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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Grundsätzliche Frage zur Mosfet Gatekapazität


Autor: Counterfeiter (Gast)
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Hallo,

hab heute meine Schaltung (Schaltplan kann ich später noch anhängen) 
aufgebaut und in Betrieb genommen...
Ein ATTINY13 gibt ca 20kHz PWM aus... dies geht auf einen Mosfet Treiber 
(MCP 1407-E/P) und dieser speist zwei parallele Leistungsmosfets vom Typ 
IRF2804...
Die maximale Gatekapazität beträgt bei zwei ca 500nC... bei 20kHz und 
14Volt Ugs ergibt das ca (20000Hz*500*10-9C*14V²) ~ 2 Watt 
Verlustleistung für das kleine DIP8 Gehäuse... hab ich leider erst 
später gemerkt und so ist mir der Treiber abgeraucht...
Aber was mich wundert...
Als ich die Schaltung getestet habe, hatten ich einen kleinen Motor mit 
ca. 100mA Nennstrom angeschlossen... bei diesem hatte der Mosfettreiber 
keine Probleme und wurde auch nicht heiß... was ich jetzt ein wenig 
merkwürdig finde, da ja die Millerkapazität doch eher 
Versorgungsspannungsabhängig ist, als vom Strom der durch den Mosfet 
fließt...
Als der kleine Motor noch dran hing, habe ich das ganze mal 
ozilliskopiert und es sah alles ganz sauber aus... Versorgungsspannung 
vom Treiber blieb sauber und die Mosfetsgates haben sauber geschalten...

Woran liegt das nun, wenn ich den großen Motor anschließe (Nennstrom 
40A) das der Mosfettreiber den Geist aufgibt?

Die beiden Mosfets und die Freilaufdiode sind noch heil... ich konnte 
danach den Motor mit einer Drahtbrücke anstelle der Mosfettreiber noch 
korrekt schalten...


Vielleicht kann mal jemand für mich, Licht ins Dunkel bringen....

: Verschoben durch Admin
Autor: Andreas R. (rebirama)
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Die Treiberleistung berechnet man besser über das Diagramm in FIG 6, da 
die Gatekapazität stark nichtlinear ist.

Aus dem Diagramm kannst du dir die Gateladung entnehmen und rechnet 
einfach
P=Q*f*U, fertig.

in deinem fall 180nC*20kHz*14V=50mW je FET

Autor: Counterfeiter (Gast)
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Ich glaub du hast in der Formel das Quadrat hinter dem Volt vergessen... 
dann wärst du bei 0,7Watt... was immernoch etwas viel ist bei einem 
Gehäuse mit 125K/W Kühlleistung... außerdem hab ich noch zwei Mosfets 
Parallel... aber warum hat die Schaltung mit dem kleinen Motor 
funktioniert? Ohne das der Mosfettreiber annäherend warm wurde...

Autor: Daniel R. (daniel_r)
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Counterfeiter schrieb:
> Ich glaub du hast in der Formel das Quadrat hinter dem Volt vergessen...
> dann wärst du bei 0,7Watt...

Hat er nicht. Einheiten:
[Q]=1A*1s
[f]=1/s
[U]=W/A

[Q*f*U]=1A*1s*1/s*W/A=W

Das Problem schein hier zu liegen:
>Die maximale Gatekapazität beträgt bei zwei ca 500nC...

Das ist eine Ladung, keine Kapazität.

Autor: Counterfeiter (Gast)
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Hm okay... das klingt logisch...

aber dann ist ja die Tabelle von Microchip total falsch... dort trägt 
man seine Ladung in nC ein und die wird IMO direkt in nF umgewandelt...

http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcServic...

in der Ladung steckt aber noch die Spannung... müsste ja dann die 
Spannung am Gate sein... also laut Datenblatt meistens 10V... da müsste 
ich 500nC/10V teilen und hätte die Kapazität, oder?

