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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Nochmal High Side Driver und Bootstrapping


Autor: Counterfeiter (Gast)
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Hallo,

also ich muss nochmal Nachfragen... ich hab jetzt schon einiges an Zeit 
investiert um herrauszufinden wie man einen High Side Fet mit N Channel 
ordentlich Zünden kann.
Dabei bin ich aber noch nicht wirklich Erfolgreich gewesen. Also erstmal 
zum Setup. Ich hab eine Eingangsspannung von 250 Volt (damit fällt ja 
ein PMOS Fet schon fast raus) und einen Maximalstrom von 5A... ich 
brauch das ganze unbedingt als High Side...
Hab jetzt schon verschiedene Treiber gefunden die N Mosfets in der 
Spannung treiben mit Bootstrapping... Jetzt hab ich gelesen, dass man 
fürs Bootstrapping nen Low Side Fet braucht der auch ab und zu mal auf 
Masse schaltet oder auch eine Ladungspumpe mit dem Cmostimer 7444 (oder 
so).
Dann hab ich wiederrum gelesen, erst wenn die Last mehr als 500 Ohm 
hat???
Jetzt hab ich hier im Forum ne Schaltung mit nem Optokoppler gefunden, 
die ich nicht wirklich versteh... hmm und das ganze Infomaterial das ich 
bis jetzt bei google gefunden habe verwirrt mich zur Zeit nur mehr, als 
es Klarheit schafft...

Ich hätte jetzt am lieben ein fertigen IC der mir einen N Channal 
HighSideMosfet treibt (beliebe Zeit an und Pulsen), ohne das ich mir 
noch Ladungspumpen usw bauen muss. Gibts denn so etwas nicht?

Achso, letztendlich würde ich dann gern einen Mosfet oder IGBT (hab ich 
da liegen) mit 5-15kHz treiben...

thx schonmal

Basti

Autor: DerWarze (Gast)
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Bootstrap funktioniert nur bei Ansteuerung mit einer Impulsfolge b(zB. 
PWM), statisch funktioniert das nicht da der Kondensator der die 
Gatespannung bereitstellt immer wieder nachgeladen werden muss.
Am einfachsten bei ststischer Ansteuerung ist ein 
Photovoltaik-Optokoppler zb APV1121 (den gibt es auch beim grossen C). 
Bis zu welcher Frequenz damit Pulsansteuerung geht habe ich nicht 
getestet da ich die nur statisch einsetze.
Ansomsten funktionieren die gängigen Teile IR21xx etc. recht gut, sofern 
eine Speisespannung von 10-15 V zur Verfügung steht. In den 
Datenblättern sind anhand der Schaltshemen recht gut das 
Funktionsprinzip zu erkennen.
Hat man nur 5V braucht es einen der eine interne Ladungspumpe hat, weis 
jetzt dazu aber keine Typenbezeichnung (war hlaube ich etwas wie HIPxxx)

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Also mit einer normalen Bootstrap-Schaltung kannst du den Highside-FET 
nicht beliebig lange einschalten. Durch Leckströme des 
Bootstrap-Kondensators sowie den Stromverbrauch des Gatetreibers wird 
der Kondensator entladen und die Spannung unterschreitet irgendwann den 
Sollwert für die Gateansteuerung, sodass dein Transistor in den linearen 
Bereich gerät, oder aber die Undervoltage Lockout Funktion des 
Gatetreibers aktiv wird und den Transistor ausschaltet.
Bootstrap und beliebige Einschaltzeit funktioniert also nicht. Dass 
man einen passenden Lowside FET braucht, der ab und zu durchschaltet, 
ist richtig. Irgendwie muss ja der Bootstrap Kondensator geladen werden. 
Wenn die Last allerdings niederohmig genug ist, kann man sich den 
Lowside FET auch sparen, der Ladestrom des Bootstrap-Kondensators 
fliesst dann durch die Last.
Am einfachsten wäre es, du nimmst für die Highside-Ansteuerung einen 
kleinen DC-Wandler mit 15 Volt Ausgangsspannung? 1 Watt reicht locker.
Wenn du einen guten Gatetreiber hast, kannst du das Gate sogar mit +/- 
15 Volt ansteuern, was gewisse Vorteile bringt.

