Class-D, Gatetreiber, Mosfet

Marco schrieb:
> ich bin am überlegen, einen diskreten (naja nicht ganz) Class-D amp zu
> bauen.
> Ich möchte zumindest den Modulator, die Gatetreiber und die
> Leistungsstufe selber machen.

Dazu sollte das Dreieck "über jeden Zweifel erhaben" sein. Gewußt?

> unsicher mit der Wahl des Gatetreibers und den Mosfets.
> In einigen Designs ... die IR21xx Serie
> 2A Source / Sink Current und on/off Zeit von ca. 100ns.

Du scheinst die (IR2110/)IR2113 zu meinen. Die Ein- und Ausschaltzeiten 
sind eine Frage von Gate-Widerstand und MOSFET.

> Wer hat denn schonmal ein diskretes Design gemacht und kann in etwa
> sagen, in welchem Bereich die Schaltflagen liegen sollten später?

Ist auch eine Frage der angepeilten Frequenz. Für einen FullRange- 
Verstärker sollte diese relativ hochliegen, für ausschl. Betrieb von 
Subwoofern kann sie sehr niedrig sein.

> Ich peile im Moment < 100 ns an damit ich später sehr schnell schalten
> kann.
>
> Jetzt habe ich nur noch das Problem der Mosfet-Wahl.
> Ich würde gerne SMD-Mosfets nehmen und am liebsten komplett ohne
> Kühlkörper auskommen (was prinzipiell ja möglich ist, wenn ich sehr sehr
> niederohmige Mosfets hätte).
> Allerdings haben extrem niederohmige Mosfets eine hohe Gate-Charge, was
> mir wiederrum Angst macht, dass ich die Schaltzeiten nicht erreiche.

So denkt jeder.

> Wie geht man bei so einem Design vor?

Suche doch mal nach 1 (oder n) Beispiel(en), das/die in einem ähnlichen 
(oder gar dem gleichen) Leistungs- und auch Impedanz-(der Speaker) 
Bereich arbeitet. Z.B. DIYAudio wäre eine Adresse zum suchen, oder 
Google mit diversen Tags gleichzeitig und/und-oder nacheinander 
anstrengen.

> Die Dead-Time zwischen Highside und Lowside Fet muss ja auch geregelt
> werden.

Zur THD-Optimierung.

> Ich habe gesehen, dass man das z.B. auch vor den Logikeingängen des
> Gatetreibers mit einem RC-Glied (verzögerung der steigenden Flanke) und
> dazu antiparallel eine Diode dann über dem R machen kann.

Na klar.

> Wie geht man generell so ein Design an, wenn man vorher nicht weiß, wie
> sich Mosfet, Gatetreiber und Dead-Time zueinander verhalten werden?
> Bzw. erster Startup des Prototypen und dann optimieren?

Zuallererst sollte viel recherchiert werden - sehr viel. (!) Außerdem 
kann man eventuell Teile des Konzeptes testweise separat "prototypen". 
Und noch viel mehr.

Als Anfänger, der einen Hochleistungs-Schaltverstärker bauen will, 
sollte man erst mal sein möglichstes tun, Wissen darüber anzuhäufen. 
Natürlich streng Projektbezogen, nicht "irgendwas".

Alternativ, oder besser noch zusätzlich, könntest Du auch die ganzen 
gewünschten techn. Daten mal konkret nennen, anstatt zu versuchen, 
allein dieses Problem (Threadtitel) anzugehen.

Zwar sollte man gerade daran dringend arbeiten (Du hast also wenig 
Ahnung von FETs und Treibern - wovon hast Du denn z.B. Ahnung, bzw. 
womit Erfahrung, etc.?), aber Du stehst auch anderweitig am Anfang - und 
jetzt sofort einen ("gewünscht" kurz vorm Erfolg) Prototyp zu beginnen, 
ist völlig illusorisch.

