Low-Side Gatedrive / Bootstrap gegen Voltage-Drop an Shunt?

[Herkules (Gast)]

Hallo,

ich möchte in einem Arm einer Brückenschaltung sowohl ein High- als auch 
ein Low-Side MOSFET ansteuern. Dabei ist Source vom Low-Side Mosfet über 
einen Shunt zur Strommessung mit Masse verbunden.

Verwendet man einen üblichen High+Low-Side Gatetreiber ist ja High-Side 
über Bootstrapping (Diode) von Masse entkoppelt, Low-Side jedoch nicht.

D.h. der Low-Side Treiber muss die im Bild b) gezeichnete rote 
"Gate-Loop" treiben.

Ich möchte jedoch die Gate-Loop minimieren (vlg. Bild a)). Dazu ist es 
nowendig Source vom Low-Side MOSFET zum LOW-Side Treiber zurückzuführen, 
die Gateloop enhällt dann den Shunt nicht mehr.

Dazu ist eine Entkopplung der LOW-Side notwendig. Den im Bild a) 
gezeigten Treiber mit Low-Side Level Shifter gibt es jedoch in nur sehr 
wenig ICs, vor allem sind das voll integrierte Motor-Treiber / 
Pre-Treiber.


Frage:

1. Wie kann man mit einem herkömmlichen High+Low-Side Treiber die 
Beschaltung optimal wählen damit die Gate-Loop direkt von Source 
zurückgeht ohne Umweg über den Shunt?

2. Ist es dazu notwendig die Low-Side ebenfalls mit einer Bootstrap 
Schaltung zu versehen, damit diese die paar 10-100mV Shuntdifferenz 
ausgleichen kann?

Vielen Dank,
Herkukles

[Marcus (Gast)]

zu 1: Du schließt am GND-Pin des Treibers und am "unteren" Ende des 
Abblock-C nicht den Ground des Shunt an, sondern source der low side an. 
Das geht allerdings nur, wenn der Treiber kein Stromsignal vom Shunt 
benötigt, also nicht bei deinem linken Bild.

zu 2: Ist im allgemeinen nicht nötig. Der MOSFET bekommt dann eben nur 
z.B.  4.9V statt 5V an der GS-Strecke bei 100mV Spannungsabfall am 
Shunt. Die Schwellen der Eingänge verschieben sich ebenfalls um 100mV 
nach oben gegenüber Ground.

[Herkules (Gast)]

Danke schonmal, ganz fertig bin ich damit jedoch noch nicht!

Hm, dann muss aber auch die Spannungsversorgung des Low-Side Treibers 
von der Leistungsmasse entkooppelt werden!? Weil diese ist ja über einen 
Pufferkondensator vor dem Gatetreiber gepuffert, die Spannung dort 
eingeprägt. Damit das Potential über dem Shunt sich um den 
Spannungsabfall erhöhen kann muss ja auch das VCC POtential des Treiber 
höher werden. Ist dieses jedoch gegen Leistungsmasse gekoppelt wird das 
verhindert.

Weitere Ideen?

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Herkules schrieb:
> D.h. der Low-Side Treiber muss die im Bild b) gezeichnete rote
> "Gate-Loop" treiben.

Wohl eher "treiben". Zwischen Gate und Source ist eine Kapazität von 
sagen wir mal 1nF. Was juckt es den Gate-Treiber ob das andere Ende 
direkt an GND liegt oder an einer Spannung zwischen 0 und 100mV?

Klar, die effektive Gate-Source-Spannung am MOSFET wird um die Spannung 
am Shunt kleiner. Aber da die erforderliche Gatespannung ja ohnehin 
exemplarabhängig ist, sieht man da ordentlich Reserve vor.

> Ich möchte jedoch die Gate-Loop minimieren (vlg. Bild a)).

Warum, warum, warum?

> 2. Ist es dazu notwendig die Low-Side ebenfalls mit einer Bootstrap
> Schaltung zu versehen, damit diese die paar 10-100mV Shuntdifferenz
> ausgleichen kann?

