High side Mosfet driver voeding.

Ik heb een vraag over de bootstrap manier om een high side Mosfet driver van voeding te voorzien.
In de onderstaande afbeelding staat de bootstrap en is de zener diode dan wel nodig, zoniet waarom dan niet?
Loopt de spanning niet te hoog op zonder zenerdiode.

Bovenstaande schema komt van een applicatie document van IXYS.

Vs is als de highside fet uit staat ongeveer 0V.
Als Vin bv 50V is dan kan als de highside fet uit staat de spanning op vb oplopen tot ook 50V.
Omdat Vb de spanning is die op de gate komt staan bij een volle condensator mag dat maximaal 20V zijn en sommige fet iets minder.

[Bericht gewijzigd door benleentje op (11%)]

Lees dit eens door.

https://www.circuitsonline.net/artikelen/view/41/5

Op 1 september 2023 20:25:56 schreef benleentje:
Vs is als de highside fet uit staat ongeveer 0V.
Als Vin bv 50V is dan kan als de highside fet uit staat de spanning op vb oplopen tot ook 50V.
Omdat Vb de spanning is die op de gate komt staan bij een volle condensator mag dat maximaal 20V zijn en sommige fet iets minder.

Als de spoel nog stroom voert wel, maar als de spoel stroomloos wordt, bij een lage belasting van de uitgang, is Vs gelijk aan de uitgangsspanning. Als 15V - Vout te laag is voor de gate driver, krijg je de MOSFET nooit meer aan, totdat de uitgangsspanning inzakt. Als Vin - Vout groter is, heb je nog wel genoeg voor de driver, gaat dat wel, en de zenerdiode zorgt ervoor dat de spanning nooit te hoog kan worden.

De voorgestelde diodes staan verkeerdom, en gezien de spanningsval over D1 gecompenseerd wordt door D2 (SW gaat iets onder de ground, de Vf van D2), vind ik een 16V zener voor een 15V voeding zonder serieweerstand wel erg krap.

[Bericht gewijzigd door SparkyGSX op (13%)]

Bedankt voor de antwoorden.
Ik ben er inmiddels achter dat Vb nooit veel hoger kan worden als Vs, omdat de spanning uit Vs geclampt wordt tegen de voedingspanning, door de interne diode van de Mosfet.

Dat klopt niet, want dan zou de MOSFET driver nooit kunnen werken.

Op 2 september 2023 12:53:23 schreef Martin V:
Ik ben er inmiddels achter dat Vb nooit veel hoger kan worden als Vs, omdat de spanning uit Vs geclampt wordt tegen de voedingspanning, door de interne diode van de Mosfet.

Kijk eens naar de schema's uit de link.

Je moet eerst de boel begrijpen zonder de zener en R1.

Er zijn in essentie twee toestanden: Uitgang (van de mosfet-schakeling) is laag (en deze mosfet is uit), of deze mosfet is aan en de uitgang is (haast) Vin.

In die eerste toestand, zal via D1 de 15V VB opladen tot ongeveer 15V.

In de tweede toestand is de VS/CS node ongeveer Vin geworden. De condensator is z'n lading t.o.v. VS/CS nog niet kwijt, tus VB is gewoo9n Vin + 15V !. Tussen VB en VS zit de fet-driver die daarmee dus de gate van de mosfet aanstuurt.

Door nu zo nu en dan weer naar de eerste toestand te schakelen, kan je de CB condensator geladen houden.

Dit is de basis. Vervolgens zijn er kennelijk uitbreidingen die R1 en die zener nodig maken. Ik zie het nut van R1 nog niet, maar dat ligt vast aan mij.

R1 is nodig om de bootcondensator heel langzaam op te laden zodat die vol zit als de hi-side switch voor de allereerste keer bediend moet worden.
Dit geldt alleen voor de topologie in het plaatje trouwens.

Als de spoel nog stroom voert wel, maar als de spoel stroomloos wordt,

Daar heb je ook weer gelijk in. Maar het kan dus wel dat de spanning Vb-Vs net zo hoog als Vin kan worden en daarom is er een zenerdiode nodig zodat de spanning niet hoger kan worden de zenerspanning.

Ik ben er inmiddels achter dat Vb nooit veel hoger kan worden als Vs,

Stel Vin = 50V
Vs kan dan elke waarde hebben tussen 0 en 50V.
Stel Vs op gegeven moment 0V en Vb staat dan op 15V.
Wat gebeurt er dan als de highside fet aangaat en Vs ineens naar 50V gaat.
Wat is dan de spanning Vb tegenover Vs? En hoe hoog is de spanning Vb dan to de gnd aansluiting?

R1 is nodig om de bootcondensator heel langzaam op te laden

Waarom zou je dat willen, ik zou die condensator juist zo snel mogelijk willen vullen. Volgens mij zorgt R1 er gewoon ervoor dat de stroom door de zenerdiode als die boven de zenerspanning komt niet te groot word.

