BJT двухтактный для MOSFET


12

Я ищу способ управлять MOSFET с дискретными компонентами. На самом деле мне нужно управлять кучей МОП-транзисторов с токами 100-150А. И мне интересно, что можно было бы не использовать управляющие микросхемы, иметь больший контроль над функциональностью, меньшую сложность, меньшие затраты.

Я экспериментировал с различными устройствами, с резисторами и конденсаторами. Я использую осциллограф для контроля времени звонка, времени подъема / падения и т. Д.

Проблема в том, что как только я представлю резисторы, время нарастания / спада становится очень большим.

Входной сигнал имеет время нарастания / спада всего около ~ 8-10 нс. Используя только BJT, сигнал легко дублируется при одинаковом времени нарастания / спада. Но как только емкость затвора введена, время нарастания / спада становится значительно выше, например, 300-2000 нс.

Таким образом, я экспериментировал с различными методами, чтобы уменьшить время нарастания / спада:

Метод A: NPN + PNP (источник напряжения? Источник тока из Vcc?)

Я сделал следующую схему, не понимая, что напряжение затвора никогда не будет больше, чем напряжение входного сигнала.

Мне нужно, чтобы напряжение на затворе было больше 10 В, чтобы минимизировать Rdson.

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Метод Б: PNP + NPN

Я экспериментировал с различными резисторами и конденсаторами:

схематический

смоделировать эту схему

Но я обнаружил, что:

  • Конденсатор уменьшает нарастание звона, но увеличивает нарастание звона и время => снято
  • Все резисторы, кроме R2 и R3, оказали вредное влияние на характеристики подъема / падения => удалены
  • Используя потенциометры для R2 и R3, я обнаружил, что лучшее сопротивление было R3 = 4 кОм и R2 = 1,5 кОм.
  • Время подъема 490 нс, время падения 255 нс.

Я немного обеспокоен тем, что напряжение на затворе не падает достаточно низко, например, кажется, оно остается на отметке 400 мВ. Хотя земля, кажется, читается при 250 мВ, так что, возможно, макет просто дерьмовый. Насколько низким должно быть напряжение на затворе, чтобы предотвратить накопление тепла, когда сигнал постоянно низкий (выключен)?

Мне интересно, есть ли что-нибудь еще, что я могу сделать, чтобы улучшить производительность?

Улучшенная схема:

схематический

смоделировать эту схему

Осциллограф:

Примечание: по-видимому, входной сигнал был инвертирован на осциллографе путем настройки. Я обновлю скриншоты позже ...

введите описание изображения здесь введите описание изображения здесь введите описание изображения здесь

Также я включил базу PNP в следующие скриншоты. Это должно выглядеть так? Это выглядит немного в стиле фанк.

Кажется, проблема в том, что NPN остается включенным, что препятствует зарядке ворот.

введите описание изображения здесь введите описание изображения здесь


Непонятно, генерирует ли ваш генератор сигналов переключение между 0 и 5 В, или -2,5 и +2,5 В, или -5 и +5 В, или что. Может помочь трассировка области или указание того, какое устройство вы представляете этим символом.
Фотон

Если основание NPN находится на 5 В, а излучатель на 6 В, то почему он будет проводящим?
user253751

Зачем вам вообще нужен водительский цирк? 5В достаточно, чтобы включить этот полевой МОП-транзистор и получить сопротивление до 0,004 Ом. И где ты говоришь об этом звонке? Если он загружен, то вы лаете не на то дерево. Вам понадобится демпфер через МОП-транзистор.
Винс Патрон

@ VincePatron, мне нужно проехать 100А. Но, возможно, мне будет лучше с Rdson 4 мОм с быстрым переключением, чем с 2,5 мОм с медленным переключением. Кроме того, я ожидаю, что мне нужно будет проехать около 8 MOSFET, поэтому я не уверен, что MCU может обеспечить достаточный ток. Короче говоря, я думал, что использование BJT было простым решением, но, очевидно, это не так.
user95482301

