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Bernd Rüter wrote:
> Ich habe die letzten Monate damit verbracht, solche Probleme zu lösen.
> Den Treiber, den Du willst, wird die Gates mit tötlichen 24V ansteuern
> oder GAAAANZ laaaaahhhhm über Rs, Cs, Zenerdioden, Transistoren, bla,
> blupp.
>
> Die richtigen Treiber steuern die Gates mit der richtigen Spannung an.
> Das nenne ich Vorteil.
>
> Bei 24V bist Du über den max. 20V fürs Gate.

Ok, Kann ich, da ich 2 Fets parallel in der Schaltung vorgesehen hab, 
die auf deinen einen nichtinvertierten Ausgang legen? Geht sich das mit 
dem Strom in diesem Fall aus?

Gruß Robert

Autor: Bernd Rüter (Firma: Promaxx.net) (bigwumpus)
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Welche FETs willst Du denn verwenden ?
Sind da überhaupt 2 parallele nötig ?

Autor: Robert S. (razer) Benutzerseite
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Ich hab derzeit 2 IRF1404. Ich wollt 2, um die Verlustleistung auf zwei 
Fets aufzuteilen.

Autor: Bernd Rüter (Firma: Promaxx.net) (bigwumpus)
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Ich würde es bei 4mOhm mal mit einem probieren!

Aber - Du mußt fix schalten (Guter Gate-Treiber) und denk an die 
Freilaufdioden antiparallel zu den MOSFETs (sehr schnelle 
Shottky-Dioden)

Autor: Robert S. (razer) Benutzerseite
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Ok.
Ich verwende nun den von dir vorgeschlagenen NCP5304. An DRIVE_HIGH hab 
ich das Gate, an Bridge 0V und an VBOOT die 12V. Ist die Beschaltung so 
korrekt?

Reichen die intern Dioden da nicht?

Edit: Ich hab noch MBR20100 Dioden. Sind die schnell genug?

Gruß Robert

Autor: Snt Opfer (snt-opfer)
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MBR sind Schottky, schneller gehts kaum (nur SiC).
Nur die Stromfähigkeiten sind im Vergleich zum 1404 nicht erwähnenswert.

Erstmal ne Frage :
Welche Schaltungstopologie ? SNT gibt mehrere.
Welche Taktfrequenz ist angedacht ? <100kHz alles noch relativ gut zu 
beherrschen, >100kHz fordern HF-gerechten Aufbau und Sichtweise der 
Schaltung !
-> Layout "wichtiger" als Bauteile selbst (in Grenzen)
-> JEDE Verbindung stellt eine Induktivität da
-> die "Parasiten" sind so stark manifestiert, das es sinnvoller ist 
diese gleich mit in die Schaltung zu integrieren
-> EMV ... Ein SNT ist ein Mittelwellensender ohne Antenne ! (mehr oder 
weniger ohne -> Layout)

Gatetreiber ... für ihn ist der 1404 ein 7nF grosser Kondensator, der 
schnell umgeladen werden will, da fliessen enorme Spitzenströme, die 
kleinen Treiber schaffen das nicht, da sie in der Regel interne 
Gatewiderstände haben (3-8 Ohm). Entweder Den treiber extern mit 
Transistoren helfen oder nach kräftigen Treibern suchen, bsp. von IXYS 
(IXDD408)

Wegen Gateschutz ... Das GAte kann idR. +-20V ab, einige "Dicke" +-30V 
und +-40V transient, schlimmer siehts mit dem Treiber aus ... schwing 
der Strom beim Umladen in die negative Richtung (aufgrund der 
parasitären Induktivitäten und dem hohen Spitzenstrom) killt es die 
meisten Treiber -> Diode mit Kathode ans Gate und Anode an "Masse" vom 
Gatetreiber, am besten auch gleich einen Freilauf vom Gate gegen + vom 
Treiber.

