Gate Treiber 24V (für statische + PWM H-Brücke)

[Philipp L. (viech)]

Hallo zusammen,

in meinem anderen Thread ging es um die Versorgung/Regelung eines 
Peltiers:
Beitrag "Peltier Regelung PWM-Glättung"

Aktuell bereitet mir die Ansteuerung der H-Brücken "H-Side" noch 
Kopfzerbrechen...
Ich möchte 12V/10A mit einen N-FET schalten (sowohl PWM als auch 
statisch).

Dazu würde ich 24V für die benötigte Gate-Spannung mit einem DC/DC 
Wandler erzeugen.

Ich habe hier im Forum schon von einigen Treibern gelesen, die aber nur 
bis 18V Versorgung gehen.
Zum Test habe ich einen IRF2804 da, bei welchem sich der RDS(on) von 
2mOhm auf einen VGS=10V bezieht.
Ich find es etwas verwirrend, warum die "VGS/IDS (RDSon)" Tabelle im DB 
nur bis 8V geht, da doch ein max. von 20V angegeben ist...

Da dieser RDSon bei kleineren VGS laut DB drastisch steigt, möchte ich 
möglichst mit 24V arbeiten um ~12V VGS zu erreichen.

Kennt jemand einen "kräftigen" Gate-Treiber, der einen 5V Logikeingang 
besitzt und damit die 0V/24V durchschaltet (Kein Bootstrap, da auch 
statische Anwendung benötigt) ?

Ich würde dazu gern fertige Treiber verwenden und dies nicht diskret 
aufbauen.

Meine Suche bei Mouser und Digikey verlaufen nicht sonderlich 
zufriedenstellend.
Habe mehr oder weniger nur diesen gefunden:
https://www.mouser.de/datasheet/2/240/IXD_609-1546213.pdf

Vielen Dank für eure Hilfe !!

[Falk B. (falk)]

Philipp L. schrieb:

> Beitrag "Peltier Regelung PWM-Glättung"

Hmm.

> Aktuell bereitet mir die Ansteuerung der H-Brücken "H-Side" noch
> Kopfzerbrechen...
> Ich möchte 12V/10A mit einen N-FET schalten (sowohl PWM als auch
> statisch).
>
> Dazu würde ich 24V für die benötigte Gate-Spannung mit einem DC/DC
> Wandler erzeugen.

Braucht man so nicht.

> Ich habe hier im Forum schon von einigen Treibern gelesen, die aber nur
> bis 18V Versorgung gehen.

Eben. Und die reichen. Allerdings sind die nur als Low Side Treiber 
einsetzbar. Mit der passenden Schaltung reicht das auch, denn dein 
Peltierelement muss nicht zwingend an Masse geklemmt werden.

> Zum Test habe ich einen IRF2804 da, bei welchem sich der RDS(on) von
> 2mOhm auf einen VGS=10V bezieht.

Jajaja, immer der selber Schwachsinn! Wenn es einen 10 uOhm MOSFET geben 
würde, würden den auch alle Bastler und Möchtegern-MOSFET-Schalter 
nutzen.

> Ich find es etwas verwirrend, warum die "VGS/IDS (RDSon)" Tabelle im DB
> nur bis 8V geht, da doch ein max. von 20V angegeben ist...

Weil das praktisch ausreicht. Die 20V hält er zwar gerade so aus, real 
nutzt man die aber nicht.

> Da dieser RDSon bei kleineren VGS laut DB drastisch steigt, möchte ich
> möglichst mit 24V arbeiten um ~12V VGS zu erreichen.

Unsinn.

> Kennt jemand einen "kräftigen" Gate-Treiber, der einen 5V Logikeingang
> besitzt und damit die 0V/24V durchschaltet (Kein Bootstrap, da auch
> statische Anwendung benötigt) ?

Auch Unsinn, denn es gibt Ladungspumpen. Denn gerade für den statischen 
Betrieb braucht man nur wenige uA.

> Ich würde dazu gern fertige Treiber verwenden und dies nicht diskret
> aufbauen.
>
> Meine Suche bei Mouser und Digikey verlaufen nicht sonderlich
> zufriedenstellend.

Was logisch ist, wenn man nicht weiß was man braucht und wonach man 
suchen muss.

Nimm einen einfachen Low Side Treiber ala ICL7660 und pack deinen 
LC-Filter + Freilausdiode + Peltier an den Drain. Das macht vieles 
einfacher.

[Philipp L. (viech)]

> Nimm einen einfachen Low Side Treiber ala ICL7660 und pack deinen
> LC-Filter + Freilausdiode + Peltier an den Drain. Das macht vieles
> einfacher.

ich möchte das in diesem Fall aber als H-brücke realisieren und bitte 
keine Alternativen Vorschläge in diesem Thread behandeln.

