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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Probleme mit Mosfettreiber bei Sperrwandler


Autor: Florian (Gast)
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Hallo,

ich habe folgendes Problem:

Ich versuche einen Sperrwandler zu realiseren, der Rechteckgenerator 
funktionier ohne Probleme. Um den Gatestrom beim umladen des Fet`s zu 
gewährleisten habe ich eine Verstärkerschaltung gebaut.
Leider schaltet der Fet nicht ganz durch, ich habe über Drain und Source 
eine Spannung von ca. 1V --> der Fet wird extrem heiß.
Als Schaltfrequenz habe ich 100kHz.

Wo könnte mein Fehler liegen, bzw. wie kann ich die Schaltung 
optimieren?

MfG

Florian

Autor: Matthias Becher (matthias882)
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Mit den genauen Infos kann dir bestimmt keiner helfen...
Schreib wenigsten mal den Typ des FET dazu. Vielleicht ist der einfach 
zu langsam. Probier mal ne niedrigere PWM-Frequenz...

Autor: Florian (Gast)
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Der Fet ist ein IRF120 über die eingezeichnete Induktivität fließt ein 
Strom von Maximal 1,8A, womit der Fet locker klar kommen sollte.
Die Frequenz kann ich nicht runter setzten, da ich sonst nicht mehr die 
benötigte Leistung übertragen kann.

Autor: Florian (Gast)
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Als Innenwiderstand meines Generators habe ich 4,4K und die Bipos haben 
eine Stromverstärkung von ca. 200
Der Gatestrom den ich errechnet habe ist <150mA

Was fehlen sonst noch für angaben?

Kann ich bei den Transistoren noch Kondensatoren zuschalten um den Strom 
auch wirklich zu gewährleisten?
Wenn ja wie dimensioniere ich sie?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Florian schrieb:
> Der Fet ist ein IRF120

Wo hast du das alte Ding ausgegraben?
Einen Mosfet in TO-204 habe ich im letzten Jahrzehnt nicht mehr 
gesehen...

Der Gatetreiber sollte ausreichen, da der IRF120 nur eine geringe 
Gatecharge hat.
Besitzt du ein Oszilloskop? Falls ja, schau dir mal die Gatespannung 
bzw. die Spannung vor dem Treiber an, vermutlich liegt da der Fehler.

Autor: Matthias Becher (matthias882)
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0,5 V würden bei 1,8 A ja schonmal mindestens abfallen (RDSon 0,3 Ohm)

Ich weiß nicht ob deine Transistoren schnell genug sind. So schön in der 
Sättigung betrieben (scheinen ja ganz schön dicke zu sein, bei nur 200 
Stromverstärkung)
Verkleiner mal den Gate-Widerstand oder lass ihn ganz weg.

(Der Generator liefert hoffentlich ein sauberes Rechteck mit 15V ?!)

Autor: Florian (Gast)
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Also der Transistor ist schnell genng der kann 100Mhz und das Rechteck 
ist auch sauber.

Autor: Klaus (Gast)
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Und was für eine Amplitude hat dein Rechtecksignal?

Autor: Mandrake (Gast)
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Woher weißt du, dass dein Rechteckgenerator richtig funktioniert?

1.Bringt dieser mindestens 5V Spitzenspannung? Wenn nicht, dann liegt da 
ein Problem! Beachte, dass deine Gatespannung auf den Spitzenwert deines 
Generators minus ~0,7V aufgeladen wird.

2.Deine beiden Bipolartransistoren werden wahrscheinlich in die 
Sättigung geraten. Da würde ich ihnen allenfalls eine Stromverstärkung 
von 10 zutrauen.
Als Schaltstrom (trise = 100ns) habe ich mal 150mA ausgerechnet.
Bedeutet, dein Basisstrom muss 15mA erreichen können sonst werden die 
100ns nicht erreicht. Damit kann man ausrechnen: 15mA x 4k4 + 0,7V = 
66,7V.
Das sollte deine Generatorspitzenspannung sein.
Hier liegt wahrscheinlich der Hase im Pfeffer begraben. Dein Ri ist viel 
zu hoch. Oder anders gesagt dein Rechteckgenerator funktioniert NICHT 
problemlos.

Mehr zu orakeln habe ich erstmal keine Lust. Deine Infos sind leider zu 
knapp. Leg mal ein paar mehr Fakten auf den Tisch dann können wir dir 
richtig helfen.

