Entwerfen eines analogen Hochleistungsstromreglers mit einem Opamp + MOSFET-Gegentakt

Designprüfung:

Wenn Sie die Welligkeit tolerieren können, würde eine Klasse-D-Lösung eine viel geringere Verlustleistung bieten. Ich schlage einen Class-D-Audioverstärker vor. Für 100 V benötigen Sie einen Verstärker mit 600 WRMS / 8 Ohm.

Ich schlage vor, ein IRS2092-Verstärkerkit zu besorgen und das Feedback zu hacken (indem ein Operationsverstärker darum gelegt wird), um den aktuellen Modus zu erreichen.

Wenn Sie eine hohe Verzerrung tolerieren können, kann ein einfaches Hystereseschema sehr gut funktionieren: Ein Komparator überwacht den Strom über die Stromrichtung und treibt dann entweder den oberen oder den unteren FET an, um den Strom zu erhöhen/zu verringern und ihn nahe am Ziel zu halten. Dies ergibt eine hohe Verzerrung, aber es ist ganz einfach.

In diesem Fall braucht man natürlich schnell schaltende FETs.

Ich würde vorschlagen, eine uCD zu hacken , aber es wird ein Problem sein, die Rückkopplungsschleife im aktuellen Modus zum Laufen zu bringen.

Nun, dies kann in Klasse D durchgeführt werden und wäre eine elegante Lösung, aber wenn Sie nach einer schnellen und schmutzigen Lösung suchen, ist es höchstwahrscheinlich eine schnellere Option, linear mit einem riesigen Kühlkörper zu arbeiten. Es wird auch viel weniger EMI und Verzerrungen erzeugen, es sei denn, Sie sind ein Klasse-D-Guru.

• Thermal

DC-Modus: Bei einer ohmschen Last von 20 R beträgt die maximale MOSFET-Verlustleistung 125 W, was für TO-247 zu viel ist, wenn ein thermisches Silpad verwendet wird. Vielleicht auf einen wassergekühlten Kühlkörper geschraubt und geschmiert, aber dann liegt Ihr Kühlkörper bei 100 V, was nicht fingerfreundlich ist. Das PMOS ist TO-220, also wird es bei 125 W in etwa 1-2 Sekunden zu einer Rauchwolke. TO-220 wird mit dieser Art von Leistung nicht umgehen. Außerdem möchten Sie die Wärmeleistung auf Ihren Kühlkörper verteilen und nicht nur einen Punkt erhitzen und hoffen, dass sich die Wärme seitlich ausbreitet. Dies erfordert mindestens zwei Paare von TO-247-FETs.

AC-Modus: Die Last hat eine hohe Induktivität (100 mH), sodass Strom und Spannung phasenverschoben sind. Dies erhöht die Dissipation in den FETs und kann ihren sicheren Betriebsbereich (SOA) überschreiten. Die Berechnung der Spitzendissipation kann mit ein wenig Mathematik oder Gewürzen erfolgen, ganz nach Ihrer Wahl. Höchstwahrscheinlich werden Sie am Ende 3-4 FET-Paare haben.

• FET-Auswahl

Ihre FETs sind falsch: Sie brauchen keinen extrem niedrigen RdsON. 0,2R wäre gut, sogar 1R, da Sie 4 FETs pro Seite haben werden. Das Problem ist, dass IRFP240/IRFP9240 für 80-V-Schienen ausgezeichnet sind, eine niedrige Kapazität haben, schnell sind und einen großen sicheren Betriebsbereich haben, aber es sind 200-V-Teile, und für 100-V-Schienen benötigen wir 240-V-VDS-FETs, und das Angebot ist nicht so gut. IRFP244 oder IRFP240 haben eine sehr hohe Kapazität. Ich denke, FQA9P25 wäre schön für das PMOS.

Sie könnten auch Bipolare verwenden , aber die SOA-Einschränkungen werden ein echtes Problem sein. Bei 200 V für 50 ms beträgt der maximale Strom nur 500 mA, um einen zweiten Durchbruch zu vermeiden. Sie benötigen also 4 Paare. Sie kosten jeweils 2-3€, also warum nicht.

Wenn wir jedoch 4 Paare verwenden, ist die durchschnittliche Verlustleistung niedrig genug, um wieder in das TO220-Territorium zu gelangen. Ich ging zur Mouser-Suchmaschine. Wir müssen moderne FETs wie Trench/OptiMos und dergleichen vermeiden, die zum Schalten ausgelegt sind und Hotspots im linearen Modus haben, was im Grunde dasselbe ist wie ein zweiter Durchbruch und zu Rauch führt. Wir brauchen also alte FETs mit hohem RdsON, wie Planar Stripe DMOS und Verwandte.

Und jetzt haben wir Kandidaten: NMOS FQP3N30 FQP9N30, PMOS FQP9P25

Was Sie suchen, ist ein vernünftiger RdsON (wie 2 Ohm oder weniger) und ein niedriger RthJC für eine optimale Kühlung. Die FQP9 (9 Ampere) sehen gut aus. Außerdem sind sie billig, sodass Sie sie parallel verwenden können, ohne zu viel auszugeben.

