Ультразвуковой генератор импульсов с использованием Power Mosfet и драйвера затвора. Запутался в совместимости таблицы данных

Я работаю над проектом для университета. Цель состоит в том, чтобы создать ультразвуковой дефектоскоп, который может измерять дефекты внутри куска металла. Я прошел только вводные курсы по различным направлениям электротехники, таким как схемы, сетевой анализ и электрические устройства. Поскольку моя карьера в настоящее время связана с индустрией программного обеспечения, я не уделял особого внимания изучению тем, которые мне нужны для завершения этого проекта. Несмотря на это, я добился некоторого прогресса, которым я доволен.

Вот моя текущая схема:

PT-12 имеет резонансную частоту 5МГц и лучше всего работает при амплитуде импульса 220В. Это двухэлементный преобразователь, что означает, что выход и входы преобразователя проходят по разным кабелям, и оба элемента внутри преобразователя разделены акустическим барьером.

Поскольку RF составляет 5 МГц, это дает нам время цикла 200 нс. Я узнал, что обычно эти преобразователи работают через высоковольтный импульс длительностью 1/2 цикла или меньше. Это называется пингом устройства. Таким образом, целью схемы генерации импульсов является получение импульса длительностью 100 нс при амплитуде 220 В.

Мой прогресс шел довольно хорошо, пока я не начал думать о том, как я буду снова включать и выключать пульс. Сначала я думал, что смогу использовать простой переключатель spst, но быстро понял, что обманываю себя. Кажется, единственным решением, которое я смог найти, было использование Power Mosfet.

Я исследовал множество различных потенциальных устройств, а также параметры в таблицах данных, которые были бы наиболее важными. Я обнаружил, что для максимально возможного приближения ширины импульса к 100 нс мне нужно минимизировать как заряды затвора (Qg, Qgs, Qgd), так и время задержки (tf, tr, td (on), td (off)). ). Одно потенциальное устройство, которое я нашел, было SiHP6N40D, http://www.vishay.com/docs/91498/sihp6n40d.pdf .

Который имел следующие параметры:

Он также указывает Rds(on) = от 0,85 до 1 Ом. При исследовании этих силовых МОП-транзисторов я узнал, что Rds(on) обычно уменьшается, когда добавляется больше ячеек, что, в свою очередь, увеличивает емкость и снижает время отклика. Таким образом, хорошее значение Rds(on) составляет около 1 Ом для высоких коммутационных целей.

Я нашел это уравнение в следующем посте electronics.stackexchange .

И это, кажется, дает 22,22 МГц в качестве частоты переключения, однако в техническом описании не указано время хранения. Я надеюсь, что этот параметр был просто учтен в других задержках. Был еще параметр времени, trr или Reverse Recovery time, но я не уверен, повлияет ли это на частоту переключения. Предполагая, что он может достигать 22,22 МГц, это кажется довольно хорошим, поскольку он может включиться за 22,5 нс и выключить за 22,5 нс.

Следующим шагом было подключение коммутатора к моему микроконтроллеру, чтобы он мог управлять частотой дискретизации. Я понял, что выход gpio не будет достаточно высоким, чтобы соответствовать Vgs 10 В, и, кроме того, было бы слишком опасно напрямую подключать контакты gpio моего Raspberry Pi к силовому MOSFET из-за утечки емкости через затвор. Решением для этого было использование драйвера затвора, который, в свою очередь, имеет собственное время задержки.

Я исследовал некоторые потенциальные драйверы затвора и нашел 2 с очень низким временем задержки:

ISL55110 --> https://www.mouser.com/datasheet/2/698/isl55110-11-1302115.pdf

MD1213DB1 --> http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/20005713B.pdf

И именно в этот момент я достиг порога замешательства, и я почувствовал, что мне нужна помощь. Я не знаю, как достичь моей цели с шириной импульса 100 нс, поскольку необходимо учитывать так много факторов: задержка MOSFET, задержка затвора, скорость переключения микроконтроллера. Кроме того, теперь я совершенно уверен, что для активации затвора MOSFET Vgs = 10 В не означает, что на затвор подается 10 В, это означает, что мне нужно будет подать 230 В. Подача только ~ 10 В приведет к прямому смещению MOSFET, как указано в этом сообщении .

Таким образом, я хотел бы помочь с выяснением того, как подойти к этому, чтобы я максимально приблизился к 100 нс. Кроме того, если есть очевидные проблемы, которые я не упомянул, пожалуйста, сообщите мне о них. В конечном счете, если невозможно приблизиться к 100 нс, я был бы в порядке, просто послав импульс A на преобразователь.

Расчет компонентов:

Я выбрал частоту дискретизации 2 кГц и использовал ее для определения компонентов моей схемы.

Так как конденсатор должен быть почти полностью разряжен за 4 постоянные времени (~98%), и я хочу, чтобы импульс был 100 нс

τ = 25 нс.

C = 25 нс/(50 Ом + 1 Ом) = ~ 490 пФ --> 470 пФ

*Где 50 Ом — импеданс преобразователя, а 1 Ом — сопротивление Rds (on) MOSFET.

Мы бы хотели, чтобы конденсатор заряжался менее чем за 1/2 цикла частоты дискретизации, или 250 мкс.

R = 250 мкс/470 пФ = 530 кОм --> 560 кОм

Ток, выходящий из конденсатора при переключении MOSFET, начинается с высокого уровня.

Vc(1 нс) = 220 В xe^-(1 нс/(470 пФ x 50,32 Ом)) = 210,89 В

dV/dT = (220 В - 210,89 В)/1 нс = 9,11E9

ic(1 нс) = 470 пФ x 9,11E9 = 4,28 А

По истечении желаемого времени MOSFET должен быть открыт, IC будет

Vc(100 нс) = 3,2 В

dV/dT = (220 В - 3,2 В)/100 нс = 2,168E9 В/с

ic(100 нс) = 470 пФ x 2,168E9 = 1,02 А

Дополнительная информация:

Почему у меня есть и Arduino, и Raspberry Pi?

Я начал семестр с намерением использовать Arduino, потому что на плате уже были аналоговые входные контакты. Я уже разработал графический интерфейс для своего ЖК-экрана, когда понял, что тактовая частота Arduino 16 МГц недостаточна для управления скоростью переключения MOSFET в 100 нс. Я решил, что будет слишком много работы, чтобы переписать интерфейс на Python. Я просто добавил некоторый код для последовательной связи с Pi, который вместо этого будет отправлять логические сигналы.

Чтобы определить расстояние, Pi просто подсчитает количество тактовых циклов с момента последнего выхода HIGH на выводе драйвера затвора. Надеюсь, я буду знать, какой будет полная задержка схемы к тому времени, и тогда это можно будет вычесть из времени отклика, чтобы получить истинное количество времени, которое потребовалось волне, чтобы пройти через измеряемую среду. В частности, скорость звука в алюминии составляет 6320 м/с (погуглите). Размеры моего измеряемого объекта фиксированы и составляют 20 см x 20 см x 2,5 см. Таким образом, если дефекта нет, волна пройдет полное расстояние и займет 63,2 мкс, в противном случае отраженная волна вернется к преобразователю быстрее. При условии, что дефект при тестировании будет где-то посередине, поэтому время в пути примерно 31,6 мкс, если дефект присутствует.