DC-DC Wandler für IGBT/MOSFET Treiber dimensionieren (Leistung)

[Dirk F. (dirkf)]

Hallo,
in Bezug auf meinen alten Beitrag

Beitrag "MOSFET High side Treiber"

möchte ich jetzt den isolierten DCDC Wandler auslegen.
Also die Spannung ist weitgehend klar: 15 V DC.

Aber welche Leistung muss der DCDC Wandler mindestens haben ?
Von welchen Faktoren hängt die ab ?
- Gate Kapazität des IGBT/MOSFET
- Schaltfrequenz

Gibt es eine Formel zur Berechnung ?

Gruß Dirk

[Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)]

Ist nicht ganz so einfach zu berechnen, da es einige Kapazitäten gibt, 
die mit den Betriebszuständen variieren können, z.B. Miller Charge. Aber 
wenn Du nicht gerade im MHz-Bereich schalten willst (mit IGBTs eher 
schwierig) oder besonders leistungshungrige IGBT-Treiber verwendest, 
reichen wenige Watt absolut problemlos aus, wahrscheinlich reicht ein 
Watt bereits. Gibt es denn schon Wandler in der näheren Auswahl?

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

Das sieht recht komplziert aus. Gibt es denn einen Grund, warum du den 
Wandler nicht direkt aus den 400V~ betreibst?  Ansonsten erfolgt ja die 
Ansteuerung von IGBT nahezu leistungslos, du musst ja nur das Gate 
umladen. Mit etwas Abblocken der 15V und 100mA sollte der Fall erledigt 
sein.

[Dirk F. (dirkf)]

Ben B. schrieb:
> Gibt es denn schon Wandler in der näheren Auswahl?

TLP152

Schaltfrequenz ca. 100 Hz

[Dirk F. (dirkf)]

Matthias S. schrieb:
> Das sieht recht komplziert aus. Gibt es denn einen Grund, warum du den
> Wandler nicht direkt aus den 400V~ betreibst?

Nee, die 400 V werden extern noch geschaltet.  24 V DC steht permanent 
zur Verfügung.

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

Dirk F. schrieb:
> Nee, die 400 V werden extern noch geschaltet.

Aber du brauchst doch die 15V auch erst dann, wenn die 400V~ präsent 
sind. Vorher gibts keinen Bedarf.

[Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)]

> TLP152
> Schaltfrequenz ca. 100 Hz
Dafür reichen grob gepeilt 30mA.

Woher der Strom kommt ist eigentlich zweitrangig. Wenn er sowieso 24V 
hat, dann kann er den Saft doch von dort her nehmen. Genau so wie wenn 
er eine andere 15V-Quelle hat, bei der geringen Leistung könnte man das 
auch von den 3,3V der Steuerung aus versorgen.

[Dirk F. (dirkf)]

Ben B. schrieb:
> Dafür reichen grob gepeilt 30mA.

Na prima. dann sollte dieser kleine 0,75W DCDC ja reichen:
PQS075-S24-S15-S

[Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)]

> Na prima. dann sollte dieser kleine 0,75W DCDC ja reichen
Eine Garantie bekommst Du natürlich nicht, aber bei nur 100Hz 
Schaltfrequenz würde ich das so probieren wenn's mein Projekt wäre.

[Uwe S. (bullshit-bingo)]

Dirk F. schrieb:
> Schaltfrequenz ca. 100 Hz

Dafür reichen locker 0,1mA. Es sei denn, du hast da gewaltige 
IGBT-Module. Der Eigenverbrauch des Treibers muss natürlich auch noch 
beachtet werden.
Also nimm den kleinsten DC/DC, den du finden kannst. Er ist noch viel zu 
groß.

Kannst uns ja später mal berichten, ob du den tatsächlich zum Umladen 
benötigten Verbrauch überhaupt messen konntest...
Der Einfachheit halber kannst du das ja über die Differenz des 
Eingangsverbrauchs des DC/DC-Wandlers machen. Ich tippe auf eine 
Differenz zwischen Ruhezustand und Schaltbetrieb von z.B. 500µW, wenn 
nicht weniger.

[Dirk F. (dirkf)]

Uwe S. schrieb:
> Kannst uns ja später mal berichten

Ja gerne. Wird aber noch einige Woche dauern....

[Dirk F. (dirkf)]

Hallo,
würde die Schaltung (Anhang) des High-Side Switch 10 A so funktionieren 
?
Neu hinzugekommen ist eine Kurzschlusserkennung.
Mit Erkennen eines Kurzschlusses würde ich über Logic-Gatter oder MCU 
(Interrupt Eingang) den MOSFET sperren bis zu einem späteren manuellen 
Reset.

