Gatetreiber LM5104 Halbbrücke MOSFET

[J. K. (jklose)]

Guten Morgen miteinander,
ich bin zurzeit an einer Halbbrücken-Schaltung am entwerfen mit 2 MOSFET 
(IRFZ34) und einem Gatetreiber (LM5104) die mir am Ausgang ein 
Rechteckförmiges Signal von +/- 12 Volt erzeugen soll.
Bilder vom Schaltplan habe ich angehängt. Mein Problem ist, dass meine 
entworfene Schaltung zwar auf -12 Volt durchschaltet, jedoch der obere 
MOSFET schaltet die +12 Volt nicht komplett durch, sondern nur auf +6 
Volt.
Ich habe also eine rechteckförmige Spannung von -12 Volt -> +6 Volt.

Wenn ich ein rechteckförmiges Signal von 0 - 12 Volt erzeugen will ist 
das mit der Schaltung gar kein Problem.

Ich habe jetzt schonmal ein paar Beiträge über den LM5104 hier in dem 
Forum gelesen aber habe noch keine Lösung zu meinem Problem gefunden, 
außer die obere Spannungsquelle auf 18 Volt anzuheben, aber das ist 
finde ich eine nicht so schöne Lösung.

Es ist das erste Mal für mich dass ich mit MOSFET's und einer 
Treiberstufe arbeite und freue mich um jeden Beitrag da ich gerne dazu 
lernen würde.

Hat jemand einen Lösungsvorschlag / Erklärung für dieses Verhalten?
Ich habe am Anfang vermutet, dass es was mit der Threshold Spannung des 
MOSFETS zu tun hat, aber ich liege da glaube ich nicht ganz richtig.
Ich habe auch mal versucht einen P-Kanal MOSFET zu verwenden, hat mich 
aber auch noch nicht weitergebracht.

Grüße

Julius

[MiWi (Gast)]

Julius K. schrieb:
> Guten Morgen miteinander,
> ich bin zurzeit an einer Halbbrücken-Schaltung am entwerfen mit 2 MOSFET
> (IRFZ34) und einem Gatetreiber (LM5104) die mir am Ausgang ein
> Rechteckförmiges Signal von +/- 12 Volt erzeugen soll.
> Bilder vom Schaltplan habe ich angehängt. Mein Problem ist, dass meine
> entworfene Schaltung zwar auf -12 Volt durchschaltet, jedoch der obere
> MOSFET schaltet die +12 Volt nicht komplett durch, sondern nur auf +6
> Volt.
> Ich habe also eine rechteckförmige Spannung von -12 Volt -> +6 Volt.
>
> Wenn ich ein rechteckförmiges Signal von 0 - 12 Volt erzeugen will ist
> das mit der Schaltung gar kein Problem.
>
> Ich habe jetzt schonmal ein paar Beiträge über den LM5104 hier in dem
> Forum gelesen aber habe noch keine Lösung zu meinem Problem gefunden,
> außer die obere Spannungsquelle auf 18 Volt anzuheben, aber das ist
> finde ich eine nicht so schöne Lösung.
>
> Es ist das erste Mal für mich dass ich mit MOSFET's und einer
> Treiberstufe arbeite und freue mich um jeden Beitrag da ich gerne dazu
> lernen würde.
>
> Hat jemand einen Lösungsvorschlag / Erklärung für dieses Verhalten?
> Ich habe am Anfang vermutet, dass es was mit der Threshold Spannung des
> MOSFETS zu tun hat, aber ich liege da glaube ich nicht ganz richtig.
> Ich habe auch mal versucht einen P-Kanal MOSFET zu verwenden, hat mich
> aber auch noch nicht weitergebracht.
>
> Grüße
>
> Julius

Hi Julius

Du solltest Dir das mit den GNDs und den +/-12V nochmals genau 
überlegen. Handskizze, Datenblatt sehr genau und gründlich lesen und 
grübeln... denn so wird das nix. Ich denke, Du wirst schon draufkommen 
wo es feigelt

MiWi

[der schreckliche Sven (Gast)]

Ja mei, falsches Bezugspotential für den Treiber.
Die richtige Masse für den Treiber ist "ganz unten".

[J. K. (jklose)]

Hallo, danke für die schnelle Antwort :)

Habe auf einmal das Problem lösen können.. habe die letzten 2 Tage mir 
schon das Datenblatt angeschaut und nachgegrübelt aber kam gar nicht 
dahinter.
Ein neuer Tag ein weiterer Versuch:

Das Problem war, dass ich dem internen Treiber ein GND Potential gegeben 
habe.. Wenn ich aber eine +/- Spannung erwarte, benötigt der Treiber ja 
auch das gleiche Potential wie der untere MOSFET...

Ich habe vorher VSS auf GND geschlossen.. nun habe ich VSS mit der 
unteren Spannungsquelle verbunden und alles funktioniert wie es soll.
Ich habe noch die Bilder angehängt, falls später jemand das gleiche 
Problem haben sollte und nach einer Lösung sucht.


Vielen Dank :)

Grüße
Julius

Nachbearbeitung:

@schrecklicher Sven:

Habe deinen Beitrag erst gelesen nachdem ich meinen verfasst habe.
Danke :) Das habe ich mit erschrecken auch grad eben festgestellt und 
erstmal den Kopf schütteln müssen.

Danke für die schnelle Hilfe :)

[der schreckliche Sven (Gast)]

LM5104 absolute maximum ratings: VDD - VSS 18Volt.
Wenn Du jetzt noch das Eingangssignal auf die neue Masse des Treibers 
beziehst, und die max. Betriebsspannung des Treibers beachtest, dann 
funzt die Sache nicht nur im Spice-Paradies, sondern auch in der bösen 
diesseitigen Welt.

[J. K. (jklose)]

Danke für den Hinweis, das muss ich natürlich noch dringenst beachten, 
sonst geht mir doch der erste den ich einbaue glatt flöten.

Ich benötige trotzdem einen +/- 12 Rechteck an meinem Ausgang.
Da werde ich noch einen oder zwei Spannungsregler verwenden müssen die 
mir die Spannung auf die maximale Versorgungsspannung herunter regeln.

