Push-pull BJT para um MOSFET

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Estou procurando uma maneira de dirigir um MOSFET com componentes discretos. Na verdade, eu preciso dirigir um monte de MOSFETs, com correntes de 100-150A. E estou pensando que seria possível não usar CIs de acionamento, ter mais controle sobre a funcionalidade, menos complexidade, menos custo.

Eu experimentei diferentes arranjos, com resistores e capacitores. Estou usando um osciloscópio para monitorar o toque, os tempos de subida / descida etc.

O problema é que, assim que eu introduzo resistores, o tempo de subida / descida se torna muito alto.

O sinal de entrada tem um tempo de subida / descida de apenas cerca de 8-10 ns. Usando apenas os BJTs, o sinal é facilmente duplicado em tempos de subida / descida semelhantes. Porém, uma vez introduzida a capacitância da porta, o tempo de subida / descida se torna significativamente maior, por exemplo, 300-2000 ns.

Assim, tenho experimentado diferentes métodos para reduzir o tempo de subida / descida:

Método A: NPN + PNP (seguidor de tensão? Fonte de corrente de Vcc?)

Fiz o seguinte circuito, sem perceber que a tensão do portão nunca seria superior à tensão do sinal de entrada.

Preciso que a tensão do portão seja superior a 10V para minimizar o Rdson.

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Método B: PNP + NPN

Eu experimentei diferentes resistores e capacitores:

esquemático

simule este circuito

Mas eu descobri que:

  • O capacitor reduz o toque de subida, mas aumenta o toque de queda e o tempo => removido
  • Todos os resistores, exceto R2 e R3, tiveram um impacto negativo nas características de aumento / queda => removidos
  • Usando potenciômetros para R2 e R3, descobri que a melhor resistência era R3 = 4k e R2 = 1,5k.
  • Tempo de subida 490ns, tempo de queda 255ns.

Estou um pouco preocupado que a tensão do portão não esteja caindo suficientemente baixo, por exemplo, parece permanecer em torno de 400mV. Embora o solo pareça ser lido em 250mV, talvez a placa de ensaio seja apenas ruim. Quão baixa deve ser a tensão do portão para evitar o acúmulo de calor quando o sinal é constante baixo (desligado)?

Gostaria de saber se há algo mais que eu possa fazer para melhorar o desempenho?

Circuito melhorado:

esquemático

simule este circuito

Osciloscópio:

Nota: aparentemente o sinal de entrada foi invertido no osciloscópio por configuração. Vou atualizar as capturas de tela mais tarde ...

insira a descrição da imagem aqui insira a descrição da imagem aqui insira a descrição da imagem aqui

Além disso, incluí a base do PNP nas capturas de tela a seguir. É para ficar assim? Parece um pouco estranho.

Parece que o problema é que o NPN permanece ligado, impedindo o carregamento do portão.

insira a descrição da imagem aqui insira a descrição da imagem aqui

user95482301
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Não está claro se o gerador de sinal está produzindo um sinal alternando entre 0 e 5 V ou -2,5 e +2,5 V, ou -5 e +5 V, ou o quê. Um rastreamento de escopo ajudaria ou uma indicação de qual dispositivo você está representando com esse símbolo.
O fóton
Se a base do NPN estiver em 5V e o emissor estiver em 6V, por que estaria conduzindo?
precisa saber é o seguinte
Por que você ainda precisa de um circuito de motorista? 5V é suficiente para ativar esse MOSFET e obter resistência a 0,004 Ohms. E de onde você está falando? Se estiver na carga, você estará latindo na árvore errada. Você precisaria de um amortecedor através do MOSFET.
precisa saber é o seguinte
@VincePatron, eu preciso dirigir 100A. Mas talvez eu esteja melhor com Rdson de 4mOhm com comutação rápida, do que 2.5mOhm com comutação lenta. Além disso, espero precisar conduzir cerca de 8 MOSFETs, por isso não tenho certeza de que o MCU possa fornecer corrente suficiente. Para encurtar a história, pensei que usar BJTs era uma solução fácil, mas obviamente não é.
precisa saber é o seguinte
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Ainda precisa melhorar. Q2 é excessivamente excedente. = >> enorme atraso no desligamento (= tempo de armazenamento). Nada foi feito contra a ultrapassagem. No passado, essas contramedidas eram bem conhecidas, mas hoje parecem ter sido deixadas entre o pó. Em segundo lugar: Q1 empurra continuamente e Q2 tem um trabalho duro para vencê-lo. Provavelmente, o Vgs mínimo é de cerca de 0,3 V. Você deve usar a saída PWM de 0V / 5V através de um amplificador de buffer não saturável que possa injetar e extrair carga suficiente da porta do mosfet durante os tempos de transição de estado desejados. Quer saber mais? Por favor, escreva um comentário. Consulte minha resposta.
precisa saber é o seguinte

