Mosfet Treiber für Halbbrücke / Vollbrücke

[Andreas S. (andreas1984)]

Hallo alle,

mein Ziel ist es mit Hilfe einer Vollbrücke eine Induktive Last 
Anzusteuern. (Im Bereich von 1kHz bis 100kHz)

Ich sage mal vorweg, ich bin kein Elektronik Profi - ein bischen
(relativ altes) Grundwissen ist aber vorhanden.

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1.jpg zeigt die Oszillatorschaltung.

Diese habe ich mit dem TL494 gelöst und das funktioniert auch gut.

Am Ausgang der Schaltung habe ich ein Signal (GND bis 12V).

Ausgang A und B sind invertiert, und dienen dann in weiterer Folge zum 
Ansteuern der Vollbrücke.

2.jpg zeigt die Treiberschaltung mit Vollbrücke.

Es ist gleich anzumerken, dass sich mein Fehler in dieser Schaltung 
verbirgt und zwar wollte ich den ICL7667 (Mosfet Treiber IC) verwenden, 
um die Vollbrücke zu betreiben.

Ich dachte mir, der ICL7667 konvertiert das GND / +12V Signal, welches 
ich vom Oszillator bekomme in ein +12V / -12V Signal, wenn ich seine 
Versorgung auf +12V und -12V hänge...
Falsch  gedacht, er ist mir abgeraucht, da dieser nur eine 
Spannungsdifferenz von 15V verträgt.

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Frage 1: Was wäre der beste IC, Schaltung, sonst was, um mir aus dem 
Signal, welches ich vom Oszillator bekomme (GND / +12V) ein +12V / -12V 
Signal zu machen, um die Vollbrücke bzw. die Halbbrücken treiben zu 
können?

Frage 2: Gibt es vielleicht irgend einen Schaltungstechnischen Kniff, um 
die einzelnen Halbbrücken auch mit einem GND / +12V Signal zu treiben, 
wie es mir der ICL7667 geben würde?

Lg Andreas

[Achim S. (Gast)]

Andreas S. schrieb:
> ein +12V / -12V
> Signal zu machen, um die Vollbrücke bzw. die Halbbrücken treiben zu
> können?

das wäre eine schlechte Idee. Denn damit würden dein FETs ein 
Gate-Source-Spannung von 24V sehen(bzw. -24V für den pFET). Der Wert in 
den Absolute Maximum Ratings ist aber 20V.

Andreas S. schrieb:
> ibt es vielleicht irgend einen Schaltungstechnischen Kniff, um
> die einzelnen Halbbrücken auch mit einem GND / +12V Signal zu treiben,
> wie es mir der ICL7667 geben würde?

Wie viel Spannung brauchst du denn für deine Last? Wenn 12V ausreichen, 
dann lass die -12V Versorgung einfach weg. Den Strom durch die Last 
kannst du ja immer noch umpolen - dafür ist die Brücke ja da.

[Andreas S. (andreas1984)]

> das wäre eine schlechte Idee. Denn damit würden dein FETs ein
> Gate-Source-Spannung von 24V sehen(bzw. -24V für den pFET). Der Wert in
> den Absolute Maximum Ratings ist aber 20V.

Stimmt, daran habe ich nicht gedacht... Danke für den Hinweis...

> Wie viel Spannung brauchst du denn für deine Last? Wenn 12V ausreichen,
> dann lass die -12V Versorgung einfach weg. Den Strom durch die Last
> kannst du ja immer noch umpolen - dafür ist die Brücke ja da.

Ich brauche für die Last die 24V, leider...




Danke.

Lg Andreas

[Michael B. (laberkopp)]

Andreas S. schrieb:
> Frage 1: Was wäre der beste IC

Na ja, ich würde einen nehemn, der NMOSFETs ansteuert, und mal 40 Jahre 
moderner denken als die verwendeten IRF530 aus der Steinzeit.

> Frage 2: Gibt es vielleicht irgend einen Schaltungstechnischen Kniff, um
> die einzelnen Halbbrücken auch mit einem GND / +12V Signal zu treiben,
> wie es mir der ICL7667 geben würde?

Dein Problem ist das Verbinden der Gates.

Klares No-No, so fliesst Kurschurzschlusstrom beim umschalten (shoot 
thru).

Schau dir einfach einen Vollbrücken-IC an wie HIP4081.

