Push-pull BJT untuk MOSFET


12

Saya mencari cara untuk mengendarai MOSFET dengan komponen diskrit. Sebenarnya saya perlu menggerakkan sekelompok MOSFET, dengan arus 100-150A. Dan saya bertanya-tanya adalah mungkin untuk tidak menggunakan IC mengemudi, untuk memiliki lebih banyak kontrol atas fungsionalitas, lebih sedikit kompleksitas, lebih sedikit biaya.

Saya telah bereksperimen dengan pengaturan yang berbeda, dengan resistor dan kapasitor. Saya menggunakan osiloskop untuk memantau dering, naik / turunnya waktu dll.

Masalahnya adalah bahwa begitu saya memperkenalkan resistor, waktu naik / turun menjadi sangat tinggi.

Sinyal input memiliki waktu naik / turun hanya sekitar ~ 8-10 ns. Dengan menggunakan BJT saja, sinyal mudah diduplikasi pada waktu naik / turun yang serupa. Tetapi begitu kapasitansi gerbang diperkenalkan, waktu naik / turun menjadi jauh lebih tinggi, misalnya 300-2000 ns.

Karena itu saya telah bereksperimen dengan metode yang berbeda untuk mengurangi waktu naik / turun:

Metode A: NPN + PNP (Tegangan-pengikut? Sumber arus dari Vcc?)

Saya membuat rangkaian berikut, tidak menyadari bahwa tegangan gerbang tidak akan pernah lebih dari tegangan sinyal input.

Saya perlu tegangan gerbang menjadi lebih dari 10V untuk meminimalkan Rdson.

skema

mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab

Metode B: PNP + NPN

Saya telah bereksperimen dengan berbagai resistor dan kapasitor:

skema

mensimulasikan rangkaian ini

Tetapi saya menemukan bahwa:

  • Kapasitor mengurangi dering naik, tetapi meningkatkan dering jatuh dan waktu => dihapus
  • Semua resistor kecuali R2 dan R3 memiliki dampak merugikan pada naik turunnya karakteristik => dihapus
  • Menggunakan potensiometer untuk R2 dan R3, saya menemukan bahwa resistansi terbaik adalah R3 = 4k dan R2 = 1.5k.
  • Naik waktu 490ns, waktu jatuh 255ns.

Saya agak khawatir bahwa tegangan gerbang tidak turun cukup rendah, misalnya tampaknya tetap di sekitar 400mV. Meskipun ground tampaknya dapat dibaca pada 250mV, jadi mungkin papan tempat memotong roti hanya jelek. Seberapa rendah seharusnya tegangan gerbang untuk mencegah penumpukan panas ketika sinyal konstan rendah (mati)?

Saya ingin tahu apakah ada hal lain yang dapat saya lakukan untuk meningkatkan kinerja?

Sirkuit yang ditingkatkan:

skema

mensimulasikan rangkaian ini

Osiloskop:

Catatan: ternyata sinyal input terbalik pada osiloskop dengan pengaturan. Saya akan memperbarui tangkapan layar nanti ...

masukkan deskripsi gambar di sini masukkan deskripsi gambar di sini masukkan deskripsi gambar di sini

Juga, saya telah memasukkan pangkalan PNP dalam tangkapan layar berikut. Apakah ini seharusnya terlihat seperti ini? Itu terlihat agak funky.

Tampaknya masalahnya adalah bahwa NPN tetap dihidupkan, sehingga mencegah gerbang dari pengisian daya.

masukkan deskripsi gambar di sini masukkan deskripsi gambar di sini


Tidak jelas apakah generator sinyal Anda menghasilkan perpindahan sinyal antara 0 dan 5 V atau -2,5 dan +2,5 V, atau -5 dan +5 V, atau apa. Jejak ruang lingkup akan membantu, atau indikasi perangkat apa yang Anda wakili dengan simbol itu.
The Photon

Jika basis NPN berada di 5V, dan emitornya di 6V, lalu mengapa harus melakukan?
user253751

