Hallo erstmal!
Als erstens:
Dies soll keiner dieser Threads werden "welchen Mosfet für meine
Anwendung"
Mir geht es eher um das Verständnis. Es geht um die Auswahl eines
Mosfest in Bezug auf Gatekapazität bzw. Gateladung. Habe dazu zwei
Ansätze gefunden:
Der erste:
benötigter Gatestrom = Gatekapazität * Gate-Source-Spannung / Zeit
Die Zeit entspricht dabei 1% der Frequenz des PWM
zweiter:
benötigter Umladestrom(Gatestrom) = Gateladung / Zeit
Die Zeit müsste ja der selben wie oben entsprechen.
Mit Daten eines IRFZ46N gerechnet (f des PWM=10khz/Vgs=5V/Vds=max12V):
Aus Datenblatt: Ciss bei 12Vds= ca. 1800pF
Qg bei 12Vds und 5Vgs: ca. 24nC
1. Ig = 1800*10^-12 As/V * 5V / 1*10^-6 s = 9 mA
2. Ig = 24*10^-9 As / 1*10^-6 s = 24 mA
Welcher der Ansätze ist nun richtig?
Stehen Gateladung und Gatekapazität nicht in Verbindung zueinander?
Habe leider nicht gescheites über google gefunden.
mfg Elenor
Dass die Gatekapazitaet von der Spannung abhaengig ist, sollte doch
stutzig machen. Da beide errechneten Werte nahe beieinander sind, wuerde
ich mal den Groesseren nehmen.
Zu Seph:
- Finde den Unterschied nicht gering ist immerhin das 2,5fache. Was bei
größeren Strömen dann schon Probleme machen kann. Natürlich muss in
Formel 1 eine Spannung sein, sonts kürzen sich die Formelzeichen ja
nicht raus.
zu Uwe:
- Habe natürlich die Eingangskapazität Ciss genommen, hab mich in der
Formel nur verschrieben.
@ all:
-mir geht es hier eher um das Vertständniss als darum welchen Strom zu
nehmen. Vorallem suche ich einen zusammenhang des ganzen.
- Zu Fomel 1:
Ig = Ciss * Ugs / t
muss da t nicht = 5 Tau sein. da Ugs/ Ig = R vor Ciss ist. und somit die
Grundformel: Tau = Ciss * Ugs/Ig zutrifft.
Dann würde ich auf 5Tau = die maximale Zeit = 1*10^-6
somit ist Tau = 2*10^-7
Ig = 1800*10^-12 * 5V / 2*10^-7 = 45 mA
Das wär ja sogar das doppelte von Formel 2.
Ist vielleicht jemand hier der sich damit auskennt?
Soweit mir bekannt, verhält sich das Gate nicht wie eine Kapazität, es
ist vielmehr bei der Plateau-Spannung eine gewisse Ladungsmenge
erforderlich, bis man das Plateau überwunden hat.
Infos findet man z.B. in den AN-558 von National "Introduction to Power
MOSFETs and Their Applications"
also erstmal: gate verhält sich schon wie kondensator, nur verändert
sich die kapazität mit der Uds des fet...
bsp: IRFZ46N daten-> gate-ladung bei 10v etwa 50nC , das entspricht etwa
5nF auf 10v aufladen. also treiber kann zb mit 5nf kond. als last
getestet werden.
dann aber: zum schalten muss der fet schnell angesteuert werden, da er
im bereich von 4..6v am gate im linearen verstärker-betrieb ist und
somit wie ein widerstd viel leistung verbrät.
schnell schalten zb bei 10khz pwm bedeutet: 10khz= 100us rechteck, soll
schalt/verlust-zeit < 1% sein, --> in weniger als 1us schalten!
der treiber muss also 5nf in zb 0,5us auf 10v bringen...das sind 20v/us
--> min. 100mA treiberstrom ins gate !
Zuerst trifft man eine Grobauswahl nach den wichtigsten Kriterien durch.
