Интересный пример High-Side MGD из "рассыпухи", ценою сущие гроши Опции

[JBM]

Вот показали мне интересный пример драйвера для верхнего ключа на двух транзисторах. Т.е. очень-очень дешево и сердито! Утверждается, что это именно High-Side MGD (MOSFET Gate Driver).

Проясните принцип действия этой схемы! Ведь для управления верхним ключом нужно повышенное напряжение (RAIL + 15V). Правильно ли я понял - сначала мосфет закрыт, и конденсатор заряжается на 15 вольт относительно истока. Потом, когда мосфет начинает открываться по команде с оптрона, он какое-то время находится в линейном режиме, но ток уже пошел и напряжение на истоке начинает повышаться (т.к. Rload и Rds мосфета образуют делитель). Вследствие этого за счет напряжения на конденсаторе повышается напряжение на затворе и мосфет переходит в ключевой режим. Правильно?

Если правильно, то есть вопросы.

Как прикинуть емкость конденсатора, или чем больше тем лучше? Ведь пока мосфет в ключевом режиме, кондёр потихоньку разряжается и напряжение на затворе в конце концов вернётся к RAIL? Там у них стоит 0.1 мкф.

Как выбрать сопротивление после диода? Оно ограничивает ток стабилитрона, но, с другой стороны, замедляет перезаряд кондёра, пока мосфет закрыт. Энергия кондёра в основном уходит на заряд затвора при открытии, который потом не возвращается, а сбрасывается на землю при закрытии. Как пересчитать заряд затвора мосфета в миллиамперы при известной частоте?

И, я так понимаю, скважность не должна превышать какого-то значения, процентов 95, к примеру. Кондёр же надо когда-то перезаряжать. В общем, как подсчитать средний ток потребления на заряд-разряд затвора при частоте например 100кГц (потом поделим его на 5% и получим пиковый ток заряда конденсатора при скважности 95%, так?)

Прикрепленные файлы

 ________MOSFET.PDF ( 25 килобайт ) Кол-во скачиваний: 478

 

[Herz]

Вы всё примерно поняли правильно. Только на две вещи обратите внимание:
- схема драйвера инвертирующая. То есть для поддержания МОСФЕТа в закрытом состоянии оптрон должен быть "включен". В это время конденсатор заряжен.
- при открытии МОСФЕТа ёмкость конденсатора используется для перезаряда ёмкости затвор-канал. Соотношение этих емкостей, а также скорость открытия верхнего (в двухтактном эммитерном повторителе) транзистора MPSA06 определяют скорость перезаряда и, следовательно, включения (открытия) МОСФЕТа. Далее, находясь в открытом состоянии, МОСФЕТ энергию по затвору практически не потребляет и конденсатор вновь заряжен до номинала. (Более того, если в этот момент затвор "оторвать" от схемы и минимизировать утечки, МОСФЕТ за счёт ёмкости затвора останется включенным длительное время).
Так что, на самом деле, "провал" напряжения на ёмкости занимает короткое время и увеличивать его ёмкость по принципу "чем больше, тем лучше" не стоит. Но на скважность, конечно, накладываются ограничения. Следует учитывать, что скорость закрытия полевика много выше скорости открытия в этой схеме.

[Andr2I]

Все правильно. Резистор ограничивает импульсный ток через диод и его сопротивление зависит от величины высокого напряжения. Если емкость взять очень большую, то она может не успеть зарядится за время выходной "1". Но лучше емкость выбирать все таки по верхнему пределу. Кроме того, в закрытом состоянии через нагрузку течет ток оптрона - нагрузка должна быть сравнительно низкоомной.

Экономический вопрос - не проще ли поставить готовый драйвер от IR? Цена у них порядка 1 бакса (IR2104 или похожее). Оптрон, транзисторы, место на плате - тоже денег стоит.

[JBM]

Следует учитывать, что скорость закрытия полевика много выше скорости открытия в этой схеме.

А вот это как раз хорошо. У меня мост, но без deadtime, таким образом нижние ключи желательно закрывать побыстрее, а верхние открывать помедленнее. Так что, в данном случае, минус на минус даёт плюс.

ОК, раз я всё правильно понял, тогда интересуют номиналы.

Заряд затвора выражается в кулонах. Для примера возьмём IRFZ46N, который я собираюсь использовать. Qgs=72e-9 Кл.
Заряд равен току заряда (Ichg) умноженному на время заряда (Tchg):
Qgs = Ichg * Tchg

Время заряда собственно затвора нас не интересует, а интересует время, за которое этот заряд должен быть доставлен в кондёр. Это может быть сделано только пока мосфет закрыт, т.е.
Tchg = T*(1-D), где T - период, а D - максимальная скважность.
T = 1 / F, где F - частота переключений.