[Bericht gewijzigd door benleentje op (18%)]

Soms zie ik in serie met de boost diode D1, een weerstand van 10Ω naar de +15V, maar in het schema uit mijn startpost weer niet. Hoe belangrijk is die serie weerstand?
Wat voor functie heeft die?
Hier is dat R3 in het schema:

Die is om de 'reverse recovery' van de diode te dempen. Als de dU/dt van de uitgangsspanning op de positief gaande flank hoog is zal de diode in veel gevallen een gemene stroompuls terug naar de +15V geven die beide schadelijk kan zijn voor de diode en schadelijke spanningspieken op de voedingsspanning kan geven. Snellere diodes, trage MOSFET's en een lagere spanning op de MOSFET's maken het probleem kleiner. Ik raad aan die weerstand altijd te plaatsen, want het bepalen wat er mis is gegaan als de diode is gefaald is erg lastig omdat het een cascade aan defecte componenten geeft. Het schaadt niet echt omdat de stroom verder niet heel groot is.

PS Het gegeven type diode is zo ver ik kan zien zo oud als de wereld, kon er zo snel geen specs van vinden.

@Kruimel hartelijke dank voor het antwoord en de snelle reactie.
Het document wat ik liet zien is inderdaad oud, voor de diode zou ik de UF4007 willen gebruiken. Wellicht dat snellere Sic dioden beter zijn maar ik heb er nog niet één kunnen vinden van 1Ampere.
Wat raad je als weerstand aan is 10 ohm goed? Ik heb Mosfets met een gate lading van 38nC, geschakeld wordt op 1600kHz, dan zou er ongeveer 61mA gate stroom lopen.

1600kHz (dus 1.6MHz) met die driver?

Die weerstand dient ook om de maximale stroom door de diode te beperken, bij het inschakelen van de onderste MOSFET bij een normale halve brug.

@Sparky bedankt voor het advies.
Nee niet met die driver, daarvoor gebruik ik de IXDN604, als floating high side driver, met dus die bootstrap configuratie.
Voor de low side gebruik ik eenzelfde type driver.

Oef, 1,6MHz... Dan hoop ik dat je een goede oscilloscoop hebt, want dat is lastig troubleshooten. Met 61mA gatestroom zou je van de 15V dus 0,6V verliezen. Dat is geen probleem, maar het risico is dat die stroom dus groter is door welke reden dan ook. Begin eens met testen op 400kHz en kijk eens wat voor spanningsgolfvorm je over de diode ziet en trek je conclusies.

Op 2 september 2023 18:30:54 schreef hobby-ist:
R1 is nodig om de bootcondensator heel langzaam op te laden zodat die vol zit als de hi-side switch voor de allereerste keer bediend moet worden.
Dit geldt alleen voor de topologie in het plaatje trouwens.

Dat is alleen van toepassing als je bijvoorbeeld accus wil laden en Vin - Vout minder dan de "UVLO" threshold is. En juist in dat geval werkt het ook niet. Kortom, ik snap het nog steeds niet.

1600kHz is best wel heel snel. Veel van die FET drivers hebben ingebouwde deadtime en dan is 300ns niet abnormaal. Dat is de helft van jou cycle: Veel te veel.

@kruimel, @Martin: De gemiddelde stroom kan best 61mA zijn, maar die hoort in zeg 5 of 10% van je cyclustijd in die condensator geladen te zijn. De gewenste stroom is dus vele malen groter.

Ik gebruik meestal de bat54. Maar ik moet uitkijken dat ik die niet meer toepas als de spanning meer dan 30V is... Dat geeft spectaculaire resultaten. :-) De UF4007 heb ik ook wel liggen. Laat maar weten of het wat is op jou 1600kHz.

(Als je het werkend krijgt, heb ik interesse om te horen wat voor componenten je uiteindelijk hebt gebruikt).

Let op: Zowel Sparky als ik zeggen (met allebij ervaring op dit gebied): "dit is een uitdagend project". Het zal niet in 1x zomaar werken. Het is tricky om het op zo'n hoge frequentie aan de praat te krijgen. Een DCDC converter met ingebouwde fets... dan heeft TI of wie dan ook dat "gezeik" meegemaakt en een goed werkend eindresultaat op de markt gezet. Hier ga je eea nog zelf tegenkomen....

[Bericht gewijzigd door rew op (19%)]

Op 4 september 2023 09:27:57 schreef rew:
[...]Dat is alleen van toepassing als je bijvoorbeeld accus wil laden en Vin - Vout minder dan de "UVLO" threshold is. En juist in dat geval werkt het ook niet. Kortom, ik snap het nog steeds niet.

Het werkt als 15V - Vout > UVLO maar Vin - Vout < UVLO. Als je die laatste ook niet kunt garanderen, zou ik ofwel een charge pump toevoegen voor Vb, of een P-channel MOSFET gebruiken (maar dan kun je geen standaard driver toepassen), of een diode in serie met de source van de MOSFET opnemen, de Vs van de driver boven die diode aansluiten, en vanaf die Vs pin een weerstandje naar de ground zetten. Dat geeft je natuurlijk extra verliezen in de diode en een beetje in de weerstand, maar dan krijg je wel altijd die bootstrap condensator vol.

