Bootstrap Kondensator für einen IC berechnen

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo zusammen!
Ich Arbeite gerade an einem Projekt bei dem ich den IR2010 (HIGH AND LOW SIDE DRIVER)verwenden möchte. Bei International Rectifier habe ich den Design Tip DT-98-2 gefunden (einfach googlen). Hier wird beschrieben wie der IC zu beschalten bzw. die Komponenten zu berechnen sind. Allerdings habe ich hier ein Verständnissproblem mit zwei Spannungen.

  1. V_LS sie wird als Voltage drop across the low side FET
    (or load for a high side driver) beschrieben. Was muss ich mir darunter Vorstellen? Die Spannung die am Gate-Source abfällt? Die Spannung die an Drain-Source abfällt? Oder doch etwas ganz anderes?

  2. V_Min sie wird als Minimum voltage between VB and VS also als die kleinst mögliche Spannung zwischen zwei pins beschrieben. Allerdings bin ich mir nicht sicher ob die Spannung bekannt sein kann!

Ich freue mich auf eure Hilfe und sage schon jetzt mal DANKE.

MFG Nutzi

#2
  1. V_LS sie wird als Voltage drop across the low side FET
    (or load for a high side driver) beschrieben. Was muss ich mir
    darunter Vorstellen? Die Spannung die am Gate-Source abfällt?
    Die Spannung die an Drain-Source abfällt? Oder doch etwas ganz
    anderes?

Nein, die Spannung, die über dem leitenden MOSFET abfällt - also Rds_on*Id. Du willst dahinkommen zu wissen, wie viel der Bootstrap-C sieht, während der untere MOSFET leitet, also den Spgabfall hierüber und die Flussspannung der Bootstrap-Diode von Ub des IR abziehen.

  1. V_Min sie wird als Minimum voltage between VB and VS also
    als die kleinst mögliche Spannung zwischen zwei pins
    beschrieben. Allerdings bin ich mir nicht sicher ob die
    Spannung bekannt sein kann!

Ja, die kleinste Ugs, die Du für den Highside-MOSFET zulassen willst. Während dieser leitet, entlädt sich der Bootstrap-C ja schliesslich, einmal abrupt beim Durchsteuern, wenn eine Ladungsmenge Q vom Bootstrap-C ins Gate des MOSFET gepumpt wird (Millerkapazität nicht vergessen, die muss auch umgeladen werden!) und danach dann Leckstrom durch das IC und vor allem die gesperrte Bootstrap-Diode!!!
Setze am besten die Gesamt-Gateladung des verwendeten MOSFET in Relation zur Speisespannung des IR minus die beiden Spannungsabfälle und dann mache den Bootstrap-C groß dagegen.

#3

Hallo,
danke für deine Hilfe.

  1. V_LS sie wird als Voltage drop across the low side FET
    (or load for a high side driver) beschrieben. Was muss ich mir
    darunter Vorstellen? Die Spannung die am Gate-Source abfällt?
    Die Spannung die an Drain-Source abfällt? Oder doch etwas ganz
    anderes?

Nein, die Spannung, die über dem leitenden MOSFET abfällt -
also Rds_on*Id. Du willst dahinkommen zu wissen, wie viel der
Bootstrap-C sieht, während der untere MOSFET leitet, also den
Spgabfall hierüber und die Flussspannung der Bootstrap-Diode
von Ub des IR abziehen.

OK das klingt logisch.

  1. V_Min sie wird als Minimum voltage between VB and VS also
    als die kleinst mögliche Spannung zwischen zwei pins
    beschrieben. Allerdings bin ich mir nicht sicher ob die
    Spannung bekannt sein kann!

