Leistungs-MOSFETs und Gate-Treiber

Was ich an der Uni gelernt habe, versuche ich endlich im Studiengang Leistungselektronik anzuwenden. Ich finde jedoch, dass sowohl dieser Kurs als auch die meisten Bücher / Online-Referenzen in einigen Punkten fehlen.

Tatsächlich (dies kann der Steuerung von H-Brücken für Motortreiber ähneln, nicht sicher) gibt es einige Möglichkeiten, wie ein Abwärtswandler (Abwärtswandler) realisiert werden kann:

  • Verwendung von PMOS als Eingangsschalter (Quelle an Versorgungsspannung) -> Gate des PMOS muss HIGH sein, wenn PMOS ausgeschaltet ist, während Gate des PMOS LOW sein muss, wenn PMOS eingeschaltet ist
  • Verwendung von NMOS als Eingangsschalter (Drain bei Versorgungsspannung) -> Gate des NMOS muss über Boostrapping gesteuert werden (benötigt eine zusätzliche Diode und einen Kondensator)

Zusätzlich kann es eine gute Idee sein, einen synchronen Abwärtswandler (weniger Verluste) mit einem NMOS parallel zur Ausgangsdiode zu verwenden. Ich glaube, ich habe dieses Teil und es ist - wie auch immer - einfacher zu befehlen, da es sich um ein NMOS handelt, dessen Quelle mit dem Boden verbunden ist.

Zurück zur ursprünglichen Frage: Obwohl ich damit einverstanden bin, dass es (theoretisch) möglich ist, den PMOS-Transistor einfach zu steuern, halte ich es für ziemlich schwierig, insbesondere bei hohen Eingangsspannungen .

Bedenken Sie, dass ich Strom aus der Steckdose nehme: 230 V_RMS bei maximal 10 A (aber für meine Anwendungen werde ich viel weniger nehmen, maximal 1 A). Ich werde eine Pseudo-Gleichspannung erhalten, indem ich einen Brückengleichrichter (Gretz-Brücke) mit einem Kondensator am Ausgang verwende (Standardpraxis). Diese letzte Spannung wird der Eingang meines DC / DC-Abwärtswandlers sein.

Daher das Problem: Wenn Sie einen Mikrocontroller verwenden, um ein PWN-Signal zur Steuerung der Ausgangsspannung zu erzeugen (GPIO: 3,3-V-Ausgang oder bestenfalls 5 V), ist es nicht möglich, das NMOS zu aktivieren oder das PMOS zu deaktivieren.

Ich denke, ich brauche, dass die Gate-Spannung des NMOS etwa 5-10 V über der Versorgungsspannung liegt. Ich muss das Bootstrapping dafür machen, aber ich habe es nicht wirklich verstanden. Das ist es, was im Grunde genommen GATE-Treiber für AFAIK gemacht sind.

Für das PMOS kann eine einfachere Lösung darin bestehen, ein invertiertes PWM-Signal zu verwenden (D = PWM auf Pegel LOW, normalerweise ist es umgekehrt) und einen Optokoppler zu steuern, dessen Kollektor an die Versorgungsspannung angeschlossen ist (wie die Spannung der PMOS-Quelle). Es gibt Kollektoren, die diese Spannung aufrechterhalten können, aber es gibt möglicherweise eine bessere Lösung.

Es gibt nicht viele Hochspannungs-MOSFET-Treiber auf dem Markt (geschweige denn zu niedrigen Kosten), und ich würde wirklich gerne wissen, wie das geht. Ich denke, Abwärts-/Abwärtswandler sind heutzutage ziemlich verbreitet, daher finde ich es schwierig, dass es solche Produkte nicht gibt. Das lässt mich glauben, dass ich (noch) nicht auf die richtigen Komponenten schaue . Oder wäre die einzige Lösung, den Treiber in diskreten Bauelementen zu realisieren? Irgendwelche Produktempfehlungen/Referenzen, um diese Anforderungen zu erