Hi,
ich bräuchte mal eure Hilfe/Meinung. Ich bin dabei einen Wechselrichter
zu bauen und möchte die IGBTs mit einer negativen Gate-Spannung
ausschalten.
Konkret gesagt:
Einschalten: V_GE = +18V
Ausschalten: V_GE = -2V
Dazu habe ich mir folgendes überlegt (siehe Schematic.png):
- Mit einem 1W DC/DC Wandler (RB-1212D) zwecks galvanischer Trennung
erhalte ich 24V.
- Mittels Zener-Dioden baue ich mir einen Spannungsteiler, 24V, Vout
(6V), 4V, 2V, 0V
- Vout (6V) kommt an den Emitter des IGBTs (siehe Topology.png)
- 4V kommen an V_EE des Treibers
- 24V kommen an V_CC des Treibers
Zum Einschalten haben wir entsprechend:
V_GE = 24V - 6V = 18V
Zum Ausschalten haben wir:
V_GE = 4V - 6V = -2V
Diese prinzipielle Herangehensweise habe ich aus einer App-Note zum
Thema Treiber für Leistungsschalter.
Soweit erstmal zum groben Aufbau.
Meine konkrete Frage an euch:
(1) Sind die Kondensatoren parallel zu den Zener-Dioden notwendig? Wenn
ja, was für Kondensatoren sind empfehlenswert?
Der Grund, weshalb ich frage, ist folgender:
Mir wurden ELKOs als Kondensatoren empfohlen zwecks
Spannungsstabilisierung bzw. Energiepufferung. Im Schaltmoment liefern
sie die nötige Energie für die Treiber bzw. das eigentliche Schalten.
Allerdings weiß ich nicht, inwiefern die wirklich notwendig sind. Denn
ich glaube zu wissen (bitte korrigiert mich, wenn ich falsch liege),
dass der 1W DC/DC Wandler ausreicht und keine Pufferung notwendig ist.
Das Gate-Charge des IGBTs beträgt laut Datenblatt 93nC. Mittels
Mit einer Schaltfrequenz von 20kHz komme ich auf eine Schaltleistung im
Treiber von 37.2mW.
Das ist nicht wirklich viel und ich wüsste nicht, inwiefern der 1W DC/DC
Wandler stark belastet wird, als dass die Spannung einbricht.
Wenn Kondensatoren parallel zu den Dioden, dann hätte ich eher
Kermamikkondensatoren gedacht, um hochfrequente Störungen zu filtern.
Deshalb meine Frage an euch:
Sind ELKOs wirklich notwendig, sind Keramikkondensatoren vorteilhaft?
Sind Kondensatoren überhaupt notwendig?
Vielen Dank.
al3ko schrieb:> Allerdings weiß ich nicht, inwiefern die wirklich notwendig sind. Denn> ich glaube zu wissen (bitte korrigiert mich, wenn ich falsch liege),> dass der 1W DC/DC Wandler ausreicht und keine Pufferung notwendig ist.
Normalerweise treibt man große MOSFETs und IGBTs durchaus mit mehreren A
um die nötige Anstiegszeit zu erreichen. Die Durchschnittsleistung ist
daher gering, entsprechend deiner Rechnung, aber für die auftretenden
Stromspitzen beim Schalten braucht man die Pufferkapazitäten.
Sicher dass die Spannungsteilung mit den Zenerdioden so funktioniert?
Was begrenzt denn den Querstrom?
Wahrscheinlich die 1W vom Netzteil?
Ich finde die herangehensweise aber durchaus komisch.
Was D7 bringen soll ist mir angesichts der Art des Treibers etwas
unklar.
Auch sind 24V für den Optokoppler ganz schön nah an den 25V maximum
rating für den Optokoppler.
Als nächsten kommt, dass ich nicht weiß, was du mit -2 konkret erreichen
willst. Dein Treiber und die diode fressen die ja schon fast wieder auf.
