Hallo Leute, ich versuche gerade eine Schaltung zu entwickeln, bei der ich mit einem ATMega 32U4 an 3,3V einen N-Channel MosFET ansteuere um mit selbigem bis zu 50A zu schalten. UDS soll vorsichtshalber bis zu 75V aushalten. (Bei der hohen Spannung fließen natürlich keine 50A). Nun war ich bei Mouser auf der Suche und muss leider feststellen, dass alle MosFETs mit annehmbarem RDSon (bis 0,5 mOhm wären bei 50A 1,25W Verlustleistung - das fände ich ich gut), die mind. 75V Durchschlagspannung aushalten höhere Gate Spannungen benötigen. Also muss ein Treiber her. Richtig? Nun habe ich noch nie mit einem Treiber gearbeitet und kenne mich da gar nicht aus. Am einfachsten wäre ja ein Treiber mit integrierter Ladungspumpe oder anderem Aufwärtswandler. Gibt es so was? Ansonsten müsste ich die höhere Spannung anderweitig erzeugen und den MosFET dann über einen Transistor ansteuern. Richtig?
An welchen FET hast du denn gedacht? Dass FETs grundsätzlich per Spannung und nicht wie Bipots über Strom gesteuert werden, weißt du sicher.
Tim B. schrieb: > Am einfachsten wäre ja ein Treiber mit integrierter > Ladungspumpe oder anderem Aufwärtswandler. Nimm doch einfach nen Boost konverter für den treiber.
Höhere Spannung ist schon vorhanden. Oder was schaltet der PowerMOSFET?
Carsten schrieb: > An welchen FET hast du denn gedacht? Dass FETs grundsätzlich per > Spannung und nicht wie Bipots über Strom gesteuert werden, weißt du > sicher. Stimmt nicht. FET sind Ladungsgesteuerte Bauteile. Daher kann man FET nur durch einen Strom in das Gate einschalten. Und der kann recht groß sein. Nicht umsonst weden Gatetreiber nach Strom verkauft, nicht Spannung. Es gibt welche mit bis zu 40A: https://eu.mouser.com/datasheet/2/427/sic779-107147.pdf Was man hier tun kann: Einen Boost-Wandler auf 10V, und dann einen Gatetreiber benutzen.
jemand schrieb: > Daher kann man FET nur durch einen Strom in das Gate einschalten. Und > der kann recht groß sein. Nicht umsonst weden Gatetreiber nach Strom > verkauft, nicht Spannung. Das liest sich jetzt, als ob FET eine Stromverstärkung hätten. Natürlich ist das Gate eines FETs näherungsweise ein Kondensator. Es braucht keinen Strom, um den FET "EIN" oder "AUS" zu halten. Es braucht einen Strom, um ihn umzuschalten. Musste ich leider noch klarstellen.
Hey, vielen Dank für die zahlreichen Antworten. Tatsächlich habe ich in der Schaltung zwei Stromquellen. Die erste kommt von einem USB-Anschluss und wird dann per Spannungsregler auf 3,3V reduziert um den 32U4 und 9 Hallsensoren mit Strom zu versorgen. Die andere kommt von einem fetten 4S LiFePo4 Akku. Der Mosfet soll den Akku bei zu hoher Spannung vom Stromeingang trennen. Eigentlich wollte ich, aus verschiedenen Gründen, die Stromversorgung alleine über den USB Anschluss regeln. Aber Euren Ausführungen zu Folge wird beim Schalten von 8 Mosfets sicher auch der Strom knapp. Insofern ist es vielleicht wirklich nicht die schlechteste Idee, den Strom zum schalten der Mosfets aus dem Akku zu holen. Also schaltet der 32U4 ordinäre Transistoren die dann die Akkuspannung zu den Mosfets durchschalten. Dann brauche ich aber auch keine Treiber, oder sind das die Transistoren? Als Mosfet hätte ich jetzt mal den IPT012N08N5ATMA1 verwendet.
In diesem Fall sind die Transistoren die Treiber. Bedenke aber, dass du die Gates nicht nur schnell aufladen will, sondern auch schnell entladen. Sonst heizen sich die Transistoren beim Abschalten auf. Um welche Schaltfrequenz geht es denn? Reden wir von mehr als 1kHz? Wenn ja, dann ist dieses Thema wichtig.
