Projekt: MOSFET-H-Brücke - Wer kann weiterhelfen?

[Powell]

Hallo Zusammen.

Es geht um folgendes: Für eine Motoransteuerung in beide Drehrichtungen möchte ich eine H-Brücke mit Mosfets realisieren um die alte Relais-H-Brücke zu ersetzen. Einen ersten Versuch habe ich schon realisiert, jedoch gehe ich davon aus dass diese Lösung sich nicht bewähren wird, weil die Mosfets pi mal daumen viel zu heiß werden. Aber eins nach dem anderen...

Der Motor wird etwa jede Sekunde für rund 150ms voll angesteuert (keine PWM). Dabei läuft er unter Last an, fährt gegen einen Anschlag und schaltet dann wieder ab. Das ist Anwendungsspezifisch so erforderlich.
Er zieht dabei etwa zwischen 30 und 50A (siehe Stromkurve im Anhang), der einfachheit halber sollte man für nachfolgende Berechnungen mal von einem Dauerstrom von 60 A für 150ms ausgehen.

Für die H-Brücke habe ich den IRF4905 als P-Kanal-FET verwendet, und den IRF1404 als N-Kanal.
Angesteuert werden die FETs durch einen Optokoppler ILD74 der einen Gatestrom von ca. 5mA liefert. Da ich keine PWM anwende, habe ich die Umladung der Gates als nicht so kritisch erachtet, was ich mittlerweile allerdings etwas in Frage stelle.

Ich möchte es jetzt aber genau wissen: Wie kann ich den benötigten Gatestrom berechnen damit ich weiß, nach z.B. 1ms ist das Gate komplett geladen. Und des weiteren: Wie kann ich berechnen wieviel Verlustleistung während der Umladungszeit an meinem FET abfällt?
Habe ich diese Verlustleistung, kann ich zusammen mit der Verlustleistung während meiner Ansteuerungsphase (P=ID²*RDSon - richtig?) die Gesamtverlustleistung während eines Schaltvorgangs errechnen. Multipliziert mit dem Verhältnis Ansteuerung/Pause von 0,15sec/1sec=0,15 erhalte ich dann die mittlere Verlustleistung für den jeweiligen FET.
So weit so gut, jetzt habe ich aber weiterhin Null Ahnung wieviel Verlustleistung so ein FET verkraftet. Das würde ich also auch gerne berechnen können... wie geht das? (sehr gerne schritt für schritt in allgemeingehaltenen Formeln... )

Kommen wir jetzt noch mal zur Treiberstufe zurück: Wie gesagt, ich hatte einen Optokoppler, aber denke dass die Gateumladung damit viel zu langsam von statten geht und der FET sich unnötig erwärmt. Ich gehe mal davon aus dass ich also irgendwas Transistormäßiges brauche. Ich würde dafür sehr gerne auch wieder etwas integriertes in einem DIP Gehäuse verwenden. Kann mir jemand sagen wie sich soetwas nennt wo 4 oder mehr Transistoren mit einem ausreichenden Strom in einem Gehäuse unterkommen?
Sehr gut wäre wenn das ganze auch noch per Logic Level angesteuert werden kann und ich keinen Basisvorwiderstand mehr brauche.

Ok soweit, mehr fällt mir für den Moment nicht ein, ich hoffe ich bekomme viele hilfreiche Tips von euch.

Grüße Paul

[shaun]

Wenn Du davon ausgehst, dass die 60A fliessen, während die Uds während des Ansteuerns "langsam" von Ub auf ca. 0V abfällt, hast Du ein Dreieck der Höhe Ub und der Breite 1ms (Deine Annahme!), während dieser Zeit fällt im Mittel also die Hälfte der Betriebsspannung ab. Entweder Du nimmst wie gesagt den Strom über die gesamte Zeit als Maximal an, oder Du berücksichtigst den Kupferwiderstand des Motors und bekommst so eine kleinere Verlustleistung. Um eine Obergrenze abzuschätzen würde ich 0,001*Ub/2*60A ansetzen. Wenn der Strom wirklich linear mit der Spannung steigt, also nur der ohmsche Anteil wirkt, halt 0,001*Ub/2*30A. Bei Ub=24V wären das dann 0,72 resp. 0,36W, welche Versorgungsspannung Du wirklich hast, hast Du ja leider veschwiegen.
Bei einem Strom von 5mA lädt sich die kanpp 6nF Gatekapazität des IRF1404 (wenn nur der angesteuert wird) pro us um ca. 0,8V auf, die ca. 2,5V zwischen Threshold und dem Vgs-Wert für 60A werden also in 4us erreicht. Für eine PWM mit einigen kHz viel zu viel, für Deine Anwendung vielleicht nicht wirklich schlimm, unter der angenommenen ms bist Du allemal.
Wie sieht Deine Schaltung denn etwa aus? Doch nicht etwa die gruselige Kurzschluss-Brücke aus RN Wissen oder?

[Powell]

Hi shaun,

nein, die Kurzschluss-Brücke habe ich bewusst nicht verwendet. ;) Bei mir haben die P-FET-Gates einen 1K Pullup auf +12V (<- Betriebsspannung) und die N-FET-Gates einen 1K Pulldown auf GND. Beim Einschaltvorgang wird immer ein Optokopplerpaar gleichzeitig durchgeschaltet, welches den zugehörigen N-FET auf High und den P-FET auf Low zieht.