Also los mit 4x FQP9N30/FQP9P25, Sie müssen hier die thermischen Berechnungen durchführen (ich fühle mich ein bisschen faul), aber es sollte in Ordnung sein. Vergessen Sie nicht den thermischen Widerstand des Silpads, das macht Sie aus. Aber diese sollten keine Probleme haben.

• Schema

Das wird einfach: Alles ist falsch mit dem Schaltplan.

Ich schlage vor, Sie beginnen mit einem Audioverstärker, streben 1 kW / 8R an, da dies die richtige Spannung ist, etwa so:

Dieser . (sehen Sie sich die Anzahl der FETs an: 80-V-Versorgung und eine 3-4R-Last erweitern den sicheren Betriebsbereich wirklich! Für eine 20R-Last benötigen Sie natürlich weniger FETs)

Ich mag dieses hier besser, aber es verwendet Bipolare, also sollte es angepasst werden. Ich weiß nicht, ob Sie in der Lage wären, die Kompensation usw. abzustimmen.

Eine andere Option wäre ein billiger gebrauchter PA-Verstärker, und dann würden Sie mit dem Feedback herumspielen, um ihn in den aktuellen Modus zu bringen. Dies würde jedoch Schaltpläne erfordern.

Denken Sie jetzt daran, dass Kondensatoren, die auf +/- 100 V geladen sind, weit in der "Töte dich selbst" -Zone liegen, dass jedes Metallstück, das einen Kurzschluss verursacht, verdampft und Ihre Schutzbrille (und Ihr Gesicht) mit geschmolzenem Metall besprüht usw.

BEARBEITEN

Lassen Sie uns die Versorgung vorerst auf +/- 15 V senken, damit der Operationsverstärker funktioniert.

• Bias die FETs vor

Die Art und Weise, wie Sie die Ausgangs-FETs angeschlossen haben, erzeugt einen Klasse-B-Verstärker: Nur einer leitet gleichzeitig. Wenn der Ausgangsstrom das Vorzeichen ändert, muss ein FET ausschalten und der andere einschalten. Sie haben jedoch eine Vgs-Schwelle von einigen Volt, sodass sich der Ausgang des Operationsverstärkers in sehr kurzer Zeit um mehrere Volt bewegen muss, um dies zu tun (es wird eine Anstiegsgrenze setzen).

Daher müssen die Ausgangs-FETs vorgespannt werden, indem eine Spannung zwischen den Gates angelegt wird, die "genau richtig" ist, damit sie beide einen gewissen Leerlaufstrom (wie 50 mA) leiten. Stellen Sie sich einfach eine Spannungsquelle zwischen den Gates vor.

Da die Gate-Schwellenspannung für vertikale FETs einen Temperaturkoeffizienten von etwa -4..-6 mV/°C hat, muss diese Spannung temperaturkompensiert werden, und am einfachsten ist es, sie mit einem Vbe-Multiplikator zu erzeugen:

(Stellen Sie sich einfach vor, Qn und Qp seien MOSFETs).

Da Vbe von Q1 einen Tempco von -2 mV/°C hat, ergibt eine Multiplikation mit etwa 5-6 durch Anpassen der Widerstandswerte etwa 3,6 V mit der richtigen Temperaturkompensation. Für MOSFETs benötigen Sie ein paar zusätzliche Volt, vielleicht 6-8 V. Wenn Sie also den Schaltplan Ihres Leistungsverstärkers im Datenblatt nachschlagen, sehen Sie, dass sie einen Zener hinzugefügt haben.

Wenn Sie es im Simulator möchten, verwenden Sie einfach Spannungsquellen von 3-4 V zwischen dem Ausgang des Opas und den Gates und stellen Sie den Leerlaufstrom auf etwa 50 mA ein.

• Vergütung anpassen

So wie es ist, wird die Schaltung oszillieren, da die Induktivität eine Phasenverzögerung von 90 ° in der Open-Loop-Reaktion hinzufügt. Daher muss das Rückkopplungsnetzwerk angepasst werden.

Sie müssen dies auch für den Power Opamp tun, den Sie kaufen werden.

• Verschieben der Ausgangsspannung des OPA

Es gibt verschiedene Schemata, um dies zu tun (die meisten sind ärgerlicher als die Verwendung einer diskreten Eingangsstufe ...)

Die Idee ist, die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers in einen Strom umzuwandeln, diesen dann mit Transistoren zu verschieben und damit die Ausgangsstufe anzusteuern.

Beachten Sie, dass dieses Schema etwas beschissen ist, da Q1 / Q2 in Klasse B arbeiten und die Ausgangsstufe von einer Stromquelle anstelle von Gegentakt angesteuert wird, aber nun, es ist die allgemeine Idee.

Setzen Sie einen Stromsensor auf die Masseseite des unteren MOSFET. Ich glaube, Sie werden feststellen, dass beide MOSFETs eingeschaltet sind und ein erheblicher Strom durch die beiden Mosfets fließt. Ihre Schaltung scheint die Vorspannungsanforderungen für die Mosfets nicht zu erfüllen.

Je nachdem, was Ihre Anforderungen an Effizienz, Verzerrung und EMI sind, sollten Sie stattdessen eine Klasse-D-Schaltlösung in Betracht ziehen. Sie könnten stattdessen auch etwas verwenden, das dem entspricht, was Sie mit Bipolartransistoren haben, sie sind in dieser Konfiguration etwas einfacher vorzuspannen.