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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Problem: Anlasser-Schaltung 4 MOSFETs parallel


Autor: John (Gast)
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Hallo,

ich hab ein kleine Problem mit einer Schaltung. Konkret geht es um eine 
Leiterplatte die ein kfz-Relais ersetzen soll.
Daran hängt ein Motorrad-Anlasser, sprich Peakstrom sollte kurzzeitig 
irgendwo bei 120-150A liegen. Die Versogungsspannung beträgt max. 16,8V 
(4S - LiPo-Akku).

Beim Testen der Platine ist mir der äußere/erste MOS-FET abgeraucht.
Ich bin bisher noch nicht ganz schlau daraus geworden.

MOS-FET IPD50P04P4L-11

Hat jemand hier eine Idee dazu?

Grüße und Danke im vorraus.
John

Autor: MaWin (Gast)
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John schrieb:
> Hat jemand hier eine Idee dazu

Den Peakstrom dürftest du masslos unterschätzen, beim Reihenschlussmotor 
liegt er deutlich drüber. Es ist dein Anlaufstrom der zwar nur 
kurzzeitig auftritt, aber Transistoren sind schnell, schnell kaputt.

10k vor drm Gaze führen auch den MOSFET Treiber ad absurdum, und bei 
parallelen MOSFETs bekommt bitte jeder seinen Gate-Widerstand, damit 
nicht der eine auf seinem Miller-Plateau den anderen die ganze 
Umladezeit halbdurchgeschaltet hält.

http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-941.pdf

aus

http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.23

Autor: MaWin (Gast)
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Aprops: 40V MOSFETs sind bei dem Funkenfeuer eines Motors am Bordnetz 
auch ein bischen knapp, du blockst ja nichtmal ab, und ein 
MOSFET-Treiber ohne Überspannungsschutz mit den 16.4V zu betreiben der 
nur 20V aushält ist auch abenteuerlich.
Immerhin enthält dein Treiber keinen internen Spannungsregler und kein 
UVLO ab 4.5V, das könnte nämlich auch lustige Dreckeffekte geben.
Insgesamt ist eine Elektronik ohne Überstromschutz und ohne 
Überspannungsschutz am Bordnetz nicht tauglich.
Nimm einen BTS555.

Autor: Relais (Gast)
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BTS555 ist zwar abgekündigt aber hätte ich hier auch verwendet. Wenn er 
noch irgendwo zu haben ist.

Autor: Jürgen W. (Firma: MED-EL GmbH) (wissenwasserj)
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Du brauchst MOSFETs wie
IPT004N03LATMA1
FDMT80040DC
SIRA20DP-T1-RE3
IRL7472L1TRPBF
CSD16570Q5BT
CSD16570Q5B
AUIRF8739L2TR
SIRA80DP-T1-RE3
SIDR392DP-T1-GE3

Jeder davon hat <0,6mOhm und bei z.B. 200A wären 4 Stück parallel mit 
ca. 6W je Stück - das wäre was Sinnvolles.

Aber: Bei der PCB mußt Du auch was mit 100um Kupferdicke oder sogar mehr 
verwenden - sogar bei 40mm Breite und nur 20mm Länge sind das fast 
100µOhm - wird auch warm.

Autor: Dieter (Gast)
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MaWin hat die Ursachen bereits beschrieben.

Jeder MOS bekommt seinen eigenen Gatevorwiderstand, nicht mehr als 100 
Öhmchen.

Wenn der Motor läuft, wirkt der Anlasser als Generator und speist über 
MOS zurück. Der heißeste MOS gewinnt hier den meisten Strom, wenn es 
dumm zugehen sollte.

Autor: Jens G. (jensig)
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>Beim Testen der Platine ist mir der äußere/erste MOS-FET abgeraucht.
>Ich bin bisher noch nicht ganz schlau daraus geworden.

Induktionsspannungen - da fehlt die Freilaufdiode, da sonst die Mosfets 
den Rückschlag verarbeiten müssten, und das evtl. nicht verkraften, wenn 
deren Avalanchevermögen schlecht ist.

Wie soll überhaupt die Schaltung funktionieren? Ist ja gar keine Masse 
vorhanden. Und wenn Du Starter_signal auf Masse ziehen solltest, dann 
hat die Schaltung zwar Masse, aber wegen L am Eingang wird H am Ausgang 
(wenn das Symbol für den Treiber richtig ist), und damit werden die 
P-Kanal-Mosfets gar nicht angesteuert (vielleicht ein kurzer Peak im 
Übergangsbereich)

Autor: John (Gast)
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Danke für die Antworten!

