Aktive Gleichrichtung mit Mosfets

[Stefan090]

Hallo zusammen,

ich habe schon öfters probiert, eine Gleichrichtung mit Mosfets anstelle von Dioden aufzubauen - leider vergebens.
Bei mir leiten die Mosfets immer sobald an Drain eine negative Spannung anliegt, egal was für eine Spannung an Gate ist. Kann mir das mal jemand erklären?

So war klar, dass mein Versuch nicht funktionieren kann, da ein Sinus ja positive und negative Spannungsanteile hat.

Hat jemand eine Schaltung die funktioniert? Eine Brückengleichrichtung wäre das Beste.

Das wäre super

Danke im Voraus

mfg Stefan

[avion23]

Google parasitäre Diode mosfet.
Im Forum habe ich einen Thread erstellt, in dem es gerade um dieses Thema ging.
Warum hast du es eigentlich nicht nötig, die Suche zu benutzen?

[Stefan090]

Ich habe sehr wohl die Suche verwendet, aber leider nichts gefunden was ich mir zu diesem Thema vorgestellt habe, auch mit Google nicht das was ich wollte gefunden...

Ok werde nach Parasitärer Diode und auch noch einmal nach deinem Beitrag suchen

Kann mir trotzdem jemand sagen warum ein Mosfet bei negativer Spannung an Drain leitend wird?

mfg Stefan

[ogni42]

wegen der parasitären Diode. Die geht dann auf Durchlass.

[Stefan090]

Ich habe mir nun mal den Synchrongleichrichter auf Wikipedia näher angesehen und auch danach gegoogelt.

Hat man hier nicht auch wieder das Problem, dass die Mosfets bei der negativen Halbwelle leitend werden? Wirkt der Synchrongleichrichter wie eine Brückengleichrichtung mit Dioden?

mfg Stefan

[PICture]

Hallo Stefan090!

Wichtigstes Teil des Synchrongleichristers ist die komplizierte Steuerung. Sie steuert einzeln die MOSFETs, so dass sie nur dann leiten, wenn sie sollen.

MfG

[shaun]

Freunde Dich erstmal mit dem Gedanken an, dass Du für Deine Anwendung den MOSFET "falsch herum" benutzen musst. Du nutzt immer die Diodenstrecke von S nach D wie eine normale Diode, steuerst das Gate aber noch zusätzlich positiv gegenüber S, sobald die Spannung an S größer der an D ist. So brückst Du die parasitäre Diode, die für sich genommen nur eine teure Si-Diode wäre, mit dem Kanal des MOSFET und nutzt den niedrigen Rds(on). Allerdings musst Du sobald der nun niedrigstohmige Kanal ein Spannungsnull sieht SOFORT wieder umschalten, sonst gibt's nen Kurzen. Nicht wirklich trivial!

[Stefan090]

ok, aber trotzdem: was ich meine ist, dass die Mosfets ja leiten beginnen bei der negativen Halbwelle, egal was am Gate liegt (wegen der parasitären Diode wie schon oben gesagt).

Ist es nun eine Vollweggleichrichtung oder nicht?

mfg Stefan

[avion23]

Aktiver Gleichrichter mit Mosfets für 12V (https://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=31018) ist der Titel des Threads, den ich erwähnt habe. Ist tatsächlich nicht so einfach zu finden. In dem Thread findest du ein paar schöne Stichworte zum googlen :)

Unter http://de.wikipedia.org/wiki/Leistungs-MOSFET findest du u. a. folgenden Text:

