Управление MOSFET-ами #1

В инете полно статей о том как работают MOSFET-ы (ака полевики, т.е. полевые транзисторы), что надо рулить напряжением а не током. Разберем поподробнее + и – разных драйверов.

image

Теория проводимости

Есть N-канальные и P-канальные полевики, также ввиду особенностей производства, между Source и Drain образуется “паразитный” диод.

N-канальный MOSFET:

image Для управления N-канальным полевиком необходимо приложить положительное напряжение относительно Source порядка 10V. В импульсных преобразователях на частотах 50+кГц требуется быстро открыть полевик, чтобы его сопротивление резко уменьшилось до ~0 ом. В таком случае потерь тепла будет меньше. Почему? Если заглянуть в любой даташит на полевой транзистор то можно обнаружить что сопротивление перехода Drain-Source меняется в зависимости от напряжения на Gate-Source. Взьмем абстрактный транзистор: если при 5V сопротивление будет составлять 1 ом, то при 10V уже 0.5-0.7Ом, что в ~два раза меньше, как следствие потери при более высоком напряжении управления тоже уменьшаются. Всего то! Однако у Gate есть внутренняя емкость. От десятков пикофарад у самых слабых полевиков до нанофарад у таких монстров как APT5016 (хотя это еще не самый злой полевик).

P-канальный MOSFET:

image

У P-канального наоборот, надо на Gate подать отрицательное напряжение относительно Source чтобы полевик открылся. Ситуация с сопротивлением открытого канала аналогична.

 

Драйвера

Для того чтобы быстро перезарядить Gate необходимо приложить, в зависимости от полевика, различное усилие. В интернете есть формулы для расчета токов, протекающих через драйвер. Я же хочу показать какие есть схемы управления полевиками. Конкретно нас интересует ключевой режим работы MOSFET-а.

Напрямую от контроллера

image

Не самый лучший вариант. Исключение составляют контроллеры со встроенным драйвером. RG резистор ограничивает ток через контроллер и уменьшает пульсации. У полевиков тоже есть своя индуктивность, она небольшая, но при быстром нарастании/спаде возникают колебания как в LC контуре. В моих краях найти контроллер со встроенным драйвером либо сложно либо дорого, поэтому приходится колхозить на универсальном ШИМ контроллере, под названием TL494.

Еще одна заметка по поводу резистора RG, когда требуется управлять большими токами и приходится ставить по 2-3+ транзистора, то данный резистор необходимо ставить перед каждым полевиком:image

Особо крутые контроллеры, как на материнках, работающие на частотах 0.5-2МГц не требуют данного резистора и имеют отдельный выход для каждого полевика. Каждый полевик там представляет собой отдельную фазу с отдельным дросселем. Такие частоты выбраны специально для уменьшения габаритов всей схемы. Чем выше частота – тем меньше индуктивность нужна. В общих чертах.

Производители контроллеров полевиков рекомендуют сопротивление RG 4.7 Ом. Даже видел гдето видео ролик с презентацией сравнения потерь при различных резисторах. На практике же RG может доходить до 200 Ом, т.к. драйвера разные – токи которые они могут выдержать тоже разные. И частоты тоже разные. Короче глупо говорить что ставьте везде 4.7 Ома и будет счастье. Поэтому данный резистор должен подбираться индивидуально под способности драйвера и емкость Gate полевика (в даташитах этот параметр обозначается как Ciss – Input Capacitance).

Двухтактный биполярный драйвер

Одна из самых эффективных схем управления:image

В идеале управляющие транзисторы надо распологать как можно ближе к MOSFET-у, для уменьшения пути протекания тока. Важно добавить шунтирующий конденсатор между VGate и землей (в схеме не указан).

