Weil immer wieder die Frage auftaucht, wie man mit einem highside N-Mos Lasten schalten kann und dabei meist mit Kanonen auf Spatzen geschossen wird, indem auch bei niedrigen Schaltfrequenzen gleich der Ruf nach speziellen Treiber-ICs laut wird oder sogar zusätzliche Hilfsversorgungen eingeführt werden, möchte ich hier kurz erkäutern, wie man das Problem mit ein paar diskreten Bauteilen löst.
Wenn man sowieso vor hat, die Last mit PWM anzusteuern, dann ist es fast immer sinnvoll die notwendige Hilfsspannung zur Gate-Ansteuerung mit einer Ladungspumpe zu erzeugen, die in diesem Fall vom Mosfet selbst getrieben wird.
Bevor ich auf die Dimensionierungsdetails eingehe, möchte ich darauf hinweisen,
dass die Schaltung nur funktioniert, wenn nie 100% Einschaltzeit erreicht werden,
denn sonst wird der Kondensator nicht nachgeladen, die Gatespannung sinkt auf
die Versorgungsspannung und der dadurch entstehende Spannungsabfall an Q1 kann
vom verminderten Wirkungsgrad bis zur Themischen Zerstörung des Mosfets
führen.
Ausserdem muss gewährleistet sein, dass während der Aus-Phase
die Last das Source von Q1 auf GND zieht, denn sonst wird der Kondensator
ebenfalls nicht nachgeladen. (Ohmsche Lasten sollten hier keine
Probleme bereiten, Kapazitive Lasten oder als Generator funktionierende
Lasten wie Gleichstrommotoren können zu Problemen führen).
Fangen wir beim einfachen Teil an. Die Zenerdioden D2 und D3 sorgen dafür, dass die maximale Gate-Source-Spannung von Q1 nicht überschritten wird. Je nach Höhe der Versorgungsspannung können sie auch entfallen. (Wenn die VCC*2 < UGSmax ist falls die Last das Source kurzfristig auf GND ziehen kann (kurzfristige Überlastung, ...) oder VCC < UGSmax, wenn das Source nicht auf GND ziehen kann.) R3 wird so gewählt, dass der Maximalstrom von Q2 nicht überschritten wird, falls die Gatespannungsbegrenzung durch D2 und D3 greift. Entfallen D2 und D3, so kann auch R3 entfallen.
C1 wird über D1 auf fast VCC aufgeladen, wenn Q1 sperrt. Beginnt Q1 zu leiten,
so addiert sich die Spannung an der Last zur Spannung in C1, sodass am
Knoten zwischen D1 und R2 ca. ULast+VCC anliegen. Durch diesen Vorgang
schwingt sich die Lastspannung durch ihren eigenen Anstieg hoch (daher der
Name Bootstrap) und die Spannung an C1 erreicht dadurch fast 2*VCC.
Daher steht auch genug Gatespannung zur Verfügung um Q1 komplett
durchzuschalten.
Weil die Gatespannung aber von C1 zur Verfügung gestellt wird, kann
die Einschaltzeit nicht beliebig lange sein, weil sich, auch wenn das Gate
von Q1 hochohmig ist, durch diverse Leckströme C1 langsam entladen wird,
bis keine ausreichende Gatespannung mehr vorhanden ist, wodurch UDS von Q1
und damit seine Verlustleistung steigen, während die Lastspannung sinkt.
Der Wert von C1 wird in erster Linie von der Gateladung von Q1 bestimmt.
Solange die Ladung in C1 wesentlich grösser ist als die Gateladung,
braucht man sich um diese nicht viele Gedanken zu machen.
Nehmen wir an es muss UGS>6V erfüllt sein, damit Q1 für den
Anwendungszweck genügend durchschaltet, so muss C1 mindestens soviel
Ladung in das Gate einbringen können, dass die Bedingung erfüllt ist.
Die Ladung in C1 ist in etwa QC1=C1*VCC. Nach dem Einschaltvorgang sind C1
und CGS (Gate-Source-Kapazität) quasi parallelgeschaltet. Bis in etwa
zu dem Punkt, an dem Das Gate-Potential VCC-UD1 erreicht, wird das Gate
über D1 versorgt - über diesen Bereich brauchen wir uns also
nicht zu kümmern.
Nach dem Einschaltvorgang ergibt sich UGS in etwa zu:
UGS=QC1/(CGS+C1)
wobei
QC1=VCC*C1
und damit
UGS=VCC*C1/(C1+CGS)
und mit
CGS etwa QGS/UGSsoll
daher
UGS=VCC*C1/(C1+QGS/UGSsoll)
Nach Umstellen nach C1 erhält man (da UGS=UGSS sein soll):
C1 > UGSsoll*QGS/(UGSsoll*VCC-UGSsoll*UGSsoll)
C1 > QGS/(VCC-UGSsoll)
Für unser Beispiel nehmen wir an, dass UGS=6V, QGS=10nC, VCC=12V.
Damit ergibt sich: C1>1.66nF.
Wie man sieht, kann man die Bedingung für C1 meist leicht erfüllen. Man kann daher auch einfach für C1 einen 100nF Kondensator einsetzen, ist damit auf der absolut sicheren Seite und braucht sich wenig Gedanken zu machen, wenn man den Mosfet durch einen anderen ähnlichen erstzt.
Diese Rechnung stimmt natürlich nicht genau, weil CGS nicht leer ist, wenn C1 anfängt CGS zu laden. CGS enthält da nämlich schon in etwa UGST*CGS (UGST = UGS-Schwellenspannung - Ab wann der Mosfet zu leiten beginnt) als Ladung, sodass nach dem Kompletten Einschaltvorgang die Gesamtladung in CGS und C1 = UGST*CGS+C1*VCC ist. Wie man sieht trägt das aber positiv zum Durchschalten bei, darum können wir es für die Mindestkapazität von C1 vernachlässigen.
R2 dimensioniert man so, dass die Zeitkonstante aus R2*CGS << Tmin ist, wobei Tmin die minimale Ein- bzw. Ausschaltzeit ist. Nimmt man CGS mit typisch 5nF an, und betriebt man 1kHz PWM mit minimal 1% Einschaltdauer so ist Tmin=1/1000*1%=10us und R2 << 2kOhm, also z.B 220Ohm. R1 und C1 sind eine Standardbeschaltung von Q2 als Emitterschaltung und sollen daher hier nicht im Detail diskutiert werden. Als Richtwert von C2 kann man 100pF nehmen und bei Bedarf vergrössern. R1 sollte je nach Stromverstärkung von Q2 ca. 5*R2 bis 20*R2 sein.