Das wird ein Überspannungsschutz. Der soll nur einmal ausschalten, wenn die Spannung zu hoch wird und wieder einschalten wenn die Spannung wieder niedrig genug ist. Frequenz: 0,01 Hz :-)
Jetzt lässt mir das mit dem Schaltstrom keine Ruhe mehr. Fällt denn am Gate ein relevanter Strom an, während der Mosfet ein- bzw. ausschaltet? Und wenn ja, wie kann ich den berechnen? Wie gesagt: Der Mosfet wird hier nur als Schalter verwendet und muss nur mit mehreren Sekunden Abstand schalten können. Ich habe bisher nur mit Logic Level MOSFETs gearbeitet, die ich über einen Widerstand an die IO-Pins angeschlossen habe. Der Widerstand sollte den Strom, der zum Gate fließt ja eigentlich begrenzen. So wird der uC nicht überlastet aber der MOSFET schatet langsamer, wird also wärmer. Richtig?
Tim B. schrieb: > Fällt denn am > Gate ein relevanter Strom an, während der Mosfet ein- bzw. ausschaltet? Wie o.a., ist das Gate praktisch ein Kondensator, der geladen wird zum Einschalten und entladen wird zum Ausschalten. Beim Einschalten gibt es eine Rückwirkung aufs Gate (Millereffekt), die der Gatetreiber zügig überwinden sollte. Es fliesst also ein Lade- und Entladestrom. Tim B. schrieb: > Der Widerstand > sollte den Strom, der zum Gate fließt ja eigentlich begrenzen. So wird > der uC nicht überlastet aber der MOSFET schatet langsamer, wird also > wärmer. Du baust mit dem Gatewiderstand und der Gatekapazität einen RC-Tiefpass, der die Schaltflanken verrundet. Damit schaltet der MOSFet langsamer, richtig. Vor allem bei Hochstromanwendungen ist es also sinnvoll, das Gate zügig zu laden und zu entladen, damit der MOSFet nicht lange im linearen Bereich bleibt und anfängt, Wärme als Verlustleistung zu produzieren.
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Tim B. schrieb: > Fällt denn am Gate ein relevanter Strom an, während der Mosfet > ein- bzw. ausschaltet? Das Gate kannst du vereinfacht als 2 Kondensatoren betrachten und dann alle Rechen-Regeln für Kondensatoren anwenden.
1 | Drain o---||----+----||----o Source |
2 | | |
3 | o |
4 | Gate |
Wobei der rechte Kondensator eine viel größere Kapazität hat, als der linke. Wenn du die Kondensatoren ohne Strombegrenzung umlädst, fließt kurzzeitig ein unendlich hoher Strom. In der Praxis wird er durch Widerstände sowie Strombegrenzungen innerhalb der ansteuernden IC's begrenzt. Wenn du einen großen Widerstand vor das Gate packst (z.B. 1MΩ) fließt garantiert nur sehr wenig Strom. Aber dann dauert das auch. Ein typischer Wert für die Gate Kapazität ist z.B. 1nF. Die Ladezeit mit 1MΩ beträgt dann etwa:
1 | t = 5 x 1nF x 1MΩ = 5ms |
Innerhalb der 5ms durchläuft der Schaltvorgang eine Phase, wo der Strom, den der Transistor fließen lässt, allmählich ansteigt. Das bedeutet umgekehrt, dass zunächst die volle Lastspannung am Transistor abfällt und dann allmählich absinkt. Bei einer rein ohmschen Last fällt die meiste Wärme ab bei der Hälfte der Spannung und der Hälfte des Stromes ab. Bei 50V und 50A wären das 25V x 25A = 125 Watt Je länger diese Übergangsphase (von "aus" nach "an" und umgekehrt) dauert, umso mehr heizt sich der Transistor auf. Wenn du den Gate Widerstand durch 10Ω ersetzt und einen entsprechend starken Treiber verwendest, der 1A schafft, dauert diese Phase nur noch 50ns. Die 125W sind jedoch schon mehr, als die meisten MOSFET Transistoren vertragen - egal wie kurz dieser Moment ist. Da können 50ns schon zu viel sein. Dies wird im SOA Diagramm dargestellt. Du musst selbst bei idealer Kühlung darauf achten, unterhalb der SOA Grenze zu bleiben.