2
Все еще нуждается в улучшении. Q2 сильно перегружен. = >> огромная задержка выключения (= время хранения). Ничего не было сделано против перегрузки. В прошлом эти контрмеры были хорошо известны, но, похоже, сегодня они остались среди пыли. Во-вторых: Q1 постоянно идет вперед, и у Q2 сложная задача, чтобы победить. Вероятно, минимальное значение Vgs составляет около 0,3 В. Вы должны использовать выход ШИМ 0 В / 5 В через ненасыщающий буферный усилитель, который может вводить и выводить достаточный заряд из затвора mosfet в течение требуемого времени перехода в состояние. Хотите узнать больше? Пожалуйста, напишите комментарий. Ссылайтесь на мой ответ.
user287001

Ответы:


8

Ваши BJT находятся в конфигурации подписчика. Это означает, что они могут обеспечить усиление по току, но не усиление по напряжению. На самом деле излучатели будут диодным падением НИЖЕ базы для положительных сигналов. Если вы получили напряжение 6 В на затворе, у вас должно быть около 6,7 В от генератора сигналов.

На странице BJT Wiki есть ссылки на 3 распространенных вида усилителей, которые объясняют больше о характеристиках усилителей BJT.

BJT Wiki

Усиление по току - это хорошо, потому что для зарядки емкости затвора полевого транзистора в течение короткого периода времени необходимы высокие пиковые токи: I = C * dv / dt.

Один из способов получить более высокое колебание напряжения - добавить переключатель уровня BJT перед каскадом возбуждения затвора, чтобы он переводил с 5В на 12В. Конечно, одноступенчатый регулятор уровня BJT будет инвертировать сигнал, но часто вы можете справиться с этим на источнике сигнала.

введите описание изображения здесь

Подтягивающий резистор должен быть достаточно небольшим по величине, чтобы вы могли получить приемлемое время нарастания для своего применения. VCC будет вашим источником питания 12 В, а базовый резистор должен быть рассчитан таким образом, чтобы гарантировать насыщение с приводом 5 В, учитывая бета-версию транзистора. ! Y должен подключаться к основаниям вашего драйвера BJT.

Однако, если ваша цель - быстрые подъемы и спады с FET, а не изучение BJT, вам, вероятно, следует использовать коммерческую ИС драйвера шлюза. Ищите варианты от IR / Infineon, Texas Instruments, Intersil или Maxim.

Вот недорогой вариант от TI:

UCC27517


Что я должен использовать вместо этого тогда? Я сначала попробовал с PNP между воротами и 12V, но это начало курить.
user95482301

Кроме того, имеет ли смысл вместо этого использовать операционный усилитель, такой как LM358P?
user95482301

Ответ отредактирован с учетом комментариев.
Джон Д

@ user95482301: если вы можете позволить себе использовать интегральную микросхему, я предлагаю использовать выделенную интегральную схему преобразователя / драйвера, как предложено в моем ответе.
Творог

1
IR2101 тоже хороший выбор. Не уверен, где вы увидели высокую цену за UCC27517, на сайте TI она составляет $ 0,49 (1 у.е.), и они отправят вам 10 шт бесплатно в качестве образцов, если вы запросите их на сайте. Он находится в пакете SOT-23, который довольно прост в обращении для создания прототипов, но звучит так, как будто вам будет удобнее с ИК-частью.
Джон Д

6

Первый вариант - толкатель толкающего излучателя должен быть в порядке, если достаточно только максимально доступного Mosfet VGS = +4,3 В. Для обеспечения выключенного состояния Mosfet от эмиттеров BJT к GND необходимо вставить резистор понижения напряжения около 100 Ом, поскольку PNP не сработает эффективно при напряжении ниже +0,7 В. Кроме того, демпфирующий резистор в несколько Ом, вставленный непосредственно в клемму затвора Mosfet, должен предотвратить некоторые звуки вызваны емкостью и индуктивностью провода.

Ваша вторая версия имеет ярлык. Подумайте о текущем маршруте Q2 базы-> R3-> R2-> базы Q1.

Эмиттер-повторитель не имеет насыщения и, следовательно, не имеет задержки выключения из-за диффузионной емкости.

Как предлагают другие ответы, используйте драйвер драйвера IC. Это делает работу с нулевой настройкой и низкой вероятностью вести себя немыслимо во время переходов рабочего напряжения.

Дополнение из-за комментария спрашивающего, в котором говорится, что ток равен 100 А.

