Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Millerkapazität Schaltregler LTC3769


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von jzu (Gast)


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Bei der Auswahl der Leistungs-MOSFETs für einen Boost-Schaltregler 
(LTC3769) stellt mich die folgender Textabschnitt vor große Probleme:

Selection criteria for the power MOSFETs include the
on-resistance RDS(ON), Miller capacitance CMILLER, input
voltage and maximum output current. Miller capacitance,
CMILLER, can be approximated from the gate charge curve
usually provided on the MOSFET manufacturer’s data
sheet. CMILLER is equal to the increase in gate charge
along the horizontal axis while the curve is approximately
flat divided by the specified change in VDS. This result
is then multiplied by the ratio of the application applied
VDS to the gate charge curve specified VDS.

Was genau ist nun diese Millerkapazität und wie genau kann man diese 
Anhand von Datenblättern herrausfinden?

von ArnoR (Gast)


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jzu schrieb:
> Was genau ist nun diese Millerkapazität und wie genau kann man diese
> Anhand von Datenblättern herrausfinden?

Die Millerkapazität ist die Gate-Drain-Kapazität Cgd multipliziert mit 
der Spannungsverstärkung Vu zwischen Gate und Drain. Genauer: 
Cm=Cgd*(1+Vu).

von jzu (Gast)


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Ich habe mir nun einige Datenblätter von MOSFETs angeschaut, finde aber 
weder Cgd noch Vu. Meistens finde ich aber den Begriff Millercharge in 
der Einheit nC (müsste für nano Coloumb stehen?) . Aber eine Ladung ist 
ja nicht das Selbe wie eine Kapazität.
Gibt es irgendeine Umrechnung zwischen Ladung (C) und Kapazität (F).

von ArnoR (Gast)


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jzu schrieb:
> Ich habe mir nun einige Datenblätter von MOSFETs angeschaut, finde aber
> weder Cgd noch Vu.

Cgd=Crss (Reverse Transfer Capacitance)

Vu kannst du im DaBla nicht finden, denn die hängt von deiner konkreten 
Anwendung ab. Etwa: dUds/dUgs im aktiven Bereich des Mosfet

von jzu (Gast)


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Ok vielen Dank für die schnelle Antwort :-D
Dann schau ich mal ob ichs jez hinbekomme

von jzu (Gast)


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Wenn ich nun ein
Crrs= 110 pF
dUds = 24 V
dUgs= 5,4 V
habe ergibt sich laut ArnoR folgende Rechnung:

 110 pF*(1+24 V/5,4 V) = ca 600pF

ist das jetzt richtig?
(sorry für die viele Fragerei aber in sachen MOSFETs bin ich echt eine 
Niete)

von ArnoR (Gast)


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jzu schrieb:
> ist das jetzt richtig?

Fast, der Gate-Spannungshub ist wohl zu groß angesetzt. Man muss die 
Differentiale an der Tangente im steilsten Teil der 
Übertragungskennlinie ansetzen.

von jzu (Gast)


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könntes du das genauer erklären?
Der dUgs steht doch für Delta-Spannung vom Gate zur Source.
Mein Schaltregler steuert die MOSFETs mit 5,4 V an. Dann haben wir doch 
einen Spannungsunterschied von 5,4 V zwischen Gate und Source. Warum ist 
dann dUgs nicht 5,4 V.
Wo liegt mein Gedankenfehler

von ArnoR (Gast)


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jzu schrieb:
> Wo liegt mein Gedankenfehler

Du kannst nicht einfach irgendeinen Spannungshub ansetzen. Du könntest 
beispielsweise den Mosfet auch mit 0/20V am Gate ansteuern. Dann ergäbe 
deine Rechnung nur eine Verstärkung von 1,2.

Die Verstärkung ist aber die Änderung der Drainspannung im Verhältnis 
zur Änderung der Gate-Source-Spannung, und zwar dort und nur dort, wo 
sich auch was tut, also wo sich die Drainspannung stark ändert.

> Der dUgs steht doch für Delta-Spannung vom Gate zur Source.
> Mein Schaltregler steuert die MOSFETs mit 5,4 V an.

dUgs steht nicht für den vollen Spannungshub, sondern für eine winzig 
kleine Änderung. Zusammen mit der ebenfalls winzig kleinen Änderung am 
Drain dUds ergibt sich die Verstärkung an der Stelle.

von jzu (Gast)


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ArnoR schrieb:
> Die Verstärkung ist aber die Änderung der Drainspannung im Verhältnis
> zur Änderung der Gate-Source-Spannung, und zwar dort und nur dort, wo
> sich auch was tut, also wo sich die Drainspannung stark ändert.

