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D.T.Schneiderlein(R)

22.05.2019,
08:51
 

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds? (Elektronik)

Ich experimentiere gerade mit einem N-Channel Mosfet (IPT012N08N5). Der Mosfet soll mit einer Vgs Spannung von 10V eine Vds Spannung von bis zu 70V schalten. Mir stehen dafür zunächst zwei völlig unabhängige Stromquellen zur Verfügung. Wenn ich einen Low-Side Switch aufbaue, also den Minus-Pol schalte gelingt das problemlos. Nun möchte ich aber High-Side (Plus Pol) schalten. Das gelingt nur solange Vds deutlich unter Vgs bleibt. Ansonsten wird der Mosfet sehr schnell sehr heiß.
Das selbe habe ich versucht mit einem MIC5019 (High-Side-Treiber mit Ladungspumpe) umzusetzen, habe ein ähnliches Ergebnis: Sobald sich Vds Vgs annähert wird der Mosfet sehr heiß.

Gibt es da irgendeine Möglichkeit eine höhere Spannung zu schalten? Vielleicht einen isolierten Gate Treiber?

D.T.Schneiderlein(R)

26.05.2019,
16:42

@ xy

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

» » Vielleicht finde ich ja noch einen Low-Side Treiber mit
» » Ladungspumpe, der genügend Power hat.
»
» Du hast doch die Akkuspannung zur Verfügung.

Ja, das stimmt. Ich könnte also prinzipiell mit dem uC einen Transostor schalten, der dann den Mosfet schaltet. Nur wie entlädt sich der Mosfet dann möglichst schnell, wenn der Transistor wieder aus ist? Mir fehlen einfach die Grundlagen um das korrekt umzusetzen... Wenn Du mir da noch ein wenig Hilfestellung geben könntest wäre ich sehr dankbar.

» » Ansonsten schalte ich mit 5V. Das
» » habe ich ja schon erfolgreich ausprobiert.
»
» Hat halt zufällig funktioniert. Mit der nächsten Charge MOSFETs siehts dann
» anders aus.

Ich lese das Datenblatt hier ein bisschen anders, weil zumindest in dem Diagramm ja eindeutig auch der RDSon bei 5V angegeben ist. Aber Du hast schon recht. Mit einer höheren Spannung bin ich auf der sicheren Seite.

@Michl
» Mal generell:
» Du willst eine maximae Leistung von immerhin rund 8,4kW schalten. Welche Verluste lässt du denn maximal zu?

Die maximale Leistung ist 15V*120A, denn bei 15V schalten die Mosfets ja aus. Also 1800W. Und das ist wirklich der worst-case.

» Die nach deiner Rechnung 4,32W sind etwa 5 x 10^-4 % von der Schaltleistung. Wenn du alternativ P-Kanal (mit z.B. R-DSon = 10mR) einsetzen würdest, liegen die on-
» Verluste (grob < 40W) immer noch bei unter 0,4%.

Naja, mit den N-Channel Mosfets bleibe ich bei knapp über 1W pro Mosfet und kann auf eine aufwendige Kühlung verzichten. Das macht den mechanischen Aufbau schon sehr viel einfacher.

» Du hättest aber deutlich weniger Probleme mit der Ansteuerung, d.h. schaltungtechnisch einfacher, da deutlich weniger G-Kapazitäten und daher schnellerer
» Schaltvorgang mit geringeren Schaltverlusten möglich.

Da hast Du schon recht aber der "hohe" Widerstand auf der Drain-Source-Strecke bringt dann eben wieder andere Schwierigkeiten wie die Wärmeabfuhr mit sich.

der olle Michi(R)

im Norden,
26.05.2019,
11:45
(editiert von der olle Michi
am 26.05.2019 um 12:33)


@ D.T.Schneiderlein

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

» P-Channel scheidet hier aus, weil der Widerstand (RDS) viel zu groß ist.
» Ich möchte bis zu 120A schalten. Der IPT012N08N5 hat einen RDSon von
» 1,2mOhm. Wenn ich 4 Stück parallel schalte ergibt das also einen Widerstand
» von 0,3mOhm. Bei 120A wäre der Spannungsabfall also 36mV und die
» Verlustleistung 4,32W, also 1,08W pro Mosfet. Das wäre der Idealfall :-)

Mal generell:
Du willst eine maximae Leistung von immerhin rund 8,4kW schalten. Welche Verluste lässt du denn maximal zu?
Die nach deiner Rechnung 4,32W sind etwa 5 x 10^-4 % von der Schaltleistung. Wenn du alternativ P-Kanal (mit z.B. R-DSon = 10mR) einsetzen würdest, liegen die on-Verluste (grob < 40W) immer noch bei unter 0,4%.
Du hättest aber deutlich weniger Probleme mit der Ansteuerung, d.h. schaltungtechnisch einfacher, da deutlich weniger G-Kapazitäten und daher schnellerer Schaltvorgang mit geringeren Schaltverlusten möglich.