Dann wäre da noch die Millerkapazität, die bei Brückenschaltungen immer 
für lustigen Fet Verschleiss sorgt (Fet sollte zu sein, geht aber 
plötzlich auf).

Ansonsten beim Testen immer Schaltung abdecken oder Schutzbrille 
aufsetzen -> Leistungsfets platzen bei Überlast öfters auseinander (weil 
die Bonddrähte verdampfen), das kann ins Auge gehen.

Viel Spass .... ;-)

Autor: Bernd Rüter (Firma: Promaxx.net) (bigwumpus)
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??

Du willst nur einen High-Side-Fet nutzen ?
Hast Du mal einen Schaltplan ?

Autor: Robert S. (razer) Benutzerseite
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Danke für die Informationen.

Hier mein Schaltplan.
Warum soll es mit einem High Side FET nicht gehen?

Gruß Robert

Autor: Snt Opfer (snt-opfer)
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Moin,
ist ein wenig kompliziert geworden, aber egal.

Folgendes, die Bootstrapdiode (D3) sollte eine Schnelle sein, Schottky 
oder ähnlich.
Zum Treiber, nett aber zu wenig Dampf für kräftige Fets, der schafft 
nicht mal einen IRF1404 ordentlich schnell durch zuschalten (0,25/0,5A).
Ein wenig C (100-470nF) zwischen VBO (Pin 8) und BRI (Pin 6) sind 
unabdingbar für die Bootstrap-Funktion.

Da aber eh schon eine galvanische Trennung vorhanden ist, kann man 
gleich den Lowside Pfad nehmen und sich die Boostrap-Geschichte sparen.

Aber Hauptaugemerkt sollte auf die Flanken am Gate (gegen Source) gelegt 
werden, mit den Strömen wird der Fet wohl eher zu langsam auf- bzw. 
zugefahren, ist EMV freundlich, verbrät aber Leistung -> Hot-Fet !

Autor: Robert S. (razer) Benutzerseite
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Hallo,

Snt Opfer wrote:
> Da aber eh schon eine galvanische Trennung vorhanden ist, kann man
> gleich den Lowside Pfad nehmen und sich die Boostrap-Geschichte sparen.

Ok werd ich machen.

Welchen Treiber würdest du dann empfehlen?

Snt Opfer wrote:
> Wegen Gateschutz ... Das GAte kann idR. +-20V ab, einige "Dicke" +-30V
> und +-40V transient, schlimmer siehts mit dem Treiber aus ... schwing
> der Strom beim Umladen in die negative Richtung (aufgrund der
> parasitären Induktivitäten und dem hohen Spitzenstrom) killt es die
> meisten Treiber -> Diode mit Kathode ans Gate und Anode an "Masse" vom
> Gatetreiber, am besten auch gleich einen Freilauf vom Gate gegen + vom
> Treiber.

Und welche Diode? Eine Zener als Spannungsbegrenzung?

Gruß Robert

Autor: Snt Opfer (snt-opfer)
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Moin,

wegen den Dioden, es reichen einfache aber schnell Schaltdioden, 
Dauerstrom ist relativ uninteressant, sie sollten Spitzen von 1-2A 
wegstecken können.
Uu. reichen 1N4148, besser wären MUR120 oder UF4007 (Achtung UF nicht 
1N) oder etwas aus dem BYT Regal, bei SMD LL103. Diese als Freilauf von 
Gate (Anode) gegen +12V (Kathode) (Die Gatetreiber Versogung) bzw. von 
Gate (Kathode) gegen GND (Anode) vom Treiber. Steigt die Spannung über 
12V bzw. unter GND (ins Negative) wird diese in die Versorgung 
abgeleitet. Damit das auch gut funktioniert, dort etwas Kapazität 
vorsehen (1-10µF).