Autor: Fralla (Gast)
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Welche Vorteile haben +/- 15V ?

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Fralla,
ich habe ein Buch über solche Dinge hier. Bei Interesse kann ich heute 
Abend den entsprechenden Abschnitt einscannen, momentan bin ich 
unterwegs.

Gruss

Autor: Counterfeiter (Gast)
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Hab gehört wenn ich den IGBT mit Minus 15 Volt ausschalte vermeid ich 
den Miller effekt? (das er noch etwas durchsteuert??) oder so... hab ich 
auch irgendwo am Wochenende in irgendwelchen Schriften rausgelesen... 
kA, hoffe das stimmt...

Erstmal danke für die ausführlichen Erklärungen!

Also 15 Volt Versorgungsspannung sind nicht das Problem!


Wie funktioniert das mit dem Photovoltaik-Optokoppler? Ich brauch doch 
eine 15 Volt höhere Spannung am Gate als am Source, wenn ich das richtig 
sehe... Der Photovoltaik Optokoppler schafft das wohl?

Wenn ich den Bootstrap auch wieder durch die Last laden kann... dann 
muss ich ja auch nicht Dauerhaft ein steuern... könnte ja das Duty Cycle 
aus sehr hoch stellen... hm, vielleicht sollte ich das mal mit Spice 
Simulieren...

Hat jemand ne schöne Seite, vielleicht auf Deutsch, wo ich Infos und nen 
paar Beispielschaltungen sehen kann?

mfg basti

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Wie gesagt, mit Bootstrap geht der Duty nicht bis auf 100 Prozent hoch. 
Du musst immer zwischendurch ausschalten, um den Kondensator nachladen 
zu können!
Ein geeigneter Optokoppler wäre z.B. der ACPL-331J von Avago, oder der 
316J.
DC/DC Wandler fällt flach? Das würde einiges vereinfachen.

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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@Fralla
ich habe das entsprechende Kapitel in dem erwähnten Buch nachgelesen.
Anscheinend braucht man die negative Gatespannung doch nur, wenn man 
eine Halbbrücke aufbaut, also mit High- und Lowside Transistoren.
Im Buch heisst es:

"Die Bootstrap-Stromversorgung ist nicht für alle Fälle geeignet. Zu 
beachten ist bei der Ansteuerschaltung die Kommutierung des Stromes der 
unteren Diode auf den Highside-Transistor. Der Potentialsprung am 
Kollektor verursacht über die Kollektor-Gate-Kapazität einen 
Verschiebungsstrom, der die Gatekapazität auflädt. Zur Verneidung von 
Fehlfunktionen mus deshalb das Gate niederohmig angesteuert werden und 
im ausgeschalteten Zustand eine negative Vorspannung aufweisen (uGE 
-8..-15 V)."

(Aus: "Grundkurs Leistungselektronik" von Joachim Specovius; S. 70).

Konkret heisst das also: schaltet der Highside-Transistor ein, dann 
ergibt das diesen Potentialsprung am Kollektor des Lowside-Transistors. 
Über dessen Kollektor-Gate-Kapazität kann dann der Verschiebungsstrom 
fliessen und so den Lowisde-Transistor ungewollt einschalten.

Es hat also, wie Counterfeiter bereits geahnt hat, schon irgendwie mit 
dem Miller zu tun.
Ausserdem könnte ich mir noch gut vorstellen, dass ein IGBT oder MOSFET 
schneller ausschaltet, wenn man eine negative Gatespannung anlegt, 
anstatt 0 V. Das müsste man aber im Einzelfall mal nachmessen.

Abhilfe schafft, wie gesagt, entweder die negative Gatespannung, oder 
Gatetreiber mit einer sogenannten "Miller Clamp"; der ACPL-331 hat sowas 
integriert. Diese Miller-Clamp hält das Gate jeweils fest auf dem 
gewünschten Pegel, der Verschiebungsstrom kann dann durch die 
Miller-Clamp abfliessen und stört nicht das Gate.
Klar soweit? ;-)

Autor: Basti M. (counterfeiter)
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Hm, son Buch hätt ich auch gern... vielleicht könnteste ja bei 
Gelegenheit 1-2 Seiten rauskopieren...