Man kann eben nicht immer alles haben....:lookaround:

Im Übrigen habe ich schon G-Treiber gesehen, die m.W. bis zu 1A Spitzenstrom bereitstellen können. Ich denke, du MUSST im Bereich von 100ns bis ca. 1us kommen, sonst geben die FETs mögichweise Rauchsignale, weil du sie zu lange im linearen Bereich (u.U. unter Verletzung der SOA-Kriterien) fährst.

Schönen Sonntag noch
Micha

--
Grüße
Michael

xy(R)

E-Mail

25.05.2019,
16:47

@ D.T.Schneiderlein

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

» Vielleicht finde ich ja noch einen Low-Side Treiber mit
» Ladungspumpe, der genügend Power hat.

Du hast doch die Akkuspannung zur Verfügung.


» Ansonsten schalte ich mit 5V. Das
» habe ich ja schon erfolgreich ausprobiert.

Hat halt zufällig funktioniert. Mit der nächsten Charge MOSFETs siehts dann anders aus.

D.T.Schneiderlein(R)

24.05.2019,
16:47

@ xy

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

Okay, ich geb's auf und baue das Layout um. Ich glaube alles andere macht die Sache nur so kompliziert, dass ich es mit meinen rudimentären Elektronikkenntnissen nicht mehr bewältigen kann. Ich schalte also Low-Side. Vielleicht finde ich ja noch einen Low-Side Treiber mit Ladungspumpe, der genügend Power hat. Ansonsten schalte ich mit 5V. Das habe ich ja schon erfolgreich ausprobiert.

Vielen Dank nochmal an alle, die mir hier weiter geholfen haben.

xy(R)

E-Mail

24.05.2019,
15:06

@ D.T.Schneiderlein

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

» Oder meintest Du das SSR statt der Mosfets?

Ja.


» » Wenn du alle ca. 20ms ganz kurz aus- und gleich wieder einschaltest,
» dann
» » wirds erheblich einfacher.
»
» Ich dachte, das Gegenteil ist der Fall. Der Schaltvorgang ist doch genau
» das was den Mosfet belastet.

Nein, man muss ja nur schnell genug schalten.

D.T.Schneiderlein(R)

24.05.2019,
14:22

@ xy

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

» » Und dafür gibt es tatsächlich kein fertiges Bauteil? Quasi ein
» isolierter
» » Converter (kann ja auch 1:1 sein) mit integriertem An-Ausschalter?
»
» Gibts, heißt Solid State Relais (mit MOSFET-Ausgang). Der Preis wird dir
» nicht gefallen.

Kannst Du mir das erläutern? Die DC-DC Relais, die ich bisher in der Hand hatte waren eigentlich nur Mosfets mit vorgeschaltetem Optokoppler und sind meistens schon bei Strömen weit unter dem angegebenen max. Strom sehr heiß geworden (weil schlechte Mosfets verbaut waren). Wie kann ich daraus einen High-Side-Treiber basteln? Oder meintest Du das SSR statt der Mosfets?

» Ansonsten gibts High-Side-Driver satt, aber nicht für statischen Betrieb.
» Wenn du alle ca. 20ms ganz kurz aus- und gleich wieder einschaltest, dann
» wirds erheblich einfacher.

Ich dachte, das Gegenteil ist der Fall. Der Schaltvorgang ist doch genau das was den Mosfet belastet. Wenn er erst mal aufgeladen ist gibt es ja keine Schwierigkeiten mehr.
Ich habe bisher nur diesen MIC5019 ausprobiert, aber der konnte ja keine Spannung > UGS schalten - warum auch immer. Nun befürchte ich, dass das bei den anderen nicht isolierten High-Side-Treibern genauso ist.

xy(R)

E-Mail

24.05.2019,
12:19

@ D.T.Schneiderlein

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

» Und dafür gibt es tatsächlich kein fertiges Bauteil? Quasi ein isolierter
» Converter (kann ja auch 1:1 sein) mit integriertem An-Ausschalter?

Gibts, heißt Solid State Relais (mit MOSFET-Ausgang). Der Preis wird dir nicht gefallen.

