Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 8x NMOS galvanisch getrennt schalten


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von Georg (Gast)


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Ich suche nach Lösungen, um mehrere (8) recht große (30A) High-side FETs 
galvanisch getrennt (auch voneinander) zu schalten. Die 
Potenzialdifferenz kann 400V betragen und die Schaltgeschwindigkeit muss 
im µs-Bereich liegen.
Bislang setze ich Optokoppler und kommerzielle DC/DC Konverter ein, das 
wird aber zu groß und zu teuer und auch die Lösungen von Analog Devices 
werden bei der benötigten Stückzahl teuer...
Gibt es da billigere Lösungen?

von Alex (Gast)


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Ich hätte dir zu genau den AD-Treibern geraten.
Bei großen MOSFETs (haben große Kapazitäten) braucht es sehr große 
Ansteuerströme (1A aufwärts!) um Schaltzeiten im µs-Bereich zu bekommen.
Bei den hohen Spannungen kommt dich eine diskrete Lösung teurer!
Die 8 fetten MOSFETs waren dir nicht zu teuer, aber bei der Ansteuerung 
willst du geizen??

von Georg (Gast)


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Naja ein ADuM6132 kostet in geringen Stückzahlen 5€ und schaltet 1 
MOSFET und das dann 8x....
Die MOSFETS sind nicht so teuer (<1€)

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Georg schrieb:
> Bislang setze ich Optokoppler und kommerzielle DC/DC Konverter ein, das
> wird aber zu groß und zu teuer
Hast du da Zahlen dafür? Wie groß? Wie teuer?

von Falk B. (falk)


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von Georg (Gast)


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Gate Übertrager funktionieren bei mir leider nicht, da ich 100% 
Duty-Cycle brauche. Also ist eine galvanisch getrennte Versorgung und 
eine getrennt eansteuerung erforderlich.

von Falk B. (falk)


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Wenn man mal die Dokumente studiert und etwas drüber nachdenkt, kann man 
auch mit einem sehr kleinen Übertrager 100% Tastverhältnis erreichen. 
Stichwort Entmagnetisierung mit geringem Strom, Remanenzkurve.

von Johannes E. (cpt_nemo)


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Georg schrieb:
> Bislang setze ich Optokoppler und kommerzielle DC/DC Konverter ein,

Kannst du die Highside-Transistoren vielleicht mit einer 
Bootstrap-Versorgung betreiben? Das würde vermutlich am meisten 
Kostenersparnis bringen.

Ansonsten könntest du für die potentialfreie Versorgung auch einen 
ungeregelten Durchflusswandler mit z.B. 4 Sekundärwicklungen verwenden 
(jewils für 4 Mosfets), also zwei solcher Wandler für alle Mosfets 
zusammen. Je nach Stückzahl könnte es günstiger sein, Übertrager mit 
jeweils 2 Sekundärwicklungen zu verwenden; da braucht man zwar doppelt 
so viele, dafür sind sie entsprechend kleiner und billiger.

Was kosten denn deine Optokoppler im Moment? Ich denke nicht, dass 
andere Technologien (z.B. Adum) billiger sind, die haben eher den 
Vorteil, dass sie eine geringere Propagation-Delay haben.

Brauchst du eine galvanische Trennung zwischen Treiber und Low-Side 
Potential? Wenn nicht, könnte ein Highside-Treiber wie z.B. ein FAN73711 
interessant sein. Falls du doch eine galvanische Trennung brauchst, dann 
könnte man einen 4-Kanal Optokoppler oder Adum nehmen mit der 
Ausgangsseite auf Low-Side Potential und dann 4 Highside-Treiber ohne 
Potentialtrennung.

von Georg (Gast)


