Elektronik :: H-Brücken mit Power-Mosfets

Anwendung und Schaltungen

Ein Leistungs-MOSFET (Power MOSFET) ist ein spezialisierter Mosfet-Transistor, optimiert auf Anwendungen mit hohen Strömen und Spannungen. Je nach Typ können ihn hundert Ampere und mehr durchfließen.

Pinbelegung Power-Mosfet

Bei der Pinbelegung der Mosfet im TO220- und TO262-Gehäuse sind sich die Hersteller weitgehend einig: von links nach rechts sind es Gate – Drain –Source. Das gilt unabhängig davon, ob es ein N- oder P-Typ ist.

Der Leistungshalbleiter besteht aus einer Parallelschaltung von Tausenden einzelnen MOSFET auf einem Chip und gehorchen daher den selben physikalischen Eigenschaften wie einzelne MOSFETs. Leistungs-Mosfets werden in Verstärkern, Schaltnetzteilen, in Motorsteuerungen oder Spannungswandlern eingesetzt. Ein bedeutender Vorteil der Power-Mosfets ist die hohe mögliche Schaltfrequenz.

Parameter N-Kanal-Mosfet

Schaltzeichen des N-Kanal-Mosfet. Der Pfeil zeigt in Richtung Gate. Die Parameter VDSS und ID sind positiv. Die hier integrierte Schutzdiode ist jeweils in Sperrrichtung geschaltet.

Parameter P-Kanal Mosfet

Der P-Kanal-Mosfet. Typische Kennzeichen: Der Pfeil zeigt vom Gate weg und VDSS sowie ID weisen negative Werte auf.

Wie andere Leistungshalbleiter auch müssen sie bei hohen Leistungen gut gekühlt werden, es sei denn, die zu leitenden Ströme sind gering. Der Kanalwiderstand erhöht sich bei steigender Temperatur und damit die Verlustleistung. Ohne Maßnahmen zur Kühlung kann es zu thermischen Überhitzen kommen. Der mit steigender Temperatur ansteigende Bahnwiderstand bei der Parallelschaltung mehrerer MOSFET sorgt für eine gleichmäßige Stromaufteilung auf parallel geschaltete Power-Mosfets. Bestimmende Parameter sind der zulässige Drainstrom (ID) und der Widerstand des Mosfet, wenn er voll durchgesteuert ist (RDSON = Drain to Source ON Resistant).

Vgs Mosfet

Gate to Source-Spannung eines N-Kanal-Mosfet (Logic-Level). Steuert der Mosfet durch, liegt die Gatespannung über der Sourcespannung.

Mosfet-Kapazität

Das Diagramm zeigt: Leistungs-Mosfet weisen am Gate Kapazitäten auf, die bei Lastwechsel umgeladen werden müssen.

Abb. PN-Brücke

Ein Transistor steuert den P-Kanal-Leistungs-Mosfet. Die H-Brücke ist hier lediglich angedeutet.

Letzterer bestimmt auch den Spannungsabfall am Mosfet und damit die Verlustleistung, die in Wärme umgesetzt werden muss. Ein typischer Wert sind 10 bis 20 Milliohm. Je niedriger dieser Wert ist, desto weniger Leistung (=Wärme) fällt am Bauteil ab und desto weniger Maßnahmen zur Kühlung sind zu treffen.

Schaltbild: N-Kanal-Mosfet Tester

Tester für N-Kanal-Mosfets, vorzugsweise Logic-Level-Mosfets.

Bild N-Kanal-Tester

Die Mosfet-Testschaltung besteht aus wenigen Bauelementen und ist auf einer Lochrasterplatte fix aufgebaut.

Drain, Gate und Source

Im Unterschied zu den bipolaren Transitoren sind die Anschlüsse mit Gate, Drain und Source bezeichnet. Das Gate entspricht der Basis eines Transistors, Drain dem Kollektor und Source dem Emitter. Wie bei den bekannten Bipolartransistoren gibt es bei den Mosfets N- und P-Typen. Betrachten wir das Schaltbild des Testers für N-Kanal-Mosfets. Es illustriert zugleich die Ansteuerung eines Power-Mosfet als Schalter. Leitet der Mosfet, fließt ein Strom von Drain zu Source, dessen Wert der Widerstand R1 bestimmt. Er ist so bemessen, dass die LED (20 mA-Typ) leuchtet. Ist der Schalter wie in der Zeichnung geöffnet, sperrt der Mosfet und die LED ist dunkel. Das Gate liegt über einen Widerstand an Masse. Wird der Schalter geschlossen, steht am Gate die halbe Versorgungsspannung an. Nun kommt es auf den Typ des Mosfet an, was passiert. Logic-Level-Mosfet schalten bereits bei 5 V am Gate gegenüber Source gemessen (VGS) durch, die LED leuchtet. Andere Mosfets benötigen dazu beispielsweise 10 Volt. Derlei Details sind dem Datenblatt zu entnehmen. Sollten Sie den kleinen Tester auf einer Lochrasterplatine nachbauen und der Mosfet nicht durchsteuern wollen, erhöhen Sie versuchsweise die Versorgungsspannung von 12 auf z.B. 22 Volt, am Gate stehen dann – bedingt durch den Spannungsteiler - 11 Volt an. Ist das Bauelement funktionsfähig, sollte die LED leuchten.