Al3ko -. schrieb:
> Oder du verwendest einen stärkeren Treiber, der 4A oder mehr kann.

Ja. Du tust allgemein wohl nicht schlecht daran, nicht an Bauteilen zu 
"sparen". Beispiel: Hast Du einen Treiber, der mehr kann, dann ist eine 
Modifikation zu kürzerer Schaltflanke einfach nur das Einsetzen 
kleinerer Gatewiderstände.

Aber auch anderweitig gilt: Teile, die auf Kante genäht funktionieren 
sollen, sorgen für ständiges "Wandeln am Abgrund" während der 
Entwicklung. Das kann man machen, wenn die Erfahrung da ist - jetzt 
vielleicht besser noch nicht.

Oder Du läßt Dir hier stärker / von Grund auf helfen - dann kann man auf 
Vorsichtsmaßnahmen dieser Art verzichten, weil Du direkte fundierte 
Ratschläge miteinbeziehen kannst.

Dazu aber müßtest Du das Maximum an Infos rausgeben. Über Dich und Dein 
Können und Equipment, über das Projekt (umfangreich bitte), Anwendung 
mit Umständen und Randbedingungen. Vieles davon zwar nur nach_Bedarf 
(Du mußt auch sicher keine Romane schreiben, nur Daten/Infos) - aber ich 
schreibe das, damit Du verstehst, wie "volle Kooperation" dann definiert 
ist.

Die wäre aber wirklich hilfreich in dem Fall.

VG

Macht doch nicht so viel Theater, nichts ist einfacher als ein diskreter 
D-Amp:
http://www.next.gr/digital/Practical-digital-amplifier-TL084-l60201.html

