Schwingverhalten bei MOSFETs und induktive Last bei f>10kHz

[Thomas H. (Gast)]

Hallo Zusammen,
ich möchte über einen High-Side Switch eine induktive Last (R=10Ohm, 
L=20mH) über eine PWM ansteuern. Für die Ansteuerung nehme ich einen 
p-Kanal MOSFET und dieser wird über eine Treiberstufe angesteuert. Die 
Versorgungsspannung beträgt 16V. Die Ansteuerung auf die Treiberstufe 
wird mit einem Frequenzgenerator simuliert (siehe Bild „Schaltung“). Die 
Schaltung wurde auf einem Steckboard aufgebaut und getestet. Das 
Ergebnis wurde mit einem Oszi aufgenommen und im Anhang gepostet.

Problem: Bei Schaltfrequenzen größer 10 kHz fängt die Schaltung ohne 
Kondensator an zu schwingen. Wird ein Kondensator C1 mit 1uF eingebaut, 
reduzieren sich die Schwingungen.

Was ist die Ursache für dieses Verhalten bzw. für diesen Effekt? Warum 
reduziert der Kondensator das schwingverhalten? Handelt es sich hierbei 
um einen RLC-Schwingkreis? Ist das ein typischen Verhalten bei MOSFETs?

Als Alternative habe ich die Treiberstufe durch das Bauteil „MC34152“ 
ausgetauscht. Auch wurde die Schaltung mit einem zweiten MOSFET 
„IRF4905“ getestet.  Beide Alternativen haben den charakteristischen 
Signalverlaufes nicht verändert. Ich bekomme ohne Kondensator jeweils 
ein schwingendes Signal bei Frequenzen größer 10kHz.

Vielen Dank für eure Hilfe.

[Ulrich (Gast)]

Derartige Schwingungen sind nicht unüblich für eine "schnelle" Schaltung 
ohne Abblocken der Versorgungsspannung. Die Details hängen vom Netzteil 
und der Lage der Kabel ab.

[Falk B. (falk)]

@  Thomas H. (Gast)

>ich möchte über einen High-Side Switch eine induktive Last (R=10Ohm,
>L=20mH) über eine PWM ansteuern.

An sich nix Wildes.

> Für die Ansteuerung nehme ich einen
>p-Kanal MOSFET und dieser wird über eine Treiberstufe angesteuert.

Naja, so dolle ist die nicht.

> Die
>Versorgungsspannung beträgt 16V. Die Ansteuerung auf die Treiberstufe
>wird mit einem Frequenzgenerator simuliert (siehe Bild „Schaltung“). Die
>Schaltung wurde auf einem Steckboard aufgebaut und getestet. Das
>Ergebnis wurde mit einem Oszi aufgenommen und im Anhang gepostet.

>Problem: Bei Schaltfrequenzen größer 10 kHz fängt die Schaltung ohne
>Kondensator an zu schwingen.

Welcher? C1? Den braucht man nun mal, um die schnell geschalteten Ströme 
mit wenig Induktivität zur Verfügung stellen zu können.
Ausserdem ist der Effekt auch bei 1kHz schon da, man sieht ihn auch. 
Musst nur mal die Zeitauflösung hochdrehen.

>Was ist die Ursache für dieses Verhalten bzw. für diesen Effekt? Warum
>reduziert der Kondensator das schwingverhalten?

Er kann kurze Strompulse beim Umschalten bereit stellen. Ohne C1 
schwingt der Strom in deiner Ub-Leitung, die hat einige µH.

>Handelt es sich hierbei um einen RLC-Schwingkreis?

Ja.

> Ist das ein typischen Verhalten bei MOSFETs?

Jain. Das passiert überall, wo schnell und viel Strom geschaltet wird.

>Signalverlaufes nicht verändert. Ich bekomme ohne Kondensator jeweils
>ein schwingendes Signal bei Frequenzen größer 10kHz.

Ja und? Pack den Kondensator dort hin wie der Rest der Welt und gut.

MFG
Falk

P S Un du hast ein Messproblem, wharscheinlich schlechte Masseanbindung, 
dann die Schwingung ist auch auf deinem Generatorsignal drauf, das 
eigentlich damit nix zu tun hat.

[Thomas H. (Gast)]

Hallo Herr Brunner,

vielen Dank für die zahlreichen Hinweise und Tipps.

Falk Brunner schrieb:
> Naja, so dolle ist die nicht.

Was kann an der Treiberstufe verbessert werden? Gegentaktendstufe?

Falk Brunner schrieb:
> Welcher? C1? Den braucht man nun mal, um die schnell geschalteten Ströme
> mit wenig Induktivität zur Verfügung stellen zu können.
> Ausserdem ist der Effekt auch bei 1kHz schon da, man sieht ihn auch.
> Musst nur mal die Zeitauflösung hochdrehen.
Genau der Kondensator C1.

Falk Brunner schrieb:
> Er kann kurze Strompulse beim Umschalten bereit stellen. Ohne C1
> > schwingt der Strom in deiner Ub-Leitung, die hat einige µH.
Heißt das, dass nicht die Induktivtät von der Spule die Schwingungen 
verursacht, sondern die Induktivität von der Leitung?

Falk Brunner schrieb:
> Ja und? Pack den Kondensator dort hin wie der Rest der Welt und gut.
Hat mich halt gewundert, dass ich in diversen Schaltungen für die 
MOSFET-Ansteuerung, nie einen Kondensator vorgefunden habe.

Hab das jetzt auch nochmals mit einer ohmischen Last getestet und da 
tritt das verhalten auch auf, aber in leicht abgeschwächter Ausprägung.

Falk Brunner schrieb:
> P S Un du hast ein Messproblem, wharscheinlich schlechte Masseanbindung,
> dann die Schwingung ist auch auf deinem Generatorsignal drauf, das
> eigentlich damit nix zu tun hat.
Danke für den Hinweis. Kann das daran liegen, dass der gesamte Strom 
"nur" durch ein sehr dünnes Kabel geführt wird?

[Falk B. (falk)]

@  Thomas H. (Gast)

>Heißt das, dass nicht die Induktivtät von der Spule die Schwingungen
>verursacht, sondern die Induktivität von der Leitung?

Ja.

>Hat mich halt gewundert, dass ich in diversen Schaltungen für die
>MOSFET-Ansteuerung, nie einen Kondensator vorgefunden habe.

Glaub ich nicht.

>Danke für den Hinweis. Kann das daran liegen, dass der gesamte Strom
>"nur" durch ein sehr dünnes Kabel geführt wird?

Das Messproblem eher nicht, das Schwingproblem auch nicht viel. Dicker 
Querschnitt hat fast die gleiche Induktivität wie dünner. ABER! Ein sehr 
breiter, flächiger Leiter (Kupferfolie) hat deutlich weniger 
Induktivität!

MFG
Falk

[Thomas H. (Gast)]

Super, Danke nochmals. Hat mir sehr geholfen.