Итого получается:
Qgs = Ichg * (1-D) / F, откуда
Ichg = Qgs * F / (1-D)

Вычисляем:
Ichg = 72e-9 * 100e3 / (1-0.95) = 0.144 Ампер

144 миллиампера, нифига себе! Может в чем-то ошибка?

Вопрос еще один: есть еще Input Capacitance, это что за зверь? В заряде-разряде затвора она участвует или нет?

Прикрепленные файлы

 irfz44n.pdf ( 100.57 килобайт ) Кол-во скачиваний: 89

 

[JBM]

Есть еще вопросы: при каком напряжении затвор-исток мосфет переходит в ключевой режим? В даташите есть параметр
Vgs(th) Gate Threshold Voltage 2.0 (min) ––– 4.0 (max) V - это оно или нет? Если да, то получается падение напряжения на мосфете не должно превышать RAIL+15-Vgs(th) вольт, иначе он будет вываливаться из ключевого режима в линейный!

С одной стороны, вроде хорошо - автоматическая защита от КЗ, но с другой стороны, постоянное колебание между ключевым и линейным режимом будет раскалять транзюк.... Получается, что защиту от КЗ в данной схеме можно не делать, а лучще сделать защиту по температуре? Сразу возникает еще один ворпос: а как ведёт себя Vgs(th) изменении температуры - повышается, или понижается? Т.е. будет ли разогрев усугублять эффект или компенсировать?

[_artem_]

Сопротивление стояще после диода зависит от многих факторов . Внизу те которые я смогувидеть :
- Времени заряда 0.1 мкф кнденсатора
- скважности и длительности управляюших импульсов
- типа нагрузки
- мошности стабилитрона на 15 В
- емкости затвора мосфета

При условии стабильности напряжения на конденсаторе (определяется режимом работы и номиналами резистра и конденсатора) и порога мосфета равного половине напряжения на накопительном конденсаторе время переключения будет зависеть только от емкости мосфета и величины резистора в цепи затвора равного 10 Омам .

[Herz]

Ещё учтите, что ток у Вас нелинейный.

[JBM]

В общем, похоже что в моменты заряда конденсатора (т.е. пока мосфет закрыт) ток действительно будет бешенный, больше 140 mA. Т.е. в то время, когда мосфет открыт (или когда кондёр уже зарядился, если скважность меньше 95%), этот ток будет сбрасываться через стабилитрон... Фигня получается!

В общем, набросал такую схемку:


Преимущества перед исходной:
- допускает скважность 100% на какое-то время (пока заряжен конденсатор С3.1). Он заряжается в начале работы и подзаряжается через диод в моменты, когда мосфет заперт. Таким образом, на нём всегда присутствует напряжение VDDP.
- КПД на порядок выше первоначальной. Потребление для мосфета IRFZ46N будет ~7 mA (плюс ток через R3.1, но там понты)

Недостатки:
- стоимость увеличивается на 2 цента

Кстати, о стоимости Стоимость драйвера верхнего ключа, таким образом, составит:

Код

          $     #
Trans   0.016   4   0.064
Res     0.003   4   0.012
Cap     0.01    2   0.02
Diode   0.01    3   0.03
Stab    0.04    1   0.04
            Total   0.166$

16.6 цента , что не может не радовать.


Теперь пара вопросов, уже по этой схеме:

Защита транзисторов от пробоя. Потенциал на управляющем входе запросто может оказаться ниже потенциала коллектора VT3.1, поскольку напряжение на истоке "плавает" в зависимости от тока через мосфет (точнее, от падения напряжения на нагрузке, ну неважно...). Чтобы защитить VT3.1, используем диод D3.2. Таким образом, напряжение на базе не будет ниже коллектора больше, чем на 0.5В (падение на диоде). Правильно ли сделано?

То же самое с транзистором VT3.3 (в цепи ~SHUTDOWN~ тоже есть резистор 6.8К, только он нарисован на другом листе).

Вот с транзистором VT3.2 - вопрос. Надо ли так же зашунтировать его переход E-B? По идее, при срабатывании SHUTDOWN напряжение на затворе уровняется с напряжением на истоке полевика, но будет ли оно равно GND еще вопрос... Если зашунтировать VT3.2 диодом, то можно случайно открыть мосфет сигналом ~SHUTDOWN~, если на истоке будет выше GND, а на затворе получится GND. Или эти мосфеты не открываются отрицательным напряжением? Читал у IR, что таки нет, но когда-то давно у мну полевики таки-да открывались когда затвор был ниже истока. Кто в курсе, скажите где правда, а то тут я че-то запуталсо... Короче, требуется ли вообще защищать E-B у VT3.2 (сколько там того заряда у затвора...) и если да, то как?