Treiber....gibt wie Sand am Meer, recht kräftige hat IXYS,
http://www.ixyspower.com/store/Family.aspx?i=61

oder Microchip TC4451
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21987a.pdf

gibt es sicherlich auch von IRF oder Maxim, letzlich muss man halt sehen 
wie man an die Teile ran kommt ;-)
Zu beachten ist halt nur der max. Mögliche Spitzenstrom bzw. ihr 
interner Widerstand zum Gate, dort trennt sich die Streu vom Weizen !

Angenähert kommt man an den Strom wie folgt :

I = (delta U * C) / delta t
delta U = 0->12V ; 12V->0
delta t = 25ns (als bsp. Anstiegszeit)
C = 7nF (Gate-Kapazität)

I = +- 3,4 A !
Dabei sollte man nicht vergessen, dass der Spitzenstrom ca. 1,6 * höher 
liegt (e-Funktion !), also über 5A.

Wie man den Gatetreiber bzw. die äussere Beschaltung auslegt wird im DB 
von IXYS ganz gut erklärt :
http://ixdev.ixys.com/DataSheet/ixdd408.pdf

Weiterhin viel Erfolg....

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Wozu dient der Optookoppler?
Eine galvanische TRennung ist doch eh nicht da?

Wozu diese komische Massefestlegung? (zw. S vom FET und der Drossel??)
Da kannst den FET-Treiber auch direkt aufbauen...

Warum machst du keine normale Masse? Minus vom Eingan=Minus vom Ausgang 
= Masse???
Dann kannst du dir den DC/DC Wandler auch sparen...



PS: Über D1 solltest du ein R-C Netzwerk vorsehen.

Autor: Robert S. (razer) Benutzerseite
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Hallo,

Danke für die Erklärung mit den Dioden. Nur wie die von dir genannte 
Kapazität schalten? Für was genau ist die?

Ich bin dann schon am Überlegen, wie ich die Spannungsversorgung fürs 
Gate mach. Selbst bei einem Fet mit 1,7nF brauch ich so ca 20W!!

Matthias Lipinsky wrote:
> Wozu dient der Optookoppler?
> Eine galvanische TRennung ist doch eh nicht da?

Warum bin ich da nicht galvanisch getrennt. Ich möchte eine galvanische 
Trennung zwischen dem Steuerkreis (=µC) und der Lastseite des Step Downs 
erreichen.

Matthias Lipinsky wrote:
> Wozu diese komische Massefestlegung? (zw. S vom FET und der Drossel??)
> Da kannst den FET-Treiber auch direkt aufbauen...
>
> Warum machst du keine normale Masse? Minus vom Eingan=Minus vom Ausgang
> = Masse???
> Dann kannst du dir den DC/DC Wandler auch sparen...

Ich brauch ja eine Gate-Source Spannung von 12V. Doch die Sourcespannung 
ändert sich ja im Berech von 0 - 24V. Die Gatespannung muss nun 12V 
darüber liegen. Kannst du mir das mal aufzeichnen? Ohne galvanisch 
getrenneten DC-DC Wandler für das Gate kann ich mi das nicht vorstellen.

Deshalb hab ich das Bezugspotential für die Gatespannung auf Source vom 
Fet gelegt.

> PS: Über D1 solltest du ein R-C Netzwerk vorsehen.
Warum?

Gruß Robert

Autor: Snt Opfer (snt-opfer)
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Tach,

nein keine Panik, es sind nur kurze Impulse !
Die mittlere Leistung ist unter 1W, daher braucht es nur etwas schnelle 
Kapazität, also direkt am Treiber (Powersupply Bypass) 100-470nF am 
Besten mit Keramikkondensatoren. Die Berechnung zeigt nur auf, welche 
KURZZEITIGEN Ströme der Treiber liefern muss, um den Mosfet schnell zu 
schalten. Kann er das nicht, wird das Gate schön per e-Funktion optisch 
sichtbar (Oszilloskop), aufgeladen. Das resultiert in einer e-Funktion 
beim Strom bzw. beim Spannungsabfall über Drain Source des Mosfets.
Multipliziert man nun den Spannungsabfall und den zugehörigen Strom, 
bekommt man die Verlustleistung, die der Fet wärend des Schaltvorgangs 
in Wärme umsetzen muss. Das kann, bei schlechter Ansteuerung des Gates, 
mehr Verlust als im eingeschaltetetn Zustand sein.