Das mit dem Bezugspotential für das Eingangssignal habe ich jetzt noch 
nicht ganz verstanden was du damit genau meinst. Das muss doch auf GND 
liegen oder nicht ?



Grüße
Julius

[MiWi (Gast)]

Julius K. schrieb:
> Hallo, danke für die schnelle Antwort :)
>
> Habe auf einmal das Problem lösen können.. habe die letzten 2 Tage mir
> schon das Datenblatt angeschaut und nachgegrübelt aber kam gar nicht
> dahinter.
> Ein neuer Tag ein weiterer Versuch:
>
> Das Problem war, dass ich dem internen Treiber ein GND Potential gegeben
> habe.. Wenn ich aber eine +/- Spannung erwarte, benötigt der Treiber ja
> auch das gleiche Potential wie der untere MOSFET...

Bingo.

>
> Ich habe vorher VSS auf GND geschlossen.. nun habe ich VSS mit der
> unteren Spannungsquelle verbunden und alles funktioniert wie es soll.
> Ich habe noch die Bilder angehängt, falls später jemand das gleiche
> Problem haben sollte und nach einer Lösung sucht.
>

:-)

das mit dem Datenblatt lesen und überlesen... ist so - auch nach 30 
Jahren im Geschäft kommt das immer noch vor, denk Dir nix dabei und freu 
Dich das es geklappt hat....

Was denkst Du wie oft wir bei der Inbetriebnahme von einem neuen Chip, 
der "nur" 60 Seiten Doku hat auf Probleme stoßen, die vorher einfach 
nicht sichtbar waren, vor allem wenn ein Teil quasi um die Ecke gedacht 
eingesetzt wird.... dann sitzen 2 oder 3 Kollegen zusammen, diskutieren, 
messen und irgendwann hat dann einer "die" gültige Erkenntnis... jedes 
mal ein erfreulicher Moment wenn es Klick macht und die Sache verstanden 
ist... bis zum nächsten mal... man lernt die Qualitäten der Kollegen 
kennen und schätzen. Einer kann das gut, der andere brilliert da und 
der nächste wiederrum weiß wo man gute Literatur dazu finden kann...

Wie auch immer - Gratulation

MiWi

MiWi

[Martin O. (ossi-2)]

Achtung: VDD, IN und LO sind alle auf VSS bezogen.
VDD ist normal +12V (oder +15V) gegen VSS. Der IN Eingang bewegt sich 
zwischen VSS und der doppelten Schaltschwelle von IN (bezogen auf VSS)
und LO bewegt sich zwischen 0 und VDD. Alles andere wird vermutlich 
nicht funktionieren!

[der schreckliche Sven (Gast)]

Julius K. schrieb:
> Das muss doch auf GND
> liegen oder nicht ?

Nicht so, wie Du das gezeichnet hast!
"VSS" ist die Masse für den Treiber!
Der braucht auch keine extra "Batterieen".
VDD kommt an GND, dann hat der Tr. 12Volt Betriebsspannung, was für ihn 
perfekt ist.

[J. K. (jklose)]

Hallo,
okay, ich habe jetzt mal VDD auf GND gehängt. Einmal habe ich den 
Kondensator von davor mit drinnen gelassen und in dem angehängten 
Schaltplan habe ich den Kondensator abgeschlossen und VDD direkt auf GND 
geschlossen.

Dabei fällt mir jetzt noch folgendes auf:
Der HB darf maximal eine Spannung von V_HS + 14 Volt betragen.
Ich habe mir mal die Spannungsverläufe iim Oszilloskop angesehen und mir 
ist aufgefallen dass dies die Grenze überschreitet (siehe Anhang (grün 
ist V_Hs und rot ist an HB gemessen)).

Das Potential zwischen VDD und VSS ist nun 12 Volt groß.
Und das Potential zwischen HB und VSS ist 24 Volt groß.

[der schreckliche Sven (Gast)]

Herrje, Du hast die Bootstrapdiode vergessen!
Die kommt natürlich auch an VDD!
Und das Bezugspotential für das Eingangssignal ist VSS!

Nochmal:
Positive Betriebsspannung für den Treiber ist GND.
-12Volt ist gleichzeitig Treiber-GND.

Viel übersichtlicher wäre es, Du würdest die 24Volt folgendermaßen 
aufteilen:

     +24Volt
     +12Volt
       0Volt (GND)

[J. K. (jklose)]

Danke nochmal für die vielen Antworten.

Ich habe jetzt die Bootstrapdiode mit angeschlossen (siehe Anhang).

Jetzt hab ich aber noch das Problem mit dem Bezugspotential für das 
Eingangssignal. Wenn ich den Rechteckgenerator auf GND schließe dann 
komm ich auf ein Ausgangssignal mit Rechteckform +/- 12 Volt.
sobald ich aber das Eingangssignal auf VSS beziehe, ist mein 
Ausgangssignal konstant -12 Volt.


Ich glaube zu wissen verstanden zu haben wie du das mit den 
Spannungsquellen gemeint hast:

habe noch einen weiteren Anhang hochgelanden mit der Änderung von den 
Spannungsquellen.
Hierbei habe ich einfach die 12 Volt spannungsquelle anders herum 
eingebaut.

Trotzdem habe ich noch Probleme mit dem VSS auf das Eingangssignal 
bezogen, da kommt am Ausgang nur noch konstant -12 Volt heraus.

Wenn ich mein Eingangssignal auf 18 Volt erhöhe, funktioniert es wenn 
ich es auf VSS beziehe. (siehe Bild 3).
Wenn ich nur ein Eingangssignal von 3 Volt habe funktioniert es laut 
simulation nur wenn das Eingangssignal auf GND bezogen ist.
Sprich ich brauche halt eine positive Spannung an meinem IN-Pin des 
Treibers.

Dafür bräuchte ich halt einen Funktionsgenerator der mir diesen Wert von 
Spannung auch ausgibt.

