Мощные МОП-транзисторы и драйверы затворов

Пытаюсь наконец применить то, чему научился в университете на курсе силовой электроники. Однако я обнаружил, что и в этом курсе, и в большинстве книг/онлайн-справочников не хватает некоторых моментов.

На самом деле (это может быть похоже на управление H-мостами для драйверов двигателей, не уверен) есть некоторые возможности реализации понижающего (понижающего) преобразователя:

  • Использование PMOS в качестве входного переключателя (источник при напряжении питания) -> затвор PMOS должен быть ВЫСОКИМ, когда PMOS выключен, а затвор PMOS должен быть НИЗКИМ, когда PMOS включен
  • Использование NMOS в качестве входного переключателя (сток при напряжении питания) -> затвор NMOS должен управляться через форсирование (требуются дополнительные диод и конденсатор)

Кроме того, может быть хорошей идеей использовать синхронный понижающий преобразователь (с меньшими потерями) с использованием NMOS параллельно выходному диоду. Я думаю, что получил эту часть, и в любом случае ею проще управлять, так как это NMOS с источником, привязанным к земле.

Вернемся к первоначальному вопросу: хотя я согласен с тем, что (теоретически) можно легко управлять транзистором PMOS, я думаю, что это довольно сложно, особенно при высоких входных напряжениях .

Учтите, что я беру питание от настенной розетки: 230 В_RMS при макс. 10 А (но для своих приложений я выберу гораздо меньше, макс. 1 А). Я собираюсь получить псевдопостоянное напряжение, используя мостовой выпрямитель (мост Гретца) с конденсатором на выходе (стандартная практика). Это последнее напряжение будет входом моего понижающего преобразователя DC/DC.

Отсюда проблема: используя микроконтроллер для генерации сигнала PWN для управления выходным напряжением (GPIO: выход 3,3 В или в лучшем случае 5 В), невозможно будет активировать NMOS или деактивировать PMOS.

Я думаю, мне нужно, чтобы напряжение затвора NMOS было примерно на 5-10 В выше напряжения питания. Мне нужно будет сделать загрузку для этого, но я действительно этого не понял. Это то, что в основном драйверы GATE сделаны для AFAIK.

Что касается PMOS, более простым решением может быть использование инвертированного сигнала PWM (D = PWM на низком уровне, обычно наоборот) и управление оптопарой, коллектор которой подключен к напряжению питания (такое же, как напряжение источника PMOS). Коллекторы, способные выдержать такое напряжение, существуют, но может быть и лучшее решение.

На рынке не так много высоковольтных драйверов MOSFET (не говоря уже о низкой цене), и мне очень хотелось бы знать, как это сделать. Я думаю, что понижающие/понижающие преобразователи в настоящее время довольно распространены, поэтому мне тяжело, что таких продуктов не существует. Это наводит меня на мысль, что я ищу не те компоненты (пока) . Или единственным решением было бы реализовать драйвер в дискретных компонентах? Любая рекомендация продукта/ссылка для удовлетворения этих требований?

РЕДАКТИРОВАТЬ : как я сказал Оливену Латропу, вот что я имею в виду, чтобы контролировать PMOS. В основном я использую BJT в качестве источника тока, а затем шунтирую достаточно напряжения (12-15 В), чтобы перевести PMOS в режим проводимости. В противном случае, в идеале, ток в BJT не течет, и PMOS блокируется. УПРАВЛЕНИЕ PMOS http://img513.imageshack.us/img513/1879/pmoscommand.png .

Я не проверял полярность ШИМ-сигнала (должен ли он быть перевернутым или нет), но в принципе это может «просто» работать. Транзисторы NPN, поддерживающие > 400V_DC, гораздо более распространены, чем PNP/PMOS, и их цена невелика. Небольшого тока в BJT достаточно. Поэтому R2 должен быть достаточно большим (чтобы получить I_BJT_Collector ~ 1 мА), а R1 достаточно большим (но не слишком большим, иначе зарядка занимает слишком много времени и я рассеиваю слишком много энергии). Однако могут возникнуть проблемы с разрядкой, так как накопленные заряды не могут быть эвакуированы?

EDIT2 : я знаю, что на схеме я представлял NMOS-транзистор, но в схеме схемы, которую я сейчас использую, не было символа PMOS. На самом деле это ПМОС!