Die Kapazität aus der Rechnung ist das Gate des Mosfets, siehe 
Datenblatt IRF 1404 :

Seite 2, Electrical Characteristics @ TJ = 25°C
Ciss Input Capacitance ––– 5669 pF <- 5,67 nF ~ 6nF

In der Praxis ist es ganz nützlich, direkt am Gate gegen Source noch 
0,470-1nF dazu zu schalten. Warum ?, würde jetzt ein Roman werden, daher 
verweise ich mal aufs Netz. Stichwort Miller-Charge, Miller-Kapazität, 
Miller-Clamping, Kapazitiver Spannungsteiler.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Ja, ich kann dir gerne meinen Lösungsvorschlag für dein Problem geben, 
aber vorher habe ich noch folgende Fragen:

- Welcher Eingangsspannungsbereich ist vorgesehen (min/max)
- Ausgang max 24V/10A, korrekt?
- Welche Ansteuerfrequenz soll verwendet werden?
- ANsteuersignal vom µC, also 0/5V ?
- MUSS es eine N-Kanal FET sein, oder würde auch ein
  p-Kanal gehen? (die Ansteuerung wäre SEHR einfach => siehe
    Anhang, nur statt der angeg. 36V hast du eben dein Uin)

Autor: Snt Opfer (snt-opfer)
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Moin,
dank Treiber kann er auch N-Fets nutzen, ist Geschmackssache :-)

Hab noch etwas gestöbert und paar grundsätzliche App Notes zum Thema 
gefunden.

Anwendung der Treiber im Allgemeinen und für verschiedene Applikationen 
bzw. Netzteil Topologien
http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-978.pdf

Und wie man die Bootstrap-Schaltung dimensioniert bzw. einsetzt. Es 
erläutert auch die allgemeinen Probleme beim Schalten von Fets.
http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt04-4.pdf

----
Da das Thema ein Dauerbrenner ist, könnte man ja mal nen Artikel 
abfassen.
Würde die Redudanz im Forum verringern ;)

Schönen Sonntag noch ...

Autor: Snt Opfer (snt-opfer)
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BTW:

Sehe es grad ... wenn eh "nur" max. 10A gefordert sind würde ich mir 
eher einen kleineren Fet suchen. Es gibt leider einen direkten 
Zusammenhang zwischen kleinen Rds, hohen Strom vs. Gate Kapazität !
Ein 20-50A Fet hat auch ein kleineres Gate (in der Fläche und in der 
Kapazität) und würde die Ansteuerung vereinfachen (kein "Monstertreiber" 
nötig). Zudem sind paar mehr Milliohm Rds nicht unbedingt schädlich, es 
wird zwar etwas wärmer, aber die Ströme werden auch bedämpft -> EMV.

Autor: Robert S. (razer) Benutzerseite
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Matthias Lipinsky wrote:
> Ja, ich kann dir gerne meinen Lösungsvorschlag für dein Problem geben,
> aber vorher habe ich noch folgende Fragen:

> - Welcher Eingangsspannungsbereich ist vorgesehen (min/max)
Ich hab nur 24V zu Verfügung.

> - Ausgang max 24V/10A, korrekt?
Ja

> - Welche Ansteuerfrequenz soll verwendet werden?
Frequenz liegt ca bei 32khz

> - ANsteuersignal vom µC, also 0/5V ?
Ja

> - MUSS es eine N-Kanal FET sein, oder würde auch ein
>   p-Kanal gehen? (die Ansteuerung wäre SEHR einfach => siehe
>     Anhang, nur statt der angeg. 36V hast du eben dein Uin)
Eigentlich ist mir ein N-Kanal lieber. Da gibt es eine viel größere 
Auswahl mit einem geringen Innenwiderstand.

