MOSFET-Treiber; Supply Voltage Problem

[Der L. (simplex)]

Hallo zusammen,
ich sitze seit einiger Zeit an der Problematik, dass meine Schaltung 
nicht richtig sperrt / leitet. Es geht darum, dass ein MOSFET aktiv 
angesteuert wird. Dieser schaltet dann in Verbindung mit weiteren 
Schaltelementen (JFETs) eine höhere Spannung (>1kV). Der MOSFET wird 
über einen Gate-Treiber betrieben.

- n-Kanal MOSFET IRLU024NPbF (UGS 16V, UDS < 55V, Q_U = 15nC).
- Treiber  IXDI609CI (I_Out <9A)
- Zwischen Treiber und MOSFET sind keine Vor-, Pulldown-Widerstände, 
keine Z-Dioden verbaut
- Netzteil: Voltcraft CPPS-320-42

Als Problem habe ich die Supply-Voltage ausgemacht. Die Supply-Voltage 
wird (übergangsweise) direkt vom Netzteil über ca. 0,5m Laborleitung zum 
Treiber geliefert. Die Schwingungen sind auch direkt am Netzteil messbar 
(s. Bild 45 mit UDS=400V und 48 mit UDS=1kV). Die Schwingungen 
verschwinden fast, wenn zwischen Drain und Source keine Spannung 
anliegt. Sobald bspw. 200V anliegen, ist das Signal aus Abb. 45, 48 
erkennbar.

Mittlerweile fehlen mir die Ideen, was möglich ist. Ich habe bereits 
einen 4700uF Elko parallel zu einem 0,1uF (auch 100pF getestet) an der 
VCC verwendet und es ändert sich nichts Relevantes.
€: Simulativ treten keine Probleme auf.

Hat hier jemand Erfahrungen, in welcher Richtung ich suchen könnte?

Besten Dank an euch!

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Der L. schrieb:
> Als Problem habe ich die Supply-Voltage ausgemacht.
Ich tippe sehr, du jagst Geistern hinterher.
Miss mal "Masse gegen Masse" also einfach die Tastspitze auf die an die 
Schaltung angeschlossene Masseklemme halten. Was misst du dann?

> Der MOSFET wird über einen Gate-Treiber betrieben.
Wie sieht die reale Schaltung, das Layout und der gesamte Aufbau aus? 
Was misst du da? Und wie ist für diese Messung der Tastkopf 
angeschlossen?


Der L. schrieb:
> €: Simulativ treten keine Probleme auf.
1. Eine Simulation hat auch nicht die vielen kleinen parasitären 
Induktivitäten und Kopplungen, die dein realer Aufbau hat.
2. Eine Simulation ist bestenfalls so gut wie ihr schlechtestes Modell.

[Der L. (simplex)]

Erstmal danke für die schnelle und hilfreiche Antwort!

Lothar M. schrieb:
> Der L. schrieb:
>> Als Problem habe ich die Supply-Voltage ausgemacht.
> Ich tippe sehr, du jagst Geistern hinterher.
> Miss mal "Masse gegen Masse" also einfach die Tastspitze auf die an die
> Schaltung angeschlossene Masseklemme halten. Was misst du dann?

Ich habe gerade die Massverbindung vom DCDC Wandler bis zum Massepin der 
Platine gemessen. Dazwischen sind einige 0,5mm² Kupferleitungen, DCDC 
Wandler und Dioden. Sobald ich von außen eine Spannung anlege, habe ich 
zwischen beiden Massen nicht mehr 0V, sondern ein starkes Schwingen wie 
auf den Bildern zu sehen ist. Auch eine direkte (Kupfer-)Kabelverbindung 
hilft nicht; es reduziert lediglich das Überschwingen um ca. 20% auf 
+-20V.
Hängt das mit derMasseverbindung zusammen oder eher auf die 
Spannungsquelle zurückzuführen?


>> Der MOSFET wird über einen Gate-Treiber betrieben.
> Wie sieht die reale Schaltung, das Layout und der gesamte Aufbau aus?
> Was misst du da? Und wie ist für diese Messung der Tastkopf
> angeschlossen?
Der TK (B=300MHz) wird direkt mit dem Massepin der Platine verbunden und 
am Gate des MOSFETs angeklemmt. Hierzu habe ich einen kurzen Draht am 
Gate befestigt, damit ich sinnvoll "drankommen" kann.


