BJT push-pull para un MOSFET

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Estoy buscando una manera de conducir un MOSFET con componentes discretos. En realidad, necesito manejar un montón de MOSFET, con corrientes de 100-150A. Y me pregunto si sería posible no usar circuitos integrados de conducción, tener más control sobre la funcionalidad, menos complejidad, menos costo.

He experimentado con diferentes arreglos, con resistencias y condensadores. Estoy usando un osciloscopio para controlar el timbre, los tiempos de subida / caída, etc.

El problema es que tan pronto como introduzco resistencias, el tiempo de subida / bajada se vuelve muy alto.

La señal de entrada tiene un tiempo de subida / bajada de solo ~ 8-10 ns. Usando solo los BJT, la señal se duplica fácilmente en tiempos de subida / bajada similares. Pero una vez que se introduce la capacitancia de la puerta, el tiempo de subida / bajada se vuelve significativamente mayor, por ejemplo, 300-2000 ns.

Por lo tanto, he estado experimentando con diferentes métodos para reducir el tiempo de subida / bajada:

Método A: NPN + PNP (¿Seguidor de voltaje? ¿Fuente actual de Vcc?)

Hice el siguiente circuito, sin darme cuenta de que el voltaje de la puerta nunca sería más que el voltaje de la señal de entrada.

Necesito que el voltaje de la puerta sea superior a 10 V para minimizar Rdson.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Método B: PNP + NPN

He experimentado con diferentes resistencias y condensadores:

esquemático

simular este circuito

Pero encontré que:

  • El condensador reduce el timbre de subida, pero aumenta el timbre de caída y el tiempo => eliminado
  • Todas las resistencias, excepto R2 y R3, tuvieron un impacto perjudicial en las características de subida / caída => eliminadas
  • Usando potenciómetros para R2 y R3, descubrí que la mejor resistencia era R3 = 4k y R2 = 1.5k.
  • Tiempo de subida 490ns, tiempo de caída 255ns.

Estoy un poco preocupado de que el voltaje de la puerta no esté bajando lo suficiente, por ejemplo, parece mantenerse en torno a los 400 mV. Aunque el suelo parece leerse a 250mV, entonces tal vez la placa de prueba es simplemente horrible. ¿Qué tan bajo debe ser el voltaje de la puerta para evitar la acumulación de calor cuando la señal es constantemente baja (apagada)?

Me pregunto si hay algo más que pueda hacer para mejorar el rendimiento.

Circuito mejorado:

esquemático

simular este circuito

Osciloscopio:

Nota: aparentemente la señal de entrada se invirtió en el osciloscopio mediante la configuración. Actualizaré las capturas de pantalla más tarde ...

ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

Además, he incluido la base del PNP en las siguientes capturas de pantalla. ¿Se supone que debe verse así? Se ve un poco raro.

Parece que el problema es que el NPN permanece encendido, evitando así que la puerta se cargue.

ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

usuario95482301
fuente
No está claro si su generador de señal está produciendo una señal que cambia entre 0 y 5 V o -2.5 y +2.5 V, o -5 y +5 V, o qué. Una traza de alcance ayudaría, o una indicación de qué dispositivo está representando con ese símbolo.
El fotón
Si la base del NPN está a 5V, y el emisor está a 6V, entonces ¿por qué estaría conduciendo?
user253751
¿Por qué necesitas un conductor de circuito? 5V es suficiente para encender ese MOSFET y obtener resistencia a 0.004 Ohms. ¿Y de dónde estás hablando? Si está en la carga, entonces estás ladrando hacia el árbol equivocado. Necesitaría un amortiguador a través del MOSFET.
Vince Patron
@ VincePatron, necesito conducir 100A. Pero quizás esté mejor con Rdson de 4mOhm con cambio rápido, que 2.5mOhm con cambio lento. Además, espero tener que manejar unos 8 MOSFET, así que no estoy seguro de que la MCU pueda proporcionar suficiente corriente. En resumen, pensé que usar BJTs era una solución fácil, pero obviamente no lo es.
user95482301
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Todavía necesita mejorar. Q2 está muy sobrecargado. = >> enorme retraso de apagado (= tiempo de almacenamiento). No se ha hecho nada contra la sobrecarga. En el pasado, esas contramedidas eran bien conocidas, pero hoy en día parecen haber quedado en el polvo. En segundo lugar: Q1 empuja continuamente y Q2 tiene un trabajo difícil para ganarlo. Probablemente, el Vgs mínimo es de alrededor de 0,3 V. Debería usar la salida PWM de 0V / 5V a través de un amplificador de búfer no saturante que puede inyectar y extraer suficiente carga de la puerta del mosfet durante los tiempos de transición del estado deseado. ¿Quiere saber más? Por favor escribe un comentario. Refiere mi respuesta.
user287001