Ich würde dem Eingangspin des Treibers auch noch einen Widrestand
(4.7-10 Ohm) spendieren, weil das bei reiner kapazitiver last auch dort
aus der Spezifikation läuft.
Woher hast du die Idee mit den -2V? Kann man das irgendwo nachlesen?
Gerhard W. schrieb:> al3ko schrieb:>> Allerdings weiß ich nicht, inwiefern die wirklich notwendig sind. Denn>> ich glaube zu wissen (bitte korrigiert mich, wenn ich falsch liege),>> dass der 1W DC/DC Wandler ausreicht und keine Pufferung notwendig ist.>> Normalerweise treibt man große MOSFETs und IGBTs durchaus mit mehreren A> um die nötige Anstiegszeit zu erreichen. Die Durchschnittsleistung ist> daher gering, entsprechend deiner Rechnung, aber für die auftretenden> Stromspitzen beim Schalten braucht man die Pufferkapazitäten.
Okay,
du hast natürlich recht. Ich habe mich auf die mittlere Leistung
bezogen. Peakströme im Gate erwarte ich zu ca. 5A.
> Sicher dass die Spannungsteilung mit den Zenerdioden so funktioniert?> Was begrenzt denn den Querstrom?
Nein, ich bin mir nicht sicher, ob das mit den Zenerdioden so
funktioniert. Ich habe mich in Sachen Spannungsteiler eingelesen und als
Alternative zu normalen Widerständen (oder sogar kapazitiven
Spannungsteiler) die Zenerdioden gefunden.
Sie seien als Spannungsteiler ideal geeignet, hieß es, da sie bei der
vorgegebenen Spannung durchbrechen und die Spannung demnach konstant
halten.
An Querströme habe ich bis dato nicht gedacht.
... schrieb:> Wahrscheinlich die 1W vom Netzteil?> Ich finde die herangehensweise aber durchaus komisch.> Was D7 bringen soll ist mir angesichts der Art des Treibers etwas> unklar.
Hi,
Ich möchte Ein- und Ausschalten des IGBTs unabhängig gestalten. Ich sehe
aber ein (ist mir vorher nicht aufgefallen), dass beide Widerstände 0Ohm
betragen.
Natürlich sollen später verschiedene Widerstände eingesetzt werden. Z.B.
10Ohm fürs Einschalten und 0Ohm fürs Ausschalten. Dafür benötige ich die
Diode.
> Auch sind 24V für den Optokoppler ganz schön nah an den 25V maximum> rating für den Optokoppler.
Ist nicht eher die Spannungsdifferenz entscheidend? 24V mit Respekt zu
4V an V_EE ergibt eine Versorgungsspannung des Optokopplers von 20V.
Oder täusche ich mich da mit meiner Annahme?
http://www.avagotech.com/pages/en/optocouplers_plastic/plastic_integrated_gate_drive_optocoupler/acpl-w345-000e/
Seite 5 des Datenblatts. Absolute maximum rating: V_CC - V_EE = 25V
> Als nächsten kommt, dass ich nicht weiß, was du mit -2 konkret erreichen> willst. Dein Treiber und die diode fressen die ja schon fast wieder auf.
Na ja, ich würde halt gerne den IGBT mit -2V ausschalten. Das hat den
Hintergrund, dass zu einem späteren Zeitpunkt anstelle des IGBTs ein SiC
MOSFET eingesetzt wird, der mit -2V und +18V geschaltet werden soll.
Dazu mehr weiter unten im Text.
> Ich würde dem Eingangspin des Treibers auch noch einen Widrestand> (4.7-10 Ohm) spendieren, weil das bei reiner kapazitiver last auch dort> aus der Spezifikation läuft.
Okay, danke. Werde ich berücksichtigen.
> Woher hast du die Idee mit den -2V? Kann man das irgendwo nachlesen?
0V ist zu nah an der Threshold Spannung (ca. 2.5V) des FETs (Habe
Bedenken, dass ich den FET durch Rauschen zwischentriggern kann), -5V
ist die absolute negative Spannung. Deshalb erachte ich -2V als eine
geeignete Mitte.
