Bootstrap Kondensator für High Side Driver

Hallo alban,

Ich kann dir ganz sicher helfen, werde aber aus deiner Erkärung nicht ganz schlau, was Du eigentlich erreichen willst.

Der LM5101 ist ein schneller Treiber für eine MOSFET-Halbbrücke. Du schreibst aber, dass Du ihn als "Ausgangsstufe" benutzt. Ohne angeschlossene MOSFETs kann man mit dem LM5101 aber keine 100V schalten und dann macht natürlich auch der Bootstrap-C keinen Sinn. Ansonsten ist doch im Datenblatt ganz klar beschrieben, wie der LM5101 funktioniert und wie er zu beschalten ist.

Erstens: Die Speisung VDD sollte 12V sein!
Im Prinzip schaltest Du die beiden externen FET um. Der untere, von LO angesteuert, braucht am Gate eine Steuerspannung zwischen Null und Plus (mindestens etwa 7V).
Wenn er sperrt, soll der obere leiten. Da dieser an einer hohen Spannung von rund 100V liegt, muss seine Gate-Spannung sich zwischen Null (sperren) und mindestens 7V über der Drainspannung (HV) bewegen. Damit dies möglich wird, wird die geschaltete Ausgangsspannung, die sich ja zwischen Null (LO leitet) und HV (HI leitet) bewegt, mit dem Bootstrap an den Anschluss HB gelegt.
Mit der internen Diode wird dauernd die Speisespannung VDD als Minimalspannung an HB gelegt. Das bedeutet, dass dieser Anschluss sich durch den Bootstrap zwischen VDD (12V) und HS PLUS VDD bewegt.
Nach Datasheet ist der Maximalstrom I HB ca. 3 mA. Das bedeutet, dass in der positiven Zeit, also HS hoch, sich der Bootstrap möglichst wenig entladen sollte. In der Praxis würde ich eine Entladespannung von 2V tolerieren, denn der FET wird mit 7V schon weitgehend durchgesteuert sein, wenn wir eine Speisung von 12V annehmen und einen Spannungsabfall am Bootstrap durch die Entladung von 2V, so bleibt eine maximale Steuerspannung von 10V, also genügend Reserve. Zur Berechnung brauchst Du also die Entladespannung von 2V, den Strom von 3 mA und die Zeit, die eine Funktion der Schaltfrequenz ist.

Ich wollte den treiber eigentlich so benutzen, dass ich am eingang (LI) ein TTL Signal eingebe. Am Ausgang (HO) möchte ich dieses Signal dann, mit gleicher frequenz rausbekommen, allerdings mit einem High-Pegel von ca. 110V. Ich hab das ganze schon mit einem Treiber (LM18400) gemacht, der mir am Ausgang einen High-Pegel von 24V ausgegeben hat.
Ich will also einen Spannungsumsetzer, der mir ein TTL Signal TTL in ein digitales Signal mit nem High Pegel von 110V ausgibt.
Bisher hatte ich die Speisespannungen so vorgesehen:

VDD = 12V
VHS = 100V
VHB = 110V
VSS = GND

das datenblatt hatte ich so verstanden, dass der treiber maximal VHB + 0.3V ausgeben kann (HO) und VHBmax = 118V sind.

Ich weiß halt nicht, was ich mit diesem Bootstrap Kondensator anstellen soll.

Ersetz den oberen FET mal in Gedanken durch einen Widerstand. Folglich hast Du den unteren FET mit Arbeitswiderstand gegen die "Hochspannung".
Demzufolge hast Du an LO eine Schaltspannung (Rechteck) zwischen 0V und mindestens 7V.
Bei LO null ist HS = HV, weil der FET sperrt, bei LO + leitet der FET, also ist HS = null.
Damit an HS etwas passiert, BRAUCHST Du zumindest den unteren FET.
Im Prinzip ist der obere Schaltungsteil (Driver usw.) mit dem unteren identisch. Nur ist da eine Pegeltrennung (Level Shift). Das könnte beispielsweise ein Optokoppler sein.
Denn die obere Schaltung macht genau das gleiche wie die untere, nur gegenphasig. Wenn also der untere Fet leitet, muss der obere sperren. Dann ist HS und HO null.
Wenn LO null ist und demnach der untere FET sperrt, ist HO mindestens 7V höher als HS, sodass der obere FET leitet und HS auf die Spannung von HV steigt.
In meinem ersten Beitrag habe ich geschrieben, dass durch die Diode von der Speisung nach HB die obere Schaltung mal mit der Speisespannung versorgt wird. Das ist nötig, damit da oben überhaupt etwas passieren kann. Wenn LO + ist, haben wir gesagt, dass HS null ist.Folglich ist HB um die Speisespannung höher, der Bootstrap wird auf die 12V geladen, Plus an HB.
Wenn LO null ist, steigt HB um den Betrag von HV, weil der untere FET sperrt und der obere leitet. Jetzt hast Du an HB eine Spannung, die um die normale Speisung höher ist als HS. Oder anders gesagt, die Speisung über der oberen Schaltung hat sich nicht verändert.
Wenn Du aber an HS einfach 100V und an HB 110V anschliesst, so hast Du bi LO 0/+7V und bei HO 100/107V. Das ist kaum das, was Du möchtest.