Autor: Andreas R. (rebirama)
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Hallo,
theoretisch kannst du die Ladung wieder in eine Kapazität umrechnen. 
aber das ist in meinen Augen sinnlos, denn das Gate ist alles andere als 
eine ideale Kapazität. Schau dir mal Fig 5 und Fig 6 im Datenblatt an. 
Mithilfe der Gateladungskurve aus Fig 6 kann man die Treiberleistung 
recht einfach bestimmen.

Ich kenne die Tabelle von Microchip nicht, aber wozu brauch man bei so 
einfachen Vorgängen ein Excelsheet:
Das Gate muss mit Ladung auf X-Volt aufgeladen werden.
Wieviel Ladung brauch man? -> Fig 6
Wo kommt die Ladung her? ->Treiberversorgung mit Spannung U.
Die Energie ist bekanntlich Q*U.
Dann noch die Frequenz drannmultiplizieren, und schon weiß man welche 
Leistung verbraten wird.
Verbraten wird sie übrigens Anteilig im Gatevorwiderstand und im 
Innenwiderstand des Treibers. Es fallen also nicht die kompletten 
Verluste im Treiber an.

Grüße Andreas

Autor: Counterfeiter (Gast)
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Ja, eigentlich ist es nicht schwer...
Aber wenn man den Treiber erst ausrechnet und dann einbaut und aufeinmal 
raucht er ab.... da kommt man schon ins wanken...
Dann hab ich die Tabelle runtergeladen, aber die is ja mal total falsch 
und ich habs geglaubt -> dann hätte nämlich das Abrauchen auch Sinn 
ergeben :)

Nun ist das ja leider hinfällig... Ich sag leider, weil ich keine Idee 
habe, was es sonst sein kann...


Ich hab mal Schaltplan und Board Angehangen... vielleicht kann jemand 
was ungewöhnliches entdecken... Die Zenerdiode am Gatetreiber habe ich 
aber derzeit durch einen Pulldownwiderstand ersetzt...

Ich denk mal, wenn der Treiber durch Überspannung gestorben wäre... dann 
wäre der Mosfet eher tot gewesen...

hmmm....

Autor: Andreas R. (rebirama)
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Wie genau ist denn der Motor an deine Schaltung angeschlossen? Das ist 
mir aus dem Schaltplan nicht ganz klar.
Ich nehme an, dass D3 die Freilaufdiode sein soll. Sollte die nicht mit 
dem Drain verbunden sein?
Wo genau auf deiner Platine schließ du deine Versorgung an?

C6 ist im Layout sehr ungünstig Plaziert, er sollte direkt zwischen der 
Kathode der Freilaufdiode und dem Source der Fets hängen. Durch das 
jetzige Layout fließt der Motorstrom kurzzeitig über deine fuddelige GND 
Leitung quer durch die ganze Schaltung.

Grüße
Andreas

Autor: Counterfeiter (Gast)
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Hallo,

Also der Motor hängt Parallel zur Freilaufdiode...
Die Versorgungsspannung ist an der Kathode der Diode und am Source der 
Mosfets... die Mosfets sind Parallelgeschalten... dazu benutz ich 1,5er 
Drahtbrücken, da ja die Platine den Strom nicht transportieren kann..

Die Anode der Freilaufdiode ist ebenfalls über eine Drahtbrücke mit dem 
Drain der Mosfets verbunden...
Also gibt es insgesamt 3 Drahtbrücken... 2 Motoradern und zwei für die 
Zuleitung...
C6 ist mit eine Diode geschützt und hängt nich parallel zum Motor... C6 
ist nur dafür da, den Mosfettreiber zu Puffern...

Aber was mir durch dein Post aufgefallen ist... Ich hab die beiden 
parallelgeschaltenen Source der Mosfets durch Massefläche auf der 
Platine verbunden... es besteht zwar noch eine 1,5er Drahtbrücke... 
trotzdem wird aber ein Teil des Stroms über die Platinenmassefläche 
geleitet.... das klingt erstmal nach Problemen....
da werd ich wohl nochmal den Drehmel auspacken...

Aber vielleicht haste ja noch nen Tipp...