Der SiC MOSFET:
http://www.cree.com/Power/Products/1200V-SiC-MOSFET-Packaged/Packaged/CMF20120D
Gerhard W. schrieb:> Die "Topologie" ist eigentlich auch nicht ganz verständlich. Wo> kommt> der mit "Source" bezeichnete Anschluss hin?
Ich hoffe, dass ich dich richtig verstehe.
Der mit Source bezeichnete Anschluss kommt an das Gate des IGBTs.
Der Treiber ZXGD3003E6 hat zwei separate Pins für Source und Sink.
Siehe Seite 1 des Datenblatts.
http://www.diodes.com/datasheets/ZXGD3003E6.pdf
Oder missverstehe ich deine Frage?
Hmm, ich meine, wie das Wechselrichten mit dieser Anordnung
funktioniert, wo ist die AC-Last angeschlossen? Woran liegt der Emitter
des unteren IGBTs (Da ist ein kleines Potentialzeichen unter dem
"Source" steht). Ist das tatsächlich mit der DC- Rail verbunden? Was
kommt an die rechten 2 Anschlüsse?
Gerhard W. schrieb:> Hmm, ich meine, wie das Wechselrichten mit dieser Anordnung> funktioniert, wo ist die AC-Last angeschlossen?
Die AC Last ist an Vout und M angeschlossen. Es ist eine Mittelpunkt
Topologie.
> Woran liegt der Emitter> des unteren IGBTs (Da ist ein kleines Potentialzeichen unter dem> "Source" steht).
An einem Shunt Widerstand zwecks Strommessung.
> Ist das tatsächlich mit der DC- Rail verbunden? Was> kommt an die rechten 2 Anschlüsse?
Im Prinzip ja. Der Shunt Widerstand beträgt nur wenige mOhm. Ergo ist
der Emitter des IGBTs quasi mit DC- Rail verbunden.
Aber ist das alles wirklich notwendig für meine eigentliche
Ausgangsfrage? :D
Ich würde mich freuen, wenn wir uns dem Spannungsteiler annehmen können.
Sehr gerne können wir, wenn wir die Sache mit dem Spannungsteiler
geklärt haben, weiter über den Rest unterhalten.
al3ko -.- schrieb:> Ich würde mich freuen, wenn wir uns dem Spannungsteiler annehmen können.> Sehr gerne können wir, wenn wir die Sache mit dem Spannungsteiler> geklärt haben, weiter über den Rest unterhalten.
O.K. dann nur mal der Spannungsteiler:
Die Diode D3 sollte durch einen Widerstand "Rx" ersetzt werden, denn der
DC/DC-Wandler liefert ja schon stabile 24V. Der Widerstand muß so klein
sein, dass die Dioden sicher in ihren Z-Bereich kommen (steht im
Datenblatt der Z-Dioden) und dass bei Maximalstrom über die drei
Spannungsausgänge (2V, 4V und 6V) nicht so viel Spannung an ihm abfällt
dass die 6V unterschritten werden. Je kleiner der Widerstand um so höher
die Verluste an ihm und den Dioden aber auch und um so stabiler sind die
drei Spannungen.
Die Kondensatoren sind für die reine (statische) Stabilisierung der
Spannung gar nicht nötig. Auch ohne Kondensatoren stellen sich die
gewünschten Spannungen ein. Aber da die drei Spannungen ohne
Kondensatoren nur einen Innenwiderstand in der Höhe von Rx aufweisen
würden, also viele Ohm - brauchst Du Kondensatoren, die die Energie
liefern, die für das Schalten Deiner Leistungshalbleiter gebraucht wird.
Die Kondensatoren müssen auch nicht parallel zu den Z-Dioden liegen,
sondern sollten zwischen den Abgriffen liegen, über die im Schaltmoment
Strom fließt, also wenn Strom zwischen 2V und 6V fließt, dann sollte ein
Kondensator zwischen diesen beiden Spannungen liegen und nicht alle in
Reihe so wie jetzt. Die minimal nötige Kapazität hängt davon ab, wie
viel Ladung in die Leistungshalbleiter verschoben werden muß und um wie
viel die Spannung dabei einbrechen darf. Je größer die Kapazität desto
geringer der Spannungsabfall. Keramische Kondensatoren sind hier
vermutlich optimal, da niedriger Innenwiderstand.