[der schreckliche Sven (Gast)]

Julius K. schrieb:
> Hierbei habe ich einfach die 12 Volt spannungsquelle anders herum
> eingebaut.

Gehts noch? Ich habe ds gefühl, Du bist total verwirrt.
Wenn ich Zeit dafür habe, zeichne ich Dir mal auf, wie Du es machen 
mußt. Bis später.

[der schreckliche Sven (Gast)]

Hallo Julius,

Ich hoffe, mit dieser Zeichnung wird alles klar.

Die Bezugsleitung (Masse, GND, usw) ist gaanz unten!

Eine externe Bootstrap-Diode ist überflüssig, die hat der LM5104 schon 
auf dem Chip.
Am Eingang habe ich noch die Spannungswerte hingeschrieben, mit denen 
der LM5104 sicher schaltet.

[J. K. (jklose)]

Hallo,
danke für die Antworten :).
Kam leider erst jetzt dazu die Schaltung in PSPICE mal aufzubauen und zu 
simulieren.

Ich muss gestehen, ich war echt etwas verwirrt. Beim nochmaligen 
Anschauen meines Schaltplans vom Freitag musste ich mir auch an den Kopf 
fassen.

Ich habe die Schaltung nun in PSPICE so aufgebaut wie du "schrecklicher 
Sven" gepostet hast.

In der Simulation ergibt sich bei mir aber keine Spannung von +/- 12 
Volt sondern eine Spannung von 0 - 24 Volt am Ausgang.

[der schreckliche Sven (Gast)]

J. K. schrieb:
> In der Simulation ergibt sich bei mir aber keine Spannung von +/- 12
> Volt sondern eine Spannung von 0 - 24 Volt am Ausgang.

Von +12 Volt aus betrachtet, sind es doch +/- 12 Volt!

[der schreckliche Sven (Gast)]

Aber den "RL" hast Du verkehrt eingebaut.
Zur Illustration habe ich den Plan ergänzt.

[J. K. (jklose)]

Hey,
stimmt von 12 Volt aus betrachtet sind es +/- 12 Volt.
Ich gebe dem Baustein aber doch GND potential auf VSS, dann bezieht es 
sich doch aber auf GND oder ?

[der schreckliche Sven (Gast)]

J. K. schrieb:
> von 12 Volt aus betrachtet sind es +/- 12 Volt.

Vom Mittelpunkt der beiden "Batterien" aus betrachtet.
Dieser Punkt wurde nur umbenannt, von "GND" auf "+12V".
Du darfst ihn auch Hugo nennen.
Wichtig ist nur die Ordnung in der Schaltung.

[J. K. (jklose)]

Okay,
wie kann ich das dann verstehen:
Muss ich dann dieses Bezugspotential auch in PSPICE und in meinen 
Simulationen angeben, damit die Simulation weiß dass es sich nun um 
einen anderen Bezugspunkt handelt?

Für meine Schaltung die ich dann mit dem Rechteck betreibe gilt dann ja 
auch das neue Bezugspotential wenn ich das richtig verstanden habe 
richtig ?!

Hugo ^^

Ich bin auch mit "+12V" zufrieden :)

[der schreckliche Sven (Gast)]

Das rote "GND"-Symbol von PSpice kannst Du doch dranhängen, wo Du 
willst.
Hauptsache, Du kommst nicht durcheinander.

J. K. schrieb:
> Für meine Schaltung die ich dann mit dem Rechteck betreibe gilt dann ja
> auch das neue Bezugspotential

Ja genau, der "Hugo".

[J. K. (jklose)]

Danke nochmals für die vielen Antworten und Hilfestellungen,
ich habe mir die letzten zwei Tage nochmals die Schaltung genauer 
angeschaut und mir Gedanken drüber gemacht.

Gäbe es auch eine andere Methode die Spannungsquellen zu verschalten, 
ohne dass eine davon in dem Lastkreis mit angeschlossen sein muss?

[Achim S. (Gast)]

J. K. schrieb:
> Gäbe es auch eine andere Methode die Spannungsquellen zu verschalten,
> ohne dass eine davon in dem Lastkreis mit angeschlossen sein muss?

Hängt von deiner tatsächlichen Problemstellung ab (insbesondere von der 
Last und inwieweit deren Potentialbezug festgelegt ist). Aber ganz ohne 
eine Spannungsquelle im Lastkreis wirst du kaum auskommen ;-)

Ein naheliegender Ansatz könnte sein, die Last in einer Vollbrücke zu 
betreiben und umzupolen (sofern die Last das zulässt). Dann brauchst du 
insgesamt nur eine 12V Versorgung.

[J. K. (jklose)]

Hallo Achim,

Es soll später ein Schwingkreis als Last angeschlossen werden. Dieser 
soll so wenig wie möglich von dem Wirkwiderstand der Treiberschaltung 
beeinflusst werden. Aus dem Grund wollte ich auch die Spannungsquelle 
aus dem Schwingkreis entfernen, damit der Innnenwiderstand nicht mit in 
den Reihenschwingkreis mit einfließt.

Der Wirkwiderstand von den MOSFETs muss natürlich auch noch 
berücksichtigt werden, dieser beträgt ca. 0.05 Ohm von dem ausgewählten 
FET.

Ich habe mal eine Vollbrückenschaltung aufgebaut (siehe Anhang).
Diese funktioniert noch nicht einwandfrei, was denke ich an dem Gate 
driver baustein liegt, bzw. da HO und LO zueinander unterschiedlich und 
nicht nur invertiert sind.

[Achim S. (Gast)]

J. K. schrieb:
> Es soll später ein Schwingkreis als Last angeschlossen werden.

Serien- oder Parallel-Schwingkreis?

J. K. schrieb:
> damit der Innnenwiderstand nicht mit in
> den Reihenschwingkreis mit einfließt.

Der Innenwiderstand deiner Versorgung geht immer mit in die Schaltung 
ein. (genau wie der Widerstand deiner FETs). Welche Ströme erwartest du 
denn maximal. (Daher auch die Frage nach Serien- oder 
Parallelschwingkreis).

