MOSFET Gate Schutz bei kapazitiver Last

[Dennis H. (decoder)]

Hallo zusammen,

heute weiß ich endgültig nicht mehr weiter. Es geht um oben gezeigte 
Schaltung. Es ist ein sehr einfacher Linearregler, der über die 
Zeitkonstante eine Ausgangsspannungsregelung ermöglicht. Der Clou ist, 
dass es sich hierbei um eine Eingangsspannungsamplitude von circa 350V 
handelt. Ersetzt wird ein alter Selengleichrichter. Bei diesen Spannung 
sind SMD Bauteile eher die weniger rationale Wahl, jetzt geht's aber nur 
noch um die Ehre.
Zum Schutz der Bauteile habe ich, mit Hilfe des Trafo-Innenwiderstands, 
TVS-Dioden gewählt, die den Vor- (R1) und Regelwiderstand (R1') vor 
Überspannung (hier: 200V) schützen. Außerdem gehört natürlich der 
obligatorische Gate-Schutz hinzu (Durchbruch bei 14V), da dieser gute 
alte TO-220-MOSFET lediglich +-20V dort verträgt. Oben sieht man das 
dazugehörige Platinenlayout.
Außerdem habe ich die LTspice-Simulationsergebnisse beigefügt, die 
zeigen, dass die maximale Gate/Source-Spannung nicht überschritten wird. 
(In rot wird der Strom durch die TVS-Gate-Schutzdiode gezeigt, der Peak 
liegt bei weniger als 1mA). Im Einsatz folgt direkt nach dem Transistor 
T ein Ladekondensator mit 100µF. Selbst wenn die Gate-Bulk-Kapazität 
massiv wäre, müsste dieser also zunächst durch die "Gate-Schaltung" 
geladen werden, als dass die maximal zulässige Gate/Source-Spannung 
überschritten würde.

Tatsächlich durchbricht nach mehrmaligem Einschalten aber die 
Gate-Isolation, d.h. man misst ein paar hundert mV zwischen Drain und 
Gate & die Regelung verschwindet.
Liegt es an meinem Platinenlayout? Reicht der "Abstand" der TVS-Diode 
zum Gateschutz zum MOSFET-Gate aus, dass die Durchbruchspannung 
überschritten wird?

Ich hoffe auf eure Erfahrung, Grüße.

[Jens G. (jensig)]

>heute weiß ich endgültig nicht mehr weiter. Es geht um oben gezeigte
>Schaltung. Es ist ein sehr einfacher Linearregler, der über die
>Zeitkonstante eine Ausgangsspannungsregelung ermöglicht. Der Clou

Das glaube ich aber mal nicht, daß da was regelt.
Das ist höchstens ein Spannungsfolger - ziemlich ungenau.

>Tatsächlich durchbricht nach mehrmaligem Einschalten aber die
>Gate-Isolation, d.h. man misst ein paar hundert mV zwischen Drain und
>Gate & die Regelung verschwindet.
>Liegt es an meinem Platinenlayout? Reicht der "Abstand" der TVS-

Das liegt daran, daß Du uns keinerlei Infos zur Dimensionierung der 
Bauteile gibst, und daran, weil Du offensichtlich mit Gewalt einen 100µF 
durch den T laden läßt, der das vielleicht nicht ganz lustig findet 
aufgrund Überschreitung der SOA.

[MaWin (Gast)]

Wie gross ist C, wie gross R1 eingestellt, wie viel Strom zeht die Last 
bie 10, 50, 100, 150, 200, 250V ? Hält R1 überhaupt die Verliust beim 
Einschalten (C0=V) aus ?
Es kann einiges an Verlustleistung im MOSFET hängen bleiben, und die SOA 
ist wohl eher klein.
Auch regelt die Schaltung nicht. Ich würde statt TVS eher eine 16V 
Z-Diode benutzen, den negative Gate-Spannung braucht man nicht.
Schaltet man am Ausgang eine (kapazitive) Last zu, sackt die 
AAusgangsspannung erst mal auf (0V) ab, und C muss sich über die 
Gate-Schutzdiode entladen.

[Hp M. (nachtmix)]

Dennis H. schrieb:
> Ersetzt wird ein alter Selengleichrichter.

Dann nimm einen Drahtwiderstand in Reihe mit dem Gleichrichter. Fertig.
100 Ohm 5W könnten passen.

[Dennis H. (decoder)]

Hp M. schrieb:
> Dann nimm einen Drahtwiderstand in Reihe mit dem Gleichrichter.
Das ist in Ordnung bei konstanter Last. Bei Lasten mit wechseldem 
Strombedarf sackt wegen dem dann deutlich höherem (hier habe ich den 
Trafo-Innenwiderstand mit 70Ohm abgeschätzt) differentiellen Widerstand 
dabei aber die Spannung ab, da die Last durch den Kondensator gepulst 
ist.

Jens G. schrieb:
> Das glaube ich aber mal nicht, daß da was regelt.
> Das ist höchstens ein Spannungsfolger - ziemlich ungenau.
Das stimmt natürlich. Allerdings schwankt die Eingangsspannung wenig und 
eine hohe Präzision wird nicht benötigt.