Respuestas:

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Sus BJT están en una configuración de seguidor. Esto significa que pueden proporcionar ganancia de corriente, pero no ganancia de voltaje. De hecho, los emisores serán una caída de diodos POR DEBAJO de la base para señales positivas. Si llegó a 6 V en la puerta, debe haber tenido alrededor de 6,7 V de su generador de señal.

La página BJT Wiki tiene enlaces a las 3 formas comunes de amplificador que explican más sobre las características de los amplificadores BJT.

BJT Wiki

La ganancia de corriente es buena porque para cargar la capacitancia de compuerta del FET en un corto período de tiempo necesita altas corrientes de pico: I = C * dv / dt.

Una forma de obtener un cambio de voltaje más alto sería agregar una palanca de cambio de nivel BJT antes de la etapa de manejo de la puerta para traducir de 5V a 12V. Por supuesto, una palanca de cambio de nivel BJT de una sola etapa invertiría la señal, pero a menudo puede lidiar con eso en la fuente de la señal.

ingrese la descripción de la imagen aquí

La resistencia pull-up tendrá que tener un valor suficientemente pequeño para que obtenga un tiempo de subida aceptable para su aplicación. VCC sería su suministro de 12 V y la resistencia de base debería dimensionarse para garantizar la saturación con la unidad de 5 V, dada la beta del transistor. ! Y debe conectarse a las bases de su etapa de controlador de puerta BJT.

Sin embargo, si su objetivo es tiempos rápidos de subida y bajada del FET y no aprender sobre BJT, probablemente debería usar un IC de controlador de puerta comercial. Busque opciones de IR / Infineon, Texas Instruments, Intersil o Maxim.

Aquí hay una opción de bajo costo de TI:

UCC27517

John D
fuente
¿Qué debo usar en su lugar entonces? Primero probé con el PNP entre la puerta y 12V, pero comenzó a fumar.
user95482301
Además, ¿tendría sentido usar un opamp en su lugar, como el LM358P?
user95482301
Respuesta editada para abordar los comentarios.
John D
@ user95482301: si puede permitirse el lujo de usar un IC, le sugiero que use un IC de convertidor de nivel / controlador dedicado como se propone en mi respuesta.
Cuajada
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El IR2101 es una buena opción también. No estoy seguro de dónde vio el alto precio del UCC27517, es $ 0,49 (1ku) en el sitio web de TI y le enviarán 10 PC gratis como muestras si los solicita en el sitio web. Está en un paquete SOT-23 que es bastante fácil de manejar para la creación de prototipos, pero parece que estaría más cómodo con la parte IR.
John D
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La primera versión: un seguidor de emisor push-pull debería estar bien si solo el mosfet máximo disponible VGS = +4,3 V es suficiente. La resistencia pulldown de aproximadamente 100 Ohm debe insertarse desde los emisores BJT a GND para garantizar el estado apagado del mosfet, ya que el PNP no se despliega efectivamente por debajo de +0,7 V. Además, una resistencia de amortiguación de Ohm insertada justo en el terminal de la puerta del mosfet debería evitar algo de timbre causado por capacitancia e inductancia del cable.

Su segunda versión tiene un atajo. Piense en la ruta actual Q2 base-> R3-> R2-> Q1 base.

El seguidor del emisor no tiene saturación y, por lo tanto, no tiene retraso de apagado debido a la capacitancia de difusión.

Como otras respuestas proponen, use un controlador de puerta IC. Hace el trabajo con sintonización cero y una probabilidad menor de comportarse impensablemente durante las transiciones de voltaje de operación.