Also ich hab mal nach diesem IGBT Treiber geschaut den ihr mir genannt 
habt-> ACPL-331J-000E

Wenn ich das richtig verstehe ist das auch Boot Strap Technologie bloß 
nen anderer Name dafür ->

"The DESAT fault detection circuitry must remain disabled for a short 
time period following the turn-on of the IGBT to allow the collector 
voltage to fall below the DESAT threshold. This time period, called the 
DESAT blanking time is controlled by the internal DESAT charge current, 
the DESAT voltage threshold, and the external DESAT capacitor."

Ich hoffe ich hab das jetzt richtig verstanden...

@Tobias Plüss Also das mit dem Netzteil ist gar kein Problem... ich 
werde (hab ich auch schon getestet) ein 15 Volt Schaltnetzteil nehmen... 
das Regelt mir meine 200-250 Volt Gleichspannung runter. Wollte damit 
beide Gatetreiber versorgen (High Side und Low Side)... nur bin ich mir, 
wie gesagt, noch nicht Schlüssig wie.

Also wenn ich meine PWM nicht voll ausfahre, meinetwegen nur 98%, dann 
soll mir das auch genug sein. Wichtig ist nur, dass ich auch durch die 
Last (90 Ohm + Induktivitäten) mein BootStrap schnell genug wieder läd! 
Bei mir wird es zwar einen Low Side MOSFET bzw IGBT geben, aber das 
macht keinen Sinn den anzusteuern, weil ja dann über meinen 
Reihenschlussmotor die Wicklungen über Masse kurzschließe und der Motor 
mit bremsen anfängt.

MFG

Basti

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Hallo Sebastian,
also mit dem DESAT und dem Bootstrap bringst du jetzt was durcheinander.
Desaturation detection ist noch was anderes.
Der Trick dabei ist, dass die Spannung über de Kollektor-Emitter-Strecke 
des Transistors gemessen wird. Diese Spannung ist Abhängig vom Strom, 
der durch den Transistor fliesst. Wenn jetzt zu viel Strom fliesst, der 
Transistor also überlastet ist, dann gerät er aus der Sättigung, d.h. 
der Spannungsabfall und damit die Verlustleistung wird sehr gross.
Der ACPL-331 bemerkt dies, und schaltet den IGBT als Schutzmassnahme 
aus, sodass kein Strom mehr fliesst.

Das mit dem 15 V Schaltnetzteil ist i.O. so. Ich dachte, du hättest 
keinen Lowside-Transistor, deshalb sagte ich, dass es besse wäre, den 
Highside mit einem DC-Wandler zu versorgen. Aber da du einen 
Lowside-Transistor hast, der ja auch gelegentlich einschaltet, ist das 
kein Problem.
Achte einfach darauf, dass die Bootstrap-Diode eine Schnelle Diode ist, 
und dass sie eine ausreichende Sperrspannung hat (das ist klar). Dabei 
musst du vielleicht eventuelle induktive Spannungsspitzen 
berücksichtigen.
Eine normale 1N4007-Diode oder sowas geht NICHT, wie ich aus eigener 
Erfahrung berichten kann. Die sind mir abgeraucht....
Suche nach Fast Recovery, Ultra- oder Hyperfast-Dioden, sowas sollte für 
diesen Zweck geeignet sein.

Was nimmst du als Bootstrap-Kondensator?

Autor: Basti M. (counterfeiter)
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Ja genau aus dem Grund hab ich auch noch nichts vom Low Side Fet 
erzählt... weil es da schnell zur verwechslung mit einer halben H Brücke 
kommt...

Also es ist ja so, das ich den Motor Treiben will, dass kann bzw ne 
halbe Stunde sein... (High Side Fet Pulst, Low is komplett aus)... dann 
möcht ihn in Bremsen... (Low Side Fet pulst, High is komplett aus)...