Die Gründe (auch schon in verlinktem Thread diskutiert):
1: Lerneffekt

2: Für ein anderes Projekt möchte ich ein sauberes (steile Flanken) 
DCC-Signal erzeugen, welches mit 5-10A belastet werden kann. Weiterhin 
muss sich dieses DCC-Signal in eine Dauerversorgung umschalten lassen.
Dazu würde sich doch eine H-Brücke gut eignen.
Daher erste Erfahrungen in diesem Projekt.


> Nimm einen einfachen Low Side Treiber ala ICL7660 und pack deinen
> LC-Filter + Freilausdiode + Peltier an den Drain. Das macht vieles
> einfacher.

Und was ist mit Umschalten zwischen Heizen/Kühlen?


>> Da dieser RDSon bei kleineren VGS laut DB drastisch steigt, möchte ich
>> möglichst mit 24V arbeiten um ~12V VGS zu erreichen.
> Unsinn.

Okay, evtl. deute ich das falsch
DB Fig.3 (VDS=10V):
VGS=8V -> IDS=600A / Müsste doch einen RDSon=16mOhm ergeben ?
VGS=6V -> IDS=200A / Müsste doch einen RDSon=50mOhm ergeben ?
Oder wie ist das zu lesen?

Wenn ich mit dem FET 10A schalte:
Ergeben sich bei 2mohm = 0,2W Verlustleistung
Ergeben sich bei z.B. 10mohm = 1W Verlustleistung
Warum sind die Betrachtungen mit einem möglichst geringen RDSon denn:
> Jajaja, immer der selber Schwachsinn!


Die Alternativen sind sicher gut gemeint und anders evtl. sinnvoller.
Aber eine H-Brücke für PWM + statisch kann doch auch kein Hexenwerk sein 
?!?

Über Antworten welche weiterhelfen dies zu realisieren bin ich sehr 
dankbar !!

[Falk B. (falk)]

Philipp L. schrieb:

> ich möchte das in diesem Fall aber als H-brücke realisieren und bitte

Dann nimm eine fertige H-Brücke.

H-Brücken Übersicht

>> Nimm einen einfachen Low Side Treiber ala ICL7660 und pack deinen
>> LC-Filter + Freilausdiode + Peltier an den Drain. Das macht vieles
>> einfacher.
>
> Und was ist mit Umschalten zwischen Heizen/Kühlen?

Kann man mit einem Relais mit doppeltem Wechslerkontakt umschalten.

>>> Da dieser RDSon bei kleineren VGS laut DB drastisch steigt, möchte ich
>>> möglichst mit 24V arbeiten um ~12V VGS zu erreichen.
>> Unsinn.
>
> Okay, evtl. deute ich das falsch
> DB Fig.3 (VDS=10V):
> VGS=8V -> IDS=600A / Müsste doch einen RDSon=16mOhm ergeben ?
> VGS=6V -> IDS=200A / Müsste doch einen RDSon=50mOhm ergeben ?
> Oder wie ist das zu lesen?

Nicht so. Bei VDS=10V und dem Strom ist der MOSFET längst aus seinem 
ohmschen Bereich raus und begrenzt den Strom durch seine 
Ausgangskennline. Darum kommt dort auch ein deutlich größerer Widerstand 
raus.

Schau dir lieber Fig.1 und Fig.2 an, dort sieht man das deutlich besser. 
Wenn die Kennlinie nach rechts abknickt, begrenzt der MOSFET den Strom 
und verläßt damit den ohmschen Bereich. Das passiert je nach U_GS bei 
1-2V U_DS!

> Wenn ich mit dem FET 10A schalte:
> Ergeben sich bei 2mohm = 0,2W Verlustleistung
> Ergeben sich bei z.B. 10mohm = 1W Verlustleistung

Immer noch läppisch.

> Warum sind die Betrachtungen mit einem möglichst geringen RDSon denn:
>> Jajaja, immer der selber Schwachsinn!

Weil man nicht krampfhaft mit solchen Monster-MOSFETs hantieren muss, 
nur weil man eine Paranoia gegen ein paar W Verlustleistung und ggf. 
einen kleinen Kühlkörper hat. Denn diese sehr niederohmigen MOSFETs 
haben auch Nachteile, allen voran die hohe Gatekapazität bzw. 
Gateladung. Außerdem ist es ein albernes mit Kanonen auf Spatzen 
Schießen.

> Die Alternativen sind sicher gut gemeint und anders evtl. sinnvoller.
> Aber eine H-Brücke für PWM + statisch kann doch auch kein Hexenwerk sein
> ?!?

Ist es auch nicht. Aber man erfindet, gerade als Anfänger, das Rad nicht 
neu sondern kauft was möglichst Fertiges. Siehe oben.

[Philipp L. (viech)]

Wie verhält es sich denn eigentlich mit max. VGS vor/nach dem 
Durchschalten auf der High-Side (z.B. mit einem N-FET)?

Vor dem Durchschalten liegt an Source ~0V an, danach ~VCC.
Ich muss in beiden Fällen darauf achten das VGS <=20V ist, richtig?

> Dann nimm eine fertige H-Brücke.

Nee...