Anexo del comentario del interrogador debido que establece que la corriente es de 100 A

La identificación en estado de 100 amperios necesita una atención seria e incluso más si la velocidad de conmutación es alta. Haga una prueba conduciendo la puerta desde un generador de señal de onda cuadrada Zout de 50 Ohm. Use una frecuencia de conmutación baja y comience con una señal unipolar de más de + 6V por seguridad. El osciloscopio en Vgs da una idea de la gran carga necesaria para inyectar y eliminar las transiciones de estado en el tiempo de transición deseado. Eso determina la corriente de accionamiento deseada. El osciloscopio en Vds revela los Vgs necesarios.

Las medidas descritas son el sótano para diseñar el controlador lo suficientemente capaz.

usuario287001
fuente
El problema es que necesito cambiar 100A, entonces Rdson debe ser lo más pequeño posible.
user95482301
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@ user95482301 Si realiza la prueba propuesta con un generador de señal, encuentre el nivel de salida del generador más bajo utilizable para Vds lo suficientemente bajo y publique el gráfico del osciloscopio de doble trazo de Vds y Vgs, es muy probable que obtenga un montón de diseños adecuados. La trama debe revelar bien las transiciones. Debes usar la carga final.
user287001
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Otras personas ya han sugerido controladores IC MOSFET. Parece que realmente quieres hacer un controlador discreto.

Aquí hay un circuito y es básicamente lo que estaría dentro de un controlador IC. Esto da como resultado una conmutación de 100 A con un tiempo de transición de aproximadamente 100 ns para mantener la disipación de potencia MOSFET al mínimo.

Q1 es un traductor de nivel de inversión simple para que la señal oscile a 12 voltios. M2 y M3 forman un controlador MOSFET push-pull. R4 y R5 están ahí para limitar la corriente de disparo para evitar daños a M2 y M3 porque a medida que sus puertas pasan de 0 a 12V, estarán encendidas durante una pequeña fracción de tiempo.

Sin R4 y R5, la corriente de disparo excedería sus clasificaciones máximas de corriente de drenaje. En un IC real, M2 y M3 tendrían un tamaño lo suficientemente pequeño como para tener un Rds-on lo suficientemente alto en lugar de colocar resistencias reales.

Además, M2 / M3 realiza una inversión para volver a la lógica normal. Finalmente, M3 sirve como el controlador de alta corriente para manejar la corriente de 100 Amp.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Tenga en cuenta que hay aproximadamente 2 us retraso en apagar M1. Si no está cambiando su carga a una frecuencia alta, entonces este 2us no será motivo de preocupación.

Definitivamente no recomendaría usar estas partes; Acabo de elegir estos de lo que LTspice tenía. Por ejemplo, M1 está limitado a 35 A continuos, así que reemplace estas partes con algo apropiado para su diseño y vuelva a ejecutar la simulación. Luego pruebe en su prototipo para confirmar el rendimiento. De todos modos, este circuito podría ser un buen punto de partida para ti.

Vince Patron
fuente
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> Aquí hay un circuito. Un buen circuito. Sugeriría que el OP haga un análisis sobre cuánta corriente necesita entregar en la puerta. Si está cambiando una carga de 100a, es un mosfet muy robusto. a frecuencias moderadas, es probable que necesite entregar múltiples amperios (pico) en la puerta.
dannyf
para que el circuito anterior haga eso, debe reducir las dos resistencias 22R. entonces aparece el problema de los disparos y tienes tiempo muerto.
dannyf
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La principal causa de desaceleración aquí es "la misma de siempre y tan típica hoy en día", es "no se utilizan trucos para mantener el cambio BJT rápido". Los trucos que faltan son 1) condensador de velocidad, poner 50 pf en paralelo con R2 2) evitar la saturación mediante la sujeción, lo que significa poner un diodo de baja caída hacia adelante en Q1 de b a c para absorber la corriente de base exesiva. Un diodo schottky es bueno, un diodo de germanio es aceptable. Ánodo del diodo a b, cátodo a c. Traté de insertar estos trucos como una edición, pero la rechacé por pares (no hay temporizadores viejos más vivos en el grupo?)
user287001
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Suena como una excelente mejora. Probablemente fue rechazado porque sería más apropiado como otra respuesta. Por favor publíquelo como una nueva respuesta. Todos aprenderemos de ello. O lo intentaré más adelante y editaré esta respuesta m
Vince Patron el
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Cambiar 100 amperios rápidamente es peligroso, si no para usted, entonces para la vida del circuito.