dc-pom schrieb:
> Marco schrieb:
>> ich bin am überlegen, einen diskreten (naja nicht ganz) Class-D amp zu
>> bauen.
>> Ich möchte zumindest den Modulator, die Gatetreiber und die
>> Leistungsstufe selber machen.
>
> Dazu sollte das Dreieck "über jeden Zweifel erhaben" sein. Gewußt?
>
>> unsicher mit der Wahl des Gatetreibers und den Mosfets.
>> In einigen Designs ... die IR21xx Serie
>> 2A Source / Sink Current und on/off Zeit von ca. 100ns.
>
> Du scheinst die (IR2110/)IR2113 zu meinen. Die Ein- und Ausschaltzeiten
> sind eine Frage von Gate-Widerstand und MOSFET.
>
>> Wer hat denn schonmal ein diskretes Design gemacht und kann in etwa
>> sagen, in welchem Bereich die Schaltflagen liegen sollten später?
>
> Ist auch eine Frage der angepeilten Frequenz. Für einen FullRange-
> Verstärker sollte diese relativ hochliegen, für ausschl. Betrieb von
> Subwoofern kann sie sehr niedrig sein.
>
>> Ich peile im Moment < 100 ns an damit ich später sehr schnell schalten
>> kann.
>>
>> Jetzt habe ich nur noch das Problem der Mosfet-Wahl.
>> Ich würde gerne SMD-Mosfets nehmen und am liebsten komplett ohne
>> Kühlkörper auskommen (was prinzipiell ja möglich ist, wenn ich sehr sehr
>> niederohmige Mosfets hätte).
>> Allerdings haben extrem niederohmige Mosfets eine hohe Gate-Charge, was
>> mir wiederrum Angst macht, dass ich die Schaltzeiten nicht erreiche.
>
> So denkt jeder.
>
>> Wie geht man bei so einem Design vor?
>
> Suche doch mal nach 1 (oder n) Beispiel(en), das/die in einem ähnlichen
> (oder gar dem gleichen) Leistungs- und auch Impedanz-(der Speaker)
> Bereich arbeitet. Z.B. DIYAudio wäre eine Adresse zum suchen, oder
> Google mit diversen Tags gleichzeitig und/und-oder nacheinander
> anstrengen.
>
>> Die Dead-Time zwischen Highside und Lowside Fet muss ja auch geregelt
>> werden.
>
> Zur THD-Optimierung.
>
>> Ich habe gesehen, dass man das z.B. auch vor den Logikeingängen des
>> Gatetreibers mit einem RC-Glied (verzögerung der steigenden Flanke) und
>> dazu antiparallel eine Diode dann über dem R machen kann.
>
> Na klar.
>
>> Wie geht man generell so ein Design an, wenn man vorher nicht weiß, wie
>> sich Mosfet, Gatetreiber und Dead-Time zueinander verhalten werden?
>> Bzw. erster Startup des Prototypen und dann optimieren?
>
> Zuallererst sollte viel recherchiert werden - sehr viel. (!) Außerdem
> kann man eventuell Teile des Konzeptes testweise separat "prototypen".
> Und noch viel mehr.
>
> Als Anfänger, der einen Hochleistungs-Schaltverstärker bauen will,
> sollte man erst mal sein möglichstes tun, Wissen darüber anzuhäufen.
> Natürlich streng Projektbezogen, nicht "irgendwas".
>
> Alternativ, oder besser noch zusätzlich, könntest Du auch die ganzen
> gewünschten techn. Daten mal konkret nennen, anstatt zu versuchen,
> allein dieses Problem (Threadtitel) anzugehen.
>
> Zwar sollte man gerade daran dringend arbeiten (Du hast also wenig
> Ahnung von FETs und Treibern - wovon hast Du denn z.B. Ahnung, bzw.
> womit Erfahrung, etc.?), aber Du stehst auch anderweitig am Anfang - und
> jetzt sofort einen ("gewünscht" kurz vorm Erfolg) Prototyp zu beginnen,
> ist völlig illusorisch.
>
> Al3ko -. schrieb:
>> Oder du verwendest einen stärkeren Treiber, der 4A oder mehr kann.
>
> Ja. Du tust allgemein wohl nicht schlecht daran, nicht an Bauteilen zu
> "sparen". Beispiel: Hast Du einen Treiber, der mehr kann, dann ist eine
> Modifikation zu kürzerer Schaltflanke einfach nur das Einsetzen
> kleinerer Gatewiderstände.
>
> Aber auch anderweitig gilt: Teile, die auf Kante genäht funktionieren
> sollen, sorgen für ständiges "Wandeln am Abgrund" während der
> Entwicklung. Das kann man machen, wenn die Erfahrung da ist - jetzt
> vielleicht besser noch nicht.
>
> Oder Du läßt Dir hier stärker / von Grund auf helfen - dann kann man auf
> Vorsichtsmaßnahmen dieser Art verzichten, weil Du direkte fundierte
> Ratschläge miteinbeziehen kannst.
>
> Dazu aber müßtest Du das Maximum an Infos rausgeben. Über Dich und Dein
> Können und Equipment, über das Projekt (umfangreich bitte), Anwendung
> mit Umständen und Randbedingungen. Vieles davon zwar nur nach_Bedarf
> (Du mußt auch sicher keine Romane schreiben, nur Daten/Infos) - aber ich
> schreibe das, damit Du verstehst, wie "volle Kooperation" dann definiert
> ist.
>
> Die wäre aber wirklich hilfreich in dem Fall.
>
> VG

Hallo DC-POM,


danke für deine lange Antwort.

Sagen wir es mal so - mir geht es in erster Linie um den Lerneffekt und 
möchte - in erster Instanz einfach die Leistungsstufe erstmal korrekt 
designen, eine Testplatine der Brückenschaltung machen, mit 
Funktionsgenerator mal austesten, thermische Tests machen etc..

Mir gehts hier in dem Thread nur mal darum, eine erste sinnvolle Auswahl 
an Bauteilen zu bekommen.