In meinen Augen heißt das, ich schaue in meinem Datenblatt nach, und 
suche dort ein Diagramm das die Drain-Source Voltage (Y-Achse) und die 
Gate-Source Volage (X-Achse) zeigt.
Nur leider finde ich so ein Diagramm nicht.
Anscheinden versteh ich es immer noch nicht :-(

von DNS (Gast)


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Die gezeigte Berechnung der Miller-Kapazität ist für die Anwendung in 
einem Schaltregler völlig ungeeignet. Beim Schalten induktiver Lasten 
ist während des Ein-/Ausschaltens die Gate-Spannung praktisch konstant, 
siehe Link unten, das erste bunte Bild. Damit ist eine Berechnung wie 
oben gezeigt gar nicht möglich. Wichtig ist alleine, dass die 
Gate-Drain-Kapazität Cgd möglichst klein ist.

https://electronics.stackexchange.com/questions/141298/what-happpens-to-the-vgs-in-the-miller-plateau-region-during-mosfet-turn-on

von ArnoR (Gast)


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DNS schrieb:
> Die gezeigte Berechnung der Miller-Kapazität ist für die Anwendung in
> einem Schaltregler völlig ungeeignet.

Es ist nicht schön, ja, nur wie soll man es dann berechnen (nicht die 
Ladung messen)?

> Beim Schalten induktiver Lasten
> ist während des Ein-/Ausschaltens die Gate-Spannung praktisch konstant

Nicht nur bei induktiven Lasten. Und so konstant ist die 
Gate-Source-Spannung auch nicht, dann würde der Mosfet nicht schalten, 
man sagt das nur zur Vereinfachung.

Beitrag "Re: Mosfet induktive last"

von jzu (Gast)


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Habe ich das nun Richtig verstanden?
Die Schwellspannung meines MOSFET's Ugs wird überschritten. Die Drain - 
Source Strecke (Rds) wird leitend. Im ersten Moment ist Rds sehr 
hochohmig, sprich die komplette Spannung liegt am Drain an und Uds ist 
maximal groß.
Mit der Zeit wird der FET aber immer leitender und das Verhältins Rlast 
und Rds verschiebt sich und die Spannung die am Drain anliegt wird 
verkleinert. Da man sich den Aufbau einens MOSFETs auch gaanz grob als 
Kondensatoren zwischen Gate, Source und Drain vorstellen kann, versucht 
die Kapazität zwischen Drain und Gate (anscheinend Millerkapazität 
genannt) der Verkleinerung der Spannung am Drain entgegenzuwirken und 
"schiebt" die Ladung vom Gate in das Drain. Die Spannung am Gate steigt 
somit nur noch langsam an und das sogenannte Millerplateau entsteht. 
Wenn Rds voll leitend ist, sinkt die Drainspannung nicht mehr weiter ab, 
und das Gate kann wieder normal steigen.
Diese Flache stelle im Oszillogramm von Ugs nennt man Millerplateau.

Ich bräuchte nun diese Millerkapazität im die benötigte Leistung, der 
beim Schaltregler LTC 3769, externen MOSFETs zu berechnen.  Leider fehlt 
mir hierzu das Wissen.

von we.a.lt (Gast)


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jzu schrieb:
> Die Schwellspannung meines MOSFET's Ugs wird überschritten. Die Drain -
> Source Strecke (Rds) wird leitend. Im ersten Moment ist Rds sehr
> hochohmig, sprich die komplette Spannung liegt am Drain an und Uds ist
> maximal groß.
> Mit der Zeit wird der FET aber immer leitender und das Verhältins Rlast
> und Rds verschiebt sich und die Spannung die am Drain anliegt wird
> verkleinert. Da man sich den Aufbau einens MOSFETs auch gaanz grob als
> Kondensatoren zwischen Gate, Source und Drain vorstellen kann, versucht
> die Kapazität zwischen Drain und Gate (anscheinend Millerkapazität
> genannt) der Verkleinerung der Spannung am Drain entgegenzuwirken und
> "schiebt" die Ladung vom Gate in das Drain. Die Spannung am Gate steigt
> somit nur noch langsam an und das sogenannte Millerplateau entsteht.
> Wenn Rds voll leitend ist, sinkt die Drainspannung nicht mehr weiter ab,
> und das Gate kann wieder normal steigen.
> Diese Flache stelle im Oszillogramm von Ugs nennt man Millerplateau.