Respostas:

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Seus BJTs estão em uma configuração de seguidor. Isso significa que eles podem fornecer ganho de corrente, mas não ganho de tensão. De fato, os emissores serão uma queda de diodo ABAIXO da base para sinais positivos. Se você chegou a 6V no portão, deve ter cerca de 6,7V fora do seu gerador de sinal.

A página Wiki do BJT possui links para as três formas comuns de amplificador, o que explica mais sobre as características dos amplificadores BJT.

BJT Wiki

O ganho atual é bom porque, para carregar a capacitância do FET em um curto período de tempo, você precisa de correntes de pico altas: I = C * dv / dt.

Uma maneira de obter um balanço de tensão mais alto seria adicionar um comutador de nível BJT antes do estágio de acionamento do portão para converter de 5V para 12V. É claro que um deslocador de nível BJT de estágio único inverteria o sinal, mas muitas vezes você pode lidar com isso na fonte do sinal.

insira a descrição da imagem aqui

O resistor de pull-up terá que ser suficientemente pequeno em valor para que você obtenha um tempo de subida aceitável para sua aplicação. O VCC seria sua fonte de 12V e o resistor de base deve ser dimensionado para garantir a saturação com o inversor de 5V, dada a beta do transistor. ! Y deve conectar-se às bases do estágio do driver do gate BJT.

No entanto, se seu objetivo é aumentar rapidamente os tempos de queda e queda do FET e não aprender sobre BJTs, você provavelmente deve usar um IC de driver de portão comercial. Procure opções de IR / Infineon, Texas Instruments, Intersil ou Maxim.

Aqui está uma opção de baixo custo da TI:

UCC27517

John D
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O que devo usar em vez disso? Eu tentei pela primeira vez com o PNP entre o portão e os 12V, mas ele começou a fumar.
precisa saber é o seguinte
Além disso, faria sentido usar um opamp, como o LM358P?
precisa saber é o seguinte
Resposta editada para endereçar comentários.
John D
@ user95482301: se você puder usar um IC, sugiro que use um conversor de nível / driver de IC dedicado, como proposto na minha resposta.
Coalhada
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O IR2101 também é uma boa escolha. Não sei ao certo onde você viu o preço alto do UCC27517, ele custa US $ 0,49 (1ku) no site da TI e eles enviarão 10 pc gratuitamente como amostras, se você os solicitar no site. Está em um pacote SOT-23, que é bastante fácil de manusear para prototipagem, mas parece que você ficaria mais confortável com a parte de IR.
John D
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A primeira versão - um seguidor de emissor push-pull deve ser bom se apenas o mosfet VGS máximo disponível = +4,3 V for suficiente. O resistor de pulldown de cerca de 100 Ohm deve ser inserido dos emissores BJT no GND para garantir que o mosfet fique fora do estado, porque o PNP não cai efetivamente abaixo de +0,7 V. Além disso, alguns resistores de amortecimento de Ohm inseridos apenas no terminal do mosfet devem impedir alguns toques causados ​​por capacitância e indutância do fio.

Sua segunda versão possui um atalho. Pense na rota atual Q2 base-> R3-> R2-> Q1 base.

O seguidor do emissor não tem saturação e, portanto, nenhum atraso de desligamento devido à capacitância de difusão.

Como outras respostas propõem, use um IC de driver de porta. Ele faz o trabalho com ajuste zero e com uma probabilidade menor de se comportar de maneira impensável durante as transições de tensão de operação.