Mengapa Anda bahkan perlu pengemudi sirkut? 5V sudah cukup untuk mengaktifkan MOSFET itu dan mendapatkan perlawanan hingga 0,004 Ohm. Dan di mana dering ini yang Anda bicarakan? Jika itu di beban maka Anda menggonggong pohon yang salah. Anda membutuhkan snubber melintasi MOSFET.
Vince Patron

@VincePatron, saya perlu mengemudi 100A. Tapi mungkin saya akan lebih baik dengan Rdson 4mOhm dengan switching cepat, daripada 2.5mOhm dengan switching lambat. Juga, saya berharap perlu mengemudi sekitar 8 MOSFET, jadi saya tidak yakin MCU dapat memberikan arus yang cukup. Singkatnya, saya pikir menggunakan BJT adalah solusi yang mudah, tetapi jelas tidak.
user95482301

2
Masih perlu ditingkatkan. Q2 sangat overdrive. = >> penundaan mematikan sangat besar (= waktu penyimpanan). Tidak ada yang dilakukan terhadap overdriving. Di masa lalu, penanggulangan itu sudah dikenal, tetapi tampaknya hari ini ditinggalkan di antara debu. Kedua: Q1 mendorong terus menerus dan Q2 memiliki kerja keras untuk memenangkannya. Mungkin Vgs minimum adalah sekitar 0,3 V. Anda harus menggunakan output PWM 0V / 5V melalui buffer amp non-jenuh yang dapat menyuntikkan dan menarik cukup muatan dari gerbang MOSFET selama masa transisi keadaan yang diinginkan. Ingin tahu lebih banyak? Silakan tulis komentar. Lihat jawaban saya.
user287001

Jawaban:


8

BJT Anda berada dalam konfigurasi pengikut. Ini berarti bahwa mereka dapat memberikan penguatan arus, tetapi bukan penguatan tegangan. Bahkan emitor akan menjadi drop dioda DI BAWAH basis untuk sinyal yang berjalan positif. Jika Anda sampai 6V di gerbang Anda harus memiliki sekitar 6,7V dari generator sinyal Anda.

Halaman Wiki BJT memiliki tautan ke 3 bentuk umum penguat yang menjelaskan lebih lanjut tentang karakteristik penguat BJT.

BJT Wiki

Keuntungan saat ini adalah hal yang baik karena untuk mengisi kapasitansi gerbang FET dalam waktu singkat Anda membutuhkan arus puncak tinggi: I = C * dv / dt.

Salah satu cara untuk mendapatkan ayunan tegangan yang lebih tinggi adalah dengan menambahkan shifter level BJT sebelum tahap drive gate Anda untuk menerjemahkan dari 5V ke 12V. Tentu saja level tunggal level BJT shifter akan membalikkan sinyal, tetapi sering kali Anda dapat menghadapinya pada sumber sinyal.

masukkan deskripsi gambar di sini

Resistor pull-up harus memiliki nilai yang cukup kecil sehingga Anda mendapatkan waktu naik yang dapat diterima untuk aplikasi Anda. VCC akan menjadi suplai 12V Anda dan basis resistor harus berukuran untuk menjamin saturasi dengan drive 5V, mengingat beta dari transistor. ! Y harus terhubung ke pangkalan panggung driver gerbang BJT Anda.

Namun, jika tujuan Anda naik dan turun dengan cepat dari FET dan tidak belajar tentang BJT, Anda mungkin harus menggunakan IC driver gerbang komersial. Cari opsi dari IR / Infineon, Texas Instruments, Intersil atau Maxim.