J. K. schrieb:
> Ich habe mal eine Vollbrückenschaltung aufgebaut (siehe Anhang).
> Diese funktioniert noch nicht einwandfrei, was denke ich an dem Gate
> driver baustein liegt, bzw. da HO und LO zueinander unterschiedlich und
> nicht nur invertiert sind.

Überleg dir, welche Gate-Sourcespannungen der FET "links oben" und der 
"rechts unten" sehen wollen, und warum deine Spannung daher nicht 
funktionieren kann, wenn beide parallel geschaltet sind. (Außer du 
suchst dir FETs aus, die mehr als 20V Gaste-Source-Spannung aushalten). 
Die Gates sind parallel, die Sourcen aber natürlich nicht.

[J. K. (jklose)]

Hallo Achim,

Die Mosfet die ich herausgesucht habe heißen IRFZ34.
Diese halten eine maximale Gate-Source-Threshold Voltage von 4 Volt aus.
Minimal bei 2 volt.

Und das Limit der Gate-source-voltage liegt bei +/-20 Volt.

Der HO Ausgang gibt mir eine Spannung mit Spitzenwert von 20 Volt.
Der LO Ausgang gibt mir eine Spannung mit Spitzenwert von 12 Volt.

Schalten müssten die beiden Transistoren die du genannt hast doch 
eigentlich da doch die Bedingung von Vgs(th) > 2 Volt erreicht ist?

Der untere linke Transistor und der rechte obere Transistor dürften 
nicht schalten, da meine Spannung an LO nur 12 Volt beträgt, die MOSFET 
aber eine minimale Vgs(th) von 14 Volt benötigen um zu schalten.
Habe ich das so richtig verstanden?

Der HO Ausgang gibt mir eine Spannung mit Spitzenwert von 20 Volt.
Der LO Ausgang gibt mir eine Spannung mit Spitzenwert von 12 Volt.

Ich will einen Reihenschwingkreis als Last anschließen.

Maximaler Strom bei ungefähr 2 - 3 Ampere.

Achim S. schrieb:
> Der Innenwiderstand deiner Versorgung geht immer mit in die Schaltung
> ein.

Ja klar, logisch.. Der Innenwiderstand liegt ja dann in Reihe mit dem 
Widerstand der MOSFET und dann auch in Reihe mit der meiner Last.

[Achim S. (Gast)]

J. K. schrieb:
> Der HO Ausgang gibt mir eine Spannung mit Spitzenwert von 20 Volt.

Dann hast du Glück gehabt. Ich hätte eigentlich über 20V (2*12V=24V) 
erwartet, und dann schlägt dir ggf. das Gate des unteren FETs durch, der 
dann 24V U_GS sieht. Das heißt, "eigentlich" ist deine Schaltung so 
ausgelegt, dass die die unteren FETs durch Überspannung am Gate 
zerstören kann.

J. K. schrieb:
> Schalten müssten die beiden Transistoren die du genannt hast doch
> eigentlich da doch die Bedingung von Vgs(th) > 2 Volt erreicht ist?

um ihn niederohmig durchzuschalten brauchst du deutlich mehr als 2V. 
Aber das ist bei dir gegeben (20V am Gate des oberen FET ergeben ~8V 
U_GS, 12V für den unteren ergeben 12V U_GS). Das Schalten der FETs 
sollte, die an HO liegen, sollte also funktionieren (sofern das Gate des 
unteren FET nich schon zerstört ist).

J. K. schrieb:
> Der untere linke Transistor und der rechte obere Transistor dürften
> nicht schalten, da meine Spannung an LO nur 12 Volt beträgt, die MOSFET
> aber eine minimale Vgs(th) von 14 Volt benötigen um zu schalten.
> Habe ich das so richtig verstanden?

der links unten schalten damit (er sieht ja 12V U_GS), der rechts oben 
schaltet nicht.

[J. K. (jklose)]

Hey Achim,
tut mir Leid ich habe mich vertan, bzw. verschrieben.
An HO liegt 24 Volt an, keine 20 Volt.

Sprich, ich muss mich hier nach einem FET umschauen, der für eine höhere 
Gatespannung > 24 Volt ausgelegt ist, oder gibt es eine andere 
Schaltungstechnische Möglichkeit um die MOSFET anzusteuern ohne sie zu 
zerstören?

[Achim S. (Gast)]

J. K. schrieb:
> Sprich, ich muss mich hier nach einem FET umschauen, der für eine höhere
> Gatespannung > 24 Volt ausgelegt ist, oder gibt es eine andere
> Schaltungstechnische Möglichkeit um die MOSFET anzusteuern ohne sie zu
> zerstören?

Na ja, FETs mit höherer Gate-Source-Zerstörschwelle würden bei dem einen 
Problem helfen, aber das andere (dass du keinen High-Side FET mit LO 
ansteuern kannst) bleibt natürlich bestehen. Deswegen wäre sicher 
sinnvoller, bei Standard-FETs zu bleiben und stattdessen eine richtige 
Ansteuerung für deren Gates zu bauen. Ein einzelner Halbbrückentreiber 
ist halt nicht ideal, um eine Vollbrücke zu treiben. Zwei 
Halbbrückentreiber kämen damit schon wesentlich besser klar.

[J. K. (jklose)]

Hallo Achim,
danke für deine Antwort,
die Idee die Sache mit 2 getrennten Gatetreibern das Problem zu lösen 
hatte ich auch und habe es dann gleich mal probiert.

Im Grunde genommen habe ich jetzt die gleiche Schaltung noch einmal 
aufgebaut, bloß habe ich dem Gate treiber baustein das invertierte 
Eingangssignal geschalten, sodass die Mosfet abwechselnd zueinander 
schalten.
Beide schalten 12 Volt durch und hängt man die Last zwischen die beiden 
neuen Ausgänge kommt man auf einen +/- 12 Volt rechteck.

Ich habe mal meinen neuen Schaltplan hochgeladen (natürlich benötigt man 
eigentlich nur eine 12 Volt spannungsquelle, ich habe zur Simulation 2 
eingefügt).