Adendo devido comentário do questionador que afirma que a corrente é de 100 A

O ID no estado de 100 amperes precisa de muita atenção e ainda mais se a taxa de comutação for alta. Faça um teste conduzindo o portão a partir de um gerador de sinal de onda quadrada comum de 50 Ohm Zout. Use baixa frequência de comutação e comece com mais de + 6V sinal unipolar por segurança. O osciloscópio em Vgs dá uma idéia de quão grande carga é necessária para injetar e remover as transições de estado no tempo de transição desejado. Isso determina a corrente desejada da unidade. O osciloscópio em Vds revela os Vgs necessários.

As medidas descritas são a base para projetar o driver com capacidade suficiente.

user287001
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O problema é que eu preciso alternar 100A, então o Rdson precisa ser o menor possível.
precisa saber é o seguinte
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@ user95482301 Se você executar o teste proposto com um gerador de sinal, encontre o menor nível de saída utilizável do gerador para Vds baixos o suficiente e publique a plotagem do osciloscópio de traço duplo de Vds e Vgs, é provável que você tenha vários designs adequados. A trama deve muito bem revelar as transições. Você deve usar a carga final.
precisa saber é o seguinte
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Outras pessoas já sugeriram drivers IC MOSFET. Parece que você realmente quer fazer um driver discreto.

Aqui está um circuito e é basicamente o que estaria dentro de um IC de driver. Isso resulta em comutação de 100 Amp com tempo de transição de aproximadamente 100 ns para manter a dissipação de energia do MOSFET no mínimo.

Q1 é um tradutor simples de nível de inversão para obter o balanço do sinal para 12 Volts. M2 e M3 formam um driver push-pull do MOSFET. R4 e R5 estão lá para limitar a corrente de passagem, para evitar danos a M2 e M3 porque, quando seus portões transitam entre 0 e 12V, os dois ficam ligados por uma pequena fração de tempo.

Sem R4 e R5, a corrente de disparo excederia suas classificações máximas de corrente de dreno. Em um IC real, M2 e M3 seriam dimensionados com tamanho suficiente para ter RDS alto o suficiente, em vez de colocar resistores reais.

Além disso, o M2 / M3 faz uma inversão para voltar à lógica normal. Finalmente, o M3 serve como o driver de alta corrente para lidar com a corrente de 100 Amp.

insira a descrição da imagem aqui

Observe que há um atraso de cerca de 2 nós no desligamento do M1. Se você não está alternando sua carga em alta frequência, esse 2us não seria motivo de preocupação.

Definitivamente, eu não recomendaria o uso dessas peças; Eu apenas escolhi estes de qualquer LTspice. Por exemplo, M1 é limitado a 35A contínuos, portanto, substitua essas peças por algo apropriado para seu projeto e execute novamente a simulação. Em seguida, teste em seu protótipo para confirmar o desempenho. De qualquer forma, este circuito pode ser um bom ponto de partida para você.

Vince Patron
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> Aqui está um circuito. um bom circuito. Sugiro que o OP faça uma análise sobre a quantidade de corrente que ele precisa fornecer ao portão. se ele está trocando uma carga de 100a, é um mosfet muito robusto. em frequências moderadas, ele provavelmente precisará fornecer vários amplificadores (pico) no portão.
dannyf
para que o circuito acima faça isso, você deve reduzir os dois resistores 22R. aparece a questão do shoot-through e você gerencia o tempo morto.
dannyf
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A principal causa de desaceleração aqui é "a mesma velha e típica de hoje", não é "truques usados ​​para manter o BJT alternar rapidamente". Os truques que faltam são: 1) capacitor de velocidade, colocado 50 pf paralelo a R2 2) impedir a saturação por fixação, significa colocar um baixo diodo de queda para a frente em Q1 de b para c para sugar a corrente de base excessiva. Um diodo schottky é bom, um diodo de germânio é aceitável. Ânodo do diodo para b, cátodo para c. Tentei inserir esses truques como uma edição, mas o peer rejeitaram (não os mais velhos mais viva no peer?)
user287001
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Parece uma excelente melhoria. Provavelmente foi rejeitado porque seria mais apropriado como uma resposta mais adequada. Por favor, publique como uma nova resposta. Todos aprenderemos com isso. Ou tentarei mais tarde e edite esta resposta m
Vince Patron
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Mudar 100 amperes rapidamente é perigoso, se não for para você, durante a vida útil do circuito.