РЕДАКТИРОВАТЬ3 : Во-вторых, хотя я не уверен, что это сработает, поскольку ток накладывается в NPN, а не через R1. Это может сработать, если ток, проходящий через МОП (I_G > 0), складывается с током коллектора NPN (I_C > 0). Таким образом, фактически увеличивается падение напряжения и обеспечивается проводимость. Однако все еще сомневаюсь в обратном процессе.

Вы абсолютно уверены, что вам нужен конвертер доллара? Если нет, то для вашего приложения может лучше подойти обратноходовой преобразователь (изолированный + переключение по нижнему краю).
@ W5VO: к сожалению, трансформаторы на 50 Гц (даже 250 Вт) слишком дороги (> 50 долларов за штуку при 50+ штуках). Я думаю, что если трансформатор стоит > чем в два раза дороже остальной части установки, что-то не так. Это позор, потому что иначе это была бы хорошая идея.
@user: метод обратного хода, о котором упоминает W5VO, приводит в действие первичную обмотку трансформатора на высокой частоте. Такие трансформаторы меньше и дешевле для того же уровня мощности, чем «большие железные», работающие на исходной частоте сети.
@OlinLathrop: таким образом, переключатель используется для генерации высокочастотного напряжения переменного тока, которое затем передается через трансформатор (если я правильно понял). К сожалению, я не могу найти их в каталогах крупных дистрибьюторов (например, Mouser) в разделе «Силовые трансформаторы». Возможно, они классифицируются как «Аудиотрансформатор» (может быть, здесь: ch.mouser.com/Power/Transformers/Audio-Signal-Transformers/_/… ). 3 доллара за 75 Вт не так уж и плохо.
@user: Никакие трансформаторы, предназначенные для обратноходового питания, определенно не будут называться «аудио». Это совершенно другой набор компромиссов.
@OlinLathrop: любая ссылка на трансформатор POWER HF (или пример из каталогов)?
Предложенная вами схема теоретически работает, если вы тщательно рассчитаете ток и убедитесь, что затвор управляется на надлежащем уровне, а не слишком мало или слишком далеко. Однако вы не сможете управлять значительным током, иначе будет много рассеивания. Ток должен быть низким, поэтому резисторы высокие, а постоянная времени с емкостью затвора большая. Вы можете поместить повторитель с двойным эмиттером между R1 и воротами, чтобы ускорить процесс. Вы все еще должны учитывать рассеивание при этом напряжении. 10 мА x 360 В = 3,6 Вт, тьфу.
@OlinLathrop: 3,6 Вт мне кажется не очень большим, особенно для блока питания высокой мощности. То есть альтернатив вообще нет? Тогда мне интересно, почему все адаптеры переменного тока (универсальные) на 12В на 0,8А-3А такие грязно-дешевые. Правда, чем выше мощность, тем дороже они стоят. Это не совсем так для блоков питания для ПК: 500 Вт по цене около 30 долларов. Они тоже должны использовать какой-то трюк.
@OlinLathrop: кроме того, проблема остается со схемой обратного хода: как управлять NMOS выше, чем напряжение в сети, или PMOS только на этом уровне. Возможным решением может быть размещение NMOS ПОСЛЕ первичной обмотки трансформатора, а затем подключение его к земле линии электропередачи.
В противном случае «простым» (и наименее энергоэффективным способом) решением для мощных (и больших устройств) может быть покупка нескольких блоков питания ATX (30-50 долларов США за 500 Вт или около того), использование шины 12 В для доллара. для повышения, а шина 3,3 В/5 В для понижения напряжения (при необходимости). Что-то вроде того, что описано здесь: wikihow.com/… . Однако мне кажется странным, что трансформатор такой мощности нельзя купить дешево. Весь блок питания стоит намного меньше, чем сам трансформатор.
Просто хотя: я знаю, что это своего рода «старая технология» (медленная, большие потери проводимости и т. Д.), Но могут ли в этом случае работать тиристоры / симисторы? Не было бы проблем с их управлением (стандартный драйвер затвора, не требует очень высокого напряжения). Однако это не решает проблему изоляции/трансформатора. На Mouser я нашел только обратноходовые трансформаторы максимальной мощностью 50 Вт по цене около 15 долларов, что не так уж и плохо. К сожалению, они рассчитаны только на максимальное напряжение 60 В постоянного тока :(

Ответы (1)

Переключение на высокую сторону всегда сложно. Нет легких и простых путей, есть только различные компромиссы.

