Push-pull BJT untuk MOSFET

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.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Metode B: PNP + NPN

Saya telah bereksperimen dengan berbagai resistor dan kapasitor:

^{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:

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Osiloskop:

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

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.

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.

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

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.

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.

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.

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?

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.

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.

<mengapa 0-6v?

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

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.