> Der L. schrieb:
>> €: Simulativ treten keine Probleme auf.
> 1. Eine Simulation hat auch nicht die vielen kleinen parasitären
> Induktivitäten und Kopplungen, die dein realer Aufbau hat.
> 2. Eine Simulation ist bestenfalls so gut wie ihr schlechtestes Modell.
Das stimmt, jedoch war die Simulation ziemlich nah an den 
Praxisergebnissen. Aber an dieser Stelle bringt die Simulation leider 
nichts.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Der L. schrieb:
> Hängt das mit derMasseverbindung zusammen oder eher auf die
> Spannungsquelle zurückzuführen?
Es hängt mit schnellen Stromänderungen zusammen, die durch 
Leitungsinduktivitäten und parasitäre Kapazitäten diese Schwingungen 
verursachen. Zur Spannungsquelle und zur Signalquelle kann niemand was 
sagen, weil keiner weiß, welches Gerät du da mit welchen Spannungen und 
Einstellungen wo angeschlossen hast.

Man kann dieses Verhalten nur durch kurze Verbindungen, kompakten 
Schaltungsaufbau und definierte Massepfade für Leistung und Ansteuerung 
sowie evtl. einer passenden Terminierung für das Ansteuersignal 
wegbekommen.

"Kompakt" heißt irgendwas im einstelligen cm-Bereich. Und "definierte 
Massepfade" sind solche, wo der Leistungsstrom nicht über die 
Masseleitung des Ansteuerstrom fließt.

Ich kann diese Schaltung aus Schaltungsausschnitt.png im Aufbau nach 
Schaltungsaufbau_ohne_Peripherie.jpeg nicht so ohne weiteres 
wiederfinden. Wenn du Messungen machst und dabei seltsame Effekte 
siehst, dann ist ausschließlich die Schaltung des Messaufbaus 
interessant. Und zwar in genau der Kosntellation, in der sie diese 
Effekte zeigt.

[Der L. (simplex)]

Danke für die Antwort. Ich habe heute direkt am Labornetzteil zw. Erde 
und Minus gemessen und die Schwingung war ersichtlich, in jedem Moment 
in dem der MOSFET ON schaltet. Selbst wenn ich den TK abklemme, taucht 
die Schwingung auf.
Ich baue es wie erwähnt kompakter auf und verwende Koaxialleitungen bzw. 
verkürze Wege zu einem zentralen Massepunkt.

[S. K. (hauspapa)]

Für den Anfang 20 Ohm Gatewiderstand vor M1 und dann Schrittweise 
verkleinern könnte man versuchen um mit den bestehenden Aufbau noch 
etwas mehr Erfahrung zu sammeln.

Viel Erfolg
hauspapa

[Jörg B. (joergb2)]

Soll das ein Kaskoden-Hochspannungsschalter mit SiC-JFETs von Qorvo 
(UniSic) werden? Der technische Chef von der Bude hat mich mal agitiert, 
dass sie damit bis 40 kV mal geschaltet hätten. Ich habe irgendwo einen 
Entwurf rumliegen, der bis 60 kV können sollte. Muss aber noch gebaut 
und getestet werden.
Kritisch sehe ich hier, das kein Gate-Widerstand vorgesehen ist. 
Zwischen zwei Halbleiter gehört IMMER ein Widerstand. Speziell natürlich 
zwischen Gate-Treiber und Transistor, zwischen OPVs, aber auch bei 
sonstigen integrierten Zeugs. Wenn man das nicht macht, hat man sich ein 
widerlich schwingendes System gebaut. Typisch was zwischen 5 und 100 
Ohm. Wichtig ist auch, das der Treiber nahe des Transistors ist und 
alles niederinduktiv auf der Leiterplatte aufgebaut. Das Layout ist da 
wichtig. SiC-FET sind in der Ansteuerung noch kritischer als normale 
Si-FETs. Und am übelsten sind wohl GaN-FETs, die schalten aber auch am 
schnellsten.
Warum wurde eigentlich ein Logik-Level MOSFET ausgewählt? Und dann ein 
übertrieben starker Treiber, wo eigentlich auch ein TTL-Logikausgang 
gereicht hätte?

[Gerald B. (gerald_b)]

Jörg B. schrieb:
> Warum wurde eigentlich ein Logik-Level MOSFET ausgewählt? Und dann ein
> übertrieben starker Treiber, wo eigentlich auch ein TTL-Logikausgang
> gereicht hätte?

Na ja, übertrieben stark, ist relativ. Bei über 1 KV möchtest du die 
Umladezeit des Gate etwas schneller durchfahren, als bei Netzspannung, 
denn die Spannung geht quadratisch in die (Verlust)leistung mit ein. Ehe 
du dich versiehst, ist der FET abgeraucht ;-)