Bin für jeden Hinweis dankbar.
Gruß Dirk

[Falk B. (falk)]

Ben B. schrieb:
>> Schaltfrequenz ca. 100 Hz
> Dafür reichen grob gepeilt 30mA.

Andere Leute würden das rechnen.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Treiber#Treiberleistung

[Falk B. (falk)]

Dirk F. schrieb:
> Hallo,
> würde die Schaltung (Anhang) des High-Side Switch 10 A so funktionieren
> ?
> Neu hinzugekommen ist eine Kurzschlusserkennung.
> Mit Erkennen eines Kurzschlusses würde ich über Logic-Gatter oder MCU
> (Interrupt Eingang) den MOSFET sperren bis zu einem späteren manuellen
> Reset.

Dream on! ;-)
Sowas muss rein in Hardware am Treiber erfolgen! Dazu brauch man auch 
keine negative Spannung. Wohl aber einen Treiber, der auf der 
Ausgangsseite einen Steuereingang für Überstrom hat.

[Dirk F. (dirkf)]

Falk B. schrieb:
> Wohl aber einen Treiber, der auf der
> Ausgangsseite einen Steuereingang für Überstrom hat.

Danke Falk !
Kannst Du einen Typ empfehlen ?

[Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)]

Bekommt man auch diskret und ohne negative Spannung hin.

Den Shuntwiderstand zwischen FET-Source und GND, NPN-Transistor mit 
Basis und Emitter drüber, der fängt dann an, Kollektorstrom zu ziehen 
wenn etwa 0,6V an seiner Basis anliegen. Was man dann damit macht bleibt 
Dir überlassen, man könnte z.B. eine Art Thyristor zünden, der den 
Treiber bis zum Abschalten/Reset durch einen Controller verriegelt, 
reine Controller-Softwarelösungen können problematisch sein wenn sich 
der Controller aufgehangen hat.

[Dirk F. (dirkf)]

Ben B. schrieb:
> Den Shuntwiderstand zwischen FET-Source und GND,

Hallo,
es gibt kein Ground im Leistungszweig.
Sowohl Eingangs- als auch Ausgangspannung hat hohes Spannungspotential 
gegen PE oder GND.
Siehe Schaltung im ersten Beitrag.

[Enrico E. (pussy_brauser)]

Ben B. schrieb:
> Bekommt man auch diskret und ohne negative Spannung hin.

Einfach die Schaltung vom negativen Zweig 1 zu 1 in den positiven Zweig 
hochklappen und den PNP Transistor durch einen NPN Transistor 
austauschen.

Das hat auch den Vorteil, dass man nicht mehr zwei GNDs braucht.

[Enrico E. (pussy_brauser)]

Dirk F. schrieb:
> Hallo,
> es gibt kein Ground im Leistungszweig.

Dann kannst du aber trotzdem die -15V einsparen.

[Dirk F. (dirkf)]

So sähe die gesamte Schaltung aus.
Redundante Schalter. Keiner von beiden ist ein Low Side Schalter.

[Dirk F. (dirkf)]

Enrico E. schrieb:
> Dann kannst du aber trotzdem die -15V einsparen.

Bin für jeden Tipp Dankbar.  Ich wüsste nicht, wie das gehen sollte....

[Falk B. (falk)]

Dirk F. schrieb:
>> Wohl aber einen Treiber, der auf der
>> Ausgangsseite einen Steuereingang für Überstrom hat.
>
> Danke Falk !
> Kannst Du einen Typ empfehlen ?

Google kaputt?

Z.B. IR2125 und viele andere.

https://www.mikrocontroller.net/articles/MOSFET-%C3%9Cbersicht#MOSFET-Treiber

[Falk B. (falk)]

Dirk F. schrieb:
> So sähe die gesamte Schaltung aus.
> Redundante Schalter. Keiner von beiden ist ein Low Side Schalter.

Was soll das denn INSGESAMT werden? Was wird da angesteuert?

[Dirk F. (dirkf)]

Falk B. schrieb:
> Was soll das denn INSGESAMT werden? Was wird da angesteuert?

Eine Spule. Siehe Schaltplan im ersten Beitrag.

[Falk B. (falk)]

Dirk F. schrieb:
>> Was soll das denn INSGESAMT werden? Was wird da angesteuert?
>
> Eine Spule. Siehe Schaltplan im ersten Beitrag.

Eine Spule mit 10A an 400V AC? Schrottplatzmagnet?

[Enrico E. (pussy_brauser)]

Dirk F. schrieb:
> Ich wüsste nicht, wie das gehen sollte....