Der Aufbau des Leistungs-MOSFETs entspricht dem des MOSFETs – allerdings ergeben sich zahlreiche Besonderheiten. Im Gegensatz zum Signaltransistor der Nachrichtentechnik ist die Anordnung von Source und Drain vertikal. In der Halbleiterstruktur von Gate, Drain und Source entstehen in einem MOSFET zahlreiche parasitäre Elemente, wie z. B. Widerstände, Kapazitäten und Dioden. In der Leistungselektronik muss diesen parasitären Elementen besondere Beachtung geschenkt werden. Die enthaltenen Kapazitäten müssen bei jedem Schaltvorgang umgeladen werden, was besonders bei hohen Schaltfrequenzen zu erheblichen Schaltverlusten führt. Die prinzipbedingt immer mitenthaltene Diode, die im Normalbetrieb in Sperrrichtung geschaltet ist, kann wie eine zu Drain-Source parallelgeschaltete Diode schaltungstechnisch ausgenutzt werden. Je nach Anforderung müssen noch weitere Effekte berücksichtigt werden.
Näheres erklärt das Bild und der folgende Text weiter unten auf wikipedia.

Wegen deiner Gleichrichterschaltung: Stell mal ein Schaltbild hier ins Forum. Damit ich verstehe, was genau du meinst ;)

[Stefan090]

Danke, ich hatte versucht eine H-Brücke umgekehrt zu verwenden, was wie gesagt nie funktioniert hat.

Also mit 4 Mosfets, aber da waren dann immer alle leitend...

Warum ist der Synchrongleichrichter kein Brückengleichrichter, wie du in deinem Beitrag geschrieben hast?

mfg Stefan

[shaun]

Der Synchrongleichrichter ist schon deswegen kein Brückengleichrichter, weil "der Synchrongleichrichter" nicht existiert, das ist ein Sammelbegriff für alle möglichen Schaltungen der Mess- und Leistungselektronik.
Und natürlich kannst Du eine H-Brücke als synchron gesteuerten Brückengleichrichter benutzen. Dein "aber trotzdem" ist insofern etwas fehl am Platze, als dass Du meinen Einwand anscheinend komplett ignoriert hast. Mal Dir doch mal Deine H-Brücke mit den Body-Dioden der MOSFETs als diskrete Bauelemente auf. Was siehst Du? Richtig, einen Brückengleichrichter. Und wenn Du es dann schaffst, die MOSFETs jeweils genau dann mit Gatespannung zu versorgen, wenn die jeweilige Body-Diode leitend wird, hast Du einen synchronen Brückengleichrichter. Wie gesagt, löse Dich von der Vorstellung, dass der Strom beim N-Kanal vom D zum S fliesst - er fliesst anders rum genau so toll, nur ist die Gateansteuerung dann etwas verwirrender.
Ich habe einen Boost-Regler von 10-25V auf 28V gebaut, dessen Schalter+Gleichrichter sieht aus wie eine Halbbrücke, hat auch einen ordinären Halbbrückentreiber usw.

[avion23]

OT:
@shaun
Du hast auch in diversen anderen Beiträgen, in denen es um Leistungselektronik geht, gepostet. Auch wenn ich nicht alles verstanden habe, finde ich es ziemlich interessant.

Kannst du vielleicht ein paar mehr infos geben? Wie steuerst du die Mosfets durch (du kritisierst ja auch die rn-wissen H-brücke), welche Mosfet-Typen findest du gut, vielleicht ein Foto von einer fertigen Schaltung?
Woher kriegst du deine Spulen etc?
Also mehr Infos :) Sorry für's Geschleime, aber Leute die sich auskennen sind selten, und die müssen dann leiden ;)

[shaun]

Puh, ich musste mir erstmal Deine Fragen kopieren, hab mir gerade einen Tormore eingeschenkt, um die Fertigstellung eines Projektes mit hohem Recyclingpotenzial (was Schaltung+Code angeht) zu zelebrieren :)

>Wie steuerst du die Mosfets durch (du kritisierst ja auch die rn-wissen H-brücke),