Wozu das denn? Eine Bootstrap-Schaltung braucht man, um über die Grenzen 
der Betriebsspannung hinweg auszusteuern. Was willst du denn mit einer 
negativen Spannung am Gate?

Ich glaube, du siehst Probleme wo gar keine sind.


XL

[Herkules (Gast)]

>> Ich möchte jedoch die Gate-Loop minimieren (vlg. Bild a)).
>
> Warum, warum, warum?
>

Um die parasitäre Induktivität der durch die Gate-Loop aufgespannten 
Leiteschleife zu minimieren. Ist weniger EMV anfällig un außerdem können 
dadurch die Schaltzeiten/Verluste der MOSFETs reduziert werden.

Die Leiterschleife
"Gate-Treiber (+) -> MOSFET-Gate -> MOSFET->Source -> Gate-Treiber (-)"
ist erheblich platzoptimierter realisierbar als
"Gate-Treiber (+) -> MOSFET-Gate -> MOSFET->Source -> Shunt -> 
Gate-Treiber (-)"

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Herkules schrieb:
>>> Ich möchte jedoch die Gate-Loop minimieren (vlg. Bild a)).
>>
>> Warum, warum, warum?
>>
>
> Um die parasitäre Induktivität der durch die Gate-Loop aufgespannten
> Leiteschleife zu minimieren. Ist weniger EMV anfällig un außerdem können
> dadurch die Schaltzeiten/Verluste der MOSFETs reduziert werden.

Moment mal. Dir geht es allgemein um die Induktivität im Source-Kreis, 
wie hier Treiber: Besonderheiten beim Treiberaufbau dargestellt?

Nun, dieses Problem hast du ohnehin. Aber wenn du deinen Shunt hübsch 
klein hältst und Treiber, FET und Shunt dicht beieinander packst, dann 
macht der Shunt die Sache nicht wesentlich schlimmer. EMV-mäßig mußt du 
ja ohnehin die ganzen Lastkreis beachten und nicht nur das Stückchen von 
Source zum Netzteil-GND.

Und wenn du ein ganz schlechtes Gewissen hast, etwa weil dein Shunt ein 
gewendelter Drahtwiderstand ist oder die Strippen meterlang sind, dann 
kannst du ja immer noch den GND-Anschluß deines Treibers am 
Source-Anschluß des unteren FET anbringen. Abblock-C über dem Treiber 
nicht vergessen!

GND des Treibers floatet dann halt einige mV über dem richtigen GND. Und 
die Schaltschwellen pendeln auch entsprechend. Und der Strombedarf des 
Treibers fließt über den Shunt.


XL

[Simon K. (simon)]

Axel Schwenke schrieb:
> GND des Treibers floatet dann halt einige mV über dem richtigen GND. Und
> die Schaltschwellen pendeln auch entsprechend. Und der Strombedarf des
> Treibers fließt über den Shunt.

Und je nach Flankensteilheit des Stroms durch den Shuntwiderstand auch 
durchaus um mehrere Volt (parasitäre Induktivität).

Ich stand auch schon mal vor solchen Problemen und hab dann einfach zu 
Gate-Treibern gegriffen, wo die Ansteuerseite getrennt ist von der 
MOSFET Seite. Zum Beispiel IR2110.

[Herkules (Gast)]

Der IR2110 trennt zwar die Ansteuerseite von der Lastseite, jedoch 
benötigt die Lastseite ja trotzdem noch eine Spannungsversorgung die mit 
einem kleinen Kondensator gepuffert wird. D.h. hier stellt sich dann 
immer noch die Frage wie dieser mit Energie versorgt wird.

Wird er "direkt" mit der Versorgungsspannung verbunden muss man sich 
entscheiden wo die Masse der Versorgungsspannung liegt, legt man diese 
zwischen Low-Side und Shunt dann ist doch eine isolierte 
Spannungsversorgung oder eben eine Diode ähnlich Bootstrap notwendig?