> Habe ich das nun Richtig verstanden?

Kann ich nicht sagen - aber Du hast es weitgehend richtig abgeschrieben.

jzu schrieb:
> Ich bräuchte nun diese Millerkapazität im die benötigte Leistung, der
> beim Schaltregler LTC 3769, externen MOSFETs zu berechnen.

Was willst Du berechnen? Und wieso genau?

Was: a.) Sollte es um die "Miller Charge" ("Miller-Ladung") gehen, warum 
dann nicht mit die Länge der zugehörigen Geraden in der 
Gate-Charge-Kurve ausmessen? b.) Da diese in nahezu (bei manchen DB 
fälschlicherweise exakt) konstanter Höhe liegt (also der einzige 
(nahezu) horizontale Teil der Kurve ist), hast Du auch die zugehörige 
Spannung, um die Kapazität abzuschätzen.

Das Ergebnis (ob nun a.) Ladung oder b.) Kapazität) kannst Du noch mit 
der V(DS) Deiner Anwendung multiplizieren, und durch die bei der 
Gate-Charge-Kurve als "Meßbedingung" angegebene V(DS) teilen - letzteres 
steht nämlich in Deinem Text oben.

Oder nicht, Arno?

Wieso: Das bleibt die Frage. Für den Schaltvorgang ist grundsätzlich die 
gesamte Gateladung interessant. Darüber läßt sich der konkret nötige 
Spitzenstrom für eine konkrete Schaltzeit (geschätzt, und mehr ist 
unnötig) ermitteln.

Klär mich mal auf, worauf genau Du hinauswillst. Und komm jetzt bloß 
nicht mit "geheim", denn zur Geheimhaltung verpflichtete Agenten 
brauchen dank ihrer Ausbildung nicht nur keine Hilfe von 
Nicht-Eingeweihten, sondern jeder hier müßte noch um sein Leben fürchten 
- nur, weil wir mit einem kommuniziert haben.

von jzu (Gast)


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Ich wage mich das erste mal an das Thema Schaltregler heran. Ich lese 
mich also durch das Datenblatt und versuche das was ich dort lese zu 
verstehen. Zurzeit bin ich halt bei der Dimensionierung der Mosfets. 
Dort bin ich auf diese Formel gestoßen (siehe Bild oben)
Dort ist die von mir nun so oft genannte Millerkapazität zu finden.
Mir fehlt schlicht weg die Erfahrung mit der selben. Wenn diese 
irrelevant ist oder man sie durch eine (aus Erfahrungswerten stammdende) 
Konstante ersetzten könnte würde ich dies machen. Doch leider weiß ich 
weder das Eine noch das Andere und somit habe ich diesen Beitrag 
geschrieben.
Hauptsächlich will ich einfach verstehen was diese Millerkapazität ist, 
warum/ob sie für diese Berechnung wichtig ist.

Grundsätzlich würde ich sagen ist es folgendermaßen:
Beim Schaltvorgang des Mosfets bewirkt die Tatsache, das eine Kapazität 
zwischen den verschiedenen Pins des Fets vorhanden ist, eine 
Verlustleistung, da selbe dem Abbau der Drainspannung(der Fet wird 
leitend) entgegenwirkt, indem er Ladung vom Gate in das Drain pumpt.

Meine Ausgangssituation für die Formel währe folgende.
Frequenz: 350 kHz
Vin: 15 V
Vout: 24 V
Iout(max): 2 A
Im Datenblatt steht die Konstante k kann man mit 1,7 ersetzen
Der FET wird bei Raumtemperatur betrieben

Aber ich bräuchte nun noch Cmiller um die Leistung zu berechen

von we.a.lt (Gast)


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Ach so, entschuldige bitte. Es geht Dir um die (sehr akkuraten) 
Verluste, nicht die zu erwartenden Schaltzeiten (nicht alleine darum). 
Diese Berechnungsformel hatte ich gar nicht gesehen zuvor im DB, nicht 
aufgepaßt. Sonst wäre ich vielleicht auf dem richtigen Dampfer 
geschippert.