Gruß,
Bernd
al3ko -.- schrieb:> Aber ist das alles wirklich notwendig für meine eigentliche> Ausgangsfrage? :D
Ein bisschen, und man ist ja auch hier um sich zu unterhalten ;-).
Naja, da ja kaum Leistung im Spiel ist und Ströme auch in beide
Richtungen durch die 2/4/6V Anzapfungen fließen kann man das schon so
machen. Beim Umschalten müssen Kondensatoren beinahe die gesamten Ströme
zum Umladen des Gates liefern bzw aufnehmen. Am 1µF Kondensator ändern
100nC die Spannung 100mV, am 10µF Kondensator nur mehr 10mV, die
Kapazitäten sollten daher imho im Bereich 1-10µF liegen. Da es ja nur 2V
je Anzapfung sind, sollten 10µF/6.3V gut genug sein, die sind als X7R
Chipkondensator sehr handlich.
D3 würde ich durch einen Widerstand ersetzen, der einen definierten
Querstrom fließen lässt. C5 könnte man sich schenken, C9 erledigt dessen
Aufgabe eigentlich schon und ist nahe am Treiber IC gut aufgehoben. Der
Wert von 1µF passt nach obiger Überlegung auch gut.
Zenerdioden für diese kleinen Spannungen sind eher schlecht, Datenblatt
befragen, vielleicht sind 3 Si-Dioden in Serie sogar besser. Wenn es
genau sein soll, kann man evtl Shuntregler wie TL431 verwenden, dann
muss man aber beachten dass die Parallelkapazitäten in den
Stabilitätsgrenzen des Reglers liegen.
Bernd O. schrieb:> Die Kondensatoren müssen auch nicht parallel zu den Z-Dioden liegen,> sondern sollten zwischen den Abgriffen liegen, über die im Schaltmoment> Strom fließt, also wenn Strom zwischen 2V und 6V fließt, dann sollte ein> Kondensator zwischen diesen beiden Spannungen liegen und nicht alle in> Reihe so wie jetzt.
Guter Punkt, und auch wenn das sicher schon bekannt ist muss man betonen
dass die Kondensatoren über die diese Ströme fließen aufgrund der großen
Änderungsraten des Stromes nahe an den Treiber, und der wieder nahe an
den MOSFET/IGBT gehören. Da können die Leitungen von den Zenerdioden zu
den Kondensatoren ruhig etwas länger sein. In diesem Fall fließt beim
Einschalten der Strom durch C9 und C6, beim Ausschalten nur durch C6. C6
und C9 sind also die wichtigen Kondensatoren und müssen nahe an den
Treiber.
Hi,
ich habe mir die Dioden TZS4679 und TZS4705 herausgesucht. Beide sind in
einem Datenblatt untergebracht:
http://www.vishay.com/docs/85613/tzs4678.pdfBernd O. schrieb:> Die Diode D3 sollte durch einen Widerstand "Rx" ersetzt werden, denn der> DC/DC-Wandler liefert ja schon stabile 24V. Der Widerstand muß so klein> sein, dass die Dioden sicher in ihren Z-Bereich kommen (steht im> Datenblatt der Z-Dioden) und dass bei Maximalstrom über die drei> Spannungsausgänge (2V, 4V und 6V) nicht so viel Spannung an ihm abfällt> dass die 6V unterschritten werden. Je kleiner der Widerstand um so höher> die Verluste an ihm und den Dioden aber auch und um so stabiler sind die> drei Spannungen.
hmm, ich hoffe mal, dass ich das richtig umgesetzt habe:
Laut Datenblatt bezieht sich die Zenerspannung auf einen Strom von 50uA.
Die Spannungsänderung ist bis 100uA angegeben.