Хорошо если N-канальный полевик Source-ом подключен к общей шине – земле – что и контроллер. Такое бывает в Step-Up конвертерах, однако ими мир не ограничивается. В Step-Down конвертерах полевик подключается Drain-ом напрямую к +, а Source идет дальше на дроссель. Если вы (не дай бог как я, по своей неопытности, когда в первой пришлось собрать понижающий преобразователь) попробуете заставить работать такую схему:

image

То обнаружите что полевик уже дымиться и припой капает коту на хвост расплавился. Как я сказал в начале статьи, N канальный полевик открывается полностью если на Gate подать + относительно Source. Но в данном случае получается когда мы подаем + на Gate, он начинает открываться и Source поднимается к + тоже! В итоге полевик не открыт и не закрыт. Висит посередине и дико греется. Но тут существует простое решение, Bootstrap-драйвер:

image

Схема немного усложнилась. Как видите силовым полевиком (справа) управляет по прежднему двухтактный биполярный драйвер. Однако он заведен относительно Source полевика. Левый полевой транзистор – маломощный, используется для сдвига уровня. Сигнал подается инвертированный. Резистор Pull-Down (подтягивающий) лучше поставить, в случае чего чтобы схема не “летала в воздухе”. Вот как оно работает: изначально конденсатор CBOOT заряжается через диод DBOOT управляющим напряжением, т.к. транзистор закрыт, на выводе Source земля (после дросселя L идет нагрузка которая как бы “заземляет” на время выключения полевика вывод Source). Полевик сдвига уровня наоборот (слева), открыт, чтобы силовой полевик был закрыт. Собственно в этом и заключается инверсия. Когда полевик сдвига уровня закрывается через резистор RLEVEL подается положительное напряжение на драйвер, а далее драйвер усиливает сигнал и подает + на Gate силового транзистора. Он начинает открываться и… и открывается полностью! Так как конденсатор CBOOT заряжен и привязан к Source силового полевика, то когда Source выравнялся по напряжению с напряжением притания, то CBOOT поднялся еще выше и оттуда, сверху, рулит через драйвер полевиком! Получается напряжение в момент открытия силового полевика относительно земли таково: UCBOOT+UPOWER. А диод не позволяет этому напряжению уходить обратно. Поэтому важно рассчитать какая разница напряжений у Вас получиться и использовать диод с запасом на данное напряжение. Когда триумф нашего CBOOT подходит к концу левый полевик открывается, на драйвере напряжение падает и одновременно с этим Source силового полевика также возвращается на “землю”. Я бы рекомендовал добавить небольшой резистор после Drain управляющего полевика, чтобы, когда драйвер открыт и “земля” драйвера выше реальной земли, не убить маломощный управляющий полевик. На своей практике я использовал 12 Ом резистор. Такая схема, с КПД 85% управляла понижающим конвертером на 300 ватт…. только недолго, нагрузка на выходе в виде резисторов плавилась на глазах 🙂 Еще большего КПД можно достичь применяя синхронный выпрямитель, это когда вместо диода снизу ставится тоже полевой транзистор и открывается, когда верхний уже закрыт. Т.к. схема синхронизации двух полевиков заметно усложняется, то советую использовать спецальные синхронные драйвера. Там уже все задержки между открытием и закрытием есть, чтобы исключить протекание сквозных токов.

Схема ускоренного выключения на PNP

Самая простая и, возможно, самая популярная схема на одном PNP транзисторе:

image

В данном случае подразумевается что контроллер достаточно мощный, чтобы быстро зарядить полевик, но например, как у TL494, выход состоит всего лишь из одного npn транзистора. Обьеденив два имеющихся выхода TL494 и подцепив коллектором на + питания, эмитторы идут на вход этогоimage полудрайвера. Главное эммитеры подтянуть на землю резистором. В случае напрямую выход TL494 подключить к полевику, то он будет очень долго закрываться, если подтягивающий резистор на килоом и больше. Если сдеать его на 100-200 ом, то тогда возрастает нагрузка на выходной каскад TL-ки, что тоже не хорошо:

В таком случае и применяется закрывающий драйвер:

image

В таком случае подтягивающий резистор делается на несколько килоом а RG рассчитывается также как раньше. При подаче положительного импульса, он проходит напрямую через диод D_ON и заряжает Gate полевика. Когда выходной каскад на TL-ке закрывается, то через подтягивающий резистор PULL_DOWN открывается Q_OFF и мгновенно разряжает через себя заряд Gate, что и приводит к моментальному закрытию полевика!

Почему N-канальный полевик лучше P-канального?

Возможно вы уже заметили что на всех схемах фигурирует N-канальный MOSFET. Этому есть несколько причин:

  • У N-канала при одинаковой серии меньшее сопротивление открытого канала.
  • N-канальные дешевле. 20A N-ch 1$ условно, то 20A P-ch 1.5$
  • В парных сборках N-ch и P-ch (в SO8 корпусе например) P-ch обладает как бОльшим сопротивлением так и меньшим максимальным током.
  • Сложно достать мощные P-ch полевики в какойнить деревне 🙂
  • Драйвер на рассыпухе для High-side N-ch может выйти дешевле чем разность стоимости P-ch – N-ch полевиков.