Ja, weil sie Querleitung provoziert. Je nach Anwendung - im vorliegenden Projekt schalte ich ca. 1A mit einer 125kHz-PWM, MOSFET ist ein FDS4435, der wird über einen BC817 aufgesteuert, das Abschalten beschleunigt ein weiterer BC817, Schaltung kann ich bei Gelegenheit mal aufmalen.
Ansonsten benutze ich für definiert dynamische Anwendungen IR-Treiber-ICs, wenn ein statischer Fall möglich ist um eine Ladungspumpenschaltung o.ä. ergänzt oder gleich integrierte Treiber für diesen Zweck (HIP408x). Für einen 500W-Step-Up habe ich mit Treiber mit einem Ausgangsstrom von +/-4A bestellt. Die Bandbreite an Treibervarianten ist also recht groß...

>welche Mosfet-Typen findest du gut, vielleicht ein Foto von einer fertigen >Schaltung?

Hmmm.. auf meiner Bastelhomepage ist leider nichts MOSFETtiges drauf, muss ich mal mit meinem Prototypen einer PWM-Motorregelung ändern.
Typen je nach Bedarf - im 500W-Step-Up stecken 3 parallele 5mOhm-Typen von IRF, ansonsten sehe ich zu, was ich günstig und aus mehreren Quellen kriegen kann. Je nach Bedarf - mal möglichst klein, mal möglichst kleine Gateladung, mal möglichst geringer Rds(on) usw.

>Woher kriegst du deine Spulen etc?

Die "kleinen" (bis ca 5A) von RS, Farnell, Schuricht, neuerdings auch einige von Reichelt, größere selbst wickeln (zB auf ETD- oder PM-Kerne)

[Stefan090]

@shaun

Sorry ich hatte deinen Beitrag tatsächlich übersehen

Ich werde mir das mal durch den Kopf gehen lassen, wie man den Mosfet umgekehrt betreibt

mfg Stefan

[Stefan090]

Ich sehe schon, die Schaltung ist wirklich nicht so einfach.

> Du nutzt immer die Diodenstrecke von S nach D wie eine normale Diode, steuerst das Gate aber noch zusätzlich positiv gegenüber S, sobald die Spannung an S größer der an D ist

das heißt aber, dass die Gatespannung höher sein muss als die max. Spannung, die durchgeschaltet wird?

mfg Stefan

[shaun]

Ja, richtig. Wenn die S-D-Diode eines der zum "Plus" des Brückengleichrichter
führenden MOSFETs leitet, ist S ja schon 0,7V über "Plus". Dann muss nochmal 5-10V draufgesetzt werden, damit der MOSFET von S nach D voll leitend wird und die Spannung muss auch sofort wieder abgeschaltet werden, wenn die Strecke stromlos wird, sonst entlädt sich der Ladeelko hinter dem Gleichrichter mit der fallenden Sinuskurve gleich wieder.

[Stefan090]

Super danke.

Beim Mosfet gibt es ja auch eine zulässige G-S Spannung. (z.B +-20V)
Können aber am Gate schon mal 30V sein wenn an Source z.B 20V anliegen? Ist das nur die Differenzspannung?

mfg Stefan

[shaun]

Ja, klar. Muss sogar, Vgs ist wie der Name schon sagt die auf S bezogene Spannung am G.

[Stefan090]

Alles klar, danke.

[Stefan090]

@shaun

wegen deinem 500W Step-up, findet man diesbezüglich etwas auf deiner homepage oder gibts sonst wo etwas zu finden? (evtl. Schaltung, kleine Beschreibung...)

danke

[M*I*B]

... der Thread ist zwar schon ne Weile alt, aber sicherlich immer noch ein aktuelles Thema, und einen neuen aufmachen macht ja keinen Sinn...