Wie erwähnt könnte man den oberen FET durch einen Widerstand ersetzen. Dann hat man aber kein vernünftiges Schaltverhalten.
Oder man könnte den oberen, geschalteten FET durch eine Konstantstromquelle ersetzen. Dann brauchen wir aber den IC nicht. Dann genügt ein OPV, der aus dem 0/5V-Eingangssignal ein 0/7V Ausgangssignal für den Schaltfet macht. Oder wir verwenden einen TTL-tauglichen FET. ABER OHNE FET GEHT NICHTS!!

@dr alban

Soll am Ausgang denn nun ein Signal erscheinen, das bezogen auf signal-GND zwischen +110V und +113.3V schaltet, also ein TTL-Signal bezogen auf +110V, oder soll der Ausgang zwischen 0V und +110V schalten?

Auf jeden Fall benötigt der LM5101 aber zwei komplementäre TTL-Eingangssignale. Wenn man nur den LI-Eingang benutzt, funktioniert es nicht! Es funktioniert nicht einmal dann, wenn Du über einen einfachen TTL-Inverter ein komplementäres Signal für den HI-Eingang erzeugst, denn dann entstehen Querströme beim Umschalten, die die angeschlossenen MOSFETs zerstören können, da der LM5101 über keine ausreichende interne Totzeit verfügt.

Steht nur ein TTL-Eingangssignal zur Verfügung, solltest Du den LM5104 benutzen. Der hat nur einen Signaleingang und einen internen Totzeit-Generator, der über einen externen Widerstand gegen Masse eingestellt werden kann.

Je nachdem, was Du mit dem Ausgangssignal erreichen willst, wie es wirklich aussehen soll und welcher Strom geschaltet werden muß, kann hier aber auch eine ganz andere Lösung besser sein.

hmm... ich will am ausgang praktisch ein signal haben, dass entsprechend dem ttl eingangssignal (H & L) das Ausgangssignal zwischen 110V (H) und 0V (L) schaltet.

könnte man den einen eingang vom 5101 nicht auf masse legen? im datenblatt steht zumindest, dass man nicht benutze eingänge nicht offen lassen, sondern auf gnd legen soll.

@dr alban

LI steuert den "unteren" MOSFET und HI unabhängig davon den "oberen". Mit HI auf Masse kann man mit einem TTL-Signal nur an LI also lediglich den unteren MOSFET ein- und ausschalten, der obere MOSFET bleibt dann immer aus und es kann somit auch nicht bis 110V geschaltet werden.

Mit nur einem Eingangssinal muß man den LM5104 verwenden!

Wenn tatsächlich eine Amplitude von 110V gefordert ist, ist sowohl der LM5101, als auch der LM5104 an der absoluten Grenze der Spannungsfestigkeit. Aus elementaren Sicherheitsgründen sollte man daher einen Treiber mit höherer Spannungsfestigkeit und entsprechende MOSFETs wählen.

Vielleicht kommen wir schneller zum Ziel, wenn Du mal ganz genau erklärst, was Du eigentlich vorhast.
1. Welche Frequenz hat das TTL-Eingangssignal, welche minimale und welche maximale Pulsbreite?
2. Wozu ist das 110V-Schaltsignal gut und welche Anforderungen muß es in Bezug auf Anstiegsgeschwindigkeit, Überschwingfestigkeit und Strombelastbarkeit erfüllen?

@ beobachter:
wg deiner Fragen muss ich dich leider noch ein bisschen vertrösten... ich suche fieberhaft nach unterlagen, aber ich kann keine richtigen finden.

was ich vor hab:
ich soll einen spannungs-umsetzer bauen, der in digitales signal mit einem High Pegel von 24V auf ein signal mit nem high-pegel von 110V umsetzt.

bisheriger schaltungsentwurf:
am eingang hab ich nen spannungsteiler (24V --> 5V) dann invertierender schmitt trigger (signalaufbereitung), optokoppler(galvanische trennung), inv. schmitt trigger und dann... lm5104 und mosfet? um von ttl auf 110V Pegel zu kommen.

das ganze hab ich auch schon für nen umsetzer von 3,3V auf 5V, bzw. 24V.
die 24V bekomm ich mit dem lm18400 am ausgang. schaltung funktioniert auch soweit.