Berikut adalah opsi berbiaya rendah dari TI:

UCC27517


Apa yang harus saya gunakan? Saya pertama kali mencoba dengan PNP antara gerbang dan 12V, tetapi mulai merokok.
user95482301

Juga, apakah masuk akal untuk menggunakan opamp sebagai gantinya, seperti LM358P?
user95482301

Jawaban diedit untuk menanggapi komentar.
John D

@ user95482301: jika Anda mampu menggunakan IC, saya sarankan untuk menggunakan IC konverter level / driver khusus seperti yang diusulkan dalam jawaban saya.
Curd

1
IR2101 juga merupakan pilihan yang baik. Tidak yakin di mana Anda melihat harga tinggi untuk UCC27517, itu adalah $ 0,49 (1ku) di situs web TI dan mereka akan mengirimkan 10 pc gratis sebagai sampel jika Anda memintanya di situs web. Ada dalam paket SOT-23 yang cukup mudah ditangani untuk pembuatan prototipe, tetapi sepertinya Anda akan lebih nyaman dengan bagian IR.
John D

6

Versi pertama - pengikut emitor push-pull harus baik-baik saja jika hanya MOSFET Maksimum yang tersedia VGS = +4,3 V sudah cukup. Resistor pulldown sekitar 100 Ohm harus dimasukkan dari pemancar BJT ke GND untuk memastikan off-state mosfet, karena PNP tidak turun secara efektif di bawah +0,7 V. Selain itu beberapa resistor redaman Ohm yang dimasukkan tepat ke terminal gerbang MOSFET harus mencegah beberapa dering yang disebabkan oleh kapasitansi dan induktansi kawat.

Versi kedua Anda memiliki pintasan. Pikirkan tentang rute saat ini basis Q2-> R3-> R2-> basis Q1.

Pengikut emitor tidak memiliki saturasi dan karenanya tidak ada penundaan mematikan karena kapasitansi difusi.

Sebagai jawaban lain yang diajukan, gunakan IC driver gerbang. Itu melakukan pekerjaan dengan nol tuning dan memiliki probabilitas yang lebih rendah untuk berperilaku tak terduga selama transisi tegangan operasi.

Komentar tambahan addendum karena menyatakan saat ini menjadi 100 A

100 ampere dalam keadaan Id perlu perhatian serius dan bahkan lebih jika tingkat switching tinggi. Lakukan uji coba dengan menggerakkan gerbang dari generator sinyal gelombang persegi 50 Ohm Zout biasa. Gunakan frekuensi switching yang rendah dan mulai dengan lebih dari + 6V sinyal unipolar untuk keselamatan. Oscilloscope dalam Vgs memberikan gambaran seberapa besar biaya yang diperlukan untuk menyuntikkan dan menghapus transisi negara dalam waktu transisi yang diinginkan. Itu menentukan arus drive yang diinginkan. Osiloskop dalam VDS mengungkapkan Vgs yang dibutuhkan.

Pengukuran yang dijelaskan adalah ruang bawah tanah untuk merancang driver yang cukup mampu.


Masalahnya adalah bahwa saya perlu beralih 100A, jadi Rdson harus sekecil mungkin.
user95482301

1
@ user95482301 Jika Anda melakukan uji coba yang diusulkan dengan generator sinyal, cari tingkat output generator yang dapat digunakan terendah untuk Vds cukup rendah dan terbitkan plot jejak ganda osiloskop Vds dan Vgs, Anda sangat mungkin mendapatkan banyak desain yang tepat. Plot harus mengungkapkan transisi dengan baik. Anda harus menggunakan beban terakhir.
user287001

6

Orang lain sudah menyarankan driver IC MOSFET. Sepertinya Anda benar-benar ingin melakukan driver diskrit.

Inilah sirkuit dan pada dasarnya apa yang akan ada di dalam IC driver. Hal ini menghasilkan 100 Amp switching dengan waktu transisi sekitar 100 ns untuk menjaga disipasi daya MOSFET seminimal mungkin.

Q1 adalah penerjemah level pembalik sederhana untuk mendapatkan ayunan sinyal hingga 12 Volts. M2 dan M3 membentuk driver push-pull MOSFET. R4 dan R5 ada untuk membatasi arus tembak-lewat untuk mencegah kerusakan pada M2 dan M3 karena ketika gerbang mereka bertransisi antara 0 dan 12V, keduanya akan aktif untuk sebagian kecil waktu.

