Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik N-Kanal Mosfet im Plusstrang?


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von Thorsten M. (Gast)


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Moin!

Ich habe zwei Balkonsolarmodule, die ca 30A in einen MPPT Tracker 
treiben und über eine Eigenabuschaltung mit Wechslerrelais in einen 
Inverter. Da beide Geräte große Elkos primär haben gibt es einen bösen 
Funken, der die Relais schnell altern lässt. Um das zu verhindern will 
ich mit einem uC die Solarspannung abtrennen vorne. Am liebsten im 
Plusstrang. Problem ist nur, dass das Potential dauerhaft bei ca 24v-30v 
liegt, also damit das Gate durchsteuert mindestens Ub+5V nötig sind. Der 
uC gibt 0 und 3.3V aus. 0 soll sperren, 3.3V soll öffnen.

Wie kann ich das Problem lösen? Gibt es da was Fertiges? Ich muss 30A 
bei 30V schalten, also mindestens 50A sollte er können.

Grüße Thorsten

von Obelix X. (obelix)


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von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Thorsten M. schrieb:
> Wie kann ich das Problem lösen? Gibt es da was Fertiges? Ich muss 30A
> bei 30V schalten, also mindestens 50A sollte er können.

Es gibt einige Gate-Treiber und ideale Dioden, die eine Ladungspumpe 
enthalten, um auch im positiven Zweig mit n-Kanal-MOSFETs arbeiten zu 
können. Alternativ bietet sich ein kleiner, galvanisch getrennter 
DC/DC-Wandler in Verbindung mit einem Gate-Treiber an. Nur den 
DC/DC-Wandler zu verwenden, wäre ungünstig, da dessen Ausgangsspannung 
ggf. nicht schnell genug ein- bzw. ausgeschaltet wird, um einen 
Linearbetrieb des MOSFET zu vermeiden. Viele integrierten Gate-Treiber 
enthalten eine Unterspannungsüberwachung, die dann ggf. den MOSFET 
steilflankig sperren lässt. Es sollte auch unbedingt ein Lastwiderstand 
an der Ausgangsseite des DC/DC-Wandlers hängen, da ansonsten die 
Ausgangsspannung auch nach dem Ausschalten noch längere Zeit erhalten 
bleiben kann.

Bei der Verwendung eines isolierten Gate-Treiber in Verbindung mit einem 
DC/DC-Wandler lässt sich auch sehr gut eine Redundanz bezüglich der 
sicheren Ausschaltens realisieren. Für eine ähnliche Anwendung habe ich 
die Kombination aus Infineon 1EDIxxN12 und Traco TDN1-2413WI verwendet. 
Dadurch, dass der Gate-Treiber auch noch zwei Enable-Eingänge 
entgegengesetzter Polarität besitzt, ließ sich dadurch die Toleranz 
gegenüber versehentlich aktivierter Steuersignale des Microcontrollers 
nochmals verbessern.

n-Kanal-MOSFETs mit einem Maximalstrom von 100 A und mehr gibt es 
mittlerweile auch für erstaunlich kleines Geld, insbesondere wenn man 
dank DC/DC-Wandler und Gate-Treiber einen ordentlichen Spannungshub 
bereitstellen kann.

: Bearbeitet durch User
von Peter D. (peda)


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von Rainer W. (rawi)


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Peter D. schrieb:
> Es gibt Optokoppler mit Spannungsausgang

Damit alleine willst du keinen MOSFET bei 30A steuern oder wie soll 
damit das Abschalten funktionieren.
Da fehlt noch ein Treiber und der kann sich dann auch um die Pegel 
kümmern.

von Michael B. (laberkopp)


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Thorsten M. schrieb:
> ist nur, dass das Potential dauerhaft bei ca 24v-30v liegt,

Ein N-MOSFET braucht dafur eine HÖHERE Spannung, so 34-40V.

Es gibt zwar Gate-Treiber dafür, aber die meisten vertragen kein 
dauerhaftes EIN. Nur LTC1154 und MIC5011 können das dank Ladungspumpe, 
aber die halten deine Spannung nicht aus. Du brauchst also eine 
unabhängige 10V Spannung aus einem DC/DC Wandler um den MOSFET per 
Optokoppler zu schalten, denn so kräftige PhotoMOS wirst du nicht 
finden.

Liegt dann die Solarmodulspannung unter der Akkuspannung muss der 
Laderegler den Rückstrom verhindern (was er auch tut), damit kommt aber 
deine Spannung am MOSFET unter 24V, bis 0V, die Ansteuerschaltung muss 
damit zurecht kommen, ein P-MOSFET mit NPN kommt das nicht

Insgesamt erscheint deine PV Schaltung ungeschickt.

: Bearbeitet durch User
von Peter D. (peda)


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Rainer W. schrieb:
> Damit alleine willst du keinen MOSFET bei 30A steuern oder wie soll
> damit das Abschalten funktionieren.