Wenn du bei deinen PMOSFETs bleibst und mit 12V auskommst, reicht sogar 
die Ansteuerspannung von 0V und 12V, der NMOSFET schaltet bei 12V ein 
und bei 0V aus, der PMOSFET ist bei 12V aus und bei 0V ein.

Aber das muss getrennt erfolgen, sie dürfen nie gleichzeitig leiten, 
also mit kleinem zeitlichen Abstand, nie beide Gates miteinander 
verbinden. Man kann den zeitlichen Versatz durch RC Glieder machen, hier 
das C der Gate-Kapazität des MOSFETs genutz und diskret aufgebnaute 
MOSFET Treiber was gertrennte Leitungen zum Laden und Entladen 
ermöglicht:

   +12V +12V    +12V           +12V+12V           +12V
     |   |        |              |   |              |
   120R 120R  +--|< NPN  IRF9530 |   | IRF9530  NPN >|--+
     |   |    |   |E             |S S|             E|   |
     +---(----+   +-----|>|--+--|I   I|--+--|<|-----+   |
     |   |    |   |          |   |   |   |          |   |
     |   |    |   |  +--4R7--+   |   |   +--4R7--+  |   |
     |   |    |   |  |           |   |           |  |   |
     |   +----(---(--(-----------(---(-----------(--(---+
     |   |    |   |  |           |   |           |  |   |
     |   |    |   +--(--4R7--+   +-M-+   +--4R7--(--+   |
     |   |    |      |       |   |   |   |       |      |
----|< TL|494 |   +--+--|<|--+--|I   I|--+--|>|--+--+   |
     |E  |    |   |E             |S S|             E|   |
-----(--|<    +--|< PNP   IRF530 |   | IRF530   PNP >|--+
     |   |E       |              |   |              |
    GND GND      GND            GND GND            GND

[Andreas S. (andreas1984)]

Hallo Michael,

> Wenn du bei deinen PMOSFETs bleibst und mit 12V auskommst, reicht sogar
> die Ansteuerspannung von 0V und 12V, der NMOSFET schaltet bei 12V ein
> und bei 0V aus, der PMOSFET ist bei 12V aus und bei 0V ein.

Ja, ich möchte gerne bei den Mosfets bleiben, weil ich davon eine Menge 
zu Hause habe...

Habe das Problem vom Shot-Trough an sich verstanden.
Ich habe mir schon gedacht, dass ich da Probleme bekommen könnte...

Habe deine Schaltung mal in Eagle gezeichnet und standard Bauteile 
genommen.

Denkst Du, dass ich diese Bauteile verwenden könnte?
Ist die Schaltung so korrekt?

Lg und vielen Dank, Andreas

[Edit: habe in der Zeichnung die Last vergessen - muss man sich hald 
dazudenken...]

[Michael B. (laberkopp)]

Andreas S. schrieb:
> Denkst Du, dass ich diese Bauteile verwenden könnte?

Die 1N4004 ist sicher zu langsam, eine 1N4448 sollte reichen, oder BA157

Aber ich hatte übersehen, daß du deine Vollbrücke nicht zwischen +12V 
und GND, sondern zwischen +12V und -12V schalten lassen wolltest.

24V wären zu viel für die Gates der MOSFETs, da müsste man mit 2 
getrennten Treibern arbeiten die jeweils 0V/+12V und -12V/0V an die 
Gates anlegen.

[Andreas S. (andreas1984)]

Hallo,

Für die Wiederstände reichen 1/4 Watt oder braucht man da schon etwas 
mehr? Ich denke 1/4 Watt sollte reichen.

Danke für den Tipp wegen der schnellen Diode.

Standard Transistoren kann ich verwenden, oder sollte ich da auch auf 
spezielle schnellere Varianten ausweichen?
Die Schaltung sollte bei 100kHz noch funktionieren.

> Aber ich hatte übersehen, daß du deine Vollbrücke nicht zwischen +12V
> und GND, sondern zwischen +12V und -12V schalten lassen wolltest.

Im Idealfall ja. Ich brauche 24V an der Last.

> 24V wären zu viel für die Gates der MOSFETs,

Ja. 20V ist das maximale Rating...

> da müsste man mit 2 getrennten Treibern arbeiten die jeweils 0V/+12V und
> 12V/0V an die Gates anlegen.