Так что если уже запаслись N-канальными полевиками, то вперед собирать к ним драйвера! Это не сложнее чем купить/найти P-ch.

Конец первой части 🙂

Advertisements

39 thoughts on “Управление MOSFET-ами #1

  1. Можно ли управлять затвором через трансформатор? Как это сделать?

  2. вместо трансформатора лучше уж тогда затвором через оптопару управлять

  3. а как будет выглядеть минимальная схема с мосфетом, управление которым происходит с геркона?

  4. Не знаю, у меня схема на двухтактном биполярном драйвере не работает : (
    Полевик на выходе очень странно себя ведет – полностью открыт и чуть закрывается потом опять полностью открывается % (

    • Возможно неисправен PNP транзистор, проверьте схему и компоненты. Драйвер по такой схеме многократно был опробован в разных местах.

  5. Vasiliy Благодарю за помощь !
    Попробую, отпишусь : )

  6. Vasiliy СПАСИБО !
    Все проверил, все фунциклирует : )
    Я правда схемку немного другую собирал : ) Пришлось упростить и выбросить лишнее : )
    Всех благ !

  7. двухтактный драйвер с бутстрапом.Открытие мосфкта отличное,с закрытием хуже:земля на 2-3в выше.Не доконца закрывается.Всю голову сломал.Подскажите,плиз,что сделать

    • 1) Проверить схему и исправность компонентов
      2) Уточнить номинал закрывающего транзистора, посмотреть в документации напряжения насыщения.
      3) Проверить подтяжку на землю, что она притягивает строго к земле (0В), иначе это напряжение сложится с U насыщением биполярного транзистора
      4) Разводка платы. У Pull-down мосфета не должно быть вольт-добавки от индуктивности/сопротивления силовой дорожки

  8. Не покидают меня надежды дожать схему : )
    Собрал генератор меандра, собрал драйвер на биполярных транзисторах и двух мосфетах, все отлично работатет
    если нагрузку не подключать : )
    При подключении нагрузки амплитуда генератора падает (верхняя полочка слетает вниз почти к нолю).
    Вот такая блин сказка : ) И дальше понеслась … Собрал трансформаторную отвязку – ага, нифига не помогает.
    Есть какие-нибудь мысли? Спасайте : )
    С уважением.

  9. По схеме: прекрасное объяснение, только если нужно просто управлять нагрузкой, проще поставить полевик до нее а не после…

  10. Подскажите пожалуйста как включается нагрузка в схемах ускоренного выключения?

    • Нагрузка подключается между стоком (drain) транзистора и + питания для N-канального

  11. Благодарю автора! Сохранил страницу в закладки.

  12. Статья то норм. Но белые буквы на черном фоне ???!!!!! Сдохни автор!!!! Меня чють не стошнило, в глазах рябит.

  13. Добрый день! А можно немного подробнее про TL494?
    Я правильно понимаю, что в случае, когда она управляет полевиком в step-down конверторе, мы пользуемся последним рисунком с закрывающим драйвером? И тогда мы разрываем связь цепь исток-земля, подключаем к истоку индуктивность и между вторым контактом индуктивности и землей подключаем нагрузку? (цепь фильтрации опустил для упрощения)

    • для stepdown нужен драйвер bootstrap, c плавающей землей.
      закрывающий драйвер подходит для flyback, step-up

  14. Здравствуйте Василий. Спасибо за статью. Таким образом с усилением меандра всё ясно. Не посоветуете схему управления мосфетами для усиления синуса?

  15. Добрый день!
    собрал схему управления оборотов мощного двигателя постоянного тока на ШИМ контроллере TL494, перед силовым MOSFET была собрана схема с двухтактным драйвером на BD139 и BD140, однако при включении максимальных оборотов выгорел TL494. Что я не так сделал?

