Pytanie:
Power MOSFET i sterowniki bramek
user51166
2012-08-05 00:40:55 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Próbuję w końcu zastosować to, czego nauczyłem się na uniwersytecie na kursie energoelektroniki, jednak stwierdzam, że zarówno w tym kursie, jak i w większości książek / odniesień w Internecie brakuje niektórych punktów.

W rzeczywistości (może to być podobne do sterowania mostkami H dla sterowników silników, nie jestem pewien) istnieją pewne możliwości dotyczące realizacji konwertera obniżającego (buck):

  • Używanie PMOS jako wejścia przełącznik (źródło przy napięciu zasilania) -> bramka PMOS musi być WYSOKA, gdy PMOS jest wyłączony, podczas gdy bramka PMOS musi być NISKA, gdy PMOS jest włączony
  • Używanie NMOS jako przełącznika wejściowego (dren przy napięcie zasilania) -> bramka NMOS musi być sterowana przez boostrapping (wymaga dodatkowej diody i kondensatora)

Dodatkowo dobrym pomysłem może być użycie synchronicznego konwertera buck ( mniej strat) przy użyciu NMOS równolegle do diody wyjściowej. Myślę, że mam tę część i - w każdym razie - łatwiej jest nią sterować, ponieważ jest to NMOS, którego źródło jest podłączone do ziemi.

Wracając do pierwotnego pytania: zgadzam się z tym może być (teoretycznie) łatwe sterowanie tranzystorem PMOS, myślę, że jest to dość trudne, szczególnie przy wysokich napięciach wejściowych .

Weź pod uwagę, że pobieram prąd z gniazdka ściennego: 230V_RMS przy 10A max (ale dla moich aplikacji pójdę na znacznie mniej, max 1A). Otrzymam napięcie pseudo-DC, używając prostownika mostkowego (mostka Gretza) z kondensatorem na wyjściu (standardowa praktyka). To ostatnie napięcie będzie wejściem do mojego przetwornika buck DC / DC.

Stąd problem: użycie mikrokontrolera do wygenerowania sygnału PWN do sterowania napięciem wyjściowym (GPIO: wyjście 3,3 V lub w najlepszym przypadku 5 V ) nie będzie możliwe, aby aktywować NMOS lub dezaktywować PMOS.

Myślę, że potrzebuję, aby napięcie bramki NMOS było około 5-10 V powyżej napięcia zasilania. Będę musiał wykonać bootstrap w tym celu, ale tak naprawdę tego nie rozumiałem. Właśnie to sterowniki GATE są stworzone dla AFAIK.

Jeśli chodzi o PMOS, prostszym rozwiązaniem może być użycie odwróconego sygnału PWM (D = PWM na poziomie LOW, zwykle jest to odwrotność) i sterowanie transoptorem, którego kolektor jest podłączony do napięcia zasilania (tak samo jak źródło PMOS Napięcie). Kolektory zdolne do utrzymania tego napięcia istnieją, ale może być lepsze rozwiązanie.

Na rynku nie ma zbyt wielu wysokonapięciowych sterowników MOSFET (nie mówiąc już o niskich kosztach) i naprawdę chciałbym wiedzieć, jak to zrobić. Myślę, że przetworniki step-down / buck są obecnie dość powszechne, więc ciężko mi, żeby takie produkty nie istniały. To prowadzi mnie do przekonania, że ​​nie patrzę (jeszcze) na właściwe komponenty . A może jedynym rozwiązaniem byłoby zrealizowanie sterownika w komponentach dyskretnych? Jakieś zalecenia / odniesienia dotyczące produktu, aby spełnić te wymagania?

EDYCJA : jak powiedziałem Olivenowi Lathropowi, mam na myśli to, co mam na myśli, aby kontrolować PMOS. Zasadniczo używam BJT jako źródła prądu, a następnie bocznikuję napięcie (12-15 V), aby uzyskać PMOS w trybie przewodzenia. W przeciwnym razie idealnie nie płynie prąd w BJT, a PMOS jest blokowany. PMOS CONTROL http://img513.imageshack.us/img513/1879/pmoscommand.png.