100-амперный идентификатор во включенном состоянии требует серьезного внимания и даже больше, если скорость переключения высока. Проведите пробный запуск, запустив затвор от обычного генератора прямоугольных сигналов Zout 50 Ом. Для обеспечения безопасности используйте низкую частоту переключения и начинайте с однополярного сигнала более + 6 В. Осциллограф в Vgs дает представление о том, какой большой заряд необходим для введения и удаления при переходах состояний в требуемое время перехода. Это определяет желаемый ток привода. Осциллограф в Vds показывает необходимые Vgs.

Описанные измерения являются основой для проектирования достаточно способного водителя.


Проблема в том, что мне нужно переключить 100A, поэтому Rdson должен быть как можно меньше.
user95482301

1
@ user95482301 Если вы выполняете предложенный тестовый запуск с генератором сигналов, находите наименьший используемый выходной уровень генератора для достаточно низких Vds и публикуете график осциллографа с двумя трассировками Vds и Vgs, вы, скорее всего, получите набор подходящих конструкций. Сюжет должен хорошо раскрывать переходы. Вы должны использовать окончательную загрузку.
user287001

6

Другие люди уже предложили драйверы IC MOSFET. Похоже, вы действительно хотите сделать дискретный драйвер.

Вот схема, и это в основном то, что будет внутри ИС драйвера. Это приводит к переключению на 100 А при времени перехода около 100 нс, что позволяет минимизировать рассеиваемую мощность MOSFET.

Q1 - это простой преобразователь уровня инвертирования, который обеспечивает размах сигнала до 12 Вольт. M2 и M3 образуют двухтактный драйвер MOSFET. R4 и R5 предназначены для ограничения сквозного тока, чтобы предотвратить повреждение M2 и M3, потому что, когда их затворы переходят между 0 и 12 В, они будут включены в течение небольшой доли времени.

Без R4 и R5 ток пробоя превысил бы их максимальные значения тока утечки. В реальной микросхеме M2 и M3 были бы достаточно маленькими по размеру, чтобы иметь достаточно высокое Rds, вместо того, чтобы устанавливать фактические резисторы.

Кроме того, M2 / M3 делает инверсию, чтобы вернуться к нормальной логике. Наконец, M3 служит драйвером сильного тока для управления током 100 Ампер.

введите описание изображения здесь

Обратите внимание, что при отключении M1 задержка составляет около 2 мкс. Если вы не переключаете свою нагрузку на высокой частоте, то это 2us не будет беспокоить.

Я определенно не рекомендовал бы использовать эти части; Я просто выбрал их из того, что было у LTspice. Например, M1 ограничен непрерывной 35А, поэтому замените эти детали на что-то подходящее для вашего дизайна и повторите симуляцию. Затем протестируйте ваш прототип, чтобы подтвердить производительность. В любом случае, эта схема может быть хорошей отправной точкой для вас.


2
> Вот схема. хорошая схема. Я бы предположил, что ОП проводит анализ того, сколько тока ему нужно подать в ворота. если он переключает нагрузку на 100а, это очень накачанный мосфет. на умеренных частотах ему, вероятно, потребуется подать несколько усилителей (пик) в затвор.
Дэнниф

для того, чтобы сделать это в приведенной выше схеме, необходимо уменьшить два резистора 22R. тогда возникает вопрос о сквозной съемке, и вы справляетесь с мертвым временем.
Дэнниф

1
Основной причиной замедления здесь является «то же самое старое и столь типичное сегодня», это «никакие уловки, используемые для быстрого переключения BJT». Недостающие приемы: 1) ускоряющий конденсатор, поместите 50 pf параллельно с R2 2) предотвратите насыщение с помощью зажима, это означает, что поместите диод с низким падением напряжения на Q1 от b до c, чтобы отсосать избыточный базовый ток. Диод Шоттки хорош, германиевый диод проходим. Диодный анод к б, катод к ц. Я пытался вставить эти трюки в качестве правки, но одноранговый
узел

1
Похоже, отличное улучшение. Вероятно, был отклонен, потому что это было бы более уместно, как другой ответ. Пожалуйста, отправьте это как новый ответ. Мы все будем учиться на этом. Или я попробую позже и отредактирую этот ответ м
Винс Патрон

4

Быстрое переключение 100 ампер опасно, если не для вас, то для срока службы цепи.