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Bootstrap geht nicht, da ich 100% PWM brauche.
Die galvanische trennung ist prinzipiell nicht nötig, sondern nur wegen 
der Potenzialdifferenzen.
Ein einfacher Spannungswandler wäre natürlich eine gute Lösung, welche 
Bauteile gibt es da? Habe z.B. den MAX845 gefunden, bei dem brauche ich 
dann aber entweder einen Übertrager mit Windungsverhältnis >1:2 um ~10V 
auf der galvanisch getrennten Seite zu bekommen. Ich habe eine 12V 
Spannungsversorgung (stabil), der MAX845 verträgt aber max. 6V. Oder 
gibt es was ähnliches mit H-Brücke um noch höhere Spannungen oder 
galvanisch getrennte +-12V zu erzeugen um den NMOS sicherer 
abzuschnüren?

von Falk B. (falk)


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http://www.mikrocontroller.net/attachment/163278/an-950.pdf

Figure 7, Seite 3

Ansteuerung mit einem Puls 10V/1us, das reicht zum schalten. Danach 
negativer Puls mit 0,5V/20us. Schwups ist der Kern wieder 
entmagnetisiert, ohne dass der Mosfet abgeschaltet wurde. Für das 
Abschalten das Gleiche mit anderer Polarität. Damit ab un an das Gate 
nachgeladen wird, muss man halt per Taktgenerator alle paar ms einen 
Refreshpuls erzeugen, sollte aber kein großes Problem sein.

Einfach und preiswert ohne exotische Bauteile. Spannungsfeste Übertrager 
braucht man so oder so. Müssen aber keine sichere Trennung haben, damit 
werden sie klein und billig. Z.B. 7156951 bei RS Components

http://de.rs-online.com/web/p/ringkern-transformatoren/7156951

Siehe Anhang. Der TLC555 macht ein Rechtecksignal mit ca. 5% 
Tastverhältnis und 40kHz, macht ~1uS breite Pulse. Die gehen einmal 
normal und einmal invertiert auf den Leistungstreiber IC2, der als 
H-Brücke den Übertrager ansteuert. Der Kondensator hält den Gleichanteil 
vom Trafo fern. Der Steuereingang ON_OFF steuert die Invertierung des 
Rechtecksignals, sodass man einmal 5% und einem 95% Tastverhältnis 
erreicht. Duch den Kondensator C1 wird daraus 5% positiver Puls und 5% 
negativer Puls. Im Moment ist er für Schaltströme von ca. 1A für 1us 
ausgelegt.

Njoy

von Falk B. (falk)


Angehängte Dateien:

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Und mittel zweier antiserieller MOSFETs kann man sogar Wechselspannung 
schalten.

von Abdul K. (ehydra) Benutzerseite


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Gefällt mir, der Ansatz mit der Zwischenentmagnetisierung!

von Johannes E. (cpt_nemo)


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Georg schrieb:
> Oder
> gibt es was ähnliches mit H-Brücke um noch höhere Spannungen oder
> galvanisch getrennte +-12V zu erzeugen um den NMOS sicherer
> abzuschnüren?

Da brauchst du keine H-Brücke, es geht auch ein 
Halbbrücken-Gegentaktwandler.

So wie hier, aber ohne die Speicherdrossel am Ausgang:
http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/hgw_smps.html

Sekundärseitig kann man da im Prinzip beliebig viele Wicklungen drauf 
machen und die Ausgangsspannung lässt sich über die Windungszahl 
einstellen.

Statt der beiden Mosfets kann man bei kleinen Leistungen einen 
Gate-Treiber-IC mit internen Mosfets verwenden.

von temp (Gast)


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Falk Brunner schrieb:
> Ansteuerung mit einem Puls 10V/1us, das reicht zum schalten. Danach
> negativer Puls mit 0,5V/20us. Schwups ist der Kern wieder
> entmagnetisiert, ohne dass der Mosfet abgeschaltet wurde. Für das
> Abschalten das Gleiche mit anderer Polarität. Damit ab un an das Gate
> nachgeladen wird, muss man halt per Taktgenerator alle paar ms einen
> Refreshpuls erzeugen, sollte aber kein großes Problem sein.