Ich verwende derzeit ja nicht die Bootstrapfunktion, sondern löse das 
Problem mit dem DCDC Wandler. Welche Methode ist den hier vorzuziehen?

Zur Millerkapazität, Zusammen mit dem externen Kondensator zwischen Gate 
und Source hat man damit ja einen Spannungsteiler. In welcher 
Größenordnung liegt denn da die Millerkapazität? Was genau bringt sich 
da der externe Kondensator?

Im Anhang mein aktueller Schaltplan.

Als Fet hab ich nun einen STP55NF06 von ST.
Der hat einen Innenwiderstand von 15mOhm und eine Gatekapazität von 
1300pF.

Wenn ich so einen Treiber hab, brauch dich doch keinen Gatewiderstand, 
oder?

Gruß Robert

Autor: Snt Opfer (snt-opfer)
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Wegen Miller,
http://www.controleng.com/article/CA6427682.html
(mitunter wird man umgeleitet, einfach nochmal eingeben/kopieren)
Lässt sich warscheinlich berechnen, schneller gehts durch probieren bzw. 
Messen. Aber ist in deiner Anwendung eh untergeordnet, Probleme macht es 
erst bei Brückenschaltungen. Hab nur drauf hingewiesen, da ja die Gate 
Kapazität in meiner Beispielrechnung von gut 6 nF auf 7nF angestiegen 
ist. ;)

Gatewiderstand sollte schon sein, zum Strom begrenzen, sonst bekommt man 
unnötige Spannungsspitzen am Gate. Da der Abschaltvorgang bei den 
meisten Fets länger dauert, bietet es sich an den Gatewiderstand zum 
Entladen mit einer Diode zu überbrücken.
Also Gatewiderstand (1-8 Ohm, je nach Fet und Flankensteilheit) und 
parallel
 zum Widerstand eine schnelle Diode, Kathode Richtung Treiber.

Autor: Rooney Bob (rooney)
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Verwende eine Konstantstromquelle, dann kannst du über einen Widerstand 
den Spannungsabfall zwischen Gate und Source einstellen.

Ich habe so ziemlich die gleiche Schaltung aufgebaut und bei mir 
funktioniert das tadellos.

Autor: Robert S. (razer) Benutzerseite
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Rooney Bob wrote:
> Verwende eine Konstantstromquelle, dann kannst du über einen Widerstand
> den Spannungsabfall zwischen Gate und Source einstellen.
>
> Ich habe so ziemlich die gleiche Schaltung aufgebaut und bei mir
> funktioniert das tadellos.

?? Da hab ih doch am Widerstand im Extremfall 240W Verlustleistung...
Ich glaub das wird nichts

Danke für den Link zur Millerkapazität und zur Erklärung. :)

So wie das jetzt werde ich das ganze einmal aufbauen und testen.

Gruß Robert

Autor: Rooney Bob (rooney)
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Wie kommst du auf 240W? In meiner Schaltung haben ich 10mW, wenn ich 
einen 10k Widerstand nehme und 1mA Konstantstrom will. Mein 
Ausgangsspannungsbereich ist jedoch 8V...35V, da funktioniert das 
einwandfrei. PWM fähig ist das ganze mit 10k natürlich nur sehr 
beschränkt, denn ich verwende 100A MOSFETs und da ist die Umladerei beim 
Ein- und Ausschalten etwas langsam.

Autor: Snt Opfer (snt-opfer)
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Stromquelle ?
Hab ich was verpasst ? Bitte um Erklärung, da komme ich nicht mehr mit. 
:-|

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Stromquelle ?

Ja, siehe zB in meinem Beispielpost. Da ist auch eine Stromquelle drin..

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