MOSFET Treiber Konzept

Gast #3496212
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Hallo zusammen,

eine Frage zur MOSFET-Treiber Auslegung... Ich habe noch nie MOSFETs mit 
Treiber eingesetzt, also seid bitte nachsichtig mit mir ;)

Die Rahmenbedingeungen sind:
µC Output: 3,3 V
Treiber Versorgung: 15 V
Zu schaltende Spannung am MOSFET: 7,5V bis 21V
2x High Side Switch (jeweils statisch und gepulst bis 12A)
1x Low Side Switch (nur statisch bis 25A)

Nun habe ich durch die Anforderungen einige Probleme. Zuerst wollte ich 
als High Side Switch einen P-MOSFET wie den irf9383 verwenden 
(http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf9383mpbf.pdf). Ugs 
verträgt aber nur 20V, also kann ich das Gate nicht einfach auf Masse 
schalten, da dann ja maximal 21V anliegen könnten.

Wenn Ich stattdessen nur N-MOSFETs nehme, muss ich am Gate ja über die 
21V kommen. Soweit ich das richtig gelesen habe, geht das aber nicht mit 
Bootstrap Treibern, wenn auch dauerhaft durchschalten möchte, weil der 
Kondensator sich dann irgendwann entlädt. Außer wenn die Last 
niederohmig ist? Das habe ich nicht ganz verstanden.

Am leichtesten erscheint es mir im Moment einen Optokoppler als High 
Side Treiber zu verwenden. Ich bin auf den apv1122 
gestoßen.(http://pewa.panasonic.com/assets/pcsd/catalog/apv-ssop-mosfet-driver-catalog.pdf) 
Dann einfach mit Vorwiderstand vom Controller auf den Eingang und den 
Ausgang auf Emitter und Gate eines N-MOSFETs

Als Low Side Treiber würde ich den ICL7667 mit 15V Versorgung wählen. 
Würde das so funktionieren?
Gast #3496283
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Der Low Side Switch muss nur nur dauerhaft schalten, die beiden 
High-Side-Switches sollten 2 kHz schaffen. Der Optokoppler schafft das 
wahrscheinlich gar nicht mit seinen 14µA im Ausgang, oder?

Wie sieht so eine Begrenzung aus? Meinst du eine Z-Diode? Aber die würde 
den Strom wahrscheinlich zu sehr in die Höhe treiben? Oder mit einem 
LDO?
Gast #3496475
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@Alexander Schmidt:
Die ersten beiden Schaltungen im Link müssten ja eigentlich 
funktionieren. Die Bootstrap Schaltung fällt ja wegen dem statischen 
Betrieb raus.
Aber ich verstehe dein Bild nicht ganz. Wenn Q3 durchschaltet, steigt 
Ugs doch über 20V. Zerstört das nicht den MOSFET?

@Falk Brunner:
Der BTS555 sah auf den ersten Blick perfekt aus - schön simpel. Die 
relativ hohen Kosten spielen auch kaum eine Rolle. Dann wollte ich aber 
mal die Erwärmung ausrechnen. Im stationären Betrieb ist sie absolut im 
Rahmen, aber im Schaltbetrieb steigt sie rechnerisch auf über 1500°C, 
weil die Schaltzeiten so hoch sind. :( Gibt es vergleichbare Bauteile 
mit deutlich geringeren Schaltzeiten?