Danach führt man eine Optimierung anhand der Verlustleistung durch:
Pv = Pvd + Pvü + Pvg + Pva
Durchlassverluste: Pvd = Id^2 x Rds(on) x D
Übergangsverluste (An->Aus, Aus->An):
Pvü = 1/2 x Uds x Id x fs x (tr + tf)
Gateladeverluste: Pvg = Qg x Ugs x fs
Ladeverluste im Ausgangskreis (Millerkapazität...):
Pva = 1/2 Coss x Uds^2 x fs
Id: Drainstrom
Uds: Drain-Source-Spannung
fs: Schaltfrequenz
tr: Risetime
tf: Falltime
Qg: Komplette Gateladung nicht zu verwechseln mit Qgs!
Ugs: Gate-Source-Spannung
Coss: Ausgangskapazität
Mit einem Excel-Sheet kann man sich das Leben einfacher machen und die
verschiedenen Transistoren dann vergleichen.
Den mit der geringsten Verlustleistung würde ich dann nehmen.
Erstmal danke für die vielen Antworten.
@ winfried: hab mir das PDF mal gezogen, leider ist mein Englisch nicht
das beste.
@ Düsentrieb: Nach deinem Ansatz ist also Formel 2 somit die richtige,
bzw. die Gateladung ist entscheidend und nicht die Eingangskapazität.
@Mandrake: Danke das ist echt super. Damit kann man sich die Auswahl
echt erleichtern, doch meißt hat man einen Mosfet ja eh schon zuhause.
Wie würdest du den min IG für einen vorhandenen Mosfet berechnen um z.B.
zu entscheiden ob ein Treiber nötig ist? Nehmen wir mal die angaben von
oben:
Mosfet: IRFZ46N (f des PWM=10khz/Vgs=5V/Vds=max12V):
Aus Datenblatt: Ciss bei 12Vds= ca. 1800pF
Qg bei 12Vds und 5Vgs: ca. 24nC
@ all: welche meiner beiden Versionen der ersten Rechnung ist richtig?
Ig = Ciss * Ugs / t oder Ig = Ciss * Ugs / 5Tau
Wenn jemand vielleicht so nen Link wie Winfried auf Deutsch hätte wäre
ich
auch dafür dankbar.
Wie gesagt es geht hier eher um das Verständniss.
Hallo Elenor!
Ig zu berechnen ist doch einfach. Wenn man sich die Einheiten der
einzelnen Angaben betrachtet kann man eigentlich selbst draufkommen.
Also....:
Qg is die komplette Gateladung und hat die Einheit Coulomb (richtig
geschrieben? - naja egal) 1 C = 1 As. Laut den Einheiten muss man also
nur durch einen Wert mit der Einheit Sekunde teilen und man hat den
Strom den man braucht.
Um den FET zum Durchschalten zu bringen muss man die Ladung Qg in den
FET bringen (oder auch wieder heraus - beim Ausschalten etwa). Die Frage
ist nun wie schnell soll die Ladung in das Gate geladen werden. Wenn das
in einem hundertstel deiner Schaltperiode passieren soll, wäre t= 1 us.
Das führt dann
zu dem Strom Ig = Qg / t = 10nAs / 1us = 10 mA
(nebenbei: allgemein gilt: Q=C x U)
Man sollte also auch mit der Formel Ig = Ciss x Ugs /t zum Ziel kommen
Versuchen wir es mal: Ig = 1800pf x 5V / 1us = 9mA
Ein kleiner Unterschied der durch Ablesefehler hervorgerufen wurde. Hier
würde ich den Wert nehmen der aus den am besten abzulesenden Werten
entstand. Oder den schlechtesten Wert annehmen. Hier also 10mA.
P.S: Qg habe ich etwas anders abgelesen. Ist aber auch recht schlecht zu
erkennen. Die ungefähre Gleichheit meiner Rechnungen deutet aber
daraufhin das richtig abgelesen wurde.
@ Mandrake:
Auf die selben Formeln bin ich auch gekommen, bloß habe ich für Qg 24nC
abgelesen bei 5V. Da ist der Unterschied der beiden Ergebnisse schon
größer.
Da Q= C*U müsste doch Qg = Ciss * Ugs sein oder???
Wäre bei deinen Angaben 1800pF * 5V = 9nC also ungefähr der selbe
Unterschied wie bei den mA.