Mam nie sprawdzono polaryzacji sygnału PWM (czy powinien być odwrócony czy nie), ale w zasadzie może to „tylko” działać. Tranzystory NPN obsługujące> 400V_DC są znacznie bardziej powszechne niż PNP / PMOS, a ich cena jest niewielka. Wystarczy mały prąd w BJT. Dlatego R2 musi być dość duże (aby uzyskać I_BJT_Collector ~ 1mA), a R1 wystarczająco duże (ale nie za dużo, w przeciwnym razie ładowanie trwa zbyt długo i rozpraszam zbyt dużo energii). Może to jednak stanowić problem przy rozładowaniu, ponieważ nagromadzonych ładunków nie można ewakuować?

EDIT2 : Wiem na schemacie, że przedstawiłem tranzystor NMOS, ale nie było Symbol PMOS w schemacie programu, którego obecnie używam. Właściwie to PMOS!

EDIT3 : Po drugie, chociaż nie jestem pewien, czy to zadziała, ponieważ prąd jest narzucany w NPN, a nie przez R1. Może po prostu zadziałać, jeśli prąd wpływający do MOS (I_G> 0) sumuje się z prądem kolektora NPN (I_C> 0). W ten sposób spadek napięcia faktycznie wzrasta i zapewnione jest przewodzenie. Wciąż jednak wątpię w przeciwny proces.

Czy na pewno chcesz mieć konwerter złotówki? Jeśli nie, konwerter flyback może być lepiej dopasowany do twojej aplikacji (przełączanie izolowane + low-side).
Niestety transformatory @W5VO: 50 Hz (nawet 250 W) są o wiele za drogie (> 50 $ za sztukę przy ponad 50 sztukach). Myślę, że jeśli transformator kosztuje> dwa razy więcej niż reszta konfiguracji, coś jest nie tak. Szkoda, bo inaczej byłby to dobry pomysł.
@user: Metoda flyback, o której wspomina W5VO, steruje obwodem pierwotnym transformatora z wysoką częstotliwością. Takie transformatory są mniejsze i tańsze przy tym samym poziomie mocy niż transformatory „duże żelazne”, które pracują na pierwotnej częstotliwości linii zasilającej.
@OlinLathrop: więc przełącznik służy do generowania napięcia wysokiej częstotliwości presudo-AC, które jest następnie przepuszczane przez transformator (jeśli mam to dobrze). Niestety nie mogę ich znaleźć w katalogach głównych dystrybutorów (np. Mouser) w rubryce „Transformatory mocy”. Może są klasyfikowane jako „transformatory audio” (może tutaj: http://ch.mouser.com/Power/Transformers/Audio-Signal-Transformers/_/N-8uav6/). 3 $ za 75W to niezła transakcja.
@user: Żadne transformatory przeznaczone do zastosowań typu flyback z pewnością nie zostałyby nazwane „audio”. To zupełnie inny zestaw kompromisów.
@OlinLathrop: jakieś odniesienie do transformatora POWER HF (lub przykład z katalogów)?
Proponowany obwód działa w teorii, jeśli dokładnie obliczysz prąd i upewnisz się, że bramka jest doprowadzona do odpowiedniego poziomu, nie za mało lub za daleko. Jednak nie będziesz w stanie jeździć ze znacznym prądem, w przeciwnym razie będzie dużo rozproszenia. Prąd będzie musiał być niski, więc rezystory będą wysokie, a stała czasowa z pojemnością bramki będzie długa. Możesz umieścić podwójnego nadajnika między R1 a bramą, aby przyspieszyć działanie. Nadal musisz rozważyć rozpraszanie przy tym napięciu. 10 mA x 360 V = 3,6 W, ugh.
pozwól nam [kontynuować tę dyskusję na czacie] (http://chat.stackexchange.com/rooms/4385/discussion-between-user51166-and-olin-lathrop)
@OlinLathrop: 3.6W nie wydaje mi się zbyt wiele, szczególnie przy zasilaczach o dużej mocy. Więc nie ma w ogóle alternatywy? Zastanawiam się więc, dlaczego wszystkie zasilacze AC (uniwersalne) na 12V do 0,8A-3A są tak brudne i tanie. Prawdą jest jednak, że im wyższe moce, tym znacznie droższe. Tak naprawdę nie jest w przypadku zasilaczy komputerowych: 500 W za około 30 $. Oni też muszą użyć jakiejś sztuczki.
@OlinLathrop: dalej pozostaje problem z obwodem flyback: jak doprowadzić NMOS do wyższego niż napięcie linii energetycznej lub PMOS na właśnie tym poziomie. Możliwym rozwiązaniem może być umieszczenie NMOS PO uziemieniu pierwotnym transformatora, a następnie podłączenie go do uziemienia linii energetycznej.
W przeciwnym razie „prostym” (i najmniej energooszczędnym sposobem) rozwiązaniem dla urządzeń o dużej mocy (i dużych urządzeniach) może być zakup niektórych zasilaczy ATX (30-50 $ za około 500 W), użyj linii 12 V za złotówki doładowania i szyny 3.3V / 5V do celów buck (jeśli to konieczne). Coś podobnego do tego, co tutaj opisano: http://www.wikihow.com/Convert-a-Computer-ATX-Power-Supply-to-a-Lab-Power-Supply. Wydaje mi się jednak dziwne, że nie można tanio kupić transformatora o takiej mocy. Cały zasilacz kosztuje znacznie mniej niż sam transformator.
Tylko jedno: wiem, że to rodzaj "starej technologii" (powolne, większe straty przewodzenia itp.), Ale czy tyrystory / triak mogą działać w tym przypadku? Nie byłoby problemu z ich sterowaniem (standardowy sterownik bramki, nie potrzebuje bardzo wysokiego napięcia). Jednak to nie rozwiązuje problemu izolacji / transformatora. Na Mouser znalazłem tylko transformatory flyback o maksymalnej mocy 50 W przy około 15 $, co nie jest takie złe. Niestety są one oceniane tylko na 60V_DC max :(
Jeden odpowiedź:
Olin Lathrop
2012-08-05 02:55:01 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Przełączanie po stronie wyższej jest zawsze trudne. Nie ma łatwych i prostych sposobów, tylko różne kompromisy.