Ja, die kleinste Ugs, die Du für den Highside-MOSFET zulassen
willst. Während dieser leitet, entlädt sich der Bootstrap-C ja
schliesslich, einmal abrupt beim Durchsteuern, wenn eine
Ladungsmenge Q vom Bootstrap-C ins Gate des MOSFET gepumpt
wird (Millerkapazität nicht vergessen, die muss auch umgeladen
werden!) und danach dann Leckstrom durch das IC und vor allem
die gesperrte Bootstrap-Diode!!!
Setze am besten die Gesamt-Gateladung des verwendeten MOSFET
in Relation zur Speisespannung des IR minus die beiden
Spannungsabfälle und dann mache den Bootstrap-C groß dagegen.

So beschreibt es ja die Formel im Design Tip von IR. Aber ist die kleinste U_GS nicht 0V oder habe ich einen Denkfehler. Ich meine damit das der MOSFET eben komplet sperrt.

Gruß
Nutzi

#4

Hallo Nutzi,

So beschreibt es ja die Formel im Design Tip von IR. Aber ist
die kleinste U_GS nicht 0V oder habe ich einen Denkfehler.

Du denkst fehl :smile:

Die ganze Geschichte mit dem Bootstrap C macht man ja nur, weil Ug höher als Vcc sein muss, damit der Hi-FET durchschaltet.
Für Ugs = 0, brauchst du keine Hilfspannung.

In diesem Fall ist das kleinst Ugs gemeint, wenn der Hi-Fet durchgeschaltet sein soll.

Der konkrete Wert hängt vom verwendeten FET, dem Laststrom und den zugelassenen Verlusten im FET ab.

MfG Peter(TOO)

#5

So ist es. Du suchst eine Spannung deutlich größer Ugs_th, guck Dir die Steuerkennlinie Id von Ugs an und entscheide selbst - wie viel Anstieg des Kanalwiderstandes während der Leitend-Phase möchtest Du hinnehmen?

#6

Hallo,

Die ganze Geschichte mit dem Bootstrap C macht man ja nur,
weil Ug höher als Vcc sein muss, damit der Hi-FET
durchschaltet.

Unter Vcc verstehe ich die Versorgungsspannung des IR2010 z.B. 12V. Ist das richtig?
Ich dachte man braucht den C. damit er ein Bezugspotenzial für den HIGE FET schafft.

Der konkrete Wert hängt vom verwendeten FET, dem Laststrom und den :zugelassenen Verlusten im FET ab.

FET: IRFP360
Laststrom: max. 20A ( kommt von der Anwendung her )

Die Verluste sollen natürlich gering gehalten werden. Allerdings bin ich hier auch mit keiner Berechnung am Start da ich nicht genau weis wie das funktioniert.

#7

Hallo,

Du suchst eine Spannung deutlich größer Ugs_th,

Sie bildet sich doch aus der „normalen“ Gate Source Spannung und der zu schaltenden Spannung ( bei mir 160V ) oder verstehe ich da schon wieder etwas falsch?

guck Dir die Steuerkennlinie Id von Ugs an und entscheide
selbst - wie viel Anstieg des Kanalwiderstandes während der
Leitend-Phase möchtest Du hinnehmen?

Ich schau auf die Kennlinie, lese U_GS = 8V be I_D = 100A => 0,08OHM Kanalwiderstand. Aber was kann ich jetzt damit anfangen?

Ich bin gerade etwas schwer von Begriff.

Gruß,
Nutzi

#8

Hallo Fragewurm,

Die ganze Geschichte mit dem Bootstrap C macht man ja nur,
weil Ug höher als Vcc sein muss, damit der Hi-FET
durchschaltet.

Unter Vcc verstehe ich die Versorgungsspannung des IR2010 z.B.
12V. Ist das richtig?

Jo, ich bezog mich auf die Schaltung deiner App-Note.

Wie deine konkrete Schaltung aussieht, weiss ich grad nicht.

Ich dachte man braucht den C. damit er ein Bezugspotenzial für
den HIGE FET schafft.

Nein, das C erspart ein zusätzliches Netzteil, bzw. Spannung.

