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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Längsdiode durch FET ersetzen


Autor: Refael (Gast)
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Hallo,
ich habe einen Step-up Converter und möchte dabei die Längsdiode durch 
einen FET ersetzten aufgrund des hohen Wärmeverlusts.
Ich habe mir dabei folgendes überlegt:

1. Leitet der NMOS des Step-up muss der gewünschte PMOS sperren.
2. Sperrt der NMOS des Step-up muss der PMOS leiten.

eigentlich ja ganz simpel.

Allerdings stört wenn ich einen PMOS verwenden möchte und diesen richtig 
herum verbaue die Bodydiode, da diese dann entgegengesetzt einer 
normalen Längsdiode eingebaut werden würde und somit würde der PMOS dann 
ja auch im gesperrten zustand über die verflixte Bodydiode leiten.

Nun hab ich hier im Forum etwas gestöbert und bin dabei darauf gestoßen, 
dass man zwei ja auch zwei N-MOSFETs in reihe schalten kann, siehe Bild.

Allerdings frag ich mich dann wie ich diese ansteuern soll? ich hab 
versucht mit Psice nen kleinen Testaufbau zu simulieren, aber ich 
bekomme nix brauchbares hin.

Im prinzip haben doch die Source Anschlüsse gar kein vorgegebenes 
Potential, wie soll das also funktionieren?

Ich weiß echt nicht wie man die beide aufsteuern soll!

Autor: Bernd Wiebus (berndwiebus) Benutzerseite
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Hallo Refael.

> ich habe einen Step-up Converter und möchte dabei die Längsdiode durch
> einen FET ersetzten aufgrund des hohen Wärmeverlusts.

Löblich.


> Allerdings stört wenn ich einen PMOS verwenden möchte und diesen richtig
> herum verbaue die Bodydiode, da diese dann entgegengesetzt einer
> normalen Längsdiode eingebaut werden würde und somit würde der PMOS dann
> ja auch im gesperrten zustand über die verflixte Bodydiode leiten.
>

Was du jetzt mit den NMOS und PMOS genau willst, danach habe ich nicht 
geschaut.
Aber grundsätzlich tritt das Problem mit der Bodydiode genauso bei 
N-Channel wie bei P-Channel auf.
Eine Gegenmaßnahme ist der Reversbetrieb der Transistoren. d.H. die 
Transistoren sind so verschaltet, als woltest Du mit ihrer Bodydiode 
alleine arbeiten. Wenn jetzt die Diode leiten soll, leitet die Bodydiode 
und DU steuerst jetzt zusätzlich den Transistor an. Dieser schaltet 
durch, und schliesst dabei die Bodydiode kurz.
Wenn die Diode rückwärtz sperren soll, steuerst DU halt den Transistor 
wieder zu. Dann wirkt nur noch die Bodydiode, und die sperrt ja jetzt.

Passend liegende Ansteuersignale kann man durch Hilfswicklungen auf dem 
Trafo, in Deinem Falle auf der Drossel (die dadurch zum "Trafo" wird), 
generieren.

> Im prinzip haben doch die Source Anschlüsse gar kein vorgegebenes
> Potential, wie soll das also funktionieren?
>
> Ich weiß echt nicht wie man die beide aufsteuern soll!

Ich wiederhole stur:
"Passend liegende Ansteuersignale kann man durch Hilfswicklungen auf dem 
Trafo, in Deinem Falle auf der Drossel (die dadurch zum "Trafo" wird), 
generieren."

Nachtrag:
Statt der Hilfswicklungen kannst Du auch Ansteuerübertrager verwenden. 
Hängt von der Situation (und Stückzahl) ab, was einfacher ist. Eine 
Drossel mit Hilfswicklung kann teurer kommen als zwei Ansteuerübertrager 
plus Transistoren und Hünerfutter von der Stange.
Bei Einzelstücken, wo Du die Drossel selber wickelst, kannst Du dann 
direkt auch selber die Hilswicklung mit erschaffen. Bei großen 
Stückzahlen kannst Du Dir die Drossel auch günstig passend herstellen 
lassen.
Nur wenn ich auf Teile von der Stange angewiesen bin, würde ich mit 
Ansteuerübertragern arbeiten wollen.