Am Anfang hat der Ausgang noch ein komisches Verhalten was ich mir noch 
nicht erklären kann.
Hier schaltet es noch nichtg auf 12 Volt hoch, erst im nächsten Schritt 
des Rechtecks.

[Achim S. (Gast)]

J. K. schrieb:
> Am Anfang hat der Ausgang noch ein komisches Verhalten was ich mir noch
> nicht erklären kann.
> Hier schaltet es noch nichtg auf 12 Volt hoch, erst im nächsten Schritt
> des Rechtecks.

Der Bootstrap-Treiber, der die Highside-Gates versorgt, muss erst mal 
die Chance haben sich aufzuladen. Dazu braucht es eine paar 
Schaltzyklen.

[J. K. (jklose)]

So hallo nochmal alle miteinander,

so wie damals "der schreckliche Sven" schon sagte:

der schreckliche Sven schrieb:
> dann
> funzt die Sache nicht nur im Spice-Paradies, sondern auch in der bösen
> diesseitigen Welt.

hatte ich seit ein paar Tagen schon die ersten kleinen Problemchen in 
der bösen diesseitigen Welt.

Ich habe die Schaltung nach dem letzten Stand aufgebaut und meine ersten 
Messungen dran gemacht.
Dabei aufgefallen ist mir, dass ich einen schönen Rechteck am Ausgang 
"differentiell" (also mit Zwei Tastköpfen und dann diese im MATH-Modus 
vom Oszi miteinader überlager, bzw. voneinander abziehe) messe, sobald 
meine Frequenz vom Signalgenerator weniger als kHz ist. Im ersten 
angehängten Bild sieht man den Ausgang mit einer Anregung von 100Hz.

Im zweiten habe ich 250 kHz eingestellt und auf einmal, gibt es ziemlich 
starke "Oberwellen", bzw. Schwingungen auf dem Rechteck.

Im dritten habe ich 500 kHz eingestellt (die Frequenz die nacher 
benötigt wird).. ein Rechteck wird hier nicht mehr wirklich erkannt.

Ich habe jetzt verschiedene Sachen mal ausprobiert:

- mal im belasteten Fall das ganze nochmal durchgemessen (ohmsche Last)
(habe nicht vermutet dass sich was ändert außer der Strom)

- ich habe den Bootstrap Kondensator mit verschiedenen Werten 
ausprobiert und noch einmal neu ausgerechnet, kame hier mit dem IRFZ34 
MOSFET auf einen C_Boost = 3,3 nF

der andere Kondensator, welcher sich am VDD PIN befindet soll laut 
Datenblatt 10x so groß sein wie der C_Boost.
Also hab ich diesen auf 33nF geändert.

Mit diesen Werten habe ich die Messungen wiederholt, aber kam auf kein 
anderes Ergebnis.


Meine Frage ist nun:

Ist der Gate-Treiber nicht für 500 kHz ausgelegt? Im Datenblatt wird ein 
paar mal erwähnt dass 500 kHz verwendet werden für ein paar Beispiele.
Eine Maximale Frequenz habe ich im Datenblatt nicht finden können.

Oder:

Habe ich mir aus Versehen einen Schwingkreis aufgebaut, der im kHz 
Bereich anfängt zu schwingen...

Im letzten angehängten Bild kann man die einzelnen Signale des einen 
Halbtreibers und des anderen an den Ausgängen Hss1 und Hss2 erkennen.
Diese beiden überlage ich dann im Oszilloskop-menü, da ich gerade keinen 
differentiellen Tastkopf zur Verfügung habe.

Grüße

[Der Dreckige Dan (Gast)]

Die Mosfets sind sehr ungeeignet für eine Brücke, die Gatewiderstände 
für 500KHz zu groß, der Bootstrapkondensator viel zu klein, der Treiber 
zu langsam, es gibt massig shoothrough, der Aufbau ist unter Garantie 
grottig, die Tastkopfmasse ist zu lang...wo soll man nur anfangen?!


J. K. schrieb:
> Es ist das erste Mal für mich dass ich mit MOSFET's und einer
> Treiberstufe arbeite und freue mich um jeden Beitrag da ich gerne dazu
> lernen würde.

Dann nimmt man sich keine Brückenschaltung mit noch dazu 500Khz vor. Das 
hätte man dir freilich früher sagen sollen, aber ich habe den Thread 
eben erst entdeckt.

Du stehst ganz offensichtlich am Anfang. Also probiere mal einen 
einzelnen Mosfet mit kleiner ohmscher Last mit z.B. einem Timer 
anzusteuern. Dabei testest du, misst du, änderst du, misst wieder...
Wenn du damit fertig bist, bekommst du bei der ersten Halbbrücke nochmal 
einen gewaltigen Schock, und bist unerwartet wieder beim  Testen, 
Messen, Ändern, ja sogar erstmal Verstehen....

[der schreckliche Sven (Gast)]

J. K. schrieb:
> C_Boost = 3,3 nF

Das hast Du ausgerechnet? Sechs, setzen!
Die Kapazitätswerte solltest Du verhundertfachen, Rechnung hin oder her.
Und zu den wüsten Schwingungen kann ich nur soviel sagen, daß die 
verschwunden sein werden, sobald Du ordentlich Messen gelernt hast.

[Achim S. (Gast)]

J. K. schrieb:
> Dabei aufgefallen ist mir, dass ich einen schönen Rechteck am Ausgang
> "differentiell" (also mit Zwei Tastköpfen und dann diese im MATH-Modus
> vom Oszi miteinader überlager, bzw. voneinander abziehe) messe

Mit welcher Last am Ausgang? Deinem Schwingkreis? Oder ohne Last?

Gewöhne dir bitte gleich an, die Tastköpfe im x10-Teilermode zu 
verwenden (laut Bildschirmfoto scheinen sie im x1-Mode zu sein).