1600kHz is best wel heel snel. Veel van die FET drivers hebben ingebouwde deadtime en dan is 300ns niet abnormaal. Dat is de helft van jou cycle: Veel te veel.

Dan moet je dus een driver kiezen zonder dead-time injectie.

Dit zal inderdaad niet eenvoudig zijn, voor een dergelijke frequentie moet je layout echt absoluut goed zijn. Ik zie ook nog geen feedback voor een regelcircuit; je moet gaan bedenken of je voltage-mode of current-mode regulation gaat doen, en hoe precies.

Als dit ontwerp ook EMC goedgekeurd moet worden, heb je nog een paar extra uitdagingen bovenop "werkend krijgen".

Dan moet je dus een driver kiezen zonder dead-time injectie.

Het is tricky om het op zo'n hoge frequentie aan de praat te krijgen.

Ik ben aan het testen geweest met een halve brug versterker maar het resultaat was bedroevend slecht. Ik weet dat ik dan een "dead time" nodig heb eigenlijk, maar ik was nieuwsgierig of dat zonder "dead time" ook kon. In deze experimenten gebruikte ik een driver transformator, dus geen Mosfet drivers die de gate direct aanstuurde van de Mosfet.
Ik ken een bedrijf welke dat zo doet met hun product op 1600kHz en bij hun werkt dat wel.
Maar ik kreeg er totaal geen signaal uit op de uitgang, of ik heb iets verkeerds gedaan. Daarbij heb ik nog een paar Mosfets opgeblazen, zonde maar zo duur zijn ze niet.
Ik gebruikte een kleine voedingspanning van 12V, in de uiteindelijke versie wordt dat heel veel hoger; 180 tot 360V.
Ik zocht naar een oplossing waardoor het bij mij niet werkte, maar ook een andere manier, zodat ik met "dead time"niets meer te maken had.
Dat werd uiteindelijk de "two transistor forward converter" van in een test opstelling werkte dit wel en de transistoren bleven ondanks de lage voedingspanning gewoon koud.
Na mij verder in deze converter topologie verder over had gelezen, was dit de keuze welke ik wilde maken.
Een two transistor forward converter heeft een nog hoger rendement als een volle brug versterker.
Een halve brug heeft een iets hoger rendement als een volle brug (ca.95%)
Maar een two transistor forward converter is 99% rendement mogelijk, of dat theoretisch of in de praktijk haalbaar is weet ik niet.
Voor de rest is de two transistor forward converter de meest makkelijkste te bouwen converters en de meest betrouwbaarste en minst kritische converter.
Het enigste verschil met een halve brug is dat het anders staat aangesloten en er twee snelle vrijloop dioden nodig zijn, die in geleiding gaan wanneer de Mosfets niet geleiden.

Ik heb trouwens een snelle Sic diode gevonden van 1Ampere voor de boost diode:
https://nl.mouser.com/ProductDetail/Wolfspeed/CSD01060A?qs=D3QG1iK7Fqh…

Het is nog totaal niet duidelijk wat je nu wil maken, dus daar is nog wat ruimte voor uitleg. Ik lees een schakelende regelaar tussen de regels door. Ik ben nog geen 'two switch forwards' tegen gekomen op 1,6MHz, en daag je uit om er eentje te maken op die frequentie. Dan moet je een signaal met een inductieve belasting hard (als in: als de stroom maximaal is) uitschakelen, en dat wordt snel problematisch. Meestal zijn die MHz regio converters resonantiemodus en dan schakel je rond het nulpunt van de stroom en heb je minder schakelverliezen.

Het feit dat iemand anders dit aan de praat heeft gekregen is vermoedelijk ook nogal een kostbare inspanning geweest (en vermoedelijk geen 'two switch forward'). Dat soort dingen komen niet zomaar tot stand op een breadboard. Er zijn ook mensen op de maan gezet, maar dat ga jij op je zonderkamer niet kunnen nadoen natuurlijk. ;)

Heb je al geprobeerd dit werkende te krijgen op 16kHz? Zou ik eerst doen en je conclusies trekken. Ga daarna naar 160kHz en doe dat opnieuw. Ik vermoed dat je op dat punt al last gaat krijgen van uitdagingen met piekspanningen en spontaan overlijdende MOSFET's. Die moet je eerst daar overwinnen en dan steeds verder naar hogere frequenties werken. Op 1,6MHz ga je ook een goede oscilloscoop en bijbehorende probes nodig hebben om de problematische pieken te kunnen vinden. Een geometrische imperfectie van een printspoor is dan al voldoende om een MOSFET om zeep te helpen.

Ik ben eigenlijk ook wel benieuwd naar de transformator die je op een dergelijke frequentie gaat gebruiken.