Ansonsten würde ich nun das Zweite Beispiel aus Alexanders Link 
favorisieren. Also ein "herkömmlicher" Treiber mit einer zusätzlichen 
isolierten Versorgungsspannung. Es sei denn jemand kennt einen 
einfacheren Weg?
Gast #3502465
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Danke für die Erklärungen. Ich hatte erst nicht gesehen, dass oben der 
npn und unten der pnp sitzt, dadurch meine Verwirrung. Um auf der 
sicheren Seite zu sein, habe ich mich entschieden nicht direkt vom 
Controller zu kommen sondern benutze die empfohlene Schaltung. Ich habe 
sie auch schon in LTspice simuliert und real aufgebaut - funktioniert 
einwandfrei. Trotzdem habe ich noch ein kleines Verständnisproblem, 
dafür habe ich das Bild mal etwas modifiziert:
Bei 3,3V im Eingang liegen an Punkt 1 die 21V Versorgung an. Q1 schaltet 
somit durch und an Punkt 2 steigt die Spannung bis 20,5V an. Darüber 
hinaus würde Q1 ja wieder sperren, so pendelt sich die Spannung in Punkt 
2 bei 21V-Ube ein. Soweit verstanden. Aber wenn ich jetzt 0V auf den 
Eingang gebe, liegen an Punkt 1 4,6V an. Dadurch sperrt Q1 und Q3 
schaltet durch. Die Spannung an Punkt 2 fällt also. Und nun kommt mein 
Problem: Ich hätte erwartet, dass ab 5,3V an Punkt 2 Q3 wieder beginnt 
zu sperren. Dadurch sollte die Spannung doch eigentlich nicht weiter 
fallen. Stattdessen sinkt sie aber noch weiter auf 4,3V. Q3 ist dann 
also längt im Sperrbereich und Q1 leitet. Kann mir jemand erklären wieso 
der Abfall nicht bei 5,3V stoppt?
Angehängte Dateien:
Gast #3502493
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Bernd schrieb:
> Bei 3,3V im Eingang liegen an Punkt 1 die 21V Versorgung an.

Das ist unmöglich. Bei 3,3V am Eingang, liegen 2,6V über R2 und durch R2 
fließt ein Emitterstrom von 17,3mA. Dieser Strom fließt auch im 
Kollektor von Q2 und erzeugt über R1 einen Spannungsabfall von 17,3V. An 
Punkt 1kann also nicht die Versorgungsspannung liegen, sondern 17V 
weniger.
#3502495
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@ Bernd (Gast)

>Problem: Ich hätte erwartet, dass ab 5,3V an Punkt 2 Q3 wieder beginnt
>zu sperren. Dadurch sollte die Spannung doch eigentlich nicht weiter
>fallen.

Eigentlich schon.

>Stattdessen sinkt sie aber noch weiter auf 4,3V. Q3 ist dann
>also längt im Sperrbereich und Q1 leitet. Kann mir jemand erklären wieso
>der Abfall nicht bei 5,3V stoppt?

Wahrscheinlich auf grund von Leckströmen.
Gast #3502531
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Bernd schrieb:
> Aber wenn ich jetzt 0V auf den
> Eingang gebe, liegen an Punkt 1 4,6V an. Dadurch sperrt Q1 und Q3
> schaltet durch. Die Spannung an Punkt 2 fällt also.

Auch falsch. Bei 0V am Eingang fließt in Q2 kein Kollektorstrom und 
Punkt1 geht auf 21V hoch. Wie`s aussieht hast du da irgendwie die 
Spannungen verdreht.

Und welcher Transistor von dem Paar Q1/Q3 leitet, hängt allein vom 
Laststrom ab (den es statisch nicht gibt). Wenn der Laststrom nach + 
geht, leitet Q3, umgekehrt eben Q1. Danach richtet sich dann auch der 
Spannungsversatz zwischen 1 und 2.
Gast #3502562
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ArnoR schrieb:
> Bei 3,3V im Eingang liegen an Punkt 1 die 21V Versorgung an.
Sorry, ich meinte natürlich bei 0V.

ArnoR schrieb:
> Aber wenn ich jetzt 0V auf den
> Eingang gebe, liegen an Punkt 1 4,6V an. Dadurch sperrt Q1 und Q3
> schaltet durch. Die Spannung an Punkt 2 fällt also.
Und hier meinte ich 3,3V

Aber ich habe das Problem gelöst! Die Spannung an Punkt 2 folgt der von 
Punkt 1. Sinkt Punkt 1, folgt Punkt 2 bis bis zur Differenz von Ube (ca. 
0,5V). Steigt die Spannung an Punkt 1 überholt sie die Spannung an Punkt 
2 zuerst, bis sie 0,5V über Punkt 2 liegt. Erst dann folgt Punkt 2 
wieder. Nun müsste die Spannung an Punkt 2 nach der negativen Flanke ja 
trotzdem über Punkt 1 liegen. Tatsächlich hat die Flanke an Punkt 1 aber 
einen leichten Unterschwinger, der dafür sorgt dass wir "von unten" 
kommen und nicht "von oben". Wenn ich den Überschwinger in LTspice 
vermeide, verhält sich die Spannung wie erwartet.

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