Gruß

Mandrake

Autor: Matthias Becher (matthias882)
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Bei 5 V Rechteck am Frequenzgenerator würde der PNP nie sperren. Das 
High-Pegel des Rechtecks sollte schon 15V sein.

Autor: Florian (Gast)
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Also den Rechteckgenerator habe ich mit einem Komparator und einem 
RC-Glied realisiert. Die Amplitude beträgt 15V. Und es ist ein 
Open-kollektorausgang wobei zwischen der Versorgungsspannung und dem 
Kollektor der Widerstand 4,4K liegt also mein Innenwiderstand.

Nach deiner Aussage mit der Stromverstärkung in der Sättigung würde die 
Spannung also nicht ausreichen bzw. der Innenwiderstand ist zu hoch.

Im Prinzip könnte ich doch eine weitere Transistorstufe nachschalten 
oder?

Welche Daten brauchst du denn noch?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Florian schrieb:
> Also den Rechteckgenerator habe ich mit einem Komparator und einem
> RC-Glied realisiert. Die Amplitude beträgt 15V. Und es ist ein
> Open-kollektorausgang wobei zwischen der Versorgungsspannung und dem
> Kollektor der Widerstand 4,4K liegt also mein Innenwiderstand.

Der Innenwiderstand ist also nur beim Einschalten vorhanden und beim 
Abschalten deutlich kleiner. Da bei einem Sperrwandler vor allem die 
Abschaltflanke wichtig ist, ist das also nicht ganz so schlimm, wenn das 
Einschalten etwas langsamer ist. Der Treiber dürfte also ausreichen.
Mess man nach ob der Komparator wirklich 0V Ausgangsspannung erreicht. 
Wenn der nämlich nicht ganz auf 0 runter kommt, und dann nochmals beim 
Treiber 0,7V dazu kommen, ist schnell die Einschaltspannung des Mosfets 
erreicht.

Autor: avion23 (Gast)
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IMO sollte das funktionieren. Hast du die Transistoren richtig 
eingebaut?

Ersetz die Spule durch einen Widerstand und probier, ob du den fet 
statisch mit Hilfe des Treibers durchschalten kannst. Wenn das 
funktioniert kannst du weiter schauen.

Autor: Mandrake (Gast)
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@Mathias Becher

Und ob der sperren würde. Die Gate-Sourcespannung würde maximal 4,3V 
erreichen. Bzw. diese wird zwischen 0,5V und 4,3V hin und her pendeln.
Die Betriebsspannung der Gegentaktstufe spielt im übrigen keine Rolle, 
da die Emitter am Gate liegen.
(Abgesehen von der max. Ucb, die hier  überschritten werden kann und den 
Transistor zerstören könnte).
Sobald die Gatekapazität die Gen.-Spitzenspannung minus 0,7V erreicht 
hat fließt kein Basisstrom mehr und damit auch kein Kollektorstrom.

Gruß

Mandrake

Autor: Florian (Gast)
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Das mit dem Widerstand werde ich morgen mal ausprobieren.
Aber was genau sagt es mir, wenn es mit dem Widerstand funktioniert aber 
mit dem Übertrager nicht?

Autor: Florian (Gast)
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Zum Lowpegel des Taktgenerators:

Ein kurzer Peak auf -70mV und dann ca +26mV

Nach der Transistorstufe habe ich exakt das gleiche Signal.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Wenn der Mosfet dann trotzdem noch durchsteuert, ist er entweder falsch 
angeschlossen (Drain-Source vertauscht) oder defekt.

Autor: avion23 (Gast)
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>Aber was genau sagt es mir, wenn es mit dem Widerstand funktioniert aber
>mit dem Übertrager nicht?
Wenn es mit dem Widerstand funktioniert hätten wir schonmal das 
statische Verhalten geklärt. Jetzt ist es wahrscheinlich ein Problem mit 
dem zeitlichen Verlauf deines Signals.

Was mir noch einfällt ist kurzgeschlossener Übertrager, zu kleine 
Induktivität / falsches f, Schwingungen, Masseführung. Dafür brauchst du 
ein Oszi.