Danke schonmal

Basti

Autor: Jens G. (jensig)
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Der Dicke C6 sollte mehr oder weniger der zentrale Punkt sein. Also von 
dort aus die Mosfets/Last versorgen (kurz und bündig), und auch mit 
separaten Leitungen von dort aus zum Rest der Elektronik gehen 
(Treiber). Auch bedenken, daß auch der Treiber ordentliche Stromimpulse 
liefert (weil er ja die Gate-C's umladen muß). Also den auch noch  mal 
separate mit einem C puffern (100-220n sollten reichen), und dessen 
direkte Beschaltungsteile dann auch mit diesem C verbinden. Der Treiber 
sollte auch über kurze Massewege an den großen C6 (also möglichst dort 
mit in der nähe platzieren). Der attiny sollte mit seiner Masse dann an 
den Buffer C des  Treibers gehen. Ist die Masse zw. C6 und Treiber nicht 
zu lang/dünn, sollte der Tiny auch direkt an C6 anbindbar sein.
Stromeinspeisung ist direkt am großen Buffer-C6

Autor: Counterfeiter (Gast)
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Ah okay danke... aber die meisten Tipps sind ja umgesetzt...

Der Treiber IC hat zwei Keramikkondensatoren mit jeweils 220nF und wird 
noch von dem 1000uF Elko versorgt...

Die Leitungswege sind an sich schon recht kurz, da ja die Platine ein 
sehr geringe Abmessung hat... 8x2,5 cm
Die Masse wird (nicht zu sehen) über eine Massefläche verteilt...

Ich versteh bloß noch nicht, wie mir da der Treiber IC abrauchen kann... 
nagut bei schlechter Stromversorgung ist das wohl wahrscheinlich...

Ich werd nochmal was probieren... ich Berichte von meinen Erfolgen, oder 
auch nicht...

danke schonmal

basti

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Die Masse wird (nicht zu sehen) über eine Massefläche verteilt...

Neh, das ist keine richtige Massefläche, da sie überall von Lötaugen 
unterbrochen wird.

>Der Treiber IC hat zwei Keramikkondensatoren mit jeweils 220nF und wird
>noch von dem 1000uF Elko versorgt...

Der Treiber "sieht" diese Kondensatoren aber garnicht, da die 
Leiterbahnwege viel zu lang sind. Dein Layout der Entkoppelung ist 
leider katastrophal!

Du mußt das ganz anders machen: Die Ground-Pins des Treibers sind direkt 
mit der durchgehenden Massefläche zu verbinden. Die 
Entkoppelkondensatoren C9 und C10 sind direkt an den Vdd Pins anzulöten 
(hier zählt jeder Millimeter!!) und die Masseanschlüsse der 
Enkoppelkondesatoren wieder direkt mit der Massefläche zu verbinden. Das 
ergibt Leiterbahnwege, die um Größenordnungen kürzer sind, als was du im 
Moment hast!

Bei den Vias mußt du beachten, daß diese manchmal beachtliche 
Widerstände aufweisen können. Wenn du also fette Motorströme darüber 
leitest, solltest du mehrere Vias parallelschalten.

>Ich versteh bloß noch nicht, wie mir da der Treiber IC abrauchen kann...

Weil alle internen Schutzschaltungen des Treibers massgeblich von einer 
perfekten Betriebsspannungsentkopplung und der Verwendung einer 
durchgehenden Massefläche abhängen...

Kai Klaas

Autor: MaWin (Gast)
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> Neh, das ist keine richtige Massefläche, da sie
> überall von Lötaugen unterbrochen wird.

Lötaugen sind ok, bloss keine Schlitze.


> Der Treiber "sieht" diese Kondensatoren aber garnicht,
> da die Leiterbahnwege viel zu lang sind

Das ist allerdings wahr. Da zeichnet er die C's im Schaltplan
noch nah an den IC, und auf dem Layout tut er sie auf die
gegenüberliegende Seite.

Beim 7805 hat's doch auch geklappt, obwohl 100uF und 1000uF
dabei als eher wirkungslos wenn nicht gar schädlich anzusehen
sind und wohl in grober Unkenntnis der real benötigten Werte
nach dem Muster "viel bringt viel, nach dem Gleichrichter hab
ich schliesslich auch schon mal 1000uF gesehen" verteilt wurden.