  16. Добрый день!
    Статья изумительная, спасибо Вам!
    Наконец-то стало понятно в чем проблема (я столкнулся с той самой ошибкой при сборке понижающего преобразователя).
    Я не силен в электротехнике, поэтому прошу Вас помочь с номиналами для Bootstrap драйвера..
    Я планирую подавать ШИМ с МК, входное напряжение 12В. Подскажите пожалуйста номиналы RLEVEL, RG и PULL-DOWN резисторов? В качестве нагрузки пока используется резистор номиналом 7.5 Ом.

    Спасибо!

    • PULLDOWN 10k
      RG 25R
      RLEVEL 10k
      Номиналы от балды, по хорошему надо считать токи проходящие через транзисторы

      • Благодарю!
        А не подскажете тогда какие-нибудь дельные статьи на тему расчетов? Так, чтобы для чайников понятно было ))

    • Не подскажу, т.к. это базовый уровень схемотехники, посчитать ток через транзистор и резистор..
      Там кстати на сток фета pull down лучше тоже добавть резистор, на 1k гдето, дабы не перегружать биполярники, а RLEVEL увеличить до 100k

      • При моделировании схемы (см. приложение), если конденсатор С2 невелик (до 10 uF), то драйвер ключа работает и все хорошо. Все кроме больших пульсаций на выходе преобразователя.. Если увеличить С2 (хотя бы до 470uF), то С1 не успевает зарядиться или не заряжается вовсе.. и драйвер перестает хорошо открывать ключ. Подскажите что можно сделать?

        Пробовал увеличивать и С1, но это не приводит к нужному результату. А нужно чтобы драйвер открывал хорошо ключ и чтобы пульсации на выходе преобразователя были минимальны..

  17. Спасибо за статью, информативно и доступно. А методику “расчета на пальцах” пассивного обвеса драйвера где можно глянуть?

  18. Здравствуйте Василий. А мой вопрос (выше) Вы как-то пропустили (“Таким образом с усилением меандра всё ясно. Не посоветуете схему управления мосфетами для усиления синуса?”).

  19. И есть еще один интересный вопрос: можете подсказать схему быстрого отключения нагрузки с ОБЕИХ сторон, т.е. двумя транзисторами? Т.е. нужно отключить нагрузку одновременно с каждой из сторон. Не так просто, как кажется на первый взгляд.

    • Мосфеты в линейном режиме обычно не используют. нужен синус – делайте ШИМ

      • 1. Второй вопрос не имеет отношение к первому (мне хорошо известно, что мосфеты не предназначены для линейного режима, но могут в нем работать). Одна такая интересная и очень мощная схема есть в сети от тайваньского изобретателя, но для звукового диапазона. В Мультисиме не заработала.
        2. По второму вопросу. Отключить нагрузку с обеих сторон нужно как можно быстрее – менее, чем за 50 нс. Даже не каждый полевик это может. IRF 740, например, может. Поставить его с одной стороны – не сложно, уже сделал. Хочу проверить утверждение одного автора, что размыкание с обеих сторон дает совсем иной эффект. Это реально интересно, а не прихоть.

    • Статья немножко не об этом. я феты использую в линейном только для маломощных линейных регуляторов. Для обычного линейного режима нужно делать через обратную свзязь с ОУ.

      Что вы имеете ввиду под “с обеих сторон”? от шины + и от шины – ?
      Если да то в чем проблема? два драйвера нужно одина наверх второй вниз, если нужно супер быстродействие то смотрите в сторону промышленных драйверов

      • 1. Мне нужен усилитель для генератора. Усилитель меандра на мосфете собрал, работой удовлетворен. Но он совершенно не подходит для усиления синуса (выдает меандр всегда). Теперь хочу собрать отдельный усилитель для синуса, то ли на мосфетах, то ли на биполярных. Схемы на мосфетах выглядят проще. В итоге: на чем посоветуете собрать усилок синуса?
        2. Да, совершенно верно, от обеих шин. Проблема? Она в моей пока еще очень низкой грамотности в этой новой для меня сфере. Поэтому и прошу о помощи. Поскольку я не могу претендовать на то, что кто-то будет разрабатывать для меня что-либо, то прошу помочь именно ссылкой на какое-то готовое решение, если таковое имеется. Судя по Вашей фразе “А в чем проблема?”, – такие решения не только есть, но и давно известны. Это так? Если да, то, может, посоветуете что-то конкретное? В любом случае спасибо за информацию. Можно ли мне тут вставить изображение?

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

w

Connecting to %s