Ein kleiner Nachteil bleibt aber. Wenn die Primärseite ausfällt und 
nicht immer On-Impulse nachschiebt wird das Gate der Leistungsfets nur 
durch die Selbstentladung entladen. Damit floatet der Fet schön langsam 
durch die Kennlinie und raucht sicher bei genügend Last ab. Bei vielen 
Anwendungen würde ich Bauchschmerzen kriegen, wenn zum sicheren 
Ausschalten ein Impuls kommen MUSS. Das Ausbleiben der Impulse vom GDT 
sollte reichen um einen sichern Zustand herzustellen. Eventuell übersehe 
ich ja auch was.

von Falk B. (falk)


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@  temp (Gast)

>Ein kleiner Nachteil bleibt aber. Wenn die Primärseite ausfällt und
>nicht immer On-Impulse nachschiebt wird das Gate der Leistungsfets nur
>durch die Selbstentladung entladen. Damit floatet der Fet schön langsam
>durch die Kennlinie und raucht sicher bei genügend Last ab. Bei vielen
>Anwendungen würde ich Bauchschmerzen kriegen, wenn zum sicheren
>Ausschalten ein Impuls kommen MUSS.

Stimmt, aber das ist ja keine vollständige, erprobte Schaltung sondern 
eine Idee. Für die sichere Abschaltung packt man halt ein retriggerbares 
Monoflop ans Gate und schaltet beim Ausbleiben der Steuerpulse aus.

von Falk B. (falk)


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Ach ja, kleiner Nachtrag. Man braucht nur einen Leistungstreiber als 
Halb-Brücke, nicht zwei. Denn mit zwei hat man am Ausgang die doppelte 
Spannung, was hier ~24V wären, die man aber eher nicht für eine 
MOSFET-Ansteuerung braucht. Also einfach ein Ende des Trafos auf GND. 
Damit reduziert sich auch der Aufwand auf EIN XOR Gatter. Damit braucht 
der OP für seine 8 Kanäle nur 4x ICL7667 und 2x4030. Wenn das nicht 
preiswert ist?!?

von Georg (Gast)


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Da ich auf die galvanische Trennung verzichten kann, wären ja High-side 
Treiber (IR2xxx etc.) eine Lösung, solange sie mit >200V umgehen können.
Da ich ja 100% ON benötige halt nicht mit einer Bootstrap-Schaltung 
sondern mit einem möglichst einfachen DC/DC Konverter versorgt.
Oder gibt es da was mit eingebauter Charge Pump und einer möglichen 
Schaltspannung von >200V?

von Gregor B. (Gast)


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von Falk B. (falk)


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@  Gregor B. (gbo)

>http://www.ti.com/lit/an/slva444/slva444.pdf

Naja, zwischen einer Handvoll Volt Eingangsspannug und 400VDC ist dann 
doch ein kleiner Unterschied. Klar kann man auch eine 400V Kaskade 
bauen, aber irgendwann wird es albern.

@ Georg (Gast)

Was passt dir denn an meiner Idee nicht? Einfacher und billiger geht es 
kaum.

von Georg (Gast)


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@Falk: Vielen Dank für deine Schaltungsidee, aber wirklich ausgereift 
und sicher wirkt sie halt nicht...

von Johannes E. (cpt_nemo)


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Falk Brunner schrieb:
>>http://www.ti.com/lit/an/slva444/slva444.pdf
>
> Naja, zwischen einer Handvoll Volt Eingangsspannug und 400VDC ist dann
> doch ein kleiner Unterschied. Klar kann man auch eine 400V Kaskade
> bauen, aber irgendwann wird es albern.

Diese Schaltung ist nicht wirklich für hohe Spannungen geeignet.

Ich setzte diese Schaltung aus einer App-Note von IRF (s. 18) in einem 
Projekt mit 360V DC-Spannung ein:

http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-978.pdf

Den 100k-Widerstand muss man natürlich an die Spannung anpassen.

von Falk B. (falk)


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@  Johannes E. (cpt_nemo)

>Ich setzte diese Schaltung aus einer App-Note von IRF (s. 18) in einem
>Projekt mit 360V DC-Spannung ein:

>http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-978.pdf

Clever! Aber warum baut sowas kein Hersteller schon in seine ICs ein, 
der Aufwand ist doch eher gering?

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