Bei den MOSFETs habe ich mich geirrt, es handelt sich um IPD90P04P4.
Sehe ich das richtig, dass die Leiterbahn zu den Gates und die fehlenden 
einzelnen Widerstände das größte Problem sind?

Also vor jedes Gate einen 100ohm Vorwiderstand setzten.
Wie würdet ihr die Widerstände und Leiterbahnen zu den Gates dann 
anordnen?


@Dieter: Der Motor besitzt einen Freilauf, sprich der Analsser wirkt 
nicht als Generator und speist etwas zurück.

Autor: Jens G. (jensig)
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>@Dieter: Der Motor besitzt einen Freilauf, sprich der Analsser wirkt
>nicht als Generator und speist etwas zurück.

Doch, wenn er austrudelt, wirkt er kurz als Generator.

Autor: Thomas S. (thschl)
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ist bestimmt für ne HD sonst braucht man sowas nicht

Autor: Jetzt ist G. (hacky)
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Leiterbahnen ? Wir sollten ueber Kabel von 4 Quadrat aufwaerts 
sprechen... Und die FET auf einen Kuehlklotz

Autor: Karlfred (Gast)
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Da gibt es extra Fets für, also für KFZ.die können max 20V oder sowas 
und 175A und sind LowLevel.
Der Strom reicht für ein Motorradanlasser dicke..

Autor: Karlfred (Gast)
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und wie gesagt..Freilaufdiode fehlt

Autor: Stephan (Gast)
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Jens G. schrieb:
> Wie soll überhaupt die Schaltung funktionieren? Ist ja gar keine Masse
> vorhanden.

Das ist Problem #1.
Vdd und GND des Treibers haben gefälligst immer an +12V und Masse zu 
hängen. Außerdem müssen Abblockkondensatoren ran.

Das Steuersignal als Stromversorgung für den Treiber zu verwenden ist so 
ziemlich das dümmste (sorry), das ich gesehen hab:
Dann kannste den Treiber ja auch ganz weglassen. Der komplette 
Treiberstrom muss bei dir vom Steuereingang kommen. Der zusätzliche 
Treiber kann es nur schlechter machen, niemals besser.

Mal abgesehen davon, dass es durch die Invertierung idealerweise gar 
keine Funktion geben dürfte. (entweder hat der Treiber keine 
Stromversorgung und kann nichts machen oder er hat Strom und der Eingang 
ist Low, also ist OUT- HIGH und die MOSFETS werden auch nicht 
angesteuert)


John schrieb:
> Sehe ich das richtig, dass die Leiterbahn zu den Gates und die fehlenden
> einzelnen Widerstände das größte Problem sind?

Das ist Problem #1b.
auf jeden Fall die 10k nach dem Treiber weg.
10-100 Ohm in die Gate-Zuleitung jedes FET.

Autor: John (Gast)
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Stephan schrieb:
> Jens G. schrieb:
>> Wie soll überhaupt die Schaltung funktionieren? Ist ja gar keine Masse
>> vorhanden.
>
> Das ist Problem #1.
> Vdd und GND des Treibers haben gefälligst immer an +12V und Masse zu
> hängen. Außerdem müssen Abblockkondensatoren ran.
>
> Das Steuersignal als Stromversorgung für den Treiber zu verwenden ist so
> ziemlich das dümmste (sorry), das ich gesehen hab:
> Dann kannste den Treiber ja auch ganz weglassen. Der komplette
> Treiberstrom muss bei dir vom Steuereingang kommen. Der zusätzliche
> Treiber kann es nur schlechter machen, niemals besser.
>
> Mal abgesehen davon, dass es durch die Invertierung idealerweise gar
> keine Funktion geben dürfte. (entweder hat der Treiber keine
> Stromversorgung und kann nichts machen oder er hat Strom und der Eingang
> ist Low, also ist OUT- HIGH und die MOSFETS werden auch nicht
> angesteuert)

Das Eingangs-Startersignal hängt über einen Taster an Masse.
Die Masse vom Treiber ist separat angeschlossen.

Die Schaltung stammt nicht von mir, ich versuche das Ganze gerade nur zu 
verstehen.