Ansonsten gibts High-Side-Driver satt, aber nicht für statischen Betrieb. Wenn du alle ca. 20ms ganz kurz aus- und gleich wieder einschaltest, dann wirds erheblich einfacher.

Hartwig(R)

24.05.2019,
11:05

@ D.T.Schneiderlein

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

Hallo,
die SOA ist hier nochmal genauer beschrieben:
https://www.elektroniknet.de/elektronik/halbleiter/die-bedeutung-des-sicheren-arbeitsbereichs-137492.html
Die Gate-Kapazität ist spezifisch für den jeweiligen MOSFET-Typ und muss entsprechend schnell geladen werden.
Grüße
Hartwig

D.T.Schneiderlein(R)

24.05.2019,
11:04

@ xy

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

» Nimm einen 5V-->12V DC/DC-Wandler, 1W, natürlich isoliert. Und dazu dann
» HCPL-3020/HCPL-0302. Pufferkondensator am Koppler nicht vergessen!
»
»
» Aber der Aufwand ist ja schon erheblich. Ein Redesign mit einfachem
» Levelshifter (CD4504) und Low-Side-MOSFETs wäre wohl weniger Aufand.

Puh...das ist wirklich sehr aufwendig. Da ist die Layout Umstellung am Ende wahrscheinlich tatsächlich weniger Arbeit.

Und dafür gibt es tatsächlich kein fertiges Bauteil? Quasi ein isolierter Converter (kann ja auch 1:1 sein) mit integriertem An-Ausschalter? Die Dinger von Traco haben einen Remote Eingang aber sie brauche 10 mS zum an und ausschalten... Ich bin doch sicher nicht der einzige, der dieses Problem hat.

xy(R)

E-Mail

24.05.2019,
10:12
(editiert von xy
am 24.05.2019 um 10:29)


@ D.T.Schneiderlein

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

» » » LiFePo4 Akku
» »
» » Nennspannung?
»
» 12,8V (4S)

Also alles ganz zahm.

» » » Dann könnte ich den Mosfet direkt über
» » » die I/O Pins ansteuern. Der RDSon ist dann zwar ein kein wenig größer,
» » » sollte aber noch im Rahmen sein. Ist das vielleicht die Lösung?
» »
» » Nein, der MOSFET ist nicht für 5V Ugs spezifiziert.
» Eigentlich nicht aber wenn ich mir Diagramm 6 anschaue sollte RDSon bei 5V
» am Gate und 100A IDS immer noch unter 2mOhm bleiben. Das wäre so ja noch in
» Ordnung.

Nein, das ist nicht in Ordnung. Der Hersteller garantiert dir da gar nichts.


Nimm einen 5V-->12V DC/DC-Wandler, 1W, natürlich isoliert. Und dazu dann HCPL-3020/HCPL-0302. Pufferkondensator am Koppler nicht vergessen!


Aber der Aufwand ist ja schon erheblich. Ein Redesign mit einfachem Levelshifter (CD4504) und Low-Side-MOSFETs wäre wohl weniger Aufand.

D.T.Schneiderlein(R)

24.05.2019,
10:06

@ xy

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

» » LiFePo4 Akku
»
» Nennspannung?

12,8V (4S)

» » Dann könnte ich den Mosfet direkt über
» » die I/O Pins ansteuern. Der RDSon ist dann zwar ein kein wenig größer,
» » sollte aber noch im Rahmen sein. Ist das vielleicht die Lösung?
»
» Nein, der MOSFET ist nicht für 5V Ugs spezifiziert.
Eigentlich nicht aber wenn ich mir Diagramm 6 anschaue sollte RDSon bei 5V am Gate und 100A IDS immer noch unter 2mOhm bleiben. Das wäre so ja noch in Ordnung.

xy(R)

E-Mail

24.05.2019,
09:54

@ D.T.Schneiderlein

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

» LiFePo4 Akku

Nennspannung?


» Dann könnte ich den Mosfet direkt über
» die I/O Pins ansteuern. Der RDSon ist dann zwar ein kein wenig größer,
» sollte aber noch im Rahmen sein. Ist das vielleicht die Lösung?

Nein, der MOSFET ist nicht für 5V Ugs spezifiziert.

D.T.Schneiderlein(R)

24.05.2019,
09:38

@ xy

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

» Es wäre an der Zeit mal was über das Gesamtkonzept zu erzählen.