Tranzystory PMOS są fajne, ponieważ mogą pracować w ramach istniejącego napięcia. Napięcie bramki należy podciągnąć poniżej napięcia wejściowego o 12-15 V, aby je całkowicie włączyć. Wadą jest to, że tranzystory MOSFET z kanałem P mają zwykle trochę gorsze charakterystyki niż odpowiadające im kanały N.

Kanał N może mieć lepszą kombinację Rdson, tolerancji napięcia i kosztu, ale wymagają jakoś wytworzenia napięcia wyższe niż wejście do ich napędzania. Niektóre układy sterownika FET z wysoką stroną zawierają pompę ładującą lub inną sztuczkę do tego celu. Inną wadą przełącznika bocznego z wysokim kanałem N jest to, że bramka musi wychylać się o znacznie większą wartość, od zera do 12-15 woltów powyżej wejścia. Dzieje się tak, ponieważ napięcie bramki jest zależne od źródła, które teraz rośnie i maleje wraz z przełączaniem napięcia. Wymaga to wysokich współczynników narastania, aby pozostać z dala od części regionu tak bardzo, jak to możliwe, i zapewnia więcej możliwości wykrywania hałasu w innym miejscu.

Nie ma łatwego rozwiązania.

Jednak w twoim W szczególnym przypadku możesz w ogóle nie potrzebować przełącznika wysokiego poziomu. Jak wspomniał W5VO w komentarzu, topologia flyback wymaga tylko niskiego przełącznika po stronie podstawowej. Wysoka strona może pozostać podłączona do napięcia wejściowego.