Autor: jz23 (Gast)
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Wieso 100 Ohm? Da kann man den Treiber auch gleich weglassen... Der 
Treiber ist ohnehin nicht gerade der stärkste (500mA), da würde ich im 
Normalfall auf Widerstände verzichten. Da du aber mehrere MOSFETen 
parallel hast, sind ein paar kleine Widerstände (10-20Ohm) ganz ok. 
Besser wäre hier allerdings ein Treiber, der auch ein bisschen mehr 
packt.

J1 ist allerdings mit Ground kurzgeschlossen, das ist natürlich grober 
Unfug. Die Leiterbahn zu den Gates kannst du deutlich kürzer machen (Bei 
den 10k ist das allerdings ziemlich egal gewesen) und Freilaufdioden 
wurden ja bereits erwähnt. Dazu kommt noch, dass die thermischen 
Abführungen an den Pads von den MOSFETen grober Unfug sind, wenn du hier 
dreistellige Ampere schalten willst (Und am Drain verhindern sie noch 
zuverlässig die Kühlung).

Eine 100µm-Kupferauflage ist allerdings auch überdimensioniert, da ja 
hier beide Lagen benutzt werden (Zumindest sind ja DuKos vorhanden), 
komme ich auf 25K Temperaturerhöhung laut KiCAD.

Autor: Karlfred (Gast)
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die 100Ohm sollen nur den heftigen Anstieg des FETs vermdeiden..und 
damit verbundene Störungen..100Ohm ist ein gängiger Wert dafür

Autor: Stephan (Gast)
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John schrieb:
> Das Eingangs-Startersignal hängt über einen Taster an Masse.
> Die Masse vom Treiber ist separat angeschlossen.

sieht in Schaltplan und Layout aber nicht so aus.

Autor: Sven S. (schrecklicher_sven)
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Beim Parallelschalten von Mosfets sind Widerstände vor jedem Gate 
Pflicht. Nur so kann man ein gleichzeitiges Abschalten der Mosfets 
erzwingen. Sonst gilt: Den letzten beißen die Hunde.

Autor: Dieter (Gast)
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Der MCP14.. arbeitet nur als Invertierer. Damit dieser die MOSFETs 
schnell schalten kann (ggf. regt zu schnelles schalten parasitäre L' & 
C' des Motors an) und auch wieder sperren darf der Gatewiderstand nicht 
zu groß werden, sondern muss klein sein. Bei den hohen Stromstärken ist 
es wegen der Verlustleistungen sehr wichtig, dass die 
Schaltflankenzeiten klein gehalten werden, da hier sich der MOSFET im 
Bereich der Widerstandskennlinie befindet und besonders hohe 
Verlustleistungsspitzen hat.

Bei 50A und Spannungsabfall von 3V wäre das ein Peak von 150W. Der Peak 
darf nur so gross sein, dass sich der Chipbereich im inneren nicht über 
250° bewegt. Bei ungefähr 1 J/gK und einem Dichte von 2g/cm^2 und 
Volumen 3*3*0,2mm kann man schön die Zeit ausrechnen in us oder ns, bei 
der sich der Chip eines LeistungsMOSFET verabschiedet.

Bei einer Parallelschaltung, wie auf Deiner Platine kommt zusätzlich zu 
dem Effekt den MaWin schon erwähnte, weshalb jeder Gate seinen eigenen 
Vorwiderstand bekommt, der Hall-Effekt durch den eigenen Strom dessen 
Magnetfelder rückwirken und zu ungleichen Verteilungen führen kann.

Und die Schaltung ist übrigens für Motorräder, die noch nicht so einen 
unmöglichen Starterstrom, wie heutige benötigen, gebaut. Bei alten 
Modellen, konnte man sich beim Start noch wenigstens auf den kurzen 
induktiven exponentielen Anstieg des Starterstromes verlassen. Heute 
wird dabei noch ein Teil der Elektrik (die elektrische Zündung, und noch 
ein kleiner BLDC Motörchen mit eingeschaltet, dessen Kondensatoren noch 
einen Anfangsstrompeak verursachen (die 10k im Gate sind dann fast schon 
lethal). Und in diesem Fall, darfst Du für die Datenangaben des Teils 
für die höchsten Stromspitzenwerte, diese gleich mal durch zwei teilen.

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