Tanpa R4 dan R5, arus shoot-through akan melebihi peringkat arus drain maksimumnya. Dalam IC aktual, M2 dan M3 akan berukuran cukup kecil untuk memiliki Rds-on yang cukup tinggi daripada meletakkan resistor yang sebenarnya.

Selain itu, M2 / M3 melakukan inversi untuk kembali ke logika normal. Akhirnya, M3 berfungsi sebagai driver arus tinggi untuk menangani arus 100 Amp.

masukkan deskripsi gambar di sini

Perhatikan bahwa ada sekitar 2 kita menunda mematikan M1. Jika Anda tidak mengalihkan beban Anda pada frekuensi tinggi, maka 2us ini tidak akan menjadi masalah.

Saya pasti tidak akan merekomendasikan menggunakan bagian-bagian ini; Saya baru saja mengambil ini dari apa pun yang dimiliki LTspice. Misalnya, M1 terbatas pada 35A kontinu, jadi ganti bagian-bagian ini dengan sesuatu yang sesuai untuk desain Anda dan jalankan kembali simulasi. Kemudian uji dalam prototipe Anda untuk mengonfirmasi kinerja. Bagaimanapun, sirkuit ini mungkin merupakan titik awal yang baik untuk Anda.


2
> Inilah sirkuit. sirkuit yang bagus. Saya menyarankan agar OP melakukan analisis tentang berapa banyak arus yang dia butuhkan untuk dikirim ke gerbang. jika dia mengganti beban 100a, itu adalah MOSFET sangat gemuk. pada frekuensi sedang, ia kemungkinan akan perlu mengirimkan banyak ampli (puncak) ke dalam gerbang.
dannyf

untuk rangkaian di atas untuk melakukan itu, Anda harus mengurangi dua resistor 22R. kemudian masalah tembak-menembak muncul dan Anda telah mengatur waktu mati.
dannyf

1
Penyebab perlambatan utama di sini adalah "sama tua dan khas hari ini", itu adalah "tidak ada trik yang digunakan untuk menjaga BJT beralih cepat". Trik yang hilang adalah 1) mempercepat kapasitor, menempatkan 50 pf sejajar dengan R2 2) mencegah saturasi dengan menjepit, itu berarti menempatkan drop dioda fordward rendah pada Q1 dari b ke c untuk menyedot arus basis yang berlebihan. Dioda schottky bagus, dioda germanium bisa dilewati. Anoda dioda ke b, katoda ke c. Saya mencoba menyisipkan trik ini sebagai edit, tetapi rekan menolaknya (tidak ada penghitung waktu lama yang masih hidup?)
user287001

1
Kedengarannya seperti peningkatan yang luar biasa. Mungkin ditolak karena akan lebih tepat sebagai jawaban lain. Silakan posting sebagai jawaban baru. Kita semua akan belajar darinya. Atau saya akan mencobanya nanti dan mengedit jawaban ini m
Vince Patron

4

Mengganti 100 amp dengan cepat berbahaya, jika tidak bagi Anda, maka untuk masa pakai rangkaian.

Asumsikan 4 "kawat, di suatu tempat. Itu sekitar 0,1uH. Sekitar. Saya sangat senang dengan asumsi 1 meter kawat adalah 1 induktansi microHenry, karena saya dapat menjalankan beberapa perhitungan back-of-envelop yang hati-hati dan menghindari kerusakan besar.

Mari kita matikan 100 amp dalam 10 nanoSeconds. Dengan induktansi 0,1uH dalam sumber atau saluran. Apa yang terjadi?

V=LdI/dT
V=100nanoHenry100amps/10nanoSeconds
. "Nano" dibatalkan. Kami memiliki 100 * 100/10, atau SATU RIBU VOL.