J. K. schrieb:
> - ich habe den Bootstrap Kondensator mit verschiedenen Werten
> ausprobiert und noch einmal neu ausgerechnet, kame hier mit dem IRFZ34
> MOSFET auf einen C_Boost = 3,3 nF

Im Datenblatt des LM5104 ist eine Beispielrechnung für einen FET mit 
ähnlicher Gate-Charge, und dort kommen sie auf 19nF. Und sie schreiben 
dazu, dass man besser größere Werte nehmen soll (die 19nF sind der 
minmal erlaubte Grenzwert).

In deinem letzten Schaltplan sind die Zahlen zwar kaum zu erkennen, aber 
dort scheinen mir 100nF eingetragen zu sein. Das klingt schon deutlich 
vernünftiger. Wie wäre es mit einem neuen Schaltplan mit erkennbaren 
Werten, die dem aktuellen Aufbau entsprechen?


J. K. schrieb:
> der andere Kondensator, welcher sich am VDD PIN befindet soll laut
> Datenblatt 10x so groß sein wie der C_Boost.
> Also hab ich diesen auf 33nF geändert.

Dieser Kondensator muss später mal ausreichen, um die Spannung zu 
stabilisieren, wenn du Ströme von mehreren A in deiner Last umschaltest. 
Rechne mal nach, wie schnell sich 33nF entladen, wenn du 1A daraus 
ziehst.

Wenn du mit 500kHz schalten willst, kommt es auch auf das Layout deiner 
Schaltung an. Wie wäre es deswegen zusätzlich zum aktuellen Schaltplan 
mit einem Foto, auf dem man erkennen kann, wie die verschiedenen 
Bauteile miteinander verbunden sind? Dort kannst du auch kennzeichnen, 
an welchen Stellen du die Tastköpfe angeschlossen hast und wo die Masse 
der Tastköpfe angeschlossen ist. Auch die Verbindung zum Netzteil sollte 
erkennbar sein.

[J. K. (jklose)]

Hallo,
danke für die vielen Antworten.
Ich habe heute nochmal ein paar Änderungen und Messungen vorgenommen.

Zurzeit messe ich nur an einer Halbbrücke und versuche hier einen 
"sauberen" Rechteck zu generieren.

Achim S. schrieb:
> Im Datenblatt des LM5104 ist eine Beispielrechnung für einen FET mit
> ähnlicher Gate-Charge, und dort kommen sie auf 19nF. Und sie schreiben
> dazu, dass man besser größere Werte nehmen soll (die 19nF sind der
> minmal erlaubte Grenzwert).

Danke, habe ich auch nochmal durchgelesen und bemerkt.
Des Weiteren schreiben sie auch, dass der Kondensator zwischen VDD und 
VSS minimum 10x größer sein sollte als der C_Boot.

Ich habe jetzt den C_Boot auf 100nF und den an VDD und VSS auf 1uF.
Ich habe hier auch andere Werte ausprobiert um Änderungen am Ausgang zu 
beobachten, habe aber die Überschwingungen nicht weg bekommen.

Im Datenblatt wird auch noch erwähnt, dass man einen LOW ESR Kondensator 
von Drain auf Masse des oberen FET schalten muss. Da ich keinen Low ESR 
Elko gerade hier habe, habe ich heute Elkos mit verschiedenen Werten 
eingebaut und das Ausgangssignal gemessen -> Fazit: Das Ausgangssignal 
nimmt schon mehr die Form eines Rechtecks an.

Desweiteren habe ich noch eine Freilaufdiode an den Gatewiderstand mit 
eingebaut. (1N4148)

Den Gatewiderstand habe ich mehrmals verändert.. angefangen bei 1kohm 
bis runter auf 0 ohm. Bis auf die Stromaufnahme an den MOSFET hat sich 
nicht viel an den Überschwingungen geändert.

Folgende Messergebnisse wollte ich nun noch zeigen:
Eingebaut ist nun 5 ohm Gatewiderstand (mit Freilaufdiode) und ein 
Kondensator vom oberen Drain auf GND (siehe erster Anhang schaltplan).

2. Anhang: Gemessen am Ausgang mit angeschlossener ohmscher Last von 27 
ohm.

Channel 1: Ausgang
Channel 2: Versorgungsspannung an dem oberen MOSFET

3. Anhang: Gemessen am Ausgang ohne Last.


Channel 1: Ausgang
Channel 2: Versorgungsspannung an dem oberen MOSFET


4. Anhang: Gemessen an HO und LO mit angeschlossener ohmscher Last von 
27 ohm.

Channel 1: HO
Channel 2: LO

5. anhang: Gemessen an HO und LO ohne Last (kurze Verzögerungszeit 
sichtbar)

Channel 1: HO
Channel 2: LO


Beim Betrieb im belasteten Fall fiel mir auf, dass der FET an LO 
ziemlich warm wurde, der obere an HO jedoch nicht.

Meine Vermutung ist, dass der untere FET dann schon geschalten wird, 
wenn der obere noch offen ist.

Achim S. schrieb:
> Wenn du mit 500kHz schalten willst, kommt es auch auf das Layout deiner
> Schaltung an.

Das stimmt! Das Layout welches ich erstellt habe ist nicht das beste der 
besten.. Ich habe die Kondensatoren so nah wie möglich an das IC gesetz 
(direkt daneben). Die FET sind jedoch nicht direkt daneben.

Hat vielleicht jemand eine Idee wie man das Problem mit den 
Überschwingern noch lösen könne?
Ein Bild von meinem Layout habe ich leider gerade nicht Zuhause.

Der Dreckige Dan schrieb:
> der Treiber
> zu langsam

Wie kommst du darauf? Im Datenblatt sind mehrere Test conditions mit 500 
kHz und auch bis 1000 kHz angegeben? Vielleicht irre ich mich, deswegen 
frage ich nach.

der schreckliche Sven schrieb:
> Die Kapazitätswerte solltest Du verhundertfachen, Rechnung hin oder her.

Danke, habe ich gemacht (hab es auch heute im Datenblatt gelesen, dass 
man sie vergrößern sollte) Größere Kapazitätswerte als 100nF haben keine 
großen Auswirkungen gemacht.