Autor: TrippleX (Gast)
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Kleine Frage:
Diese Treiber sieht man sehr oft doch diese würden sich
doch im Umschaltmoment kurzschließen oder?
Man bräuchte doch eigentlich eine Totzeit, oder?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Nein, das ist ein komplementärer Emitterfolger. Dadurch dass die 
Ausgangsspannung immer um 0,7V in jeder Richtung kleiner ist als die 
Eingangsspannung, hat man quasi einen Totbereich von +/- 0,7V in dem 
beide Transistoren sperren.

Autor: Florian (Gast)
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Nen Oszi ist nicht das Problem, so hab ich ja auch den Peak beim Low 
Level des Rechteckgenerators gemessen.
Die Induktivität ist im 2stelligen mH bereich, den genauen Wert hab ich 
grad nicht im Kopf.
Sind 8 Windungen auf nem EER 14.5/7 kern.
Bei der Berechnung bin ich nach der Anleitung im Buch "Trilogie der 
induktiven Bauelemente" von WE vorgegangen, daher müssten Frequenz und 
Induktivität eigentlich richtig sein.
Über die Masseführung hab ich mir nicht groß gedanken gemacht, da es 
noch ein Prototyp ist ist die Leiterkarte auch noch über Laborleitungen 
mit nem Labornetzteil verbunden.
Wo und wie würde ich Schwingungen denn messen bzw. herrausfiltern 
können?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Florian schrieb:
> Die Induktivität ist im 2stelligen mH bereich, den genauen Wert hab ich
> grad nicht im Kopf.
> Sind 8 Windungen auf nem EER 14.5/7 kern.

8 Windungen und 2 stelliger mH Bereich klingt merkwürdig. Wenn der Kern 
nicht gerade ein paar kg schwer ist, würde ich sagen die Angaben stimmen 
nicht.

Autor: Florian (Gast)
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Kann mich mit dem Wert auch täuschen, den hab ich schon vor mehreren 
Wochen berechnet, werd ich morgen früh mal nachschauen und posten.

Autor: Florian (Gast)
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So, hab mal nachgeschaut, der Wert liegt ist ca 2,6*10^-5H also doch 
deutlich kleiner als ich im Kopf hatte.

Autor: Michael O. (mischu)
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1. Du hast nur eine Induktivität gezeichnet. Der Sperrwandler hat ja 
nocheine Trafosekundärseite.
Wie ist der Trafo gewickelt? Primär innen oder außen auf dem Kern?

2. Welche Spitzenspannung sieht der FET auf der Drain/Source Strecke? 
Möglicherweise Avalanche durchbruch?

3. Welcher Spitzenstrom fließt durch die Induktivität? -> Sättigt der 
Kern?

4. Der Rth (Junction to Case) ist grotten schlecht!! Vergleicht: ein 
TO220 Gehäuse ist heute 2-4mal besser.

5. Der Rdson ist ebenfalls sehr schlecht. Deiner:300mOhm, aktuelle IRF: 
3-50mOhm

6. Die Spannung an dem Gate sollte mindestens 10V betragen, damit der 
ordentlich niederohmig ist.

Vorschlag:
Ersetze deine Spule mal durch einen (niederinduktiven) Lastwiderstand.
Variiere die Schaltfrequenz 0-100kHz und schau dir die Temperatur des 
FET an.

Ist er schon bei statischem Betrieb war, liegts am FET. Bei höheren 
Frequenzen kann es am Treiber oder am FET liegen.

Autor: Florian (Gast)
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Ich habe zwei Sekundärwicklungen, da ich diese jeweils mit 0,1mm starkem 
Draht gewickelt habe und die Primäre mit dickerem ist die Primärwicklung 
außen also über den Sekundären.

Statisch schaltet er und wird auch nicht warm.

Was ist ein Avalanche Durchbruch?

Der Spitzenstrom über die Induktivität ist <1,8A, dabei dürfte der Kern 
eigentlich nicht in die Sättigung geraten.

Autor: Michael O. (mischu)
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Statisch <=> schalten ?? D.h. wenn du eine DC-Spannung am Gate anlegst 
ist der Mosfet kühl, obwohl die 1,8A durch die DS-Strecke fließen?