Транзисторы PMOS хороши тем, что могут работать при существующем напряжении. Напряжение затвора необходимо опустить ниже входного напряжения на 12-15 В, чтобы они полностью открылись. Недостатком является то, что P-канальные МОП-транзисторы обычно имеют немного худшие характеристики, чем эквивалентные N-канальные.

Канал N может иметь лучшую комбинацию Rdson, допуска по напряжению и стоимости, но требует, чтобы вы каким-то образом сделали напряжение выше, чем входное, чтобы управлять ими. Некоторые микросхемы драйверов FET на стороне высокого напряжения включают в себя зарядный насос или другой трюк для этой цели. Другим недостатком N-канального переключателя высокого уровня является то, что затвор должен качаться на гораздо большую величину, от нуля до 12-15 вольт выше входного. Это связано с тем, что напряжение затвора относительно истока, который теперь скачет вверх и вниз при переключении напряжения. Это требует высоких скоростей нарастания, чтобы как можно больше оставаться вне области частичного включения, и дает больше возможностей для приема шума в другом месте.

Нет простого решения.

Однако в вашем конкретном случае вам может вообще не понадобиться переключатель высокой стороны. Как упоминалось в комментарии W5VO, для обратноходовой топологии требуется только переключатель низкой стороны на первичном. Сторона высокого напряжения может оставаться подключенной к входному напряжению.

Другой возможностью является первичная обмотка с отводом от середины, когда трансформатор работает в прямом режиме. Центральный отвод идет на входное напряжение, а переключатель на стороне низкого напряжения поочередно подтягивает каждый конец к земле. Опять же, бесплатного обеда нет, что в данном случае проявляется в том, что переключатели нижнего плеча теперь должны выдерживать удвоенное входное напряжение. Вот почему топология с центральным отводом больше используется для более низких входных напряжений, а не для всемирной «универсальной» мощности, которая должна выдерживать до 260 В переменного тока или около того. Это будет означать пики 368 В и напряжение 735 В на переключателях нижнего плеча. Транзисторы с таким потенциалом напряжения уступают другим параметрам, таким как коэффициент усиления в биполярных транзисторах и Rdson в полевых транзисторах.

Бесплатных обедов не бывает.

Добавлен:

Я хотел сказать это раньше, но как-то проскочил мимо. Вам, скорее всего, все равно понадобится трансформатор, чтобы получить изоляцию. Если вы действительно не знаете, что делаете, вы хотите, чтобы результирующий источник был изолирован от линии электропередач. Основным исключением является случай, когда питание полностью находится внутри герметичной коробки и нет даже заземления с внешним миром. В противном случае вы рискуете, что пользователь подключится к горячей стороне линии переменного тока, если даже несколько простых вещей пойдут не так. Есть веская причина, по которой коммерческие источники питания в основном изолированы.

Учитывая, что вам, вероятно, нужна изоляция, проблема заключается в том, как управлять трансформатором, а не в том, как напрямую сделать понижающий переключатель.

