Treiber für High-Side N-FET (single-shot)

[Xx X. (xx_x)]

Hallo Elektronikgemeinde,

ich bin eigentlich fachfremd, aber kam privat und beruflich zu 
Elektronik habe schon die eine oder andere Schaltung entwickelt.
Zur Frage:
Man setzt bei höheren Spannungen in Brückenschaltungen gerne 
N-Kanal-FETs ein, sowohl im low-side Zweig, als auch im high-side Zweig. 
Ich kenne es, dass diese high-side Schalter mittels 
Ladungspumpe/Bootstrapping geschaltet werden, um das angehobene 
Potential zu erzeugen. Viele Schaltregler-ICs arbeiten so.
Problem: Das low-side FET muss auch zyklisch geschaltet werden, damit 
das funktioniert.
Wie könnte man einen high-side Treiber für ein N-FET als single-shot 
Lösung realisieren, sodass man z.b. mit dem N-FET gegen 200V schalten 
könnte, ausgelöst durch ein 5V TTL-Signal?

Viele Grüße und vielen Dank!

[Peter X. (dcf)]

Xx X. schrieb:
> Wie könnte man einen high-side Treiber für ein N-FET als single-shot
> Lösung realisieren, sodass man z.b. mit dem N-FET gegen 200V schalten
> könnte, ausgelöst durch ein 5V TTL-Signal?

Single-Shot?

Ich hole schon mal Cola und Popcorn. Wieder ein Thread von jemandem der 
wohl Langeweile hat.

[Xx X. (xx_x)]

Ok, ich konkretisiere:
Wenn das N-FET mit Drain an 200V DC hinge und eine Kapazität an Source 
auf diese 200V aufgeladen werden soll, dann muss die entsprechende 
Ansteuerung des Gates ebenfalls mit dem Potential von Source auf 200V 
floaten. Sie könnte also z.B. potentialfrei von GND sein. Wie geht das 
am einfachsten, wenn die Schaltereignisse sehr selten auftreten?

Oder ist dei Frage nicht relevant, weil man dazu doch eher einen P-FET 
nutzen würde?

[Falk B. (falk)]

Xx X. schrieb:
> Wie könnte man einen high-side Treiber für ein N-FET als single-shot
> Lösung realisieren,

Was meinst du damit GENAU?

Einen Einzelpuls bestimmter Länge kann man mit der normalen 
Bootstrapschaltung erreichen, man muss nur den Speicherkondensator groß 
genug machen. Wenn man aber dauerhaft HIGH schalten will, braucht man 
eine galvanisch getrennte Versorgung mit wenigen mA.

[Falk B. (falk)]

Xx X. schrieb:
> Ok, ich konkretisiere:
> Wenn das N-FET mit Drain an 200V DC hinge und eine Kapazität an Source
> auf diese 200V aufgeladen werden soll,

bist du in Begriff, SEHR große Ströme zu schalten und den FET zu 
sprengen. Ohne Strombegrenzung geht das nicht wirklich, es sein denn, 
der Kondensator ist wiklich klein (paar Dutzen nF) und damit die 
Ladezeit kurz. Denn der Ladevorgang schickt den FET, egal wie kräftig, 
in den Linearbetrieb. Siehe SOA.

https://www.mikrocontroller.net/articles/FET#SOA_Diagramm

> dann muss die entsprechende
> Ansteuerung des Gates ebenfalls mit dem Potential von Source auf 200V
> floaten. Sie könnte also z.B. potentialfrei von GND sein. Wie geht das
> am einfachsten, wenn die Schaltereignisse sehr selten auftreten?

Siehe oben. Oder mit Batterie.

> Oder ist dei Frage nicht relevant, weil man dazu doch eher einen P-FET
> nutzen würde?

Nö, N-Fet ist schon der Standard.

[Georg M. (g_m)]

Xx X. schrieb:
> Wie geht das
> am einfachsten, wenn die Schaltereignisse sehr selten auftreten?

Mit der Ladungspumpe.