Als Anforderung habe ich mir folgendes gesetzt:

-Vollbrückendesign (wegen Single-Supply)
-Komplette Vollbrücke mit einem einzigen PWM-Signal (kann man aber mit 
zwei XOR-Gates regeln), habe ich schon ausprobiert
-Erstmal will ich es mit niedrigen Spannungen testen (ca 12-24V) -> 
Würde mein Design aber von Anfang mal bis zumindest 100V Spannungsfest 
haben
-Niedrigste Impedanz des Lautsprechers der dran soll ca. 2 Ohm. Macht 
also bei 100V ca 50A Peak-Strom
-Möglichst niederohmige Mosfets (damit Kühlung möglichst wegfällt - oder 
Kühlung über PCB)
-Schaltfrequenz würde ich mich erstmal mit 200 kHz glücklich geben wenn 
ich das erreiche. Mehr wäre natürlich super.
-Ich möchte aber bei 200/300 kHz noch einen sinnvoll nutzbaren 
DutyCycle-Bereich von 5%-95% mindestens haben. Mir ist beim probieren 
von Testschaltungen mit Signalgenerator aufgefallen, dass wenn man 
manche Gatetreiber sehr schnell taktet, auf einmal gar kein Schalten 
mehr zu sehen ist, wenn man nicht eine Mindestzeit X z.B. die High-Phase 
hat.
-Passender LC filter der die Ströme kann und ab ca 25 kHz filtert.

Wie gesagt: Am Anfang will ich erstmal mit Signalgenerator, 
Labornetzteil und Lastwiderständen testen.
Next step wäre dann der Modulator - bin mir hier aber noch nicht sicher, 
ob ich es analog machen will oder in einem FPGA

Auch bräuchte ich Infos, was zu einer gut gemachten Brücke dazu gehört 
bei so hohen Frequenzen (z.B. Drain-Source Snubber? wie dimensioniere 
ich diesen? )
Gate-Drain Cap? Ja? Nein?

Gibt es vlt. eine gute Fachliteratur wo so etwas mal praxisnah 
beschrieben ist worauf man überall zu achten hat?

Auch bräuchte ich Gedankenanstöße, wie ich z.B. eine 
Overcurrent-Protection realisiere? Shunt und Current-Sense Amplifier und 
dann mit Komparator ein Shutdown latchen? etc?

Habe hier sogar einen Gate-Treiber gefunden, der mir noch passender 
erscheint wie die IR2110/IR2113 Treiber
http://www.ti.com/product/ucc27714

Vor allem wäre ich über einen sinnvollen Vorschlag für einen passenden 
Mosfet dankbar, der in Verbindung mit oben genanntem Gatetreiber eben 
die angepeilte Switching-Frequenz bzw. die angepeilte rise/fall time 
packt.

Ich würde sowas rückwärts angehen. Zuerst
legst du fest, was du für eine Eingangsspannung und
was für eine Ausgangsleistung haben willst. Dadurch
ergibt sich schonmal Lautsprecherimpedanz und auch
der maximale Strom durch die MOSFETs.

Der Ausgangsfilter ist sehr wichtig. Normaler LC-Filter
der bei 20kHz (oder 16kHz) abschneidet. Beeinflusst
stark welche Schaltfrequenz du brauchst (Faktor 5-10
über Audiofrequenz).

Mit der Schaltfrequenz und dem Strom bewaffnet kannst
du dich an die Auswahl von MOSFETs machen. Je nach
Kühlung kannst du eine gewisse Menge an Leistung
wegschaffen. Da du ohne Kühlkörper und mit SMD MOSFETs
arbeiten willst würde ich maximal 1-2W anpeilen.

Als erste Abschätzung kannst du die Leistung 50:50
auf die Schaltverluste und die Leitendverluste
verteilen. Damit bekommst du nun deinen maximalen
R_ds_on und deine Ausgangskapazität heraus.