Спасибо за полный ответ. Так что мне нужен либо POWER HF трансформатор (~100 кГц или что-то подобное, может быть, даже 50 кГц подойдет - надеюсь, «дешевый»), либо какая-то схема управления. Я вижу, что POWER PMOS почти в два раза дороже соответствующих NMOS. В то время как PMOS может управляться через оптопару (которая существует по цене ~ 1 доллар за штуку), драйверов MOSFET для этого напряжения (до пикового значения до 380 В) не так много (если они вообще есть). Я полагаю, что это потребует от меня сделать это в дискретных компонентах. Я обновлю свой исходный пост решением PMOS, которое я имею в виду прямо сейчас. Однако нет идеи для дискретного управления NMOS.
Просто чтобы вы знали: я спросил одного из моих профессоров, и он сказал то же самое, что и вы, тем самым усилив потребность в трансформаторе (который, по его словам, было бы лучше, если бы он был построен дома, только из-за его цены). Он сказал, что трансформатор, помимо гальванической изоляции, обеспечивает хороший динамический диапазон для ШИМ-сигнала, который подходит для пуска/останова некоторых типов нагрузок.
@user: Похоже, ваш профессор знает, о чем говорит.
Да, конечно, он делает. Не то чтобы я не доверял вашим советам, просто хотел спросить его, потому что во время курса, который он мне дал, казалось, что трансформеров больше нет.
@user: Трансформеры очень живы и будут жить в обозримом будущем. Подавляющее большинство настенных блоков питания содержат трансформатор. На сегодняшний день это действительно единственный способ получить значительную мощность через изолирующий барьер. Возможно, ваш профессор имел в виду «большие железные» трансформаторы, которые напрямую управляют мощностью стены и уменьшают ее примерно до желаемого напряжения. Таких уже почти нет. Трансформаторы в современных источниках питания намного меньше и дешевле, поскольку они работают на частоте 100 с или кГц, а не на частоте 50 или 60 Гц.
Да, но странно то, что он сказал, что высокочастотные (~ 100 кГц) трансформаторы были больше, потому что медный провод должен был быть больше (потому что при ~ 100 кГц ток почти течет только по поверхности кунддуктора, тогда как при 50/60 Гц она течет примерно по всему сечению). Он также назвал другую причину, которую я сейчас не могу вспомнить. «Единственная» причина, по которой трансформаторы ~ 100 кГц могут быть меньше, заключается в том, что соответствующая энергия намного выше (E ~ f), по крайней мере, так я читал. При более высокой частоте сами трансформаторы (сердечники) меньше, а сечение проводов больше. Я прав?
@user: провод может быть немного больше из-за скин-эффекта, но сердцевина может быть намного меньше. В целом, импульсные трансформаторы 100 кГц намного меньше, легче и дешевле, чем те, которые работают на 50 или 60 Гц при том же уровне мощности.
Так что в принципе стоит торговаться. Мой профессор сказал, что на самом деле ему не нравится обратноходовой трансформатор из-за «пиков» высокого напряжения во время переключения. Однако другая топология (вперед), кажется, популярна «только» для приложений с довольно низким энергопотреблением (< 1 кВт), и я не уверен, что она также не создает скачков напряжения. Он сказал, что я должен использовать стандартный трансформатор 50 Гц (сделай сам), что тоже показалось мне немного странным. Думаю, можно просто купить пару трансформаторных сердечников (например, EPCOS N87, Farnell: 1781876), но я не очень понял, для какой частоты эти сердечники рассчитаны.
В любом случае, в обоих случаях использование трансформатора вызывает большую проблему: предположим, я хочу блок питания на 2 кВт. Я понижаю напряжение с 230 В_AC до 48 В_AC, что является лучшим динамическим диапазоном для выхода 12 В_DC (30 В_AC было бы еще лучше). Это значит, что на первичке у меня будет примерно 9А, а на вторичке примерно 42А. На первичной стороне это может быть уже достаточно сложно (провод толщиной> 2,0 мм [диаметр]), но на вторичной стороне это почти невозможно (по крайней мере, с размерами, продаваемыми моим местным продавцом). Это наводит меня на мысль, что мне придется использовать либо несколько трансформаторов, либо
несколько вторичных обмоток (вторичные обмотки параллельно), что создает еще одну проблему (даже балансировку нагрузки между трансформаторами).
@user: 2 кВт - нетривиальный дизайн. Вам придется использовать все приемы, описанные в книге, чтобы получить хорошую эффективность, тогда проблема отработанного тепла все еще будет серьезной проблемой. При таком уровне мощности вы в любом случае должны думать о нескольких фазах. Возможно, 4 фазы по 500 Вт через каждые 90 градусов.
Какую схему трансформатора вы предлагаете? Преобразователь формы? Почему несколько фаз? Я могу понять, что нагрузка должна быть сбалансирована на вторичной стороне (отсюда мои опасения по поводу 40А: S). Если я вас правильно понимаю, вы предлагаете генерировать 4 сигнала ШИМ (следовательно, 4 преобразователя, 4 трансформатора), генерировать (например) 12 В на каждом выходе, а затем объединять всю эту мощность на общей шине постоянного тока, верно? Придется найти хороший способ создать эту общую шину. Диоды Шотти на выходе каждого преобразователя создавали бы «множество» потерь.
Мощные МОП-транзисторы и драйверы затворов
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v