Optimale Einschalt und Ausschaltzeit MOSFET

[Alex K. (iqliaziz)]

Guten Morgen,

ich hab gestern meinen ersten Beitrag hier geschrieben und die eure 
Antworten haben mir geholfen also vielen Dank dafür!!

das Problem von heute ist folgendes:
ich möchte ein Mosfet als HighSeide Schalter verwenden, um eine 
Induktive Last ein- und auszuschalten, (sprech Drain am Pluspol der 
Batterie angeschlossen und die Last am Source)
der Schalter wird mit einem Gatetreiber gesteuert und funktioniert super 
und schaltet in 10µs ein und in 10µs aus. Nun möchte ich wissen was ist 
die optimale Einschaltzeit damit der Schalter nicht zu heiß wird (wenig 
Verlust leistung) und optimale Ausschaltzeit damit ich große Induktive 
Spannung am Last vermeide (Uind=L*di/dt)
wie kann ich die beiden Zeiten berechnen

Danke schon mal für eure Antworten

LG Alex

[Purzel H. (hacky)]

Die kleinste Verlustleistung erreicht man mit der kuerzesten Zeit, 
allerdings auch mit dem meisten Stoerstrahlung. Fuer einmaliges Schalten 
sind 10us nicht falsch. In einem Schaltnetzteil waer's etwas lang.
Berechnen : aus Gatekapazitaet und Steuerstrom

[Alex K. (iqliaziz)]

Siebzehn Zu Fuenfzehn schrieb:
> Die kleinste Verlustleistung erreicht man mit der kuerzesten Zeit,
> allerdings auch mit dem meisten Stoerstrahlung. Fuer einmaliges Schalten
> sind 10us nicht falsch. In einem Schaltnetzteil waer's etwas lang.
> Berechnen : aus Gatekapazitaet und Steuerstrom

erstmal danke für deine Antwort.
was passiert wenn ich den Mosfet mit weniger als 10µs (z.B 1µs) einmalig 
einschalte? wird er zerstört oder nicht?

[123 (Gast)]

Alex Kai schrieb:
> Siebzehn Zu Fuenfzehn schrieb:
>> Die kleinste Verlustleistung erreicht man mit der kuerzesten Zeit,
>> allerdings auch mit dem meisten Stoerstrahlung. Fuer einmaliges Schalten
>> sind 10us nicht falsch. In einem Schaltnetzteil waer's etwas lang.
>> Berechnen : aus Gatekapazitaet und Steuerstrom
>
> erstmal danke für deine Antwort.
> was passiert wenn ich den Mosfet mit weniger als 10µs (z.B 1µs) einmalig
> einschalte? wird er zerstört oder nicht?

Du kannst den Mosfet nicht zu schnell schalten. Ein Mosfet sieht am Gate 
aus wie ein Kondensator. Je schneller du den Kondensator laden kannst, 
desto schneller schaltet dein Mosfet durch. Schneller kann man einen 
Kondensator laden, indem man mit mehr Strom oder Spannung lädt. Die 
Grenzwerte dazu stehen im Datenblatt. Damit das möglichst schnell geht 
gibt es gesonderte Mosfet-Treiber Bausteine die es verstehen das Gate 
sehr schnell umzuladen.

Idealer Weise schaltet man den Mosfet unendlich schnell. Während der 
Mosfet "umschaltet" (=entladen / laden) ist der Mosfet im sog. ohmschen 
Bereich. In diesem Bereich hat er auf der Drain-Source-Stecke einen 
recht hohen Widerstand an dem eine hohe Verlustleistung auftritt. Je 
länge diese hohe Verlustleistung (Wärme) auftritt (also je langsamer du 
schaltest) desto heißer wird der Mosfet. Wird der Mosfet zu heiß stirbt 
er. Der Mosfet hat die meisten Verluste während des Schaltens. Hat er 
fertig geschaltet ist er entweder hochohmig (aus) oder leitend (an). Im 
leitenden Zustand bezeichnet der sog. RDSon (Widerstand 
Drain-Source-Strecke im angeschalteten Zustand) den Widerstand zwischen 
Drain-Source-Strecke an dem eine gewisse Leistung abfällt P = Ids^2 * 
RDSon.