Schaltbild P-Kanal-tester

Das Schaltbild des Prüfers für P-Kanal-Mosfets.

Schauen wir nun auf das Schaltbild des Testers für P-Kanal-Mosfets. Hier ist Source direkt mit der Versorgungsspannung verbunden, über Drain fließt der Strom über den Vorwiderstand und der LED ab. Drain liegt also fast an Masse. Bei geöffnetem Schalter liegt das Gate über einen Widerstand auf dem selben Potential wie die Versorgungsspannung, der Mosfet wird nicht angesteuert und die LED ist aus. Schließt der Schalter, singt die Gatespannung auf – 6 Volt gegenüber Source (12 V –6 V = 6 V). Nun steuert der P-Kanal-Mosfet durch und die LED leuchtet. Merke: P-Kanal-Mosfets benötigen eine gegenüber Source negative Gatespannung, N-Kanal-Mosfets eine positive Gatespannung. Maximalwerte sind dabei zu beachten. Ist die Gatespannung (VGS) +/- 20 Volt angegeben (P-Kanal-Typ), darf sie folglich nicht mehr oder weniger als plus/minus 20 Volt von Source differieren. Für N-Kanal-Mosfets ist meist eine positive maximale Gatespannung genannt, was wohl bedeutet, dass negative Spannungen gänzlich unerwünscht sind (auf Source bezogen).

Abb. Motor ein- ausschalten

Mosfet schaltet Motor ein bzw. aus. Eine Änderung der Drehrichtung ist nicht möglich.

Lasten schalten – Motor steuern

Sollen Relais oder Motoren geschaltet werden, wird in die Testschaltung anstatt des Vorwiderstandes und der LED die Last eingefügt. Das Bild zeigt das prinzipielle Schaltbild zur Steuerung eines Gleichstrommotors. Liegt am Gate, etwa von einem Mikrocontroller gesteuert, ein 5-V-Signal an und handelt es sich um ein Logic-Level-Mosfet, läuft der Motor an. Liegt am Gate ein TTL-PWM-Signal an, ist ein Sanftanlauf und Softstopp des Motors bzw. eine Drehzahlregelung leicht realisierbar. Aufwändiger wird die Schaltung, wenn sich zudem die Drehrichtung des Motors ändern soll. Dann reicht ein Mosfet als Schalter nicht mehr aus.

H-Brücke

Stromverlauf einer H-Brücke bei rechts und linksdrehendem Motor.

Vier Mosfets, die als Schalter wirken und in Form des Buchstabens „H“ angeordnet, ermöglichen die Umschaltung der Drehrichtung. Diese sicher bekannte Anordnung wird als H-Brücke (engl.: h-bridge) bezeichnet. H-Brücken finden zudem in Audioverstärkern, Schaltnetzteile und Frequenzumrichter Anwendung.

Das Bild zeigt den Stromverlauf für rechts- und linksdrehenden Betrieb des Motors. Dabei sind je zwei Mosfets (z.B. TR1 und TR3) zeitgleich leitend oder aber TR4 und TR2. Strikt muss vermieden werden, dass TR1 und TR2 oder TR4 und TR3 zugleich leitend oder gar alle vier, was unschwer zu erkennen einen saftigen Kurzschluss bedeutet. Wählt man für die H-Brücke wie in der Abbildung ausschließlich N-Kanal-Mosfets, gibt es ein Problem bei der Ansteuerung der Gates der beiden oberen Mosfets: Wenn z.B. TR4 und TR2 leiten, liegt bei TR4 Drain und Source auf dem selben Potential, weil das TR4-Source ja nicht mit Masse verbunden ist.

Damit TR4 jedoch leitet, muss die Spannung am Gate mindestens 5 bis 10 Volt höher sein als die an Source. Die Lösung besteht darin, für das Gate eine Spannung zu erzeugen, die eben diese 5 bis 10 Volt höher ist als die Versorgungsspannung. Dies bedeutet einigen Schaltungsaufwand, etwa der Aufbau eines Spannungsverdopplers. Wählt man hingegen für TR1 und TR4 einen P-Kanal-Mosfet, wird die Ansteuerung um einiges einfacher. Die Abbildung zeigt eine Lösung mit einem vorgeschalteten Transistor. R1 hat zwei Aufgaben: Er reduziert den Strom, mit dem der Ausgang des Prozessor belastet wird und dient gemeinsam mit R2 als Spannungsteiler zur Einstellung der Basisspannung von T1. Sie ist so bemessen, dass der Transistor nur soweit durchsteuert, dass sich am Gate von Q1 eine Spannung ergibt, die um den Betrag niedriger liegt als VCC, um Q1 voll durchzusteuern. Wird T1 nicht angesteuert, liegt das Gate von Q1 auf dem Potenzial von VCC. Für R1 kann man 4700 Ohm einsetzen. R2 ist am einfachsten zu ermitteln, wenn man ein 2k-Potenziometer solange dreht, bis sich am Gate die gewünschte Spannung einstellt.

