MosFET Endstufe aus N-Channel oder P & N?

[the_Ghost666]

Ich habe eine Frage bezüglich Mosfets. Ich möchte eine Endstufe für einen brushless Motor aufbauen. Dabei überlege ich gerade, was es mit der Verwendung von P- und N-Channel Mosfets auf sich hat. Ich hab das so im Sinn, dass es nem Mosfet egal ist, ob er von Drain nach Source oder umgekehrt durchflossen wird. Die Endstufe soll nach Ground oder Vcc durchschalten und wird von einem µC gesteuert. Kann ich nicht mit dem gleichen Effekt 2 N-Channel aneinander schalten, statt einen P und einen N?
Die N-Channel haben ja im allgemeinen einen besseren Widerstandswert, wenn sie durchgeschaltet sind und ich finde auch mehr N-Typen bei Reichelt.
Und gibt es irgendwelche Standardmaßnahmen um zuverhindern, dass beide Mosfets angesteuert sind, ausser einen Logikbaustein? Es geht mir hauptsächlich um die Resetphase des µC.

[Volker-01]

Guck dich mal bei www.irf.com um. Da gibt es z.B. den IR2104 und viele viele andere.

Gruß, Volker

[klmu]

Hallo the_Ghost666!
Habe zufällig gerade Deine Frage gelesen. Ich selber beschäftige mich zur Zeit erst nur "theoretisch" mit dem Thema MOSFET-Motoransteuerung. Bitte mit anderen Antworten, vor allem von "Praktikern" vergleichen.

1. Zur Frage nach der Stromrichtung verstehe ich soviel von MOSFETs:
Der Kanal zwischen Drain und Source wird dann durchgeschaltet (egal welche Stromrichtung), wenn beim N-MOSFET die Spannung am Gate gegenüber dem Source! positiv ist (ca. 5-10V). Weiß nicht ob es umgekehrt gegenüber dem Drain klappt. Übrigens ist dann bei einem "umgedrehten" N-MOSFET die Freilaufdiode leitend!
2. Du möchtest die MOSFETs mit einem Controller ansteuern.
-> das geht solange gut, bis die Ansteuer-Taktfrequenz eher im kHz-Bereich liegt. Dann fallen die Um-Ladeströme fürs Gate ins Gewicht!
Vorschlag: MOSFET-Treiber benutzen (für Hi + Lo / Halbbrücke / Brücke) gibts auch bei Reichelt (IRLxxx oder ähnlich) - kosten dann leider noch extra was (ca 2-6€). Bei einer PWM-MOSFET-Ansteuerung habe mich nach weiteren Informationen selber vom Traum einer ganz preisgünstigen Lösung verabschieden müssen :-(

3. Um zu verhindern, daß bei einem Reset beide MOSFETs durchschalten, könnte man bei Verwendung von MOSFET-Treibern Pulldown-Widerstände an dessen Eingänge legen. Controller hat da hoffentlich hochohmige Ausgänge während des Resets.
Hoffe Dir etwas weitergeholfen zu haben.
PS: bin nur ca. 1*wöchentlich im Internet-Cafe (betrifft Nachfragen an mich)

[wawa]

@klmu
zu 1. ) absolut JA, auch mit der Freilaufdiode
zu 2.) dazu spaeter
zu 3.) leider hat nicht jeder controller hochohmige Eingaenge :-((
das Problem bei den N-Kanal oben ist die erforderliche Gate-Source Spannung. da dein Motor ja gegen Masse haengt, musst du eine Spannung erzeugen die um den benoetigten Teil HOEHER ist. die Bausteine gibt es meines Erachtens. ich betreibe oben einen P-Kanal den ich ueber einen 1kohm an der Motorspannung haengen habe und schalte das Gate mit einem Bipolaren gegen Masse. der Bipolare hat einen Pull-down und ist so gesperrt. bei den unteren N-Kanal gehe ich mit einem 4050 ( Buffer ) auf das Gate. der Eingang des Buffers hat auch einen Pull-down und ist so AUS. den PWM Takt gebe ich nur auf die N-Kanal, mit den oberen P-Kanal schalte ich die Richtung.
Geist-666, ich hoffe das hilft dir ein wenig

[the_Ghost666]

Ich habe mal weitergebaut und mich etwas umgeschaut. Das Resultat hab ich in LTSpice, einem kostenlosen Simulationprogramm von Linear Technology aufgebaut und getestet, und zwar mit Bauteilen, die ich bei Reichelt bekomme.
Als N-Kanal fürs Schalten gegen GND habe ich einen IRL540NS genommen, der über 100ohm an den µC kommt und mit 18k gegen Masse runtergezogen wird, sodass im Ruhezustand der N-Kanal sperrt.
Den P-Kanal (IRF5210S) ziehe ich mittels BC818 (NPN Transistor) gegen Masse, ansonsten hält ein 470Ohm Widerstand zwischen Gate und Source, welche an der Akkuspannung liegt, den P-Kanal gesperrt. Der BC818 hat natürlich noch 4.7k als Vorwiderstand zur Basis.
Nach der Simulation kann ich damit per 5V am Eingang und ner Anstiegs/Abfall-Zeit von 100ns bis zu 16A bei 7.2V oder 11.1V in jede Richtung schalten (also in einer H-Brücke). Dabei sehen die Anstiegsflanken schön steil aus, sodass ich hoffe, dass die MOSFETs sich nicht zu schnell erwärmen. Indem ich jetzt einen Input mit einem PWM-Signal versorge, kann ich den mittleren Strom regeln.
Das ganze soll ein Selbstbau-brushless-Motor-Steller werden.
D.h. ich baue 3 halbe Brücken auf, schalte ausserdem noch zur Strommessung alle N-Kanal Mosfets auf einen Shunt und dann an die Akku-Klemme.
Als thermische Leistung (P=I²*R) komme ich auf 16²A²*0,2Ohm= 51,2W (ich denke die Mosfets werden gemeinsam rund 100mOhm haben+Shunt), was mir irgendwie zu denken gibt... das wäre im Kurzschlussfall, es soll nur bis 10, 12 A gehen.