[Herz]

Преимущества перед исходной:
- допускает скважность 100% на какое-то время (пока заряжен конденсатор С3.1). Он заряжается в начале работы и подзаряжается через диод в моменты, когда мосфет заперт. Таким образом, на нём всегда присутствует напряжение VDDP.
- КПД на порядок выше первоначальной. Потребление для мосфета IRFZ46N будет ~7 mA (плюс ток через R3.1, но там понты)

Защита транзисторов от пробоя. Потенциал на управляющем входе запросто может оказаться ниже потенциала коллектора VT3.1, поскольку напряжение на истоке "плавает" в зависимости от тока через мосфет (точнее, от падения напряжения на нагрузке, ну неважно...).

А оптрон Вы, значит, решили выбросить...
Тогда о КПД я бы поосторожничал упоминать вообще.

[JBM]

А в чем проблема без оптрона?

Оптрон, как я понял там стоит для того, чтобы связать логические уровни слева с нехилыми напряжениями справа. Схема-то там концептуальная, т.е. напряжение на стоке не известно. Там может и 100В быть, и 200, и 500....

А быстродействующие оптроны стоят очень дорого!

Лучше скажите, нужен ли D3.2?

[Прохожий]

Вообще-то такие схемы применяют крайне редко. Тем более в мосте. Делают это в основном китайцы в не очень ответственных случаях и крупносерийном производстве.
При больших токах через MOSFET такие решения наименее устойчивы к помехам, вызванным этими токами, а последняя схема особенно. Без мертвого времени мост лучше не включать вообще. Не следует экономить на драйвере и внутренней системе электропитания девайса. Это не самые дорогие вещи в силовом устройстве, зато самые ответственные в плане надежности.
Вопросы.
1. Что будет нагрузкой - двигатель постоянного тока, трансформатор, резистор (грелка) или что-то еще?
2. Какова частота переключения.

[Herz]

А в чем проблема без оптрона?

Оптрон, как я понял там стоит для того, чтобы связать логические уровни слева с нехилыми напряжениями справа. Схема-то там концептуальная, т.е. напряжение на стоке не известно. Там может и 100В быть, и 200, и 500....

Вот именно. А если схема концептуальная, то она получше, конечно, если требуется высокая степень заполнения. (Скважность, кстати, в процентах не выражается).

А быстродействующие оптроны стоят очень дорого!

На Кутузовском? А как Вы хотели? Я в своё время использовал TLP250, поспрашивайте, может подешевели.

Лучше скажите, нужен ли D3.2?

Думаю, нет.

[Andr2I]

2JBM
А чем будете управлять без оптрона? Какое напряжение коммутации и частота?

[JBM]

Всё, я запуталссо. Люди, хелп!

Вот берём npn транзистор BC847. В даташите указаны максимальные параметры

Код

SYMBOL  PARAMETER                  MAX
VCBO    collector-base voltage      50 V
VCEO    collector-emitter voltage   45 V
VEBO    emitter-base voltage         6 V

А если транзистор включен таким образом, что напряжение на емиттере может плавать в диапазоне от GND до VDD (в данном случае 40 вольт)? Насколько я понимаю, надо защитить его E-B переход диодом:

Правильно?

Возьмём комплиментарный ему транзистор BC857 (pnp). В даташите указано:

Код

SYMBOL  PARAMETER                  MAX
VCBO    collector-base voltage      -50 V
VCEO    collector-emitter voltage   -45 V
VEBO    emitter-base voltage         -5 V

Включение аналогичное, т.е. база может оказаться ниже эмиттера и коллектора:

Как делать в этом случае?

[Andr2I]

2JBM
Первая схема (дополненная) будет жить (но и только!).
Вторая схема - сгорит "синим пламенем". Для ее жизни поставьте в базу резистор (50K). Не сгорит, но транзистр всегда будет открыт.
Если это попытка замены оптрона, то очень смелая (вроде опытов Икара). Если лабораторная работа, то "внушает"!

[JBM]

Резистор в базе ничего не даст, т.к. не будет делителя, т.е. на резисторе все равно будет GND, и транзистор всё равно сгорит.

[Andr2I]

2JBM
Точно, сгорит... Транзистор будет открыт при напряжении коллектор -эмиттер 40В и ...

[JBM]

Тю, шо, никто не знает???