Inną możliwością jest centralny zaczep pierwotny z transformatorem pracującym w trybie do przodu. Środkowy odczep doprowadza napięcie wejściowe, a przełącznik strony niskiego napięcia ciągnie każdy koniec na przemian do masy. Znowu nie ma darmowego obiadu, co w tym przypadku przejawia się tym, że przełączniki strony niskiego napięcia muszą teraz wytrzymywać dwukrotnie większe napięcie wejściowe. Z tego powodu topologia z odczepem środkowym jest częściej stosowana w przypadku niższych napięć wejściowych i zwykle nie jest stosowana do „uniwersalnej” mocy na całym świecie, która musi obsługiwać do 260 V prądu przemiennego. Oznaczałoby to szczyty 368 V i obciążenie 735 V na przełącznikach po stronie niskiego napięcia. Tranzystory o takiej zdolności napięciowej rezygnują z innych parametrów, takich jak wzmocnienie bipolarów i Rdson w tranzystorach FET.

Nie ma darmowego obiadu.

Dodano:

Chciałem powiedzieć to wcześniej, ale jakoś prześlizgnęło się przez szczeliny. Najprawdopodobniej i tak będziesz potrzebować transformatora, aby uzyskać izolację. Jeśli naprawdę naprawdę nie wiesz, co robisz, chcesz, aby wynikowy zasilacz był odizolowany od linii energetycznej. Głównym wyjątkiem jest sytuacja, gdy zasilanie pozostaje całkowicie wewnątrz szczelnej skrzynki i nie ma nawet połączenia uziemiającego ze światem zewnętrznym. W przeciwnym razie istnieje ryzyko, że użytkownik zostanie podłączony do gorącej strony linii AC, jeśli nawet kilka prostych rzeczy pójdzie nie tak. Jest dobry powód, dla którego komercyjne zasilacze są w większości izolowane.

Biorąc pod uwagę, że prawdopodobnie chcesz izolacji, problem polega na tym, jak sterować transformatorem, podobnie jak w przypadku bezpośredniego przełączania buck.