Abb. Push- und Pull-Transistoren

Push-Pull-Transistoren ermöglichen das schnelle Umladen der Gatekapazitäten und damit schnelles Ein- und Ausschalten des MOSFET.

Push-Pull-Transistoren

Wenn die Treiberleistung des steuernden Mikrocontrollers zum Schalten des Mosfet nicht ausreicht, setzt man Push-Pull-Transitoren zwischen Ausgangspin und Gate (siehe Abb.). Sie erhöhen die Treiberleistung um den Betrag der Stromverstärkung der Push-Pull-Transistoren. Ist das PWM-Signal „High“ leitet T1, ein NPN-Transistor, der als Spannungsfolger geschaltet ist und T2 - ein bipolarer PNP-Transistor - sperrt. Ist das PWM-Rechtecksignal gerade „Low“ Leitet T2 und T1 sperrt. Beide Transistoren dienen zudem dazu, die Kapazitäten im Gate schnell umzuladen.

Versetzt man einen MOSFET in den leitenden Zustand, lädt sich die Gatekapazität auf. Fällt das Steuersignal weg (High auf Low-Übergang), vergeht eine gewisse Zeit, bis die Ladung des Gate abgebaut ist, währenddessen kann der MOSFET leitend bleiben. Um einen MOSFET zu steuern, braucht man zwar keinen Gate-Strom wie der Basisstrom eines bipolaren Transistors, weil der MOSFET sehr hochohmig ist und sich theoretisch nur mit Spannung steuern lässt. In der Praxis ist aber dennoch ein Strom vonnöten, der die Gatekapazität umladen kann. Damit die Ladung schnell auf- und abgebaut wird, muss ein hoher Strom fließen: Leitet T1, „schiebt“ er Ladung auf das Gate (push), ist T2 leitend, „zieht“ der Transistor Ladung vom Gate ab (pull).

Abb. Snubber

RC-Glied (Snubber) verringert HF-Störungen und Spannungsspitzen.

Snubber

Induktive Lasten (Motoren) erzeugen störende Spannungsspitzen, wenn der Stromfluss plötzlich unterbrochen wird. Der Snubber soll diese Effekte verringern oder auslöschen und schützt MOSFETs und andere Leistungstransistoren so vor möglicher Zerstörung. Ein Snubber besteht aus einer Reihenschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes, dessen Werte auf die Spannung und Strom dimensioniert werden. Eine weitere Snubberschaltung verwendet zusätzlich eine Diode. Die Berechnung eines Snubbers ist komplex, daher helfen sich viele Praktiker mit der Methode „Versuch und Irrtum“. Wirkungsweise: Beim Einschalten wird die Kapazität geladen und beim Einschalten über den Widerstand entladen. Der Widerstand begrenzt dabei den Umladestrom.

IC mit interner H-Brücke

H-Brücke und Ansteuerlogik unter einem Dach: ein Beispiel für ein leistungsstarkes Motor-IC.

H-Brücke mit IC

Komplette H-Brücken inklusive der Steuerelektronik für Mikroprozessoren werden bereits als integrierte Schaltungen nach dem Motto „Lösung auf einem Chip“ angeboten. Der für Motorsteuerungen entwickelte VNH3SP30 soll hier als Beispiel dienen. Der maximale Strom darf kurzzeitig bis zu 30 Ampere betragen! Vier Steuereingänge sind prozessorfreundlich TTL-kompatibel und der PWM-Eingang verträgt eine PWM-Frequenz bis zu 10 kHz. Bei Unter- und Überspannung sowie bei Überhitzung schaltet der IC selbsttätig ab. Fehlerausgänge ermöglichen die Erkennung von nicht oder falsch angeschlossenen Motoren oder das Fehlen der Betriebsspannung des Motors.

Abb. Blockschaltbild

Blockdiagramm des Motor-IC. Neben der H-Brücke verfügt es über umfangreiche Schutzfunktionen.

Kurz und gut, die Möglichkeiten gehen weit über das hinaus, was mit einer reinen H-Brücke allein realisierbar wäre. Kein Wunder, dass der IC gern zur Steuerungen kleiner bis mittlerer Motoren genutzt wird, nicht nur wegen der kompakten Bauform, welche den Platz einer konventionellen H-Bridge deutlich unterschreitet.


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Copyright Michael Wöste, DL1DMW