Предположим, что где-то 4 дюйма провода. Это примерно 0,1 мкГн. Приблизительно. Я очень рад, если предположить, что 1 метр провода - это индуктивность 1 мкГенри, потому что я могу выполнить некоторые предостерегающие вычисления с обратной оболочкой и избежать значительных повреждений.

Позволяет отключить эти 100 ампер за 10 нсекунд. С индуктивностью 0,1 мкГн в источнике или в стоке. Что просходит?

Взнак равноL*dя/dT
Взнак равно100NaNоЧАСеNрY*100aмпs/10NaNоSесоNds
, «Нано» отменяет. У нас есть 100 * 100/10, или ОДИН ТЫСЯЧ ВОЛЬТОВ.

Если в стоке, вы просто стерли Power MOSFET.

Если в источнике, вы, вероятно, получите поведение с отрицательной обратной связью, которое предотвращает выключение на многие многие наносекунды. Я лично видел, как это произошло, с длинными тестовыми проводами в 9amp водителей.


Это действительно хороший момент. Я удивлен, что никто не упомянул об этом раньше. Возможно, кто-то еще мог бы прокомментировать?
user95482301

1
Есть ли решение этой проблемы? Или я должен был бы подойти к проблеме ограничения тока по-другому, например, с резисторами? И разве это не общая проблема даже для обычного SPST-переключателя? Я также собираюсь использовать этот метод для OVP / UVP / OCP для моего банка аккумуляторов, который будет постоянно включен, но с одним событием переключения. Я предполагаю, что то, что вы описываете, также будет иметь отношение к событиям, вызванным перегрузками. Было бы достаточно иметь стабилитрон на 1000 В? Я предполагаю, что номинальная мощность не должна быть слишком большой.
user95482301

Исправление: V=L∗di(t)/dtнет V=L∗dt/dT. Источник: en.wikipedia.org/wiki/Inductance .
Габриэль Стейплз

Как решить эту проблему? Используйте плоскости заземления под проводами и трассами, если провода затем используют ленту для удержания проводов против плоскости, используют пакеты MOSFET с низкой индуктивностью, рассеивают ток через несколько MOSFET и используют демпферы RC (по одному на каждый MOSFET для обеспечения малых расстояний), чтобы мгновенно поглощают энергию магнитного поля и рассеивают энергию.
analogsystemsrf

2

Для этой цели существуют интегральные схемы драйвера преобразования уровня, например, DS0026 или MC34151 .

Они имеют TTL / CMOS-совместимые входы и имеют быстрое время нарастания и спада и способны возбуждать довольно высокие токи; все функции, необходимые для быстрого включения и выключения MOSFET.


Можно ли будет просто использовать вместо этого операционный усилитель?
user95482301

1
Нашел ответ на мой вопрос: «Быстрое включение и выключение, чтобы избежать чрезмерного рассеивания мощности при работе устройства в его линейном режиме. Для этого требуется устройство, которое может очень быстро перемещать нагрузку по току. А 741 просто не будет порезать горчицу. "
user95482301

1
Операционный усилитель имеет следующие недостатки: (1) он не может переключаться так быстро (2) он не может обеспечивать такой же ток, как специализированная ИС преобразователя уровня / драйвера. Это приводит к более медленной зарядке / разрядке затвора MOSFET, что приведет к большему рассеянию мощности в MOSFET.
Творог

2

<почему 0-6v?

Излучатель Q2 на 0,7 В выше основания Q2, что составляет 0-5 В. Это твой ответ.


Да. Я думал, что Q1 будет тянуть его до 12 В, но я, очевидно, ошибаюсь :)
user95482301

0

Я немного обеспокоен тем, что напряжение на затворе не падает достаточно низко, например, кажется, оно остается на отметке 400 мВ. Хотя земля, кажется, читается при 250 мВ, так что, возможно, макет просто дерьмовый. Насколько низким должно быть напряжение на затворе, чтобы предотвратить накопление тепла, когда сигнал постоянно низкий (выключен)?

Кажется, что MOSFET M1 не получает путь низкого сопротивления для правильного выключения. Это может быть предоставлено через транзистор к GND. Таким образом, ворота М1 будут быстро разряжаться.

введите описание изображения здесь

Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.