[Alex K. (iqliaziz)]

also ich weiss, dass ein Kondensator sich zwischen Gate und Source 
befindet, der aufgeladen werden muss damit der mosfet schaltet und die 
Einschaltzeit ist tau=R*C (R ist vorwiderstand von Gate)
das Problem ist flogendes:
wenn ein mosfet am schnellsten in 1µs (Grenze) eingeschaltet werden 
kann, heißt das jetzt für ihn 2µs oder 3µs oder auch 1ms etc... egal? 
oder haben ich das falsch verstanden.

mein Ziel ist die optimale Einschaltzeit rauszufinden(obere oder untere 
Grenze oder dazwischen, wie kann man so was berechnen oder rausfinden?

LG Alex

[Klaus R. (klara)]

Alex Kai schrieb:
>
> mein Ziel ist die optimale Einschaltzeit rauszufinden(obere oder untere
> Grenze oder dazwischen, wie kann man so was berechnen oder rausfinden?
>
Wenn Du ein Modell Deines MOSFET hast, dann simuliere den Schaltvorgang. 
LTSpice ist kostenlos und bestens geeignet.

Hier ein top Tutorial zu LTSpice:
http://www.gunthard-kraus.de/LTSwitcherCAD/index_LTSwitcherCAD.html

Hier der Download von LT:
http://www.linear.com/designtools/software/
mfg klaus

[Klaus R. (klara)]

Hallo,
hier noch etwas Theorie:
http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-978.pdf

Neben anderen Themen dürfte dies für Dich interessant sein.
HOW TO CALCULATE THE POWER DISSIPATION IN AN MGD
mfg klaus.

[Schlumpf (Gast)]

Alex Kai schrieb:
> wenn ein mosfet am schnellsten in 1µs (Grenze) eingeschaltet werden
> kann, heißt das jetzt für ihn 2µs oder 3µs oder auch 1ms etc... egal?

????

Alex Kai schrieb:
> oder haben ich das falsch verstanden.

Vermutlich :-)

Unter "schnell schalten" versteht man, dass der Übergang von Leiten nach 
Sperren (oder andersrum) schnell geht.
Wie oft dieser Übergang vollzogen wird, ist nicht die 
Schaltgeschwindigkeit, sondern die Schalthäufigkeit.

Wie 123 bereits erklärt hat, sind die Verluste im FET am größten während 
des Übergangs von Leitend nach Gesperrt (und andersrum).
Im gesperrten Zustand fällt die ganze Spannung am FET ab, aber es fließt 
kein Strom (also ist P = U*I = 0)
Im leitenden Zustand ist der Widerstand des FET sehr gering und damit 
fällt auch nur eine kleine Spannung am FET ab. Mit P=I²*R (und R sehr 
klein) ist auch P sehr klein.
Anders ist es zwischen den beiden Zuständen. Da hat der FET einen 
nennenswerten Widerstand. Also fällt Spannung ab und gleichtzeitig 
fließt Strom. Da sind die Verluste groß.
Daher muss man dafür sorgen, dass dieser Zustandswechsel so schnell wie 
möglich vollzogen wird.
Ein "zu schnell" gibt es da nicht.

Zur Schalthäufigkeit:
Wenn du während des Schaltvorgangs (Dauer: 10us) z.B. 10W Verluste 
erzeugst und schaltest einmal pro ms, dann "mitteln" sich diese Verluste 
über der Zeit auf 10/100W = 100mW. Du heizt also sehr kurz und lässt 
lange Zeit zum Abkühlen.
Schaltest du aber immer häufiger, dann bliebt irgendwann nicht mehr 
genug Zeit zum Abkühlen und der FET kommt ins Schwitzen.

[Achim S. (Gast)]

Hallo Alex,

erzähl uns doch bitte noch etwas mehr zu deiner induktiven Last, ob der 
Strom beim Abschalten ganz auf Null absinken soll oder ob du so etwas 
wie Freilaufdioden vorgesehen hast.

Die ganzen Betrachtungen oben sind zwar richtig, aber wenn du mit der 
von dir skizzierten Schaltung den Strom durch eine Induktivität 
abschaltest, dann muss im Normalfall der MOSFET die Energie verbraten, 
die in der Induktivität gespeichert war. Ob er das in 10ns, 1µs oder 
10µs macht ist für die mittlere Verlustleistung fast egal (bei ohmschen 
Lasten ist das anders).

Im weniger optimalen Fall zerstörst du den Gatetreiber, weil Source (und 
Gate) des FET auf stark negative Werte gehen. Ein highside-Treiber kommt 
zwar mit hohen Spannungen am Ausgang klar, aber er erwartet nicht dass 
der Ausgang durch die Last auf stark negative Werte gezogen wird.

Etwas mehr Details zu deiner Treiberschaltung und zu der induktiven Last 
und ihrer Ansteuerung wären also nicht verkehrt.