Warum nicht?
Es geht nur um einzelne Schaltvorgänge und keine PWM.
Z.B. einen IPB025N10N3 G kann man damit ansteuern.
Ein Relais schaltet auch nicht schneller.

von Christian M. (likeme)


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ohje, ein Lagerkasten aus Plastik... wenn mit ähnlichem KnowHow weiter 
gemacht wird stell bitte gleich mal einen Feuerlöscher daneben.

von Holger L. (symetron)


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von Steffen W. (derwarze)


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Rainer W. schrieb:
> Peter D. schrieb:
>> Es gibt Optokoppler mit Spannungsausgang
>
> Damit alleine willst du keinen MOSFET bei 30A steuern oder wie soll
> damit das Abschalten funktionieren.
> Da fehlt noch ein Treiber und der kann sich dann auch um die Pegel
> kümmern.
Hast noch nie mit so einen Teil zu tun gehabt, Stimmt es?
Die Highside Ansteuerung mit den APV-FotoRelais Typen funktioniert bei 
mir seit vielen Jahren zuverlässig und problemlos bei Hunderten von 
Geräten. Ist jedenfalls eine einfach und schnell zu realisierende 
Ansteuerung ohne das es Klimmzüge für eine extra Spannungsquelle 
braucht. Auch dicke Mosfet schalten damit sicher aus und ein. Natürlich 
ist das nur für statische Anwendungen gedacht. Hab mal testweise einen 
IRF3808 mit 15 Hz getaktet schalten lassen, auch das ging noch. Nur für 
schnellere PWM Ansteuerung ist der IC nicht geeignet aber das hat der 
Fragesteller nach seiner Beschreibung auch gar nicht vor.

: Bearbeitet durch User
von Mi N. (msx)


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Holger L. schrieb:
> 
https://www.lcsc.com/product-detail/Transistor-Photovoltaic-Output-Optoisolators_SUPSiC-GAQV1123S_C22385005.html?s_z=n_gaq

Rechne doch mal aus, wielange es dauert, bis die GS-Kapazität mit 8 µA 
aufgeladen ist.

Mit Hausmitteln würde ich einen NE555 als Ladungspumpe verwenden und die 
Gatespannung 'hochklemmen'. Je nach dem, wo die erwähnten Kondensatoren 
verschaltet sind, kann es sinnvoll sein, den Einschaltvorgang in den 
ms-Bereich zu legen, um zu hohe Schaltströme zu vermeiden.

von Zino (zinn)


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Als Gate-Treiber bietet sich der LTC7004 (bis 60V) oder LTC7001 (bis 
135V) an, bei Versorgung mit 3,5V bis 15V.

von Thorsten M. (Gast)


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Andreas S. schrieb:
> Es gibt einige Gate-Treiber und ideale Dioden, die eine Ladungspumpe
> enthalten, um auch im positiven Zweig mit n-Kanal-MOSFETs arbeiten zu
> können. Alternativ bietet sich ein kleiner, galvanisch getrennter
> DC/DC-Wandler in Verbindung mit einem Gate-Treiber an.

Habe mir das mal alles durchgelesen. Mit Hausmitteln werde ich wohl 
einen kleinen galv. getrennten AC/DC Wandler verwenden, also ein 
handelsübliches Steckernetzteil (Trafo oder Wandlertype) um dessen 
Massepunkt auf den Plusstrang aufzusetzen, so dass ich diese 9V habe 
fürs Schalten. Mit einem kleinen Optokoppler vom uC aus am Port Pin 
dürfe das machbar sein die aufs Gate zu bringen. Treiber mal schauen, 
falls ich den überhaupt brauche, vielleicht reicht ja 100 Ohm. Es wird 
nur alle paar Stunden geschaltet. Müsste ich mal ausrechnen wie schnell 
das Gate geladen wird, damit der Linearbereich schnell durchlaufen wird. 
Sonst raucht er ab.

von Marek N. (db1bmn)


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Wahrscheinlich habe ich das Problem nur halb verstanden, aber die 
Solarmodule sind doch Stromquellen.
Wenn z.B. ein Kurzschlussstrom des Solarmoduls im Datenblatt 
spezifiziert ist, kann gar nicht mehr fließen, sofern nicht gerade eine 
Supernova statt findet.
Das Relais muss also nur für diesen Strom (Inrush-Current) bemessen 
sein. - Bis vor Kurzem waren dafür noch Relais mit Cadmium-Kontakten 
erlaubt.

Als einfacher "Levelshifter" würde sich ein DCDC-Wandler von Traco/Recom 
eignen, um die Gates anzusteuern. - Mit Z-Diode auf 10...12 V klemmen!