Nachtrag 2:
Du kannst auch einen kleinen hilfs DC/DC-Wandler nehmen, und eine Seite 
passend ins Potential pflanzen. ist aber aufwändiger.
Du kannst auch die mit den Hilfswicklungen eine neue DC machen, die 
erstmal potientialfrei ist, und dann passend anschliessen.
In jedem dieser beiden Fälle musst du aber noch separat ein 
Ansteuersignal generieren und z.b. per Optokoppler oder anders 
(kapazitiv (Ladungspumpe), per Ansteuerübertrager) auf das passend 
Potential bringen.
Wenn die Potentialunterschiede nicht zu hoch werden....es gibt fertige 
ICs für solche Fälle. Sie werden als "Levelshifter" bezeichnet.


Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic

http://www.dl0dg.de

Selbsterkenntnis ist der erste Schritt zur Depression.
Jeder echte Wettbewerb ist ruinös. Darum beruht jede funktionierende 
Wirtschaft auf Schiebung.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Nun, es gibt z.B. Optokoppler, die keinen Phototransistor oder -diode 
auf der Empfängerseite beinhalten sondern eine Photozelle - also eine 
kleine Solarzelle. Da MOSFETs ja 'nur' eine Spannung benötigen, geht das 
damit hervorragend - zumindest solange man keine hohen Ansprüche an die 
Schaltgeschwindigkeit stellt, da dafür ja bekanntlich Umladeströme 
benötigt werden.
Deswegen evtl. mal bei Vishay vorbeischauen (z.B. LH15xx bei den Solid 
State Relays, die genau so aufgebaut sind, aber leider nur bis max. 
200mA gehen).

Autor: Refael (Gast)
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@Bernd,
Hallo,

vom Prinzip her, meinst du das so? -> siehe Bild
Das einzige was ich noch nicht so ganz verstehe am Inversbetrieb des 
PMOS ist, wie bekomme ich ihn zum Schalten??
Der PMOS soll ja sperren, wenn N-MOS leitet und umgekehrt leiten wenn 
N-MOS sperrt.

Mein Problem ist also das Source Potential am P-MOS.
Ist das Potential dann 0V, wenn der N-Mos leitet, da die Bodydiode das 
0V Potential zum Source des P-MOS "transportiert"?
-> also 0V an Drain und Source (vom P-MOS)?

und andersherum müsste ich ja, am Source des P-MOS 24V (in meiner 
Schaltung) haben sobald der N-MOS sperrt?
-> also 24V an Drain und Source (vom P-MOS)?

ich hoffe meine Gedankenzüge sind transparent :)

mfg
Rafael

Autor: Ulrich (Gast)
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Es gibt schon fertige Schaltregler die nach dem Prinzip arbeite, z.B. 
TPS61020.  Man muß dabei aber aufpassen das man den Übergang richtig 
hinbekommt. Ein Eigenbau, oder nachträgliches anfügen an einen normalen 
Regler ist entsprechend eher schwierig.

Autor: Bernd Wiebus (berndwiebus) Benutzerseite
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Hallo Refael.
> vom Prinzip her, meinst du das so? -> siehe Bild

Fast.

> Das einzige was ich noch nicht so ganz verstehe am Inversbetrieb des
> PMOS ist, wie bekomme ich ihn zum Schalten??
> Der PMOS soll ja sperren, wenn N-MOS leitet und umgekehrt leiten wenn
> N-MOS sperrt.

Der N-MOs schaltet ein, wenn das Gate deutlich POSITIVER ist als Source.
Der P-MOS schaltet ein, wenn das Gate deutlich NEGATIVER ist als Drain.
(vorausgesetzt, Du hast Anreicherungs Typen)

Das heisst also, um Deinen P-MOS einzuschalten, könntest Du 
(theoretisch)das gleiche Signal ins Gate speisen wie bei Deinem 
N-MOs.....ABER....der P-MOS macht nicht richtig zu, wenn er Sperren 
soll, da dein PWM am Gate vermutlich in der Spannung nicht weit genug 
raufkommt, um 0V gegenüber der P-MOS Source zu machen (wenn der Booster 
seinem Namen Ehre macht und "boostet"), und die Drain-Gate Spannung 
könnte im Eingeschalteten Zustand sogar viel zu hoch werden, wodurch er 
kaputtgeht.