[der schreckliche Sven (Gast)]

J. K. schrieb:
> Beim Betrieb im belasteten Fall fiel mir auf, dass der FET an LO
> ziemlich warm wurde, der obere an HO jedoch nicht.
>
> Meine Vermutung ist, dass der untere FET dann schon geschalten wird,
> wenn der obere noch offen ist.

Nein, andersrum. Der obere schaltet ein, bevor der untere richtig 
geschlossen ist.
Nimm halt moderne Mosfets. Diese IRF-Dinger sind wirklich nicht die 
schnellsten. Und lass den Gate-Widerstand bei 10 Ohm. Ohne Diode. Und 
glaubs mir: Diese Schwingungen sind ein Phantom.

[J. K. (jklose)]

Danke für deine schnelle Antwort.

der schreckliche Sven schrieb:
> Nimm halt moderne Mosfets. Diese IRF-Dinger sind wirklich nicht die
> schnellsten.

Okay, das werde ich mal probieren. Mir war bei den MOSFET wichtig, dass 
diese einen geringen Drain source Widerstand besitzen, dies war mitunter 
ein Grund weshalb ich diese ausgewählt habe.

Hast du vielleicht schon welche zum empfehlen? Sonst begebe ich mich 
morgen mal auf die Suche.

der schreckliche Sven schrieb:
> Und lass den Gate-Widerstand bei 10 Ohm. Ohne Diode.

Kannst du mir das begründen? (Rein aus Interesse) Ich werde die 
Schaltung wahrscheinlich trotzdem nochmals mit Diode ausprobieren und 
vergleichen.

der schreckliche Sven schrieb:
> glaubs mir: Diese Schwingungen sind ein Phantom.

Kannst du das genauer erläutern? Wie würdest du messen? Du kannst mir 
auch Links schicken wo ich mich weiter darüber belesen kann.

Ich habe jetzt mit dem Tastkopf einfach an den HS pin angeschlossen und 
die Masseklemme an GND.

Ich hab auch schon das Massekabel abgesteckt und GND vorne am Tastkopf 
abgegriffen um so keine Leiterschleife zu bilden. (bzw. die 
Tastkopfmasse zu verkürzen)

[Der Dreckige Dan (Gast)]

J. K. schrieb:
> Wie kommst du darauf? Im Datenblatt sind mehrere Test conditions mit 500
> kHz und auch bis 1000 kHz angegeben?

Solche Dinge werden im Datenblatt sehr gern übertrieben. Da wird dann 
verschwiegen, daß das Ausgangssignal dabei schon völlig anders aussieht, 
als der Eingang. Siehe z.B. die meist unveränderliche Totzeit, diese 
fällt dann schnell immer stärker ins Gewicht. Aber auch der Strom ist 
bei 500Khz und Leistungsmosfets nicht mehr passend.

[der schreckliche Sven (Gast)]

J. K. schrieb:
> Hast du vielleicht schon welche zum empfehlen?

Mal so zum Beispiel:
Bei den on/off-Zeiten habe ich delay und rise/fall zusammengezählt.

             Vishay        Infineon
             IRFZ 34       IPP 048N04
Rds(on)      0.05 Ohm      0.0048 Ohm
Qg           46 nC         31 nC
T(on)        113 nS        16 nS
T(off)       81 nS         23 nS

Zum Gate-Widerstand:
Der begrenzt zum einen den Treiber-Strom.
Zum anderen dient er zur Dämpfung hochfrequenter Schwingungen.
Dazu sollte er sich möglichst dicht am Transistor befinden. Jeder 
Millimeter zählt.

Zu Deinen Oszillogrammen:
Der Treiberbaustein liefert an den Ausgängen mit Sicherheit saubere 
Rechtecke, weil er gar nicht anders kann. Poste doch mal ein Foto von 
Deinem Aufbau.

[J. K. (jklose)]

Okay, hier ein Foto von meinem Aufbau. Ich betreibe gerade den unteren 
Gatetreiber. Mir ist bewusst, dass es nicht der schönste Aufbau ist.
Ich werde es höchstwahrscheinlich nochmals aufbauen und dann die FET so 
nah wie möglich an den Gatetreiber. GND auch näher an die einzelnen 
Messpunkte setzen und die Ausgänge nicht direkt neben die Eingänge.

der schreckliche Sven schrieb:
> Vishay        Infineon
>              IRFZ 34       IPP 048N04
> Rds(on)      0.05 Ohm      0.0048 Ohm
> Qg           46 nC         31 nC
> T(on)        113 nS        16 nS
> T(off)       81 nS         23 nS

Das Datenblatt vom IPP 048N04 habe ich mir gerade eben nochmal genauer 
durchgelesen und der hört sich ganz gut an. VDS ist zwar nur 40 Volt 
aber mit einem 24 Volt rechteck reicht das mir ja auch aus.

Ich hab mir auch überlegt eventuell noch einen anderen Treiber zu 
bestellen da die Rise und Fall Time des LM5104 ja auch schon ziemlich 
lange ist (600ns) für einen 500 kHz Betrieb?

Dachte da eventuell an einen TPS28226, der gerade mal eine Rise und Fall 
time von 10 ns besitzt. Vom Aufbau her müsste ich da auch nicht 
umbedingt viel ändern, außer dann halt die Werte von meinen 
Kondensatoren und Widerständen.

[Der Dreckige Dan (Gast)]

Die neuen Fets sind deutlich besser. Allerdings ist der Aufbau wie 
vermutet eine mittlere Katastrophe. Das klappt selbst mit den Optimos 
nicht.

[J. K. (jklose)]

Neues Layout habe ich heute gemacht.
Habe heute den Kondensator am drain des Kondensators direkt an den FET 
gelötet und nicht über So lange Leitungen verbunden. Die Schwingungen 
wurden dadurch um einiges kleiner.
Im neuen Layout sind die FET direkt am Treiber.

Bitte beachte auf dem Foto wurde viel rumgebastelt deswegen hängen die 
widerstände auch so schrecklich in der Luft.

Baue das ganze morgen nochmal frisch auf und vermute dass dadurch die 
überschwinger Verschwinden.