Matthias S. schrieb: > Tim B. schrieb: >> Fällt denn am >> Gate ein relevanter Strom an, während der Mosfet ein- bzw. ausschaltet? > > Wie o.a., ist das Gate praktisch ein Kondensator, der geladen wird zum > Einschalten und entladen wird zum Ausschalten. Beim Einschalten gibt es > eine Rückwirkung aufs Gate (Millereffekt), die der Gatetreiber zügig > überwinden sollte. > Es fliesst also ein Lade- und Entladestrom. Dieser Strom kann mehrere A betragen. Je kleiner der Strom ist, desto langsamer schaltet Dein Transistor und desto größer ist die Verlustleistung beim Schaltvorgang. > > Tim B. schrieb: >> Der Widerstand >> sollte den Strom, der zum Gate fließt ja eigentlich begrenzen. So wird >> der uC nicht überlastet aber der MOSFET schatet langsamer, wird also >> wärmer. > > Du baust mit dem Gatewiderstand und der Gatekapazität einen RC-Tiefpass, > der die Schaltflanken verrundet. Damit schaltet der MOSFet langsamer, > richtig. Vor allem bei Hochstromanwendungen ist es also sinnvoll, das > Gate zügig zu laden und zu entladen, damit der MOSFet nicht lange im > linearen Bereich bleibt und anfängt, Wärme als Verlustleistung zu > produzieren. So ist es. Deine GS-Spannung wird je nach Transistortyp 15...20 V betragen. Dazu gibt es viele Applikationsvorschläge zur Realisierung. Zum Beispiel hier: https://www.arrow.de/reference-designs/applications/power-drivers/mosfet-power-driver Aber noch etwas ist sehr wichtig, auch Deine Leiterplatte mit ihren Anschlüssen muss mit 50 A zurechtkommen. Denke deshalb schon mal über mehrlagige Leiterplatten mit jeweils 70µ Kupferlayer nach. Dazu passende Anschlusstechnik wird hier beschrieben: https://katalog.we-online.de/de/em/browse/redcube_terminals/redcube_thr
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Echt der Hammer, wie schnell hier die Antworten kommen. Leiterbahnen sind doppelseitig mit 70um geplant - ggf auch 140um. Als Klemmen hatte ich mir eigentlich die rausgesucht: https://www.phoenixcontact.com/online/portal/de/?uri=pxc-oc-itemdetail:pid=1845373&library=dede&pcck=P-11-01-05&tab=2&selectedCategory=ALL. Nun bin ich aber aus Kostengründen wieder bei Ringösen gelandet. Sollte doch auch gehen, oder? Weil mir das mit der Einschaltstrom der Mosfets jetzt doch zu heikel wird und ich mich (trotz Eurer Hilfe) nicht wirklich befähigt fühle hier irgendwas auszurechnen möchte ich lieber auf fertige Bausteine zurückgreifen. Daher kam mir jetzt die Idee den uC da ganz aus dem Spiel zu lassen und stattdessen einen LTC4368 plus 4 parallele IPT012N08N5ATMA1 zu verwenden. In der Simulation mit LTSPice funktioniert das sehr gut. Doch auch hier stellt sich mir wieder die Frage ob der LTC das schafft die 4 Mosfets gleichzeitig und schnell genug zu schalten. Außerdem könnte hier die fest eingestellte Hysterese von 0,25V dazu führt dass die Schaltfrequenz doch höher wird als ich eigentlich wollte, weil die Akkuspannung zu schnell abfällt. (Z.B. OVP schaltet bei 14,5V aus, Akkuspannung fällt auf 14,25V ab, OVP schaltet wieder ein etc.) Ich muss vielleicht auch noch etwas weiter ausholen: Die Geplante Schaltung beinhaltet insgesamt 8 Eingänge die alle jeweils über einen Hallsensor geleitet werden und dann einen Akku laden. An jedem Eingang kann der Strom kurzzeitig bis zu 40A betragen. Alle 8 Eingänge zusammen können bis zu 120A liefern. Im Normalbetrieb rechne ich mit ca. 50A Gesamtstrom. Alles andere ist worst-case. Der uC misst dann die Akkuspannung und die Ströme und gibt mir für alle Eingänge die Leistung aus. Der LTC soll nun die Spannung an der Stelle überwachen, an der alle Eingänge zusammenlaufen. Dort soll auch geschaltet werden, wenn die Spannung zu hoch wird. Ich kalkuliere dafür 4 Stück IPT012N08N5ATMA1. Die haben einen RDSon von 1,2mOhm - 4 parallel also 0,3mOhm. Bei 120A komme ich dann auf eine Verlustleistung von 4,32W verteilt auf alle 4 Mosfets. Habe ich da noch irgendwo einen Denkfehler oder sollte das so funktionieren? Ich hänge mal die Simulation an. Die erste ist UE und UA, die zweite ist UA und IGate
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