Worum geht's?
Ich versuche gerade, einen geschalteten 3-Phasen Gleichrichter zu bosseln, der an den "Schaltern" möglichst wenig Leistung verballert. Also kommen ja nur PowerMOS in Frage.
Um das Problem mit dem Entladen bei Überschreiten von Up zu vermeiden, muss also erstmal eine Sensorik her, die den Richtungswechsel der Phase erkennt. Nun brauchts noch einen Nullspannungsdetektor für jede Phase.
Um einen 3-Phasen Drehstrom in Brücke gleichzurichten, benötige ich für jede Phase je einen P und einen N FET (oder mehrerere parallel). Macht im Minimum 6 FET.
Da die alle zu verschiedenen Zeiten ein- und ausgeschaltet werden müssen, benötigt's 6 Steuerleitungen (und 6 Treiberstufen).

... soweit erstmal alles richtig ???

Idee:
Ich dachte daran, einen flotten ATtiny o.ä. herzunehmen, der den ganzen Ablauf steuert, und zwar so, das der µC aus der anliegenden Frequenz den kommenden Nulldurchgang (FET ON) und Up (FET OFF) errechnet.
Das hat m.E. mehrere Vorteile:

Ich benötige keinen Nullspannungsdetektor, da hierfür unter Verwendung der Schaltschwelle eines Ports resp. Komparators des µC die Zeit bis zur folgenden Schaltaktion mehr als gross genug ist.
Ich kann Verzögerungen durch Bauteil-Schaltzeiten in diese Berechnungen mit einfliessen lassen und eliminiere damit bei steigender Frequenz verspätete Schaltpunkte
Ich benötige nur noch von einer beliebigen Phase ein einziges Signal, um den Nullpunkt und Frequenz (na, den Schaltpunkt des Ports) zu bestimmen, um daraus für 360° Drehfeld alle Schaltpunkte zu errechnen


Nun meine Frage, ob ich da vom Konzept her richtig liege... hab ich was übersehen / nicht bedacht / Denkfehler ???

[Besserwessi]

Der thread ist wirklich schon alt. Da kann man dann eventuell doch noch man neu anfangen. Die Steurung der Fets muß nach der tatsachlich an den Fets anleigenden Spannung erfolgen und ggf. auch recht schnell sein. Dafür ist ein Mikrokontroller einfach ungeeigenet und eine einfache analoge Schaltung einfach besser, weil schneller und zuverlässiger. Bei den typischen höheren Spannungen von Drehstrom sind die knapp 1 V Spannungsabfall an den Dioden eher das kleinere Problem. Da wird man in der Regel lieber etwas mehr in anderen Teile wie Drosseln/Kondesatoren investieren.
Etwas anderes ist das natürlich bei einer Drehstrom Lichtmaschine (12...14 V), da sollte sich ein aktiver Gleichrichter lohnen können.

[wawa]

Hi,

ich hab in einer Kennzifferzeitschrift den Gleichrichter Controller ZXGD3101 von Zetex gefunden. Kann sich bitte einer mal den anschauen.
danke

[M*I*B]

... jau, genau Letzteres ist der Punkt ;)
Sorry, vergass ich zu erwähnen; es handelt ishc tatsächlich um eine fast normale LiMa mit ca. 40A (Sternschaltung mit schwebendem Centerpoint). Auslegen möchte ich die Schaltung letztendlich für 60-100A in der Egge und Drehzahlen bis 15000 U/min (Frequenz am Limit muss ich noch ermitteln)

Aber wieso meinst Du, das ein µC eine schlechte Wahl ist? Die Tiny's z.B. gibt's doch auch in den "automotive" - Versionen mit 20MHz Takt. Das ist mehr als genug, wenn man nicht gerade in Bascom oder C programmiert ;) Mach mich mal schlau, wo Du da Probleme vermutest ...