Um Ablesefehler zu verringern nehmen wir mal Werte wo die Kurve am
steigen ist:
IRFZ46N (f des PWM=10khz/Vgs=12V/Vds=max12V):
Ciss bei 12Vds= ca. 1800pF
Qg bei 12Vds und 12Vgs: ca. 52nC
daher Ig = Qg / 1 uS = 52mA und Ig = 1800pF * 12V / 1uS = 21,6 mA
also ungefähr nur die hälfte.
Auch der Ansatz Qg = Ciss * Ugs = 1800pF * 12V = 21,6nC wäre nicht
korrekt.
Die Frage ist allerdings in wie weit die Bedingungen unter denen diese
Kurven aufgenommen wurden in das ganze reinspielen. Da ist mir die
Kapazitätskurve etwas suspekt (Vds = 0V z.B.). Vielleicht gilt die nur
für den Fall, dass der FET gerade durchsteuert. Ich bin bisher immer von
der Qg-Kurve ausgegangen und dabei recht gut gefahren.
Eventuell gibt es noch etwas anderes zu beachten. Irgendeine Bedingung
wann die eine und wann die andere Kurve eher zutrifft.
Man kann aber auch spekulieren:
Qg ist für die Gateladeverluste interessant. Da diese sehr gering im
Vergleich zu den ganzen anderen Verlusten ausfallen, ist der Graph
vielleicht genähert und deswegen so schön grade. Der Kapazitätsgraph
wäre da genauer.
Naja ich werde weiter so rechnen wie bisher. Aber vielleicht erleuchtet
uns ja noch jemand anderes. Ich lerne gerne dazu :-D
Mich würde die Lösung auch Interessieren!
Vielleicht sollte man nicht nur Cgs, sondern auch Cds mit in Betracht
ziehen, welche letztlich für das Plateau während des Schaltens
verantwortlich ist.
Es addiert sich dessen Ladung zur Ladung von Cgs hinzu. Immerhin muss
Cds von der zu schaltenden Spannung (MOSFET aus) umgepolt(!) werden auf
die Gatespannung wenn MOSFET ein.
Das ist jetzt nicht aus einem Buch herausgelesen, sondern das sagt mir
mein gesunder Menschenverstand.
@chrissi
Nur Ciss ist gleich Cgs + Cgd !
Also ist das schon berücksichtigt.
@all
Wenn ich mir die Kapazitäten Cgs, Cds und Cgd in das Schaltsymbol des
Mosfet
eintrage, komme ich zu folgender Überlegung:
Source an Ground!
Crss (rss = reverse, grounded source, gate shorted)
Coss (oss = output, grounded souce, gate shorted)
Ciss (iss = input, grounded source, drain shorted)
Beim Einschalten setze ich das Gate auf eine bestimmte Spannung.
Der FET schaltet durch, Cds ist gebrückt und meine zu ladende Kapazität
ist Cgs+Cgd=Ciss.
Beim Ausschalten (Gate auf Ground) schließe ich Cgs kurz. Der FET
sperrt.
Vom Drain her gesehen sind Cgd und Cds parallelgeschaltet. Coss =
Cgd+Cds
Einen Beitrag zum Gatestrom liefert jedoch nur Cgd und Cgs.
Exakt lautet dann der Gatestrom:
Fazit meiner Überlegung:
Ciss gilt im Einschaltmoment
Coss gilt im Ausschaltmoment
Weitere allgemeine Überlegungen:
Wir haben außerdem vergessen, dass eigentlich I = Q/t nicht gilt. Das
ist eine Linearisierung!
oder
Der Ladestrom in einen Kondensator ist ja nicht konstant sondern nimmt
exponentiell ab. Wir gehen in unseren Berechnungen von einem konstanten
Strom aus der abrupt ended wenn die Kapazität geladen ist. Und das ist
natürlich nicht wahr. Ergo: Wir rechnen Näherungen aus.
Ich hoffe es gibt noch einige andere Überlegungen und Korrekturen.
Wir kommen der Wahrheit langsam näher.
Hallo,
der Beitrag ist zwar älter, aber die letzte Frage würden mich doch
interessieren.
Wird der Mosfet über R geladen so ist I bei I = Q/t nicht konstant.
Ist dieser Fehler zu vernachlässigen?
Gruß
Pit