Vielleicht so.

[Dirk F. (dirkf)]

Enrico E. schrieb:
> Vielleicht so.

Hallo Enrico,
danke für deine Mühe.
Ja könnte gehen.
Dann wird zwar das Potential vom MOSFET um den Spannungsfall am Shunt 
angehoben, aber die 0,7 V mehr  sollten nichts ausmachen...

[Enrico E. (pussy_brauser)]

Dirk F. schrieb:
> aber die 0,7 V mehr  sollten nichts ausmachen...

Genau ;)

[Dirk F. (dirkf)]

Also dann etwa so:

[Falk B. (falk)]

Dirk F. schrieb:
> Also dann etwa so:

Theoretisch ja, praktisch nein. Sowas macht man nicht über 2 Optokoppler 
und durch Software. Viel zu langsam und unsicher.

[Dirk F. (dirkf)]

Falk B. schrieb:
> Viel zu langsam und unsicher.

Ja verstanden.
Dann muss ich mal einen geeigneten Isolierten MOSFET Treiber mit Sense 
Eingang suchen....

[Dirk F. (dirkf)]

Falk B. schrieb:
> https://www.mikrocontroller.net/articles/MOSFET-%C3%9Cbersicht#MOSFET-Treiber

Also ich bin die Liste der Treiber mal durchgegangen.
Habe keinen Ersatz für den VO3120 mit Überstromabschaltung gefunden.

[Falk B. (falk)]

Dirk F. schrieb:
> Also ich bin die Liste der Treiber mal durchgegangen.
> Habe keinen Ersatz für den VO3120 mit Überstromabschaltung gefunden.

Dann solltest du wohl mal bei den Herstellern oder Onlineshops suchen.

https://www.digikey.de/de/products/filter/isolatoren-gatetreiber/906

https://www.ti.com/power-management/gate-drivers/isolated-gate-drivers/overview.html

Es kann aber sein, daß es nur sehr wenige gavanisch isolierte Treiber 
mit Überstromeingang gibt.

[Dirk F. (dirkf)]

Hallo Falk,
habe leider keinen passenden Treiber gefunden  (Isoliert + Sense 
Eingang).
Habe eine Support Anfrage beim TI Deutschland gestellt.

Aber wäre das wie im Anhang keine Lösung ?

[Falk B. (falk)]

Dirk F. schrieb:
> Hallo Falk,
> habe leider keinen passenden Treiber gefunden  (Isoliert + Sense
> Eingang).
> Habe eine Support Anfrage beim TI Deutschland gestellt.

Die warten gerade auf dich ;-)

> Aber wäre das wie im Anhang keine Lösung ?

Nein. Wenn schon, dann muss das alles auf der Gateseite direkt 
passieren. Man kann auch wie früher einen schnellen Optokoppler + 
Gatetreiber nehmen.

6N137 + IR2121.

Wenn man will, kann man dann den Error Ausgang über einen 2. Optokoppler 
in Richtung Mikrocontroller übertragen, der ist dann unkritisch.

[Dirk F. (dirkf)]

Der IR2121 ist laut Datenblatt ein Low-Side Driver.
Ich vermute du meinst, über einen isolierten DCDC Wandler, 1 Optokoppler 
für Signal Ein/Aus  und 1 Optokoppler Error Meldung zur MCU den Chip zum 
High Side Driver zu abzuwandeln....

[Falk B. (falk)]

Dirk F. schrieb:
> Der IR2121 ist laut Datenblatt ein Low-Side Driver.

Stimmt. Aber wenn man den galvanisch getrennt versorgt, wird daraus ein 
High Side Treiber ;-)

> Ich vermute du meinst, über einen isolierten DCDC Wandler, 1 Optokoppler
> für Signal Ein/Aus  und 1 Optokoppler Error Meldung zur MCU den Chip zum
> High Side Driver zu abzuwandeln....

BINGO!

[Dirk F. (dirkf)]

Dirk F. schrieb:
> Uwe S. schrieb:
>> Kannst uns ja später mal berichten
>
> Ja gerne. Wird aber noch einige Woche dauern....

So der Prototyp ist aufgebaut.
Habe die 15 V Ausgangsspannung vom DC-DC-Wandler PRMCE1-S24-S15-S mit 
1uF Stützkondensator im Taktbetrieb (100 Hz) des MOSFET TW045N120C,S1F 
mit 10 Ohm Gate-Widerstand gemessen.
MOSFET Treiber Typ VO3120-X007T

Ergebnis:
Absolut sauber 15 V DC. Also reicht der 1 Watt Wandler locker für diese 
Anwendung.