Jika sia-sia, Anda baru saja menghapus Power MOSFET.

Jika dalam sumbernya, Anda mungkin akan mendapatkan perilaku umpan balik negatif yang mencegah pelepasan banyak nanodetik. Saya pribadi melihat ini terjadi, dengan lead tes panjang pada driver 9amp.


Itu poin yang sangat bagus. Saya terkejut tidak ada yang menyebutkannya sebelumnya. Mungkin orang lain bisa berkomentar juga?
user95482301

1
Apakah ada solusi untuk masalah ini? Atau apakah saya harus mendekati masalah pembatasan saat ini dengan cara lain, misalnya dengan resistor? Dan bukankah ini masalah umum, bahkan untuk saklar daya SPST biasa? Saya juga akan menggunakan metode ini untuk OVP / UVP / OCP untuk bank baterai saya, yang akan berada dalam keadaan stabil, tetapi dengan satu peristiwa switching. Saya menduga bahwa apa yang Anda gambarkan juga akan relevan dalam acara yang berlebihan. Apakah cukup untuk memiliki zener yang diberi nilai 1000V? Saya menganggap peringkat daya tidak harus banyak.
user95482301

Koreksi:, V=L∗di(t)/dttidak V=L∗dt/dT. Sumber: en.wikipedia.org/wiki/Inductance .
Gabriel Staples

Bagaimana mengatasinya? Gunakan pesawat Ground di bawah kabel dan jejak, jika kabel kemudian gunakan selotip untuk menahan kabel terhadap pesawat, gunakan paket MOSFET induktansi rendah, bubarkan arus melalui beberapa MOSFET, dan gunakan snubber RC (satu di setiap MOSFET untuk memastikan jarak kecil) untuk sesaat menyerap energi medan magnet dan menghilangkan energinya.
analogsystemsrf

2

Ada IC driver pengonversi level hanya untuk tujuan seperti itu, misalnya DS0026 atau MC34151 .

Mereka memiliki input yang kompatibel dengan TTL / CMOS dan memiliki waktu naik dan turun yang cepat dan mampu menggerakkan arus yang cukup tinggi; semua fitur yang diperlukan untuk menghidupkan dan mematikan MOSFET dengan cepat.


Mungkinkah hanya menggunakan opamp saja?
user95482301

1
Menemukan jawaban untuk pertanyaan saya: "Nyalakan dan matikan dengan cepat untuk menghindari pemborosan daya yang berlebihan dari menjalankan perangkat dalam mode liniernya. Ini membutuhkan perangkat yang dapat memindahkan muatan kapal dengan sangat cepat. A 741 tidak akan potong moster. "
user95482301

1
OpAmp memiliki kekurangan berikut: (1) tidak dapat beralih secepat (2) tidak dapat memberikan arus sebanyak IC konverter tingkat / driver khusus. Hasilnya adalah pengisian / pengosongan yang lebih lambat dari gerbang MOSFET yang akan menyebabkan lebih banyak disipasi daya di MOSFET.
Curd

2

<mengapa 0-6v?

Emitor Q2 adalah 0.7v di atas basis Q2, yaitu 0-5v. Itu jawaban kamu.


Iya. Saya pikir Q1 akan menariknya hingga 12V, tapi saya jelas salah :)
user95482301

0

Saya agak khawatir bahwa tegangan gerbang tidak turun cukup rendah, misalnya tampaknya tetap di sekitar 400mV. Meskipun ground tampaknya dapat dibaca pada 250mV, jadi mungkin papan tempat memotong roti hanya jelek. Seberapa rendah seharusnya tegangan gerbang untuk mencegah penumpukan panas ketika sinyal konstan rendah (mati)?

Tampaknya MOSFET M1 tidak mendapatkan jalur resistansi rendah untuk mematikan dengan benar. Itu dapat diberikan melalui transistor ke GND. Dengan cara ini gerbang M1 akan keluar dengan cepat.

masukkan deskripsi gambar di sini

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.