Noch mal zur Erklärung: Vorhin dachte ich an die Schaltzeiten, die man 
auch mittels der Q(g) aus dem Datenblatt sowie dem Spitzen-Treiberstrom 
"abschätzen" kann. Die Verluste kann man ebenfalls etwas "großzügiger" 
(ungenauer) behandeln, wenn man will.

Ja, benutz diese Formel. Du brauchst dazu Deine Betriebsspannung. Ist 
diese gleich der (oder - bei manchen FETs stehen gar mehrere Kurven 
dabei - EINER DER) V(DS), bei der die Ladekurve festgelegt wurde? Dann 
hast Du Glück, und sparst Dir am Ende was.

Wenn nicht, dann mußt Du in den Graph schauen, und - wie ich schon 
beschrieb -  die Länge der (fast) horizontalen "Miller-Linie" ermitteln. 
Also Praktisch(er): Den Wert für Q(g) am Anfang, links, vom Wert rechts, 
ABZIEHEN.

Diesen Wert mußt Du durch_die zugehörige V(DS) (also, wie gesagt: 
Falls mehrere Kurven für unterschiedliche V(DS), dann die V(DS) DER 
EINEN Kurve, bei welcher Du diese Q(g)-Differenz ermittelt hast!) 
teilen !

Q(g) hat nämlich die Einheit Coulomb = Ampere * Sekunde.
Geteilt durch diese Spannung erhältst Du nämlich akkurat...
...die Kapazität in Farad (1 Farad bzw. 1F = 1(A * s) / V)!

von DNS (Gast)


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Mal als Beispiel: Der IPB017N08N5.

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IPB017N08N5-DS-v02_02-EN.pdf?fileId=5546d461454603990145ccd9e5e0620c

In den elektrischen Eigenschaften steht "Gate to drain charge" (Qgd) bei 
Vdd=40V sind 37nC.
Aus "Diagram 14: Typ. gate charge" kann man diesen Wert auch ablesen. 
Hier sind auch noch Kurven für 20V und 60V angegeben; Man sieht, dass 
der Zusammenhang nicht linear ist. (40V und 60V sind fast gleich, 20V 
hat etwas weniger Qgd.) Der Grund dafür ist in "Diagram 11: Typ. 
capacitances" erkennbar: Die Kapazität Crss sinkt mit steigender 
Spannung. Zwischen 40V und 60V ist die Kapazität so klein, dass die 
zusätzlich benötigte Ladungsmenge zum Aufladen von 40V auf 60V extrem 
klein ist.

Die "Miller-Kapazität" ergibt sich näherungsweise aus Qgd und Vdd zu 
37nC/40V = 925pF. Das ist aber nur der mittlere Wert über den 
Spannungsbereich von 0V bis 40V. Eigentlich hängt die Miller-Kapazität 
von Crss ab, und Crss ist wie gerade gezeigt extrem spannungsabhängig.

Bei Spannungen von 20-40V - also da wo die Momentanverluste im 
Schaltvorgang am höchsten sind - ist die Kapazität schon viel geringer. 
Das wirft jetzt wohl die Frage auf, ob es überhaupt sinnvoll ist, mit 
einer mittleren Kapazität zu rechnen. Ich würde es lassen und 
stattdessen lieber ein brauchbares Simulationsmodell vom MOSFET 
besorgen.

von we.a.lt (Gast)


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DNS schrieb:
> Ich würde es lassen und
> stattdessen lieber ein brauchbares Simulationsmodell vom MOSFET
> besorgen.

Ich denke, der Chip sollte doch bei LTPowerCad dabei sein.
Damit läßt sich das alles wunderbar machen. + Layout.

http://www.linear.com/designtools/software/#LTPower

von jzu (Gast)


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we.a.lt schrieb:
> Ich denke, der Chip sollte doch bei LTPowerCad dabei sein.
> Damit läßt sich das alles wunderbar machen. + Layout.

Das ist ja ein super Programm, danke für den Tipp. Allein deswegen hat 
sich der Forumseintrag schon gelohnt. Vielen Dank

Ich werde nun ein wenig simulieren

von Timmy (Gast)


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Wenn du zum ersten mal einen Schaltregler bastelst, brauchst du dich um 
solche Details nicht scheren. Und das ist keine Ironie.

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