Du must also, um das Teil zuzumachen, das Gate z.B. über einen 
Widerstand an Source anbinden, und das Gate zum Einschalten irgendwie 
mit einer Hilfsschaltung Richtung Drain ziehen.....aber nicht soweit, 
das die Gate Spannung zu hoch wird.


>
> Mein Problem ist also das Source Potential am P-MOS.

Nein. Das Problem ist die Gatespannung. :-) Den Bezug nach Source für 
"zu"
kannst (könntest?) Du recht einfach mit einem  Widerstand machen. Zum 
öffnen müsstest Du jetzt das Gate richtung Drain ziehen.


> Ist das Potential dann 0V, wenn der N-Mos leitet, da die Bodydiode das
> 0V Potential zum Source des P-MOS "transportiert"?
> -> also 0V an Drain und Source (vom P-MOS)?
>
> und andersherum müsste ich ja, am Source des P-MOS 24V (in meiner
> Schaltung) haben sobald der N-MOS sperrt?
> -> also 24V an Drain und Source (vom P-MOS)?
>
> ich hoffe meine Gedankenzüge sind transparent :)
>

Diese gerade Leider nicht. Wenn Du zum beispiel von "Potential" 
sprichst, must Du schon genau sagen, welches Du meinst, und wogegen Du 
das beziehst. :-)

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic

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Autor: Bernd Wiebus (berndwiebus) Benutzerseite
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Korrektur:
Jetzt bin ich selber durcheinandergekommen. :-(

Falsch:

> Der N-MOs schaltet ein, wenn das Gate deutlich POSITIVER ist als Source.
> Der P-MOS schaltet ein, wenn das Gate deutlich NEGATIVER ist als Drain.

Richtig:

Der N-MOs schaltet ein, wenn das Gate deutlich POSITIVER ist als Source.
Der P-MOS schaltet ein, wenn das Gate deutlich NEGATIVER ist als Source.
Das "deutlich" steht dort, weil hier ja vom "Schaltbetrieb" die Rede 
ist.


Bild dazu:

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:CM...

Beachte bitte, das die Strom- und Spannungspfeile so per Definition 
eingetragen sind. D.h. ID PMOS = - ID NMOS (et vice versa).

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic

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Selbsterkenntnis ist der erste Schritt zur Depression.
Jeder echte Wettbewerb ist ruinös. Darum beruht jede funktionierende
Wirtschaft auf Schiebung.

Autor: Bernd Wiebus (berndwiebus) Benutzerseite
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Hallo Ulrich:

> Es gibt schon fertige Schaltregler die nach dem Prinzip arbeite, z.B.
> TPS61020.  Man muß dabei aber aufpassen das man den Übergang richtig
> hinbekommt. Ein Eigenbau, oder nachträgliches anfügen an einen normalen
> Regler ist entsprechend eher schwierig.

Das Teil hat ja auch die Leistungstransistoren intern.....d.h. an die 
Ansteuerung kommst Du nicht ran. Du kannst also nicht was dickeres 
anbauen und bist auf genau das festgenagelt, was das Teil von sich aus 
macht.

Ausserdem habe ich jetzt beim Überfliegen des Datenblattes nicht 
gefunden, worauf sich die "96% efficient" beziehen. Ich schätze mal 
nicht auf den kompletten Wandler sondern nur das IC alleine. Weil ohne 
näher spezifizierte Drossel kannst Du ja dort noch Verluste ohne Ende 
machen. :-)

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic

http://www.dl0dg.de

Selbsterkenntnis ist der erste Schritt zur Depression.
Jeder echte Wettbewerb ist ruinös. Darum beruht jede funktionierende
Wirtschaft auf Schiebung.

Autor: Refael (Gast)
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Hallo Bernd,

erstmal danke für deine Unterstützung.

Werde noch nicht ganz daraus schlau.
Mein Step-UP controller macht 7,2V PWM.

>Diese gerade Leider nicht. Wenn Du zum beispiel von "Potential"
>sprichst, must Du schon genau sagen, welches Du meinst, und wogegen Du
>das beziehst. :-)

ich meine das so:

Wenn der NMOS serrt habe ich doch 24V-potential zwischen Speicherdrossel 
und Drain des PMOS. Jetzt dachte ich, das nun ein Spannungsabfall über 
der Bodydiode zustande kommt und ich am Source des PMOS ebenfalls 
annährend 24V potential gegenüber Masse hab. Somit könnte ich den PMOS 
aufsteuern wenn zwischen Source und Gate eine negative 
Potentialdifferenz zustande kommt. Beispielsweise 5V Hilfspannung oder 
sowas am Gate (gegüber Masse).