Dziękuję za pełną odpowiedź. Więc albo potrzebuję transformatora POWER HF (~ 100kHz lub coś podobnego, może nawet 50kHz wystarczy - miejmy nadzieję "tanio") albo jakieś obwody sterujące. Widzę, że POWER PMOS są również prawie dwa razy droższe od ich odpowiedniego NMOS. Podczas gdy PMOS może być napędzany przez sprzęgacz optyczny (który istnieje za ~ 1 $ / sztukę), nie ma wielu (jeśli w ogóle) sterowników MOSFET dla tego napięcia (do szczytu 380V). Zakładam, że wymagałoby to zrobienia tego w dyskretnych komponentach. Zaktualizuję mój oryginalny post o rozwiązanie PMOS, o którym teraz myślę. Nie mam jednak pomysłu na dyskretną jazdę NMOS.
Chcę tylko powiedzieć: zapytałem jednego z moich profesorów, który powiedział to samo, co ty, wzmacniając w ten sposób potrzebę ** transformatora ** (który, jak powiedział, byłby lepszy, gdyby został zbudowany w domu, tylko z powodu jego cena). Powiedział, że transformator - poza izolacją galwaniczną - zapewnia dobry zakres dynamiki sygnału PWM, który jest dobry do uruchamiania / zatrzymywania niektórych typów obciążeń.
@user: Wygląda na to, że twój profesor wie, o czym mówi.
Tak, z pewnością tak. To nie tak, że nie ufam twoim radom, po prostu chciałem go zapytać, ponieważ podczas kursu, który mi dał, wydawało się, że nie ma już transformatorów.
Transformatory @user: są bardzo żywe i będą dostępne w najbliższej przyszłości. Zdecydowana większość zasilaczy ściennych zawiera transformator. To naprawdę jedyny sposób, aby uzyskać znaczną moc przez barierę izolacji. Być może twój profesor miał na myśli transformatory „duże żelazne”, które bezpośrednio obsługują moc ścienną i zmniejszają ją do mniej więcej pożądanego napięcia. To już prawie nie ma. Transformatory w nowoczesnych zasilaczach są znacznie mniejsze i tańsze, ponieważ działają z częstotliwością 100s lub kHz, a nie z mocą ścienną 50 lub 60 Hz.
Tak, ale dziwne jest to, że powiedział, że transformatory wysokiej częstotliwości (~ 100 kHz) są większe, ponieważ drut miedziany musiał być większy (ponieważ przy ~ 100 kHz prąd płynie prawie tylko po powierzchni przewodnika, podczas gdy przy 50/60 Hz) przepływa równomiernie przez całą sekcję). Podał też inny powód, którego teraz nie pamiętam. „Jedynym” powodem, dla którego transformatory ** ~ 100 kHz ** mogą być mniejsze, jest to, że odpowiadająca im energia jest znacznie wyższa (E ~ f), a przynajmniej tak czytam. Przy wyższej częstotliwości same transformatory (rdzenie) są mniejsze, podczas gdy rozmiar drutu jest większy. Mam rację?
@user: Być może przewód musi być trochę większy ze względu na efekt naskórkowania, ale rdzeń może być * dużo * mniejszy. Ogólnie rzecz biorąc, transformatory zasilacza impulsowego 100 kHz są dużo mniejsze, lżejsze i tańsze niż te, które działają z częstotliwością 50 lub 60 Hz przy tym samym poziomie mocy.
Więc w zasadzie jest warta wymiany. Mój profesor powiedział, że tak naprawdę nie podoba mu się transformator typu flyback z powodu „skoków” wysokiego napięcia podczas przełączania. Jednak inna topologia (naprzód) wydaje się być popularna „tylko” dla aplikacji o dość małej mocy (<1kW) i nie jestem pewien, czy nie powoduje również skoków napięcia. Powiedział, że powinienem użyć standardowego transformatora 50 Hz (DIY), który dla mnie też brzmiał trochę dziwnie. Myślę, że mogę po prostu kupić parę rdzeni transformatorowych (np.EPCOS N87, Farnell: 1781876), ale nie bardzo rozumiałem, dla jakiej częstotliwości te rdzenie zostały zaprojektowane.
W każdym razie w obu przypadkach użycie transformatora powoduje duży problem: przypuśćmy, że chcę zasilacza 2kW. Zmniejszam napięcie z 230 V_AC do 48 V_AC, co jest lepszym zakresem dynamiki dla wyjścia 12 V_DC (30 V_AC byłoby jeszcze lepsze). Oznacza to, że po stronie pierwotnej będę miał około 9A, a po stronie wtórnej około 42A. Po stronie pierwotnej może to być już wystarczająco trudne (drut o grubości> 2,0 mm [średnica]), ale po stronie wtórnej jest to prawie niemożliwe (przynajmniej przy rozmiarach sprzedawanych przez mojego lokalnego sprzedawcę). To prowadzi mnie do przekonania, że ​​musiałbym użyć wielu transformatorów lub
wiele uzwojeń wtórnych (wtórne równoległe), co stwarza kolejny problem (nawet równoważenie obciążenia między transformatorami).
@user: 2 KW nie jest trywialną konstrukcją. Będziesz musiał użyć każdej sztuczki w książce, aby uzyskać dobrą wydajność, wtedy radzenie sobie z ciepłem odpadowym będzie nadal znaczącym problemem. Na tym poziomie mocy i tak powinieneś myśleć o wielu fazach. Może 4 fazy po 500 W każda w odstępie 90 stopni.
Jaki schemat transformatora proponujesz? Konwerter poprzedni? Dlaczego wiele faz? Rozumiem, że obciążenie musi być zrównoważone po stronie wtórnej (stąd moje obawy z 40A: S). Jeśli dobrze rozumiem, proponujesz generowanie 4 sygnałów PWM (stąd 4 konwertery, 4 transformatory), generowanie (np.) 12 V na każdym wyjściu, a następnie zbieranie całej tej mocy na wspólnej szynie DC, prawda? Muszę znaleźć dobry sposób na stworzenie tego wspólnego autobusu. Diody Schotty na wyjściu każdego konwertera powodowałyby „dużo” strat.


ⓘ
To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...