Also die sollen völlig unabhängig schalten!

Jetzt könnte ich natürlich auch den Low Side Fet immer ein wenig 
durchschalten, vielleicht 1-2% der Zeit des High Side Fets... aber ich 
denk das wäre ziemlich unwirtschaftlich und unschön... würde ich ja 
immer ein wenig den Motor bremsen nur um den Boot Strap zu laden... ich 
glaub das ist keine schöne Lösung!


Achso, ja gut, jetzt versteh ich das mit dem DESAT... aber der ACPL-331J 
unterstützt doch das Bootstrapping tortzdem, oder? Außerdem brauch er ja 
noch ne Ladungspumpe um nochmal die 15 Volt auf die Spannung drauf zu 
schlagen...

hm, ich glaub ich muss erstmal ins Bett und überleg morgen nochmal nen 
bisschen... mir brummt schon der Schädel...

danke für deine Geduld =)

mfg basti

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Hallo,
also, damit da keine Verwirrung aufkommt, im Anhang mal ein Ausschnitt 
aus einem Schema. Ich darf leider nicht das komplette Schema posten, 
aber der Ausschnitt hier sollte genügen denke ich.
Es ist eine Halbbrücke mit IGBTs sowie mit den bereits erwähnten 
Gatetreiber-Optokopplern; hier wurde eine Bootstrap-Schaltung 
realisiert.
Die Diode im Bild ist allerdings falsch beschriftet; ich hatte keine 
1N4007, sondern eine MUR8100 eingesetzt (die ist allerdings der 
Overkill, da für 1000 Volt und 8 A ausgelegt, ich würde lieber einen 
schwächeren Typ einsetzen für weniger grosse Ströme).

Als Bootstrap-Kondensator dient C7, die Bootstrap-Diode ist V7. Wenn der 
Lowside-Transistor V15 einschaltet, wird C7 über V7 geladen; somit kann 
dann der Highside Transistor V6 eingeschaltet werden.
Diese Schaltung ist geprüft und funktioniert, ich hatte sie an einem mit 
+ 700 V DC betriebenen Gerät eingesetzt.

Gruss
    Tobias

Autor: Counterfeiter (Gast)
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Danke für den Schaltplan... ich würde das ganz gern mal simulieren ob 
der C7 es auch wirklich schafft sich über die Last (Motor) aufzufrischen 
bzw ab welchem Duty Cycle es kritsch wird. Wenn der Motor steht ist es 
ja kein Problem, den Low Side vorher kurz ein zu schalten um die 
"Vorladung" zu bekommen.

Hab jetzt mal nach einem Spice Model gegoogelt -> ACPL-331J
werd leider nicht fündig, hast du so etwas zufällig?


grüße

Basti

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Tag Basti,
also ich muss dich da enttäuschen, zum 331 oder einem ähnlichen Teil 
wirst du sicher kein SPICE-Model finden :-(
a^ber das ist ja auch gar nicht nötig, du kannst ja überschlagsmässig 
ausrechnen, wie lange es dauert den Kondensator zu laden. Du kennst den 
Widerstand der Last und die Kapazität, das ergibt dann ungefähr dein 
Tau.
Wobei ich mir aber auch nicht 100%ig sicher bin, ob man das so rechnen 
kann; ich schaue heute Abend nochmals in meinem Buch nach.

Gruss
  Tobias

Autor: Counterfeiter (Gast)
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Also hab das ganze mal mit nem anderen Treiber IC (den ich nicht 
verwenden werde) grob nachsimuliert... da kann ich das Duty Cycle auch 
ohne Probleme auf 98% hochfahren und der Bootstrap läd sich noch... ich 
werd mal ne Liste zusammenstellen und die Bauteile beim Conrad bestellen 
um das ganze Live zu probieren ;)

grüße Basti

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Was willst du nachher für einen Treiber verwenden?

Autor: Basti M. (counterfeiter)
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na ich werd nächste Woche bestellen... ich werd das mal so aufbauen wie 
in deinem Schaltplan... denke mal das sollte klappen wenn ich dem 
bootstrap genug Zeit lasse sich zu laden...

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