[sigo]

Hi Ghost, schau dir für die Kurzschlusstrombegrenzung mal den L6506 an..
Das was da drin ist, kann man auch aus anderen Bauteilen nachbauen (im wesentlichen NE555 und kOmparator(en).

Gruß Sigo

[klmu]

Anscheinend hat der IRL540NS einen Logik-kompatiblen Gate-Eingang: bei 4V Gate-Source und >7V Drain-Source sind fast 30A (Puls) möglich!

@the_Ghost666: Wie soll man Deine letzte Aussage verstehen? (...im Kurzschlussfall...)
Meinst Du die Verlustleistung der 3-Phasen-Brücke (mit Shunt) oder den Strom, der im Fehlerfall (Fehlansteuerung) fließt?
Laut Datenblatt hat der IRL540NS ca. 65mOhm und der IRF5210S ca. 60mOhm -> bei 16A (pro Phase) sind das ca. 32Watt zusammen.
Die beiden MOSFETs vertragen nur je ca. 3,8W(ohne Kühlkörper).
Eventuell müßtest Du MOSFETs mit niedrigerem Widerstand nehmen...

Falls es doch noch interessiert: Ich habe als Anhang paar Datenblätter zu MOSFET-Treibern (Preise im Datennamen aus Reichelt)

[the_Ghost666]

Moin!

Zu den Treiberstufen, ich würde am liebsten drauf verzichten, erstens Aufgrund der Baugröße und Verfügbarkeit. Der Preis ist nicht wirklich interessant, da die Mosfets selber schon ~1€ kosten.
Ich habe die Mosfets so ausgewählt, wie sie bei Reichelt zu bekommen sind. Ich will alle im D²Pak, damit ich sie auf ne kleine SMD-Platine bekomme. Reichelt hat halt nicht die größte Auswahl, aber ich brauche keine Versandkosten zu zahlen, ist nur 10min von meiner FH weg und wir bestellen auch von der Hochschule aus fast täglich.
Bessere Mosfets ständen auch auf meiner Wunschliste, jeder hat fast 16W Verlustleistung bei 16A, mit nem Rdson von 5mOhm wären das keine 3W mehr. Allerdings kosten die dann beträchtlich mehr, ich will keine 10€/Stück zahlen, nur weil ich bei Farnell unbedingt das D²Pak will. Wenn jemand da eine Idee hat..

Das soll eine Treiberstufe für brushless Motoren im Modellbau werden, dh ich hab ausserdem die Kriterien Gewicht und Abmaße. Die Leiterbahnbreite macht mir da schon genug Kopfschmerzen wegen der hohen Ströme.
Ich hab mir einiges bei Mikrokopter.de abgeschaut. Die benutzen für Spitzenströme bis 10A den IRFR1205 und IRFR5305. Dabei liegen die Rdson für 10V bei 27mOhm und 65mOhm. Und diese Mosfets haben nur ein D-Pak Gehäuse, sind also kleiner und schaffen nur 1,5W.
Wie funktioniert das? Ok, bei 10A komme ich bei 65mOhm auch nur auf 6,5W Verlustleistung, meine D²Pak schaffen 3,8W. Der Rest wird bei den Mikrokoptern dann durch den Luftstrom der Rotoren weggeblasen. Ausserdem gibts ne große Fläche Kupfer an den Mosfets.
Im Modellbau gibts speziell für Hubschrauber brushless Regler, die 80A wegdrücken können, wie schaffen die das. Ich werd immer ein bischen voreilig, "ach, 4A statt 2A, mach ich halt die Kühlfläche doppelt so groß.." und vergesse, dass dabei die 4fache Verlustleistung entsteht.

[avion23]

Hi ghost,
gerade wenn es mobil sein soll, musst du die Verlustleistung gering halten. Was du mit den mosfets aufgrund von fehlenden Treibern verheizt muss dein Akku liefern --> mehr Gewicht & Volumen.

Zu den Leiterbahnen: Achte mal auf die Schaltungen, oft wird der Strom überhaupt nicht über die Platine gelegt. Z.B. wird ein Motoranschluss direkt an die Kühlfläche der Mosfets (bei TO-220) gelegt. Dann dienen die breiten Anschlüsse sogar noch als Kühlfläche. Wenn etwas über die Platine gelegt wird, dann mit Entlötlitze verstärken. Dabei versucht man garnicht großartig, in die Breite zu gehen. Da hat man nicht soviel Freiheit, nach oben hin aber oft. Das ist mir bisher aufgefallen...

Zum Thema Verlustleistung an Mosfets:
Der statische Teil macht bei der Dimensionierung nicht einmal den größten Teil der Verlustleistung aus. Oft sind die Schaltverluste eben so hoch.
Bei einem Brushlesscontroller ist ein einzelner mosfet nie 100% der Zeit eingeschaltet. Jeder Strang trägt nur 1/3 der Last (3 Phasen, stimmt das wirklich?). Dazu kommt noch, dass die Dinger oft in Teilllast gefahren werden, es muss nicht immer 100% sein.