Damit kannst du deinen MOSFET suchen. Will man eine
hohe Effizienz können die gerne auch mal teurer werden.

Hast du die Ausgangsstufe designed, kannst du dir Treiber
raussuchen. Die IRxxxx serie wurde angesprochen, ich
bin ein Fan von den NCP5181 Treibern.

Allzu große Sorgen wegen der Schaltflanke würde ich mir
nicht machen. Angenommen du schaltest mit 200kHz, sind
das 5µS Periode. Alle 2.5µS also ca eine Flanke. wenn die
Flanke 100nS dauert sind das ca 4% deiner verfügbaren
Zeit. Ist für diese Anwendung in Ordnung. Da gibts nämlich
ein Trick: Nimmst du analoges Feedback vom Ausgang, werden
diese Schaltflanken auch berücksichtigt, was die Verzerrung
reduziert. Aus dem Grund würde ich auch einen Analogen
Modulator empfehlen.

Im Anhang siehst du einen "diskreten" Class-D Verstärker
den ich vor einiger Zeit mal gebaut habe. Den Schaltplan
hab ich aktuell nicht vorliegen, wenn du Interesse hast
kann ich den aber mal wieder rauskramen.

Grober Überblick:
Eingangsspannung: 100V max
MOSFETs: IRFB4020 (200V, 80mOhm, 91pF C_out, 18nC Q_gate)
Treiber: NCP5181
Diode: RF601B2D

Schaltflanken hab ich leider nicht mehr im Kopf, müsste
ich nochmal ausmessen. Sollte aber nicht langsamer sein
als 100nS.

Marco schrieb:
> Die Dead-Time zwischen Highside und Lowside Fet muss ja auch geregelt
> werden.

Da gibt es mehrere Methoden. Was ich gemacht habe ist
ein kleines NOR-Gatter (zu sehen direkt vor den Gatetreibern).
Dieses ist so verschaltet:
http://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+1+1e-10+10.20027730826997+50+5+50%0A153+224+176+336+176+0+2+0+5%0Ar+128+192+208+192+0+100%0Ac+224+208+224+272+0+1e-9+4.585539463005166%0Ag+224+272+224+288+0%0Aw+208+192+224+192+0%0Aw+224+192+224+208+0%0Aw+224+160+128+160+0%0Aw+128+160+128+192+0%0Aw+384+160+384+192+0%0Aw+480+160+384+160+0%0Aw+480+192+480+208+0%0Aw+464+192+480+192+0%0Ag+480+272+480+288+0%0Ac+480+208+480+272+0+1e-9+0.41487520486559204%0Ar+384+192+464+192+0+100%0A153+480+176+592+176+0+2+5+5%0A153+224+80+336+80+0+2+0+5%0Aw+336+80+384+80+0%0Aw+384+80+384+160+0%0Aw+128+160+128+96+0%0Aw+128+96+224+96+0%0Aw+224+96+224+64+0%0AO+592+176+592+224+0%0AO+336+176+336+224+0%0AR+128+160+80+160+1+2+1000000+2.5+2.5+0+0.5%0Ao+23+64+0+4098+5+0.1+0+1%0Ao+22+64+0+4098+5+0.1+0+1%0A

Die Idee ist die fallende Flanke normal durchzulassen,
aber die steigende Flanke zu verzögern. Dadurch kannst
du einfach mit einem PWM-Signal reingehen, was die Entstufe
aus Sicht des Modulators zu einer einfachen Blackbox werden
lässt. Durch verschiedene Widerstände kannst du dann deine
Deadtime einstellen.

Marco schrieb:
> Ich habe gesehen, dass man das z.B. auch vor den Logikeingängen des
> Gatetreibers mit einem RC-Glied (verzögerung der steigenden Flanke) und
> dazu antiparallel eine Diode dann über dem R machen kann.

