FET mit Controller ansteuern

[Bernd (Gast)]

Hallo zusammen,

mal eine simple Frage zur MOSFET Ansteuerung:

Angenommen ich nehme einen logic level NMOSFET und einen Controller, der 
25 mA am Ausgang bringt. Und der FET hat eine Gate Kapazität von 4,8nF 
und ich möchte ihn mit 5V und 150kHz schalten. Dann komme ich 
rechnerisch auf eine Treiberleistung von
P_Treiber = 5  C  U_g^2 * f = 90mW
Das ergibt bei 5V einen mittleren Strom von 18mA. Im Mittel wäre der 
Strom also unterhalb des zulässigen Stromes am Controller Pin. Könnte 
ich das dem Controller also zumuten oder würde ich ihn damit grillen?

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Der Ausgang des MC (Push-Pull) wird im Moment des Aufladens (der 
Gatekapazität), also bei 'Push', mit einem wesentlichen höheren Strom 
konfrontiert, als er liefern kann. Ergo wird der Ladestrom einbrechen 
und den Einschaltvorgang verlangsamen. Das gleiche passiert natürlich 
beim 'Pull', wenn er die Ladung des Gate wieder aufnehmen soll.

Um den MC davor zu schützen, wird also ein Gatewiderstand nötig, der so 
bemessen ist, das du innerhalb der 'Absolute Maximum Ratings' des MC 
Pins bleibst, und zwar im 'Wort-Case', nämlich komplett entladenes oder 
aufgeladenes Gate.

Ansonsten wird er nämlich probieren, den Ladestrom aus der 
Vorsorgungsspannung zu liefern, die dabei auch einbricht. Wenn du dann 
mit einem Elko an Vcc das probierst aufzufangen, wird der Strom im 
Ausgang des MC wieder richtig hoch und evtl. schädlich.

[Stefan F. (Gast)]

> wird also ein Gatewiderstand nötig

Mit 220 Ohm Widerständen bist du auf der sicheren Seite.

Du darfst allerdings einen oder zwei Pins sogar kurzschließen, ohne dass 
der Mikrocontroller Schaden nimmt.

Entscheidend ist, dass der Kurzschluss-Strom nicht höher sein darf, als 
für die Pin-Gruppe zulässig. Die Limits stehen im Datenblatt. Bei 
geschickter Verteilung der Pins und Schaltzeiten darfst du das sogar mit 
mehr als zwei Pins machen.

Aber Achtung: Die hohen Ladeströme belasten nicht nur den Chip, sondern 
auch die Stromversorgung. Sie sollte dafür ausgelegt sein, nicht dass 
der Controller wegen Einbruch der Spannungsversorgung spontan ausfällt.

Bedenke, dass der Ladestrom so oder so sehr begrenzt ist, also die 
Schaltzeiten für deine Anwendung signifikant sind. Eventuell brauchst du 
doch einen leistungsstärkeren Treiber. Und nimm einen anderen MOSFET. 
Die "normalen" Typen (also nicht die für Logic Level) haben in der Regel 
viel weniger Gate-Kapazität.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Dem Mosfet wird das vermutlich auch nicht gefallen, da das Gate in der
kurzen Zeit gar nicht komplett umgeladen werden kann und er deswegen
nicht sauber durchschaltet.

4,8nF deutet auf einen sehr großen Mosfet hin, den du möglicherweise
deswegen ausgewählt hast, weil du Ströme im dreistelligen Ampere-Bereich
schalten möchtest. Bei solchen Strömen und der relativ hohen Schalt-
frequenz ist es aber wichtig, den Schaltvorgang sehr kurz zu halten,
sonst stirbt der Mosfet an den Schaltverlusten.

Die 4,8nF hast du wahrscheinlich dem Datenblatt entnommen. Du musst
dabei aber berücksichtigen, dass die effektive Eingangskapazität des
Mosfets auf Grund des Miller-Effekts deutlich höher werden kann, was das
Problem noch verschlimmert.

Willst du tatsächlich so hohe Ströme schalten, kommst du um einen
ordentlichen Gate-Treiber nicht herum.

[m.n. (Gast)]

Yalu X. schrieb:
> Willst du tatsächlich so hohe Ströme schalten, kommst du um einen
> ordentlichen Gate-Treiber nicht herum.

Es kommt allerdings auch auf die Schaltfrequenz an. Bei 150 kHz wird es 
für eine direkte Ansteuerstung des FETs zu eng. Bei 100 Hz hingegen kann 
man es machen.

Je nach Anwendung kann aber schon eine Kombination aus NPN- und 
PNP-Transistor (als push-pull Emitterfolger) den Strom um einen 
zweistelligen Faktor erhöhen, sofern mit Vcc = 5 V gearbeitet wird und 
dem FET ca. 4 V Pegel reichen. Anderfalls kann auch mit 
Kleinleistungs-FETs N- und P-Kanal der Strom verstärkt werden; diesmal 
allerdings als push-pull Inverter und sicheren und steilflankigen 
Logikpegeln an den Gates.

Heute wird ein guter Tag sein, um die sichere Funktion unter 
Wärmeeinwirkung zu testen ;-)