Wenn der NMOS leitend ist, habe ich doch annährend Messepotential 
gegenüber Masse zwischen Speicherdrossel und Drain des PMOS. Im 
inversbetrieb sperrt dieser ja aufgrund der Diode.
Und genau das ist der Punkt, den ich nicht verstehe.
Welches Potential liegt jetzt am Source vom PMOS (gegüber Masse)??

Vielleicht ca. 24V weil der Elko noch was gespeichert hat??
auf jedenfall muss nun der PMOS sperren!
Reicht es denn nicht das ich jetzt einfach das anliegende 
Source-Potential (gegenüber Masse) über einen Widerstand auf 
Gate-Ptential (gegenüber Masse) bringen kann, also V_Gate=V_Source, 
damit der PMOS jetzt sperrt?

mfg
Rafael

Autor: Bernd Wiebus (berndwiebus) Benutzerseite
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Hallo Refael.

> Werde noch nicht ganz daraus schlau.
> Mein Step-UP controller macht 7,2V PWM.

D.h. du willst aus diesen 7,2V mit dem Booster 24V machen?

> Wenn der NMOS serrt habe ich doch 24V-potential zwischen Speicherdrossel
> und Drain des PMOS.

????
Also zwischen Speicherdrossel und Drain des PMOS soltest Du kein 
allzugrosses Potential haben.....schliesslich sollte dort eine gut 
Leitfähige Verbindung sein.

Aber die Spannung auf diesem Stück steigt im Abschaltmoment des NMOS 
stark an. Ja. Das stimmt.

Die Spannung ist stark von der Geschwindigkeit, mit der der NMOS sperrt 
und der Geschwindikgeit mit der der PMOS leitfähig wird abhängig.

Bodydioden können im Vergleich zum dazugehörigen Transistor zimlich 
lahmarschig sein.......dann bekommst Du ein Problem, wenn u.U. beim 
Ansteuern was nicht klappt. Aber davon gehe ich aber jetzt erst mal 
nicht aus. Aber im Hinterkopf behalten, falls es weitere Probleme gibt.

> Jetzt dachte ich, das nun ein Spannungsabfall über
> der Bodydiode zustande kommt und ich am Source des PMOS ebenfalls
> annährend 24V potential gegenüber Masse hab. Somit könnte ich den PMOS
> aufsteuern wenn zwischen Source und Gate eine negative
> Potentialdifferenz zustande kommt. Beispielsweise 5V Hilfspannung oder
> sowas am Gate (gegüber Masse).

Grundsätzlich: Wenn Du nicht gerade Low-level Typen für 5V Ansteuerung 
hast, sind 5V etwas mau zum Aufsteuern eines MOS.

Grundsätzlich: Wenn du Gate an irgendein Potential bindest, und Source 
schwankt nach oben weg, geht Dir das Teil natürlich irgendwann auf.
In dem Falle fliesst jetzt der Strom durch den PMOS an seiner eigenen 
Bodydiode vorbei von drain nach Source. Soweit vermutest Du richtig.


> Wenn der NMOS leitend ist, habe ich doch annährend Messepotential
> gegenüber Masse zwischen Speicherdrossel und Drain des PMOS. Im
> inversbetrieb sperrt dieser ja aufgrund der Diode.

Ha! Die Diode schon. Aber das Gate liegt jetzt noch auf dem gleichen 
Potential wie kurz vorher. Kurz vorher ist aber ja auch Strom von Drain 
nach Surce des PMOS geflossen, und hat da irgendetwas gemacht.
Vermutlich einen Kondensator (C18) geladen. Dessen Spannung sollte für 
eine sinnvolle Siebung aber jetzt noch annähernd vorhanden sein.
Gate ist jetzt immer noch negativer als Source. Der PMOS bleibt also 
auf, und es wird ein Strom von C18 zurück durch den PMOS fliessen und 
über den NMOS zur Masse gelangen. C18 wird wieder entladen. Das willst 
Du garantiert nicht.