Hast Du da irgendwo ein Beispiel wie die Schaltung aufgebaut ist?

Ich kann es mir irgendwie nicht vorstellen... :-(

Lg und Danke :-)

[Achim S. (Gast)]

Andreas S. schrieb:
> Die Schaltung sollte bei 100kHz noch funktionieren.

Muss es wirklich unbedingt so schnell sein? Ein bisschen langsamer kann 
dir das Leben (insbesondere die FET-Ansteuerung) einfacher machen.

Andreas S. schrieb:
> Hast Du da irgendwo ein Beispiel wie die Schaltung aufgebaut ist?
>
> Ich kann es mir irgendwie nicht vorstellen... :-(

eine Möglichkeit für dich wäre, nur nFETs zu verwenden und integrierte 
Gatetreiber zu verwenden, die nach dem Bootstrap-Verfahren arbeiten, um 
sich die benötigte Hilfsspannung zu erzeugen. Hier eine Auswahl von ICs
https://www.digikey.de/products/de/integrated-circuits-ics/pmic-gate-drivers/730?k=bootstrap
In den Datenblättern findest du Schaltungsbeispiele.

In jedem Fall brauchst du einen Gatetreiber für den unteren FET und 
einen davon unabhängigen für den oberen FET (also nichts mit gekoppelten 
Treiberstufen, wie du sie bisher immer verwendest). Der Treiber für den 
unteren FET muss zwischen 0 und ca. 12V schalten, der für den oberen FET 
zwischen 24V und
 ca. 12V, falls du oben beim pFET bleibst.
 ca. 36V, falls du oben auch einen nFET verwendest (die Bootstrap-ICs 
erzeugen diese 36V selbst)

[Andreas S. (andreas1984)]

Hallo Achim,

> Muss es wirklich unbedingt so schnell sein? Ein bisschen langsamer kann
> dir das Leben (insbesondere die FET-Ansteuerung) einfacher machen.

Ich glaube ich werde meine Anforderungen erwas herunterschrauben.

Sagen wir mal, ich bin immer noch glücklich, wenn ich um die 50kHz 
schaffe.

Und ich werde es mit dem 12V Spannungsniveau probieren, ob meine 
Anwendung noch funktioniert.

Ich möchte mir das Leben so einfach wie möglich machen, daher werde ich 
erstmal versuchen, den Treiber von Michael mal versuchsweise aufzubauen.

Folgende Bauteile werde ich für den Versuchsaufbau verwenden:

- BC547 (NPN)
- BC327 (PNP)
- 1N4448

Ich bin mir nicht sicher, ob es nicht Sinn machen würde, bei den 
Transistoren nicht Stützkondensatoren unterzubringen.

Ich werde die Schaltung mal in Eagle zeichnen, vielleicht kann dann wer 
von euch noch einen finalen Blick drauf werfen ob es so passt oder 
nicht.

Lg Andreas

[Andreas S. (andreas1984)]

Ich werde die Schaltung mal so umsetzen und hoffen, dass es 
funktioniert...

[Michael B. (laberkopp)]

Andreas S. schrieb:
> Ich werde die Schaltung mal so umsetzen und hoffen, dass es
> funktioniert...

Na ja, sie liefert keine 24V.

Die 4R7 müssten angepasst werden, daß die MOSFETs gerade eben nicht 
überlappend einschalten.

Auch kommt mir gerade der TL494 als PWM-Erzeuger merkwürdig vor, er kann 
in deiner Schaltung nur immer gleiche vorwärts und rückwärts Impulse 
auslösen, mit einer einstellbaren Leerlaufzeit.

A   ---     ---
 ---   -----   ---
 --     ---     --
B  -----   -----

Was bringt das ? Der Strom fliesst in der induktiven Last immer 
'vorwärts' und 'rückwärts' aber im Mittel bleibt er bei 0.

Andreas S. schrieb:
> - BC547 (NPN)
> - BC327 (PNP)

Vielleicht sollte man zum 327 den 337 nehmen...

[Andreas S. (andreas1984)]

Hallo,

die Transistor Ansteuerung funktioniert soweit.

Die Schaltung zieht viel weniger Strom, als die Variante mit verbundenen 
Gates...

Vielen herzlichen Dank für eure Hilfe an alle!

Lg Andreas