Autor: Counterfeiter (Gast)
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Hm, ja ihr habt schon recht, wenn ich mein Layout betrachte dann ist das 
alles andere als Optimal...

Und das hab ich gerade mal wieder zu spüren bekommen...

Es war jetzt schon wesentlich besser, da ich jetzt die Motorströme nicht 
mehr über die Massefläche schicke (logisch)... das war ja der Supergau

Aber ganz Optimal war es auch noch nicht... Am Anfang ist der Kontroller 
immer wieder resetet... ich nahm an durch Undervoltage fusebit bei 
2,7Volt... die Spannungseinbrüche hab ich auch auf dem Oszi gesehen...
Dann hatt ich nochmal einen Elko direkt unter den Kontroller gelötet und 
siehe da, er schaltet nicht mehr ab... Hm, alles ging ne Weile ganz 
gut... Treiber IC wurde nicht heiß... aber irgendwann bei den höchsten 
Strömen/größten Störungen, den die Schaltung so treiben muss, isser dann 
abgeraucht...

Mit dem Oszi hab ich beobachtet, dass sich die Eingangsspannung vom 
Mosfettreiber von 12V (Versorgungsspannung) auf 15 Volt hochgeschaukelt 
hatt... je nach Potistellung... wahrscheinlich kommt das von kleinen 
Spannungsspitzen auf der Zuleitung, die durch die Diode im "internen 12 
Volt Kreis" gespeichert werden...
Wahrscheinlich stirbt er dabei an Überspannung oder einfach nur sehr 
schlechter Spannung ;)... ich werd mal was mit ner Zenerdiode probieren 
und auch dem Mosfettreiber nocheinmal einen extra Elko auf der 
Unterseite spendieren...

Ich hätt gern die Platine noch hinbekommen... das nächste Design mach 
ich dann besser... Ich geb zu, ich hab die hohen Ströme und Störungen 
total unterschätzt...

Zu den Elkos... ja mir ist bekannt das große Kondensatoren auch einen 
großen ESR haben... eigentlich waren die kleinen Keramikkondensatoren 
dafür gedacht die Ströme auszugleichen... immerhin ist die Gatekapazität 
bei ca 20nF und ein Kondensator hat 220nF... irgendwo hatte ich gelesen, 
dass man mindestens das 10 fache an Kapazität spendieren soll...
Aus der Praxis habe ich noch keine Erfahrung gesammelt... das ist 
sicherlich richtig... aber man lernt ja immer dazu...

Autor: Düsentrieb (Gast)
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dass die spg hochgeht, kommt vmtl von der freilaufdiode...
was hast denn da verwendet?

Autor: BMK (Gast)
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Ich würde auch versuchen, den heftigen Qg Wert von 500nC
(2x IRF2804 parallel) runter zu bekommen.

Wenn man diesen Typ nimmt (bei RS erhältlich)
http://docs-europe.origin.electrocomponents.com/we...

sollte auch einer reichen mit Qg um die 120nC

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Wahrscheinlich stirbt er dabei an Überspannung oder einfach nur sehr
>schlechter Spannung ;)... ich werd mal was mit ner Zenerdiode probieren
>und auch dem Mosfettreiber nocheinmal einen extra Elko auf der
>Unterseite spendieren...

Vergiß das mit den Elkos. Die werden nicht helfen. Mawin hat ja auch 
schon gesagt, daß das nichts bringt.

Du wirst wahrscheinlich Probleme mit Nadelspikes und Ground Bounce 
haben. Was du brauchst, ist ein richtiges Layout ohne parasitäre 
Leiterbahn-Induktivitäten. Schau, daß du eine richtige Massefläche 
bekommst, platziere die Bauteile geschickt, nachdem du analysierst hast, 
wo genau die fiesen Ströme fließen und entkoppele richtig. Dann wirds 
schon klappen.

Hälst du auch schön die Leitungen zum Motor zusammen, um großflächige 
Leiterschleifen und damit Induktivitäten zu vermeiden? Ist deine 
Freilauf-Diode schnell genug? Hast du die mal direkt am Motor montiert?