Jens G. schrieb:
> Das liegt daran, daß Du uns keinerlei Infos zur Dimensionierung der
> Bauteile gibst, und daran, weil Du offensichtlich mit Gewalt einen 100µF
> durch den T laden läßt, der das vielleicht nicht ganz lustig findet
> aufgrund Überschreitung der SOA.
Sorry, bei dem MOSFET handelt es sich um einen IRF840 (500V 
Drain/Source, 8A kontinuierlicher Drainstrom bei 25°C Junction, 125W 
max. Verlustleistung ebenda). Die restlichen Bauteile kommen immer auf 
den Anwendungsfall an, hier mit Eingangswechselspannung 250V: R1=1.2k, 
R1'=200k Poti, R2 und R2' jeweils 680k sowie C3 und C3' jeweils 150nF. 
Damit kommt man bei ca. Hälfte des Potis auf die gewünschten 260V. Da 
zieht die Last dann ca. 150mA. Im Mittel fallen dann ca. 6W am MOSFET 
ab.

MaWin schrieb:
> Hält R1 überhaupt die Verliust beim
> Einschalten (C0=V) aus ?
Ja, die werden nur sehr wenig belastet, gerade durch die TVS Dioden. 
Tatsächlich konnten auch nur TVS-Dioden benutzt werden; ich hatte vorher 
Z-Dioden benutzt, die hatten -- auch nur durch in diesem kleinen Moment 
-- den Strom nicht ausgehalten (beim Lawinendurchbruch aber auch nicht 
sooo überraschend).

MaWin schrieb:
> Ich würde statt TVS eher eine 16V Z-Diode benutzen, den negative Gate-Spannung 
braucht man nicht.
Aus oben genannten Grund habe ich dort auch eine TVS-Diode benutzt. Vom 
selben Hersteller/Typ, damit ich das gleiche Auslösverhalten habe, damit 
die maximale Gate-Source-Spannung nicht überschritten wird. Ich habe 
allerdings keine Ahnung, ob das eine Bewandtnis hat. Ich konnte auch 
noch nicht herausfinden, wie genau sich TVS- und Z-Dioden im Aufbau 
unterscheiden.

MaWin schrieb:
> Schaltet man am Ausgang eine (kapazitive) Last zu, sackt die
> AAusgangsspannung erst mal auf (0V) ab, und C muss sich über die
> Gate-Schutzdiode entladen.
Ja, das hätte ich auch gedacht (und für den MOSFET wäre das ja auch 
gut), jedoch fließt in der Simulation kaum Strom über die 
Gate-Schutzdiode.


Ich habe mal das SOA des MOSFET angehängt. Allerdings gilt das ja bei 
der "Junction"-Temperatur von 125°C, im Dauerbetrieb hat er (Kühlung 
durch Isolationsscheibe [Silkpad] auf Chassis) bei guter Schätzung 
6W*4°C/W+25°~=50°C oder eben nur Raumtemperatur 25°C.
Der Ladepuls ist natürlich extrem, jedoch "sinusförmig" und unter 10ms 
lang. In der beigefügten Simulation sind die beiden ersten Ladepulse 
gezeigt, der Trafo-Innenwiderstand von 70 Ohm (gute Schätzung) ist 
berücksichtigt.
Ich habe eine ähnliche Schaltung mit Z-Diode auch schon gesehen. Ich 
wäre jetzt überrascht, wenn der MOSFET diese kurzzeitige Belastung nicht 
aushält. Was denkt ihr?

[Sven S. (schrecklicher_sven)]

Dennis H. schrieb:
> Im Mittel fallen dann ca. 6W am MOSFET
> ab.

Das ist halt nur der Mittelwert.
Wenn aber zu schnell hintereinander eingeschaltet wird...

Dennis H. schrieb:
> Tatsächlich durchbricht nach mehrmaligem Einschalten aber die
> Gate-Isolation,

[Hp M. (nachtmix)]

Dennis H. schrieb:
> Hp M. schrieb:
>> Dann nimm einen Drahtwiderstand in Reihe mit dem Gleichrichter.
> Das ist in Ordnung bei konstanter Last. Bei Lasten mit wechseldem
> Strombedarf sackt wegen dem dann deutlich höherem (hier habe ich den
> Trafo-Innenwiderstand mit 70Ohm abgeschätzt) differentiellen Widerstand
> dabei aber die Spannung ab,

Das wird mit dem originalen Se-Gleichrichter ja nicht anders gewesen 
sein, und Röhrengeräte, zu denen typischer Weise solch eine 
Gleichrichterschaltung gehörte, hatten meist eine ziemlich konstante 
Leistungsaufnahme.
Beim Einschalten, wenn die Katoden noch kalt waren, lief die 
Betriebsspanng natürlich hoch, aber das hatten die Elko Hersteller 
berücksichtigt, und deshalb findet man auf solchen Elkos meist die 
Spannungsangabe 350/385V.