Pro-Lösung: Nur im Dunkeln umschalten ;-)

Lange Rede kurzer Sinn: Nimm richtige Schütze, die den Strom auch bei DC 
können und sie werden deine Solaranlage überleben.
Über die zwangsgeführten Kontakte kannst du auch noch bei Bedarf eine 
Verriegelung realisieren, damit nicht beide Inverter gleichzeitig 
aktiviert werden.

von Thorsten M. (Gast)


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Marek N. schrieb:
> Lange Rede kurzer Sinn: Nimm richtige Schütze, die den Strom auch bei DC
> können und sie werden deine Solaranlage überleben.

Zu wenig Platz :-( Da sind schon 150A Relais drin. Aber auch die 
erzeugen einen Lichtbogen beim Lösen und einen Funken beim Einschalten. 
Echte Schütze sind dagegen abgesichert aber eben auch viel größer.

Muss auch noch gucken, wo ich den AC/DC aufsetze als Masse: Vor oder 
nach dem Mosfet? Die Solarspannung knallt hoch bis 50V bei Leerlauf, im 
Betrieb sind es noch 30V am MPPT Punkt.

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Thorsten M. schrieb:
> Müsste ich mal ausrechnen wie schnell
> das Gate geladen wird, damit der Linearbereich schnell durchlaufen wird.
> Sonst raucht er ab.

Und vor allem solltest Du den Fall studieren, in dem der Optokoppler 
zwar sauber angesteuert wird, aber das Steckernetzteil vom Netz getrennt 
wird. Ohne hinreichende Last sinkt dann die Ausgangsspannung ggf. über 
etliche Sekunden langsam ab. Daher sollte solch eine Gate-Ansteuerung 
immer eine Unterspannungserkennung aufweisen, wie sie z.B. bei den 
angegebenen Treibern von Infineon gegeben ist.

von Thorsten M. (Gast)


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Andreas S. schrieb:
> Und vor allem solltest Du den Fall studieren, in dem der Optokoppler
> zwar sauber angesteuert wird, aber das Steckernetzteil vom Netz getrennt
> wird. Ohne hinreichende Last sinkt dann die Ausgangsspannung ggf. über

Habe ein Relais auf Hutschiene frei. Damit schalte ich die 9V auf das 
Gate über 100 Ohm und lege noch 10k dazu gegen Source. Die schalten ihn 
dann ab, wenn der Relaiskontakt löst. Der Ausfall des Netzteiles ist 
natürlich gefährlich, weil das schön langsam absinkt und dann Zisssssch. 
Will aber nur wenig Aufwand treiben, evtl. hänge ich da noch ein Relais 
mit an die 9V dran das abfällt, wenn zb 8V unterschritten werden.

von Paul B. (paule201)


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Thorsten M. schrieb:
> Da beide Geräte große Elkos primär haben gibt es einen bösen
> Funken, der die Relais schnell altern lässt.

Im KFZ Umfeld war dafür eine Vorladung üblich. Also eine Relais + 
Widerstand über dem Hauptschütz, damit die Kondensatoren "langsam" 
vorgeladen werden. Bei dir wäre es bidirektional, also müsste dein uC 
beim Zuschalten erst der Vorladepfad schließen und dann das Hauptschütz, 
beim Öffnen genau in umgekehrter Reihenfolge.

Warum willst du das überhaupt trennen?

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Thorsten M. schrieb:
> evtl. hänge ich da noch ein Relais
> mit an die 9V dran das abfällt, wenn zb 8V unterschritten werden.

Die meisten Relais besitzen eine erstaunlich geringe Haltespannung, die 
meist nur ein Viertel oder weniger der Nennspannung beträgt. Ein 
1EDI20N12AFXUMA1 kostet unter zwei Euro, bietet eine perfekte 
Gate-Ansteuerung und enthält/ersetzt auch noch den Optokoppler.

von Thorsten M. (Gast)


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Paul B. schrieb:
> Warum willst du das überhaupt trennen?

Damit die Energie wahlweise in Akkus, Netz oder von Akkus ins Netz geht. 
Das regelt ein ESP32 für mich. Diese Geschichte mit dem halben Strom 
lässt den Inverter leider abstürzen. Der hat einen Batteriemode (ohne 
MPPT) und der will auch eine Batterie sehen, die die 250 Watt liefern 
kann, die ich eingestellt habe. Sonst beginnt der zu schwingen und würgt 
sich selbst ab.

1EDI20N12AFXUMA1 gucke ich mal an, bestellte mir den mal. Gibt aber auch 
viele andere.

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Thorsten M. schrieb:
> 1EDI20N12AFXUMA1 gucke ich mal an, bestellte mir den mal. Gibt aber auch
> viele andere.

Vorzugsweise erst einmal ins Datenblatt schauen, da es unterschiedliche 
Versionen mit verschiedenen Abschaltschwellen gibt. Die muss natürlich 
passend zum MOSFET und der Versorgungsspannung gewählt werden.

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