Kai Klaas

Autor: MaWin (Gast)
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Er bat auch das Problem, das über die Miller-Kapazität eingekoppelte 
Gate-Ladungen nach VCC (5V) abgeführt werden, und dort niemand sie 
abnimmt, wodurch die Spannung dort steigt. Eine Mindestlast am Regler 
wäre sinnvoll, höher als dieser "Bremsstrom".

Autor: Counterfeiter (Gast)
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Hm, und welche Kondensatoren soll ich dann eurer Meinung nach nehmen?

http://www.reichelt.de/?ACTION=3;GROUP=B3513;GROUP...

Diesen hier? 1uF und ein Keramikkondensator mit niedrigem ESR Wert... 
davon zwei pro IC? Und dann noch 2x100uF low ESR Elko für 12 Volt und 
einen für 5 Volt??
Letztendlich kann ichs bloß probieren und dann mit dem Oszi messen, wie 
es ausschaut...

Gegen die Überspannung im "12V Steuerstromkreis" könnte ich doch auch 
die Diode weglassen und eine Spule dafür hinsetzen. Das wirkt als 
Tiefpass und "bremst" auch das rückwertige Entladen des Stützelkos.
Oder seh ich das falsch?

@Düsentrieb Freilaufdiode ist diese hier:

http://www.conrad.de/ce/de/product/163689/SCHOTTKY...

Autor: Jens G. (jensig)
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Also, habe zwar jetzt nicht ganz verstanden, wie Du die Platine genau 
verbessert hast, daß die schonmal besser läuft. aber vielleicht noch 
paar Hinweise, wie ich die Platine "geradebiegen" würde für weitere 
Versuche, ohne daß erstmal eine neue her muß:

- sämtliche Masseverbindungen zw. Mosfets und Steuer/Treiberteil kappen 
(also unterhalb der Sourcevias). Beim Source des linken Mosfet musste 
danach natürlich die beiden abgehenden Masseleitungen wieder verbinden.
- dann direkt vom Minus des dicken C eine dicke Strippen zu den Sources 
ziehen
- Freilaufdiode ebenfalls direkt und dick an + des dicken C
- Stromversorgung kommt ebenfalls direkt an den dicken C
- Drains ebenfalls dick mit Anode der Freilaufdiode verbinden
- Die Diode ist dann auch der Anschlußpunkt für den Motor
- C2 ist etwas unschön über eine lange Schleife mit Masse verbunden - 
würde ich direkt mit dem mittleren Reglerpin vebinden (ist aber durch 
die anderen Maßnahmen dann wahrscheinlich nicht mehr ganz so kritisch)
- und die obere Massefläche kannste ebenfalls noch nutzbringend 
verwenden, indem Du die über Vias/Durchkontaktierungen nur mit der Masse 
des Steuer/Treiberteils verbindest - das kannste an verschiedenen 
Stellen innerhalb des Steuerteils machen, inklusive Spannungsregler bis 
hin zum Masseanschluß des dicken C. Mehr nicht. Leistungsteil darf 
nirgends mit dieser Fläche sonst verbunden sein. Damit haste auch keine 
Lastströme mehr über diese Fläche.

Autor: Counterfeiter (Gast)
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Okay, dann werd ich mal sehen ob ich die alte Platine retten kann...
Ich hab aber bereits eine neue gezeichnet... vielleicht könnt ihr euch 
die mal anschauen...

Ich hab versucht, alle Tipps die ihr gegeben habt zu berücksichtigen...
Als Pufferelko hatte ich mir 10uF low ESR Elkos von Conrad ausgeguckt... 
leider bekomm ich die beim Mosfettreiber nicht näher dran, dafür hat 
aber der Mosfettreiber zwei Keramikkondis mit jeweils 1uF bekommen... 
(gibts bei reichelt)

Die Leiterbahnen sind diesmal doppelt so stark... Wenn ich die Masse 
durch die Platine führen will, kann ich nun leider keine Massefläche 
mehr erzeugen...

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