> Kann man mit einem Relais mit doppeltem Wechslerkontakt umschalten.

Nee....
Wie schon mehrfach erwähnt benötige ich eine H-Brücke auch für ein 
anderes Projekt mit hoher Frequenz. Daher dient dies hier auch dem 
Lerneffekt

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Ich hatte neulich schon mal von der finnischen Standheizung geschrieben, 
die ebenfalls Highside mit N-Kanal MOSFet schaltet. Hier wurden einfach 
OpAmps aus einem 12V Spannungsverdoppler (also etwa 22V) gespeist und 
der Ausgang des OpAmps schaltet das Gate. Der OpAmp wurde dabei als 
Komparator beschaltet und direkt vom MC angesteuert.
P-Kanal in der Highside machts in einer H-Brücke für Niedervolt 
natürlich einfacher.

[Falk B. (falk)]

Philipp L. schrieb:
> Wie verhält es sich denn eigentlich mit max. VGS vor/nach dem
> Durchschalten auf der High-Side (z.B. mit einem N-FET)?

Im Prinzip wie bei jedem anderen FET, auch wenn der auf der Low side 
sitzt.

U_GS = 0V = MOSFET sperrt.
U_GS = 10V (oder ähnlich) MOSFET voll durchgeschaltet.

> Vor dem Durchschalten liegt an Source ~0V an, danach ~VCC.
> Ich muss in beiden Fällen darauf achten das VGS <=20V ist, richtig?

Ja. Der Trick bzw. das Problem ist halt dabei, daß man eine 
Hilfsspannung mit wenig Leistung braucht, welche "oben auf VCC" sitzt. 
Die kann man per Bootstrap-Schaltung erzeugen (einfach, machen viele 
Treiber, geht aber nicht bei DC), per zusätzlicher Ladungspumpe (die 
kann dann DC) oder extra DC/DC Wandler.

Siehe Treiber

>> Dann nimm eine fertige H-Brücke.
>
> Nee...

Warum nicht? zu einfach?

Glaub ja nicht, daß du mit deinem Wissen einfach mal so eine gescheite 
H-Brücke für 10A baust. Es gibt auch passende H-Brücken Treiber, welche 
externe MOSFETs ansteuern können, auch mit DC. Oder man bohrt einen 
normalen Halbbrückentreiber mittels Ladungspumpe auf.

https://www.mikrocontroller.net/articles/H-Br%C3%BCcken_%C3%9Cbersicht#Diskrete_H-Br.C3.BCcken

Der Satz in dem Artikel steht dort nicht umsonst.

[Philipp L. (viech)]

> Glaub ja nicht, daß du mit deinem Wissen einfach mal so eine gescheite
> H-Brücke für 10A baust.

Ja, ich verliere leider auch langsam den Glauben daran.

Bin jetzt ein paar Tage nicht dazu gekommen und habe mich heute wieder 
um das Problem der schnellen Gate-Ladungswechsel gekümmert.
Mit einem P-Fet in der High-Side hätte ich mich ja auch schon 
abgefunden.

Dazu habe ich den "Treiber 2b" hier aus dem Forum aufgebaut.
https://www.mikrocontroller.net/articles/Treiber
Leider habe ich wieder einen deutlichen Unterschied in der 
Ein/Ausschaltzeit bemerkt.

Bei der Recherche habe ich nur den ersten Teil aufgebaut.
-> Schalten einer Spannung mit NPN

Dabei habe ich gesehen, dass selbst der "normaler" NPN deutlich 
langsamer abschaltet als einschaltet -> kann das sein (siehe Anhang)?
10ns einschalten 200ns ausschalten ?
Das Signal an der Basis ist vom uC und sauber (~10ns Ein/Ausschalten)

ich habe dazu einen BC237 aus der Grabbelkiste genommen.

> Es gibt auch passende H-Brücken Treiber, welche
> externe MOSFETs ansteuern können,

Ich werde mich wohl bald geschlagen geben müssen und nach einem fertigen 
H-Brückentreiber umsehen, der externe Mosfets ansteuert und auch 
statischen DC-Betrieb kann.
Sonst werde ich ja nie fertig :-)
Im Winter kann ich dann mal tiefer in die Materie einsteigen und mich in 
Ruhe damit befassen.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Philipp L. schrieb:
> Dabei habe ich gesehen, dass selbst der "normaler" NPN deutlich
> langsamer abschaltet als einschaltet -> kann das sein (siehe Anhang)?
> 10ns einschalten 200ns ausschalten ?

Jo, wenn du ihn dermassen in die Sättigung treibst (5V über 100 Ohm in 
die Basis!), braucht er Zeit zum Ausräumen. Du wirst in der Simulation 
sehen, das die Abfallzeit deutlich sinkt, wenn du weniger Strom in die 
Basis jagst.

[Philipp L. (viech)]

Okay, in der Simulation war das nicht zu sehen.
Der Verlauf stammt vom Oszi im Testaufbau.
Probiere ich aus.