Da muss ich ein bisschen weiter ausholen:
Ich entwickle eine Leiterplatte die Insgesamt 10 Eingänge für Stromgeneratoren hat. Die Generatoren laden einen LiFePo4 Akku an den ein Wechselrichter angeschlossen ist. Die Ströme der 10 Eingänge werden mit Allegro Hallsensoren gemessen und über einen 32U4 ausgewertet und vie USB an eine PC-Software verschickt.. Ebenso gemessen wird der Strom zwischen Batterie und Wechselrichter und die Akku-Spannung. Der Akku dient nur zum puffern. Es ist also nicht wichtig, dass er vollständig geladen wird. Darum soll die Stromversorgung der 10 Eingänge einfach über Mosfets unterbrochen werden, wenn die Ladeschlussspannung erreicht wird und dann (mit Hysterese) wieder zugeschaltet werden, wenn die Spannung weit genug runter gegangen ist. DIe Generatoren können im Leerlauf bis zu 60V Spannung erzeugen.
Der uC wird über die Batterie über einen LM317 versorgt, wird aber via Photomos von der Batterie getrennt, wenn keine USB-Verbindung zum PC hergestellt ist (USB-Spannung schaltet den PhotoMos durch). So schaltet sich die Schaltung automatisch ein, wenn der PC eingeschaltet wird.

Nun könnte man ja am einfachsten mit den Mosfets den Minuspol schalten. Es ist aber so, das das Layout fast fertig ist, weil ursprünglich geplant war den Überspanungsschutz über einen Source Stopper zu realisieren. Wir müssten also das komplette Layout auf den Kopf stellen.

Was mir eben noch eingefallen ist: Ich könnte zwischen Akku und LM317 einen isolierten Step-Down Wandler setzen. Dann könnte ich den Mosfet direkt über die I/O Pins ansteuern. Der RDSon ist dann zwar ein kein wenig größer, sollte aber noch im Rahmen sein. Ist das vielleicht die Lösung?

xy(R)

E-Mail

24.05.2019,
08:59

@ D.T.Schneiderlein

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

Es wäre an der Zeit mal was über das Gesamtkonzept zu erzählen.

D.T.Schneiderlein(R)

24.05.2019,
08:46

@ Hartwig

High Side Beschaltung mit N-Channel Mosfet Maximalwert Vds?

» SOAR ist ein Bereich im Id/Uds Kennlinenfeld, der nicht verlassen werden
» darf. Relevant ist für Dich Diagram 3 im Datenblatt von Infineon, dort ist
» die Abhängigkeit von der Schaltgeschwindigkeit dargestellt. Wichtig ist
» also, daß die Schaltgeschwindigkeit ausreichend kurz ist, mit
» Sicherheitsmarge. Ausschlaggebend sind dafür Gate-Kapazität bzw. die
» Gate-Ladung.

Vielen Dank für die Infos. Ich habe zwar nicht so richtig Ahnung was ich da mache aber ich habe mal versucht das zu verstehen:
Aus Diagramm 3 aus dem Datenblatt des Mosfets entnehme ich dass die Schaltzeit bei 30A und 20V zwischen 100uS und 1000uS betragen darf.
Dem Datenblatt des Treibers entnehme ich, dass er bei einem Eingangsstrom von 10mA bei 1,4V einen Ausgangsstrom von 15uA bei 8,4V liefern kann. Hier bin ich mir aber sehr unsicher ob ich das Datenblatt richtig verstehe.
Ein Kondensator würde, um auf 8,4V Laden 43,68mS benötigen. Ich würde einen "Vorwiderstand" von 560kOhm verwenden. Das Gate des Mosfets wird also viel zu langsam aufgeladen!!!
Selbst wenn ich nur einen Mosfet pro Treiber verwende, würde das Aufladen 9,52ms dauern. Die Erhöhung des LED Stroms des Treibers und damit die Erhöhung des Ausgangsstroms bringt mich zwar näher an das gewünschte Ergebnis aber unter 2210uS komme ich nicht.

Die Frage ist nun: Wie mache ich weiter? Soweit ich das verstanden habe muss der Treiber isoliert sein, weil die Stromquelle für Drain-Source und Gate-Source dieselbe ist und ich trotzdem den Pluspol schalten möchte. Ich habe schon mal die Suchfunktion bei Mouser bemüht aber da gibt so unglaublich viele verschiedene Merkmale, dass ich da nicht so recht weiterkomme. Hat da vielleicht jemand Erfahrungswerte? 40mA bei 5V (1 I/O Pin) genügen eigentlich dicke um 4 Mosfets schnell genug aufzuladen. Bei 68nF und 100uS komme ich auf 6,8mA. Wenn eben nur das Problem mit der Isolierung nicht wäre...