[M*I*B]

Hi,

ich hab in einer Kennzifferzeitschrift den Gleichrichter Controller ZXGD3101 von Zetex gefunden. Kann sich bitte einer mal den anschauen.
danke

Hab ich heute getan; der schaut nicht schlecht aus, ist aber nur für eine Phase zu gebrauchen und für den negativen Zweig müsste man ein paar Klimmzüge machen.
Nichts desto weniger hab ich mal dort freundlich angefragt, ob ich denn freundlicher Weise mal eine Hand voll Entwicklungsmuster haben könnte ;) Mal sehen, wat die sagen :-b

[Besserwessi]

Die Aufgabe Spannungen zu Vergleichen ist einfach besser was für analoge Elektronik. Auch wenn die Frequenz selbst bei 15000 U/Min mit etwa 250 Hz noch relativ gering ist, darf der MOSFET auf keinen Fall leiten, selbst nicht für eine µs. Das könnte ein Controller wohl für 1-2 FETs hinkriegen, aber kaum für 6. Dagegen beitet ein einfacher LM339 schon 4 Kanäle als comperator und ist dabei auch eher schneller und kann gleich mehr als 5 V Vertragen.

Soweit ich weiß gibt es auch von ONS (früher Motorola) fertige ICs mit MOSFET als Diodenersatz. Wegen der weiten Verbreitung könnte es da sogar komplett fertige Lösungen fürs Auto geben.

[M*I*B]

... muss ich doch garnicht. Es reicht m.E. doch aus, wenn ich dafür Sorge trage, das z.B. der FET bei 88° Up abschaltet. Die 2° vorher machen sich kaum im Wirkungsgrad bemerkbar und ich kann sicher sein, das sich zwei FET's nicht schneiden.
Das Steuern der 6 Kanäle ist auch kein Problem, wenn ich eine komplette Sequenz als vordefiniertes Bitmuster ablege und mit einem einzigen Befehl auf die Ports schalte. Ich muss nur eine 360°-Phase abwarten, um den Startpunk der Sequenz genau bestimmen zu können und dann läuft der Prozessor synchron zum Drehfeld. Und da bei einer Umdrehung einer normalen LiMa viele 360° Abläufe vorkommen (je nach Ausführung der Statorwicklung) und auf Grund der Massenträgheit des Rotors und vor allem der treibenden Maschine nicht zu erwarten ist, das von einem 360°-Turn zum nächsten die Drehzahl nennenswert zu-/abnimmt, reicht die Sync von einer Phase; um ganz sicher zu gehen, könnte man auch über alle Phasen synchronisieren... sind halt 2 Ports und ein paar Bauteile mehr.

Ich verstehe Deine Zuwendung zum Analogen sehr wohl; nicht das wir uns falsch verstehen. Ich tendiere hier aber eher doch zur Steuerung per µC. Zum einen lässt sich so ein µC einfach durch ändern des Codes an vorhandene Gegebenheiten anpassen, zum anderen ist in einem späteren Entwicklungszeitpunkt auch eine autarke Selbstoptimierung denkbar, in der sich die Steuerzeiten- und Parameter selbstständig einem Optimum nähren. Das bekommst Du mit vertretbarem Aufwand analog nicht gebacken, schon garnicht, wenn es sehr klein werden soll.


BTW: Wie kommst Du auf die 250Hz bei 15000U/min? Die dürften schon bei 1000U/min anliegen, wenn nicht noch mehr... Messe ich aber die Tage nach, um mal echte Werte von 3 verschiedenen Systemen zu erhalten, die hier vor Ort greifbar sind...

[Besserwessi]

Die 250 Hz waren für einen Genrator mit nur 3 Polen, also so wie bei normalen Drehstrommotoren. Da geben 300 Hz 18000 U/min und 250 Hz halt 15000 U/min. Wenn der Generator mehreere Pole hat, dann wird die Frequenz natürlich höher, wobei das dann aber schon von der Konstruktion des Generators schwieriger wird, denn dann sind die normalen 0,5-1mm Bleche nicht mehr gut.