[Xx X. (xx_x)]

Danke Falk, das stimmt natürlich, dass hier große Ströme fließen. Es 
geht aber auch wirklich um kleine Kapazitäten im einstelligen nF-Bereich 
(Piezo-stack). Zur Begrenzung des Stromanstiegs käme noch eine 
Induktivität in Reihe zum Piezo. Ich würde diesen dann gerne mit einem 
FET laden und mit dem anderen mittels Halbbrücke entladen. Ich 
beschäftige mich mal mit den Vorschlägen und komme mit einem Vorschlag 
wieder zurück :)

[Falk B. (falk)]

Xx X. schrieb:
> Danke Falk, das stimmt natürlich, dass hier große Ströme fließen. Es
> geht aber auch wirklich um kleine Kapazitäten im einstelligen nF-Bereich
> (Piezo-stack). Zur Begrenzung des Stromanstiegs käme noch eine
> Induktivität in Reihe zum Piezo.

Damit das Ganze schön schwingt? Besser nicht.

> Ich würde diesen dann gerne mit einem
> FET laden und mit dem anderen mittels Halbbrücke entladen.

Kann man machen, ist eine Standardschaltung.

[Peter D. (peda)]

Es gibt Treiber-ICs für 100% ein, die haben intern einen Oszillator für 
die Ladungspumpe.

Muß man nicht so schnell schalten, gibt es Optokoppler-ICs mit 
Fotozelle, d.h. die liefern etwa 8V Spannung. Man verwendet sie z.B. für 
Lautsprecherrelais mit antiseriellen FETs.

Bis 600V kann man aber auch P-FETs nehmen.

[Xx X. (xx_x)]

>> (Piezo-stack). Zur Begrenzung des Stromanstiegs käme noch eine
>> Induktivität in Reihe zum Piezo.
>
> Damit das Ganze schön schwingt? Besser nicht.
>

Hm, da hast du schon Recht, das riecht nach Reihenschwingkreis. Habe ich 
so aber schon gesehen, z.b. an einem Forschungssteuergerät für 
Piezoinjektoren, wo die Induktivität den Stromanstieg begrenzt hat, um 
der Stromregelung eine Chance zu geben, rechtzeitig anzusprechen.

[Harald W. (wilhelms)]

Xx X. schrieb:

> Hm, da hast du schon Recht, das riecht nach Reihenschwingkreis. Habe ich
> so aber schon gesehen, z.b. an einem Forschungssteuergerät für
> Piezoinjektoren,

Nunja, gekaufte Fertiggeräte sind nicht immer eine Referenz
für besonders gutes Schaltungsdesign. :-)

[Simon D. (jamen)]

Hallo, dafür gibt es galvanisch getrennte Gate-Treiber mit integrierter 
Spannungsversorgung

https://www.ti.com/product/TPSI3050

Alternativ verwendet man:
- einen passenden High-Side-Gate-Treiber und eine galvanisch getrennte 
Spannungsversorgung, z. B. einen fertigen DC-DC, oder eine Ladungspumpe, 
die dann aber keine galvanische Trennung der Spannungsversorgung 
ermöglicht
- einen Optokoppler mit Fotozelle auf der Sekundärseite

Es gibt bestimmt noch andere Lösungen, aber die fallen mir sofort ein. 
Wenn man nur selten schaltet und keine besonderen Anforderungen an die 
Schaltgeschwindigkeit hat, ist der Optokoppler mit Fotozelle sicher 
keine schlechte Lösung.

LG Simon

[Carsten-Peter C. (carsten-p)]

Moin,
ich nutze diese Schaltung für meine Motorsteuerung. Die untere 
Spannungsversorgung versorgt eine andere Halbbrücke (nicht fertig 
gezeichnet). Der Trafo liefert 2x 9VAC. Damit kann die Spannung für den 
Motor in weiten Bereichen variieren. Das funktioniert ganz gut. 
Vielleicht ist das was für Dich.
LG
Carsten

[Mark S. (voltwide)]

Bei 15V mag das noch gehen. Aber bei mehreren 100V ein TrafoNetzteil, 
das mit dem vollen Spannungshub der Brücke geschaukelt wird - EMV-mäßig 
ein absoluter Graus.

[Bernd K. (bmk)]

Hier ein Vorschlag von Murata mit einem DC-DC Wandler und Optokoppler.
Damit ist die hohe Gleichspannung auf der Schaltseite kein Problem.

Ist eine sehr solide und High-Speed / PWM-taugliche Lösung; auch für 
kräftige MOSFETs mit hohem Gate-Charge Wert geeignet.

Wahrscheinlich aber für die Anforderung des TO überdimensioniert.