> Und genau das ist der Punkt, den ich nicht verstehe.
> Welches Potential liegt jetzt am Source vom PMOS (gegüber Masse)??
> Vielleicht ca. 24V weil der Elko noch was gespeichert hat??
Ja.
Denk Dir den PMOS durch eine Diode ersetzt. Einweggleichrichtung. Du 
lädst Deinen C18 auf. Welche Spannung er konkret erreicht, und wie 
schnell, hängt von vielen Parametern ab. Wenn alles funktioniert, liegt 
aber da über den dicken Daumen die Spannung an, die du erzeugen willst. 
Also ca. 24V. Denn irgendwo dort sollte die Regelung den PWM stoppen. 
Wenn nicht, und das Teil nicht total unterdimensioniert ist, kann dort 
das zigfache an Spannung entstehen, und deine maximale Source-Gate 
Spannung locker überschritten werden. aber das ist eine andere 
Geschichte. trozdem im hinterkopf behalten. Es werden vermutlich mehrere 
Zyklen benötigt, um den Kondensator zu füllen, und nach Abschalten des 
PWMs sollte die Spannung gehalten werden und über R33 langsam entladen 
werden.


> auf jedenfall muss nun der PMOS sperren!

Leider nicht. Es sei.......

> Reicht es denn nicht das ich jetzt einfach das anliegende
> Source-Potential (gegenüber Masse) über einen Widerstand auf
> Gate-Ptential (gegenüber Masse) bringen kann, also V_Gate=V_Source,
> damit der PMOS jetzt sperrt?

Richtig......Du machst jetzt die Gate-Source Spannung zwangsweise zu 
Null.

Aber wenn Du das machst, würde der PMOS im nächsten Zyklus zu bleiben, 
und nur mit der Bodydiode arbeiten. dann könntest Du ihn aber gleich mit 
einer Diode ersetzten.

Du must schon aktiv am Gate rumspielen, es irgendwie anbinden langt 
leider nicht.

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic

http://www.dl0dg.de

Selbsterkenntnis ist der erste Schritt zur Depression.
Jeder echte Wettbewerb ist ruinös. Darum beruht jede funktionierende
Wirtschaft auf Schiebung.

Autor: Bernd Wiebus (berndwiebus) Benutzerseite
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Nachtrag:

Zum Verständnis eines Synchrongleichrichters nebensächlich aber trozdem 
nützlich zu wissen:

Das ganze geht natürlich grundsätzlich genauso mit einem NMOS wie mit 
einem PMOS. NMOS Transistoren sind meistens besser beschaffbar, billiger 
und haben bessere Daten als vergleichbare PMOS Transistoren. Wenn Du 
ohnehin mit einer Hilfsspannungsquelle bzw. Hilfswicklung arbeitest, und 
Dir darum dann das Bezugspotential aussuchen kannst, ist es 
schaltungstech egal, ob Du N- oder P-mos nimmst. PMOS bietet sich 
speziell bei einer Zweipulsmittelpunktschaltung an, weil Du die negative 
Ansteuerspannung mit der jeweils anderen Spulenhälfte gewinnen kannst.

Bei einem Booster bietet sich an, zum Gleichrichten den selben 
Transistortyp zu nehmen wie für den Schalttransistor. 
Leistung/Spannung/Strom/Frequenz kommt hin, und es vereinfacht die 
Ersatzteilhaltung. :-)

 Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic

http://www.dl0dg.de

Selbsterkenntnis ist der erste Schritt zur Depression.
Jeder echte Wettbewerb ist ruinös. Darum beruht jede funktionierende
Wirtschaft auf Schiebung.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Bernd Wiebus schrieb:
> Selbsterkenntnis ist der erste Schritt zur Depression.
> Jeder echte Wettbewerb ist ruinös. Darum beruht jede funktionierende
> Wirtschaft auf Schiebung.

Bernd, das wissen wir ja jetzt. Kannst du dir nicht mal was neues 
einfallen lassen?

Autor: Hubschrauber (Gast)
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<Schluck>

der Troll "Bernd Wiebus" ist ja hier sogar offiziell angemeldet.

Warum werden seine Verwirrpostings mit falschem Inhalt nicht gelöscht 
und er gesperrt?

@Uhu
die komischen Mottos passen ja zu einem Troll. Natural born Troll. :-)

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