Habe auch nochmal das massekabel vom tastkopf heute verkürzt und die 
überschwinger wurden dadurch um einiges geringer.

War mit dem Endergebnis zufrieden und sollte mit dem neuen Layout 
behoben sein.

Werde mich sobald ich soweit bin nochmal melden :)

Klasse hab einiges dazu gelernt :)

[der schreckliche Sven (Gast)]

Hallo J.K.!
Gemessen an Deinen anfänglichen Verständnisproblemen finde ich Deinen 
Aufbau garnicht mal so übel. Abgesehen davon, alles etwas kompakter zu 
gestalten, (was Du ja selber bemerkt hast), habe ich noch einen Tip: 
Löte die Kondensatoren für Betriebsspannung und Bootstrap mit gaaanz 
kurzen Beinchen direkt an die entsprechenden Anschlusspins des LM5104. 
Das ist zwar ein Gefummel, aber besser gehts nicht mal in SMD. Ergänze 
die Betriebsspannungsentkopplung mit einem Tantal mit einigen µF.

Der LM5104 ist eine lahme Ente?
Wenn Du 10-20 "dicke" Mosfets parallel schalten willst, dann ja. Die 0,6 
µS gelten nämlich bei CL(ast)=100nF. Bei CL=1000pF sinds nur noch 15 nS. 
Datenblätter sind oft ziemlich zickig, und gestatten kein 
oberflächliches Lesen...

Und jetzt zum "Phantom", auch Masseschleife genannt:
Sowohl das Oszilloskop, als auch das Netzteil für 12V und/oder 24V sind 
über die Netzleitung miteinander verbunden. Selbst wenn das/die 
Netzteil(e) "erdfrei" sein sollten, spielt das bei 500kHz keine Rolle. 
Durch diese Masseschleife fließt nun ein hochfrequenter Wechselstrom, 
der selbst an den wenigen Zentimetern Massekabel zwischen Schaltung und 
Oszilloskop soviel Spannung erzeugt, daß es deutlich sichtbar wird. Eine 
Verkürzung des Massekabels brachte eine Verringerung dieser Spannung.
Wie könnte man diese Masseschleife eliminieren?
Einmal durch echte Differenzmessung.
Oder mit einem Ferrit-Ringkern. Nickel-Zink. So ein großer, 
unbeschichteter, wie man ihn oft in Computernetzteilen o.ä. findet. 
Bündele sämtliche Betriebsspannungskabel der Testschaltung zusammen, und 
wickle sie gemeinsam einige Male durch den Ringkern.
Ich wünsche Dir weiterhin viel Spaß beim Basteln.

[der schreckliche Sven (Gast)]

P.S.:
Sorry, daß ich mich nicht früher gemeldet habe.
Einmal habe ich leider nicht immer Zeit, und dann würde ich auch gerne 
anderen den Vortritt geben, aber deren Beiträge sind oft.....

Der Dreckige Dan schrieb:
> eine mittlere Katastrophe.

[J. K. (jklose)]

der schreckliche Sven schrieb:
> Gemessen an Deinen anfänglichen Verständnisproblemen finde ich Deinen
> Aufbau garnicht mal so übel.

Danke, mit meinem jetzigen bin ich zufriedener :)
Kann davon auch gerne nochmal ein Bild davon posten.

der schreckliche Sven schrieb:
> Ergänze
> die Betriebsspannungsentkopplung mit einem Tantal mit einigen µF.

Habe jetzt einen LOW ESR Elko noch direkt an die Betriebsspannung für 
die MOSFET gelötet und einen Tantal mit 100nF parallel zu dem Elko. Ich 
hatte vorerst vor einen Tantal mit einigen uF dran zu löten, habe aber 
keinen auf Lager gehabt der eine Spannungsfestigkeit von mindestens 24 
Volt hat.

der schreckliche Sven schrieb:
> Der LM5104 ist eine lahme Ente?
> Wenn Du 10-20 "dicke" Mosfets parallel schalten willst, dann ja. Die 0,6
> µS gelten nämlich bei CL(ast)=100nF. Bei CL=1000pF sinds nur noch 15 nS.
> Datenblätter sind oft ziemlich zickig, und gestatten kein
> oberflächliches Lesen...

Manchmal schon. Mein Problem war Anfangs, dass ich nicht alles im 
Datenblatt mir merken konnte und so ein paar Sachen übersehen habe, wie 
z.B. der Satz, dass der Kondensator weitaus größer gewählt werden sollte 
als man berechnet hat.

Daraus habe ich aber gelernt und werde mir in Zukunft alles was mir 
wichtig erscheint gleich markieren..

der schreckliche Sven schrieb:
> Einmal durch echte Differenzmessung.
> Oder mit einem Ferrit-Ringkern. Nickel-Zink. So ein großer,
> unbeschichteter, wie man ihn oft in Computernetzteilen o.ä. findet.
> Bündele sämtliche Betriebsspannungskabel der Testschaltung zusammen, und
> wickle sie gemeinsam einige Male durch den Ringkern.

Cool ! Danke, das werde ich nächste Woche doch gleich mal noch 
probieren.

Zu meinen Ergebnissen von gestern:

Die Schaltung habe ich gestern neu aufgelötet und gleich getestet.
Schwingungen auf der Versorgungsspannung sind nun nicht mehr zu sehen 
und am Ausgang nur noch ein paar. Wie "der schreckliche Sven" schon 
meinte, habe ich auch gestern vermutet, dass dies von meiner zu langen 
Tastkopfmasse und den fast bis zu 2 meter langen Versorgungsleitungen 
von meinem Netzteil kommt. Damals habe ich nicht mit so "hohen" 
Frequenzen gearbeitet und mit solchen Phänomenen mich nicht auseinander 
setzen müssen. Das war jetzt mal ganz nett die Phänomene die man sonst 
nur von der Theorie kennt auch mal in echt zu sehen :)


Danke für eure Hilfe :)
Nächste Woche werde ich noch ein paar Messungen machen und ein paar 
Kühlkörper für meine FET besorgen.