Suponga 4 "de cable, en algún lugar. Eso es aproximadamente 0.1uH. Aproximadamente. Estoy muy contento de suponer que 1 metro de cable es 1 inductancia de microHenry, porque puedo ejecutar algunos cálculos preventivos de envoltura y esquivar daños mayores.

Vamos a apagar esos 100 amperios en 10 nanoSeconds. Con inductancia de 0.1uH en la fuente o en el drenaje. ¿Lo que pasa?

V=LdI/dT
V=100nanoHenry100amps/10nanoSeconds
. El "nano" cancela. Tenemos 100 * 100/10, o UNO MIL VOLTIOS.

Si está en el desagüe, acaba de borrar el Power MOSFET.

Si está en la fuente, es probable que obtenga un comportamiento de retroalimentación negativa que evite el apagado durante muchos nanosegundos. Personalmente, he visto que esto sucede, con largos cables de prueba en controladores de 9 amperios.

analogsystemsrf
fuente
Ese es un muy buen punto. Me sorprende que nadie lo haya mencionado antes. ¿Quizás alguien más podría comentar también?
user95482301
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¿Hay algún remedio para este problema? ¿O tendría que abordar el problema de la limitación de corriente de otra manera, por ejemplo, con resistencias? ¿Y no es este un problema general, incluso para un interruptor de alimentación SPST normal? También voy a usar este método para OVP / UVP / OCP para mi banco de baterías, que estaría en un estado de encendido constante, pero con un solo evento de conmutación. Supongo que lo que estás describiendo también sería relevante en un evento sobrecorriente. ¿Sería suficiente tener un Zener con clasificación de 1000V? Supongo que la potencia nominal no tendría que ser mucho.
user95482301
Corrección: V=L∗di(t)/dtno V=L∗dt/dT. Fuente: en.wikipedia.org/wiki/Inductance .
Gabriel Staples
¿Cómo abordar esto? Use planos de tierra debajo de los cables y las trazas, si los cables usan cinta adhesiva para sostener los cables contra el avión, use paquetes MOSFET de baja inductancia, dispersen la corriente a través de múltiples MOSFET y usen amortiguadores RC (uno en cada MOSFET para asegurar distancias pequeñas) para absorba momentáneamente la energía del campo magnético y disipe la energía.
analogsystemsrf
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Hay controladores IC de conversión de nivel solo para ese propósito, por ejemplo, DS0026 o MC34151 .

Tienen entradas compatibles con TTL / CMOS y tienen tiempos de subida y bajada rápidos y pueden manejar corrientes bastante altas; todas las funciones necesarias para encender y apagar MOSFET rápidamente.

Cuajada
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¿Sería posible usar un opamp en su lugar?
user95482301
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Encontré una respuesta a mi pregunta: "Encendido y apagado rápidos para evitar una disipación de energía excesiva al ejecutar el dispositivo en su modo lineal. Esto requiere un dispositivo que pueda mover un bote de corriente muy rápidamente. Un 741 simplemente no lo hará corta la mostaza ".
user95482301
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Un OpAmp tiene los siguientes inconvenientes: (1) no puede cambiar tan rápido (2) no puede proporcionar tanta corriente como un IC especializado de convertidor de nivel / controlador. Eso da como resultado una carga / descarga más lenta de la compuerta MOSFET que causará más disipación de energía en el MOSFET.
Cuajada
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<¿por qué 0-6v?

El emisor de Q2 está 0.7v por encima de la base de Q2, que es 0-5v. Esa es tu respuesta.

dannyf
fuente
Si. Pensé que Q1 lo subiría a 12V, pero obviamente estoy equivocado :)
user95482301
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Estoy un poco preocupado de que el voltaje de la puerta no esté bajando lo suficiente, por ejemplo, parece mantenerse en torno a los 400 mV. Aunque el suelo parece leerse a 250mV, entonces tal vez la placa de prueba es simplemente horrible. ¿Qué tan bajo debe ser el voltaje de la puerta para evitar la acumulación de calor cuando la señal es constantemente baja (apagada)?

Parece que MOSFET M1 no está obteniendo una ruta de baja resistencia para un apagado adecuado. Se puede proporcionar a través de un transistor a GND. De esta manera, la compuerta M1 se descargará rápidamente.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Pandey
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