Der Hi-FET hängt mit Drain an der positiven Spannung.
Damit der FET nun einschaltet, muss Ugs Werte im Bereich von typisch +5 bis +10V annehmen.
Damit der FET nun ganz durch steuert muss also am Gate eine 5-10V höhere Spannung anliegen als am Drain.
Aber woher nimmst du diese Spannung ?

Eine Möglichkeit wäre jetzt ein zusätzliches Netzteil, welches dir diese 10V liefert.

Da wir mit einen FET arbeiten, muss diese Hilfsspannung aber nur wenig Strom liefern. Grundsätzlich fliessen statisch nur die Leckströme und dynamisch müssen ein paar Kondensatoren umgeladen werden. Die dazu nötige Energie kann man aber relativ leicht in einem Kondensator speichern, zumindest wenn man sowieso die Last dauernd schaltet.

Der Trick funktioniert aber nicht wirklich, wenn die Last für Stunden oder Tage dauernd eingeschaltet bleibt.

Die Idee ist nun, dass wir den Kondensator fest mit Source verbinden.
Wird nun die Last mit dem Lo-FET gegen Masse geschaltet, laden wir diesen Kondensator über eine Diode auf Vcc auf, also so knapp 11V bei Vcc = 12V.
Soll nun der Hi-FET eingeschaltet werden, wird der positive Pol des Kondensators mit dem Gate verbunden. Ugs wird dann rund 10V, egal welches Potential Source hat.

Und schon kann man das Netzteil für die Hilfsspannung auf eine Diode und einen Kondensator reduzieren.

Der konkrete Wert hängt vom verwendeten FET, dem Laststrom und den :zugelassenen Verlusten im FET ab.

FET: IRFP360

IR hat die Fabrikation aber eingestellt!!

Laststrom: max. 20A ( kommt von der Anwendung her )

Die Verluste sollen natürlich gering gehalten werden.
Allerdings bin ich hier auch mit keiner Berechnung am Start da
ich nicht genau weis wie das funktioniert.

Ich beziehe mich mal auf dieses Datenblatt:
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/irf/irfp36…

In Fig1 siehst du, dass bei 20A Vds etwa 0.2V sein wird, wenn Vgs mindestens 5v beträgt.
Bei Vgs 4.5V musst du mit 0.5V rechnen.
Wobei das die typischen Werte bei 25°C sind.
Wenn der Kristall 150°C war ist, werden es dann aber schon um die 0.8V (Fig2).

MfG Peter(TOO)

#9

Nein, die Steuerspannung für den highside-FET wird NICHT aus der Spannung des Lastkreises gewonnen. Während der untere FET leitet wird der Kondensator über die Diode von der Ub (12v) aufgeladen. Diese Ladung wird dann zum Schalten des oberen MOSFET benutzt. Daher spielt es eine entscheidende Rolle, dass die Ladung des Kondensators reicht, während der Leitend-Phase die Spannung über selbigem ausreichend hoch zu halten, unter Berücksichtigung aller Verluste (Ladungstransfer ins Gate plus Leckströme).

Was Du mit der Steuerkennlinie anfängst entscheidest Du selbst. Wenn der MOSFET eine Gate-Ladung von x Coulomb hat und Du mit Deinem Bootstrap-C bei 12V 10x Coulomb bereitstellst, wird die Spannung im Einschaltmoment bereits auf 90% abfallen, das Gate sieht also noch 10,8V. Die fallen dann durch Leckströme weiter und weiter, und irgendwann kommt Dein MOSFET in den linearen Bereich und brennt ab.
Deine Aufgabe ist nun zu entscheiden, wie viel GS-Spannung Du mindestens brauchst, um das unter allen Umständen zu vermeiden, dann schätzt Du großzügig die Leckströme, guckst welche Gateladung Dein MOSFET hat und machts den Bootstrap-C dann entsprechend groß.