Avalanche -> Wenn Du eine Überspannung an die DS-Strecke anlegst (Gate = 
0V), beginnt dies zu leiten obwohl er laut Gatespannung eigentlich 
sperren soll.
Da dein MOSFET maximal 100V aushält sollte die Spannung auch immer 
niedriger bleiben als ca. 60-80V in der Spitze beim Abmagnetisieren. 
Steigt sie höher läufst du Gefahr dass der FET von sich aus anfängt zu 
leiten und die Schöne Energie für die Sekundärseite einfach in Wärme 
umwandelt.

Primärseite innen ist wichtig beim Sperrwandler! Du hast eine 
Nennenswerte Streuinduktivität zwischen Primär- und Sekundärseite. Da 
der Fluss jedoch nicht so hoch ist (wg. Luftspalt) bekäme der Schalter 
auf der Primärseite die Energie des Streufeldes zu spüren, ohne dass Du 
Energie auf die Sekundärseite transportierst. -> Also Windungen 
tauschen!

Ich vermute mal, dass dein MOSFET zu langsam schaltet.
Reduziere mal den Gatewiderstand auf 2..10 Ohm.

Autor: Florian (Gast)
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Hatte statisch als schalten mit ohmscher Last verstanden...
Hab mal 20 Ohm dran gehängt statt des Übertragers also auch ein 
kleinerer Strom Ids.
Da hat er geschaltet.

Baue die schaltung grad mal neu auf, so dass ich mit der Strommesszange 
nachvollziehen kann, wieviel Strom beim schalten am Gate fließt, bzw. 
wieviel später über die Drain-Sourcestrecke.

Den Gatewiderstand hab ich mal auf 5,1 Ohm gesetzt, zusätzlich habe ich 
bei den Bipos in Reihe zum Kollektor noch 5,1 Ohm geschaltet, weil mir 
der vorhin kaputt gegangen ist.

Mal schauen was ich da gleich messen werde.

Autor: eugen (Gast)
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Für mich sieht die Gegentaktstufe sehr seltsam aus. nur ein 
Gedankenspiel: ich lege High an, der obere npn schaltet durch und der 
untere pnp schaltet auch - Kurzschluss auf 15V.
es wird Low-Pegel angelegt - der npn sperrt, der pnp leitet. Die 
bisschen Gateladung (was sich vorher aufgebaut hat) kann nun abfliesse.
Oder irre ich mich?

Autor: Florian (Gast)
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wenn am eingang 15V liegen und der npn schaltet hast du nicht die 
differenz von 0,6-0,7 die benötigt würde um den pnp zu schalten, der 
bleibt also aus.

Autor: Matthias Becher (matthias882)
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@eugen

Das ist keine Emitterschaltung...

Autor: Florian (Gast)
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So, mal das Ergebnis.

Mit einem Gatewiderstand von 5 Ohm läuft die schaltung jetzt Problemlos.
Der Fehler, mit dem ich die meisten Probleme hatte war, dass der Fet 
defekt war, denn wie sich herrausgestellt hat betrug Rds off 77 Ohm.
Also Fet ausgetauscht und es lief.

Ich bedanke mich sehr herzlich für die vielen Tips.

MfG

Florian

Autor: Anos B. (Gast)
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>> Mit den genauen Infos kann dir bestimmt keiner helfen...
Schreib wenigsten mal den Typ des FET dazu. Vielleicht ist der einfach
zu langsam. Probier mal ne niedrigere PWM-Frequenz...

das kann man mit einem auge oben sagen wenn man das schaltbild sieht, 
daß er nur mal den 50 Ohm gatewiderstand rauszunehmen braucht. ich würde 
es immer ohne gatewiderstand probieren, erst wenn es probleme gibt, 
würde ich es auch mit gatewiderstand versuchen. durch den gatewiderstand 
macht er sich die ganze verstärkerstufe ja wieder zu nichte.

Autor: Ben (Gast)
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kannst du so auch nicht sagen, so einen gate-treiber brauchst manchmal 
auch für den levelshift wenn du mit 5v signal und 
10v-gatespannung-mosfet arbeitest. ich verwende immer einen 
gatewiderstand von 4,7 ohm. wenn ich mit hohen frequenzen arbeite dann 
noch eine diode parallel damit der fet schneller sperrt. bei nicht so 
hohen frequenzen nehm ich auch mal 100 ohm, damit steigen zwar die 
verluste im umschaltmoment, aber es gibt weniger probleme mit 
eventuellen störungen durch steile flanken.

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