Kann man auch machen. Der Vorteil des Logikgatters ist, dass
das Signal wieder zu einem Rechteck wird bevor es in den
Treiberchip geht. Dadurch kannst du die Verzögerung genau
ausmessen und anpassen. Nimmst du ein RC-Glied bist du auf
die internen Schaltschwellen des Treibers angewiesen.

Marco schrieb:
> -Komplette Vollbrücke mit einem einzigen PWM-Signal (kann man aber mit
> zwei XOR-Gates regeln), habe ich schon ausprobiert

Hm. XOR Ansteuerung. Wenn du beide Halbbrücken invertiert
ansteuerst verschenkst du einen massiven Vorteil. Invertierst
du nur die PWM bekommst du solche Signale:
https://www.maximintegrated.com/en/images/appnotes/3878/3878Fig01.gif

Invertierst du aber das analoge Eingangssignal und gibst
dem zweiten Pfad einen eigenen Modulator bekommst du sowas:
https://www.maximintegrated.com/en/images/appnotes/3878/3878Fig02.gif

Vorteil: Die Differenz der Signale ist viel kleiner, und der
Filter hat weniger zu filtern.
(Bildquelle: 
https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/3878 )

Marco schrieb:
> -Erstmal will ich es mit niedrigen Spannungen testen (ca 12-24V) ->
> Würde mein Design aber von Anfang mal bis zumindest 100V Spannungsfest
> haben

Exakt das war auch mein Ansatz damals :)

Marco schrieb:
> -Niedrigste Impedanz des Lautsprechers der dran soll ca. 2 Ohm. Macht
> also bei 100V ca 50A Peak-Strom

50A peak (35Arms) ohne Kühlkörper? Das wird schwer.

Marco schrieb:
> Next step wäre dann der Modulator - bin mir hier aber noch nicht sicher,
> ob ich es analog machen will oder in einem FPGA

FPGA ist hier Overkill und auch der falsche Ansatz.
Besser wäre ein guter DSP. Trotzdem würde ich dir
analog empfehlen, da du so ein Feedback von der
Ausgangsstufe nehmen kannst. Das selbe Feedback
digital zu nehmen würde heißen die Schaltflanke von
<100nS mit einem ADC mehrmals zu Samplen. Größenordnung
30MSamps/sec. Analog ist das "nur" ein Opamp.

An dieser Stelle möchte ich dir auch den Delta-Sigma-
Modulator empfehlen. Oszilliert von selber, nimmt Feedback
vom Ausgang, einfacher Aufbau. In meinem Design nutze
ich einen solchen Delta Sigma Modulator erster Ordnung.
Nachträglicher Hinweis: Baut man diese erster Ordnung
fangen diese gerne mit "limit cyclen" an. Bei Stille
kann dann spontan ein nerviger Piepton auftreten. Kann
man aber durch höhere Ordnungen oder Dithering vermeiden.

Marco schrieb:
> Drain-Source Snubber? wie dimensioniere
> ich diesen?

Nein. Kapazitäten sind dein Feind an der Drain Source Strecke.
Du nimmst die Kapazität die der MOSFET eh schon hat und
stellst durch die Schaltflanken alles ein. Zuviel Ringing?
Langsamer schalten. So schnell wie nötig, so langsam wie
möglich.

Marco schrieb:
> Gate-Drain Cap? Ja? Nein?

Nein. Gatevorwiderstand ist da zum einstellen besser.

Marco schrieb:
> Habe hier sogar einen Gate-Treiber gefunden, der mir noch passender
> erscheint wie die IR2110/IR2113 Treiber
> http://www.ti.com/product/ucc27714

Kann man testen. Von der UCC Reihe gibts auch welche die
9A (!) können. Irgentwann haben die MOSFETs aber einen zu
hohen internen Gatewiderstand um davon profitieren zu können.

Teste erstmal mit den normalen Treibern. Solche Hochstromwunder
kann man nehmen wenn man dann mehrere MOSFETs parallel schaltet :)