Am Widerstand Rx sollen 18V abfallen (24V-6V).
Rx = 18V/100uA = 180 kOhm.
Mit 100uA habe ich folgende statische Verluste:
P_Rx = 100uA*18V = 1,8mW
P_D4 = 100uA*2V = 200uW
P_D5 = 100uA*2V = 200uW
P_D6 = 100uA*2V = 200uW
P_total = 2,4mW
Stimmt ihr mit meinen Überlegungen überein?
> Die Kondensatoren sind für die reine (statische) Stabilisierung der> Spannung gar nicht nötig. Auch ohne Kondensatoren stellen sich die> gewünschten Spannungen ein.> Aber da die drei Spannungen ohne> Kondensatoren nur einen Innenwiderstand in der Höhe von Rx aufweisen> würden, also viele Ohm - brauchst Du Kondensatoren, die die Energie> liefern, die für das Schalten Deiner Leistungshalbleiter gebraucht wird.
Okay, ergibt Sinn
> Die Kondensatoren müssen auch nicht parallel zu den Z-Dioden liegen,> sondern sollten zwischen den Abgriffen liegen, über die im Schaltmoment> Strom fließt, also wenn Strom zwischen 2V und 6V fließt, dann sollte ein> Kondensator zwischen diesen beiden Spannungen liegen und nicht alle in> Reihe so wie jetzt.
Hmm,
nicht sicher, ob ich dich richtig verstehe. Das heißt also, dass nicht
pro Diode ein Kondensator parallel zu sein braucht. Vout (6V) kommt an
den Emitter des IGBTs. Der Treiber schaltet zwischen 24V und 4V, ergo
haben wir Stromflüsse, wie sie im Anhang zu sehen sind. Wichtig sind
m.M.n. die Kondensatoren C5 und C6 im Schaltmoment.
> Die minimal nötige Kapazität hängt davon ab, wie> viel Ladung in die Leistungshalbleiter verschoben werden muß und um wie> viel die Spannung dabei einbrechen darf. Je größer die Kapazität desto> geringer der Spannungsabfall. Keramische Kondensatoren sind hier> vermutlich optimal, da niedriger Innenwiderstand.
Ich habe die Kondensatoregrößen C5 und C6 über eine Energiebilanz
ermittelt und kam auf ~25nF und ~150nF.
Der Ansatz mit
C*U = Q
ist mir gar nicht in den Sinn gekommen, gefällt mir aber, weil er so
schön einfach ist.
Wie oben erwähnt, müssen knapp 100nC in den IGBT verschoben werden. Wenn
ich 10mV als Spannungseinbruch definiere, ergibt das die 10uF, wie von
Gerhard beschrieben.
Wenn ich so über euren Input nachdenke und angenommen ich habe eure
Anregungen richtig verstanden/umgesetzt, könnte der Spannungsteiler
nicht auch so aufgebaut werden?
Gerhard W. schrieb:> Bernd O. schrieb:>> Die Kondensatoren müssen auch nicht parallel zu den Z-Dioden liegen,>> sondern sollten zwischen den Abgriffen liegen, über die im Schaltmoment>> Strom fließt, also wenn Strom zwischen 2V und 6V fließt, dann sollte ein>> Kondensator zwischen diesen beiden Spannungen liegen und nicht alle in>> Reihe so wie jetzt.>> Guter Punkt, und auch wenn das sicher schon bekannt ist muss man betonen> dass die Kondensatoren über die diese Ströme fließen aufgrund der großen> Änderungsraten des Stromes nahe an den Treiber, und der wieder nahe an> den MOSFET/IGBT gehören. Da können die Leitungen von den Zenerdioden zu> den Kondensatoren ruhig etwas länger sein. In diesem Fall fließt beim> Einschalten der Strom durch C9 und C6, beim Ausschalten nur durch C6. C6> und C9 sind also die wichtigen Kondensatoren und müssen nahe an den> Treiber.
Ich stimme dir voll und ganz zu, Gerhard.
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