Ok, die Vermutung mit der zu langsamen Gate-Umladung hat sich also nicht bestätigt. Vielmehr habe ich soeben festgestellt dass die Gate-Spannung zu niedrig war: Der Optokoppler-Ausgang hat zusammen mit dem 1K Pullup bzw. Pulldown einen nicht zu vernachlässigenden Spannungsteiler erzeugt, wonach am Gate etwa 4V zur Betriebsspannung gefehlt haben. Ein kleinerer Emittervorwiderstand am OK-Eingang konnte abhelfen.

Was mir jetzt immer noch fehlt ist die Berechnungsgrundlage für die maximal zulässige Verlustleistung (-> erwärmung auf X °C) an einem Mosfet. Wie kann man sowas errechnen?

[shaun]

4V ist wirklich mehr als grenzwertig, da begrenzt der MOSFET den Drainstrom. Linearen Betrieb wollen wir ja nicht, also höhere Gatespannung. Du steuerst die MOSFETs also über Kreuz gleichzeitig und verhinderst Querleitung dadurch, dass Du die Optokoppler korrekt steuerst?
Die Erwärmung berechnest Du über Verlustleistung und Wärmewiderstand. Ein nackter MOSFET hat einen relativ großen Rth_ja (Sperrschicht gegen Umgebung), also brauchst Du wohl einen Kühlkörper. Die Erwärmung gegenüber der Umgebungsluft ergibt sich als Produkt aus Wärmewiderstand und Verlustleistung. Beispiel: Du verheizt 20W, willst eine Kühlkörpertemperatur von 85°C bei 25°C Raumtemperatur nicht überschreiten-> 85°C-25°C=60K, P=20W -> Rth=60K/20W=3K/W. Der MOSFET hat zB. 0,4K/W (Rth_jc, Sperrschicht gegen Gehäuse), die Glimmerscheibe dazwischen mit Wärmeleitpaste kommt auf 0,3K/W, folglich darf der Kühlkörper maximal 2,3K/W haben.

[Powell]

Danke shaun, der Rechenweg ist mir jetzt klar geworden (ist ja eigentlich ganz einfach :))
Jetzt noch mal auf meinen Anwendungsfall bezogen: Die Leistung wird ja nicht dauerhaft verbraten, sondern nur 0,15 sec / sec. Ich habe noch mal durchgemessen: Am N-FET fallen etwa 0,3V und am P-FET etwa 1,5V ab. Bei 50A entspricht das 15W bzw. 75W. Im Mittel sind das dann P*0,15=2,25W bzw. 11,25W.
In meinem Anwendungsfall habe ich eine Umgebungstemperatur von schätzungsweise 50°C. Als Grenztemperatur nehmen wir mal 100°C an (ich denke doch dass das ok ist, die FETs sind mit 175°C OT angegeben). Also habe ich 50K/2,25W=22,22K/W bzw. 50K/11,25W=4,44K/W nötig.

Bei der Sachlage würde ich sagen ich schalte 2 P-FETs parallel, dann käme ich auf nur 18,75W Verlust pro P-FET, entsprechend 2,8W im Mittel. Damit könnte ich dann die Kühlkörper für alle FETs gleich dimensionieren (ca. 20K/W). Sehe ich das richtig?

[Robotronix]

warum statt P-kanal nicht den BTS555 (mit unter 5mOhm RDSon)?
Robotronix

[shaun]

Du kannst auch die Leistungen zusammenzählen (aber richtig, wenn zB in einer Sekunde das eine Pärchen 0,15s leitet, in der anderen das andere, hast Du natürlich nur einmal die Summe von P- und N-Kanal-Verlusten mal Tastgrad) und isoliert auf einen Kühlkörper packen. 1,5V bei 50A sind 30mOhm, das ist ja recht gut für einen P-Kanal, aber natürlcih Grütze für 50A. Bei diesen Strömen würde ich dann ja doch N-Kanal nehmen und einen Brückentreiber mit Ladungspumpe, um die quasistatischen Schaltzeiten zu ermöglichen. Oder halt parallel schalten. Aber doch lieber N-Kanal :)

[Powell]

Hi,

@Robotronix: Der BTS555 ist ja wirklich ein feines Teil, prinzipiell genau das was ich suche mit allem schnickschnack schon integriert... allerdings kriege ich ein paar Sorgenfalten wenn ich den Preis sehe... ich brauch 2 für ne H-Brücke, das macht dann satte 15€... also da muss ich noch mal ganz stark drüber nachdenken....

@shaun: ich habe schon mal einen Versuch mit dem IR2101 gestartet, allerdings hab ich es nicht zum laufen bekommen. Was brauch ich denn da noch an Peripherie? Wie betreibt man diesen High-Side Treiber? Was muss ich an welchen Pin anschließen? Bei mir hat es am ende der IR2101 gebraten und ich hab gefrustet entschieden lieber P-FETS zu nehmen... ich hätt aber noch einen 2101 rumliegen...

[shaun]

Die Schaltung für den 2101 ist auf der ersten Seite des Datenblattes zu sehen, nur die beiden "To load"-Leitungen gehören natürlich zusammen und bilden einen Ausgang der Brücke.
Wichtig ist eigentlich nur, dass die Ub fürs IC zwischen 10-20V liegt und vor allem, dass der untere MOSFET regelmäßig leitend wird, denn darüber wird der Kondensator aufgeladen, der dann das Gate des Oberen füttert. Das scheint mir bei Deiner Schaltung problematisch bis unmöglich. Ich würde eher einen HIP408x vorschlagen, das ist ein Vollbrückentreiber, der eine integrierte Ladungspumpe hat, die den Kondensator immer schön auf Pegel hält. Ob der allerdings für Deine Versorgungsspannung in Frage kommt, musst Du Dir selbst beantworten.