Suponha 4 "de fio, em algum lugar. Isso é aproximadamente 0,1 uH. Aproximadamente. Estou muito feliz ao supor que 1 metro de fio é uma indutância microHenry, porque posso executar alguns cálculos de advertência e evitar grandes danos.

Vamos desligar esses 100 amperes em 10 nanoSegundos. Com indutância de 0.1uH na fonte ou no dreno. O que acontece?

V=eudEu/dT
V=100numanoHenry100umamps/10numanoSeconds
. O "nano" cancela. Temos 100 * 100/10, ou UM MIL VOLTS.

Se estiver no ralo, você acabou de apagar o Power MOSFET.

Se na fonte, você provavelmente terá um comportamento de feedback negativo que impede o desligamento por muitos nanossegundos. Eu pessoalmente vi isso acontecer, com longos testes em drivers 9amp.

analogsystemsrf
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Esse é realmente um bom ponto. Estou surpreso que ninguém tenha mencionado isso antes. Talvez alguém mais pudesse comentar também?
user95482301
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Existe um remédio para esse problema? Ou eu teria que abordar o problema da limitação de corrente de outra maneira, por exemplo, com resistores? E isso não é um problema geral, mesmo para um interruptor SPST comum? Também vou usar esse método para OVP / UVP / OCP para o meu banco de baterias, que estaria em estado estável, mas com um único evento de comutação. Suponho que o que você está descrevendo também seja relevante em um evento de sobrecorrente. Seria suficiente ter um zener com classificação de 1000V? Presumo que a classificação de potência não teria que ser muito.
user95482301
Correção:, V=L∗di(t)/dtnão V=L∗dt/dT. Fonte: en.wikipedia.org/wiki/Inductance .
Gabriel Staples
Como resolver isso? Use planos de aterramento sob os fios e os traços, se os fios usarem fita para prender os fios contra o avião, usar pacotes MOSFET de baixa indutância, dispersar a corrente através de vários MOSFETs e usar amortecedores RC (um em cada MOSFET para garantir pequenas distâncias) para momentaneamente absorver a energia do campo magnético e dissipar a energia.
Analogsystemsrf 31/08/19
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Existem ICs de driver com conversão de nível apenas para esse fim, por exemplo, DS0026 ou MC34151 .

Eles têm entradas compatíveis com TTL / CMOS, têm tempos de subida e descida rápidos e são capazes de acionar correntes bastante altas; todos os recursos necessários para ativar e desativar o MOSFET rapidamente.

Coalhada
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Seria possível apenas usar um opamp?
precisa saber é o seguinte
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Encontrei uma resposta para minha pergunta: "Ligue e desligue rapidamente para evitar que a dissipação de energia excessiva opere o dispositivo em seu modo linear. Isso requer um dispositivo que possa mover uma carga de corrente de barco muito rapidamente. Um 741 simplesmente não corte a mostarda."
precisa saber é o seguinte
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Um OpAmp tem as seguintes desvantagens: (1) não pode alternar tão rápido (2) não pode fornecer tanta corrente quanto um IC especializado em conversor de nível / driver. Isso resulta em uma carga / descarga mais lenta da porta do MOSFET, o que causará mais dissipação de energia no MOSFET.
quer
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<por que 0-6v?

O emissor do Q2 está 0,7v acima da base do Q2, que é 0-5v. Essa é a sua resposta.

dannyf
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Sim. Pensei Q1 iria puxá-lo até 12V, mas estou obviamente errado :)
user95482301
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Estou um pouco preocupado que a tensão do portão não esteja caindo suficientemente baixo, por exemplo, parece permanecer em torno de 400mV. Embora o solo pareça ser lido em 250mV, talvez a placa de ensaio seja apenas ruim. Quão baixa deve ser a tensão do portão para evitar o acúmulo de calor quando o sinal é constante baixo (desligado)?

Parece que o MOSFET M1 não está obtendo um caminho de baixa resistência para o desligamento adequado. Pode ser fornecido através de um transistor para GND. Desta forma, o portão M1 descarrega rapidamente.

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Pandey
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