Der Spannungsverlauf muß nicht unbedingt so streng der Motordrehung folgen je nach Belasung sind da eventuell deutlichere Abweichungen möglich. Das müßte man aber besser nachmessen. Ich würde eher mit 10° rechenen über die man zur Sicherheit nur die Dioden nutzen kann. Dann wird der Verlust doch wieder merklich.

Hinsichtlich der optimierung des Gleichrichters sehe ich da wenig Spielraum. Durch Softwareupdates könnte man höchstens etwas näher an Fall herrankommen, den man mit analoger Elktronik gleich von Anfang an hat. So viele Möglichkeiten hat man da einfach nicht: Wenn der FET zur falschen Zeit aus ist, gibt es etwas mehr Verluste, wenn der Fet zur falschen Zeit an ist gibt es wohl einen Totalschaden. Ganz ohne zusätzliche Treiber wird man ohnehin kaum auskommen, denn bei den großen Strömen wird man kaum Logic Level Fets finden.

Ich glaube da könnte es eher sinnvoll sein einen Controller dafür einzusetzen um eine Powerfaktor-korrektur zu machen und so die Verluste im Generator selber zur reduzieren. Wenn die Frequenzen genügend hoch sind kann man das aber eventuell auch passiv machen, denn dann werden Drosseln einigermaßen effektiv.

[avion23]

Hallo MIB,
was hast du denn für eine Energiequelle und welchen Verbraucher? Sprich, was ist überhaupt dein Ziel? Vielleicht gibt's es einen einfacheren Weg.

Du kannst Komperatoren benutzen, um die Mosfets durch zu schalten. Da hast du zwar etwas Verzögerung. Bei z.B. 50Hz fallen die nicht ins Gewicht und es ist narrensicher.

Die P-fets solltest du vermeiden. Benutz n-fets und erzeuge mit einer Ladungspumpe /stepup eine Hilfsspannung, wenn das möglich ist.

[M*I*B]

... also mit 50Hz brauchen wir nicht zu rechnen ;)

Ziel ist es, vorhandene stark verlusstbehaftete Drehstrom-Gleichrichter gegen annährend verlusstfreie zu tauschen, um diese bisher verbratene Leistung dem System zur Verfügung stellen zu können. Da die vorhandenen Lichtmaschinen eh arg knapp berechnet sind, ist da jedes zusätzliche Watt willkommen.
Eine entsprechende PWM-Regelung incl. Überwachung der Temperatur und Ladezustand der Accus der Erregerwicklung läuft schon seit etwa einem Jahr als Prototyp mit einem Tiny26 fast perfekt und holt wider Erwarten schon ein paar Watt mehr aus der LiMa. Perfekt wäre das System aber erst, wenn die Gleichrichtung eben auch so gut wie keine Verlusste mehr hätte. Dann könnte man im letzten Schritt die beiden Einheiten incl. Redundanz und "SelfTeaching" zusammenfassen. Das ist erklärtes Endziel der Aktion ...

[shaun]

...ob dafür aber unbedingt Software und nicht validierbare Hardware über den evtl. Abbrand der ganzen Chose entscheiden müssen...?!
Meinst Du wirklich, dass ein Controller den Komparatoren irgendwo überlegen wäre? Es ist doch ganz einfach: sobald U(source-drain)>0 einschalten, bei 0 ausschalten. Lange bevor die Body-Diode leitet wäre sinnvoll, und auf keinen Fall nach der Polaritätsumkehr. Ich würde wahrscheinlich einfach einigermaßen schnelle Komparatoren nehmen, bei zB 20mV einschalten, ein bisschen Hysterese allenfalls gegen das Flattern. Viel wichtiger ist, die MOSFETs schnell genug ein- und auszuschalten.

Ich gestehe: ich steuere auch gerade eine Drehstrombrücke direkt mit einem Controller, aber immerhin mit Verriegelung in jedem Brückenzweig. Ausserdem ist das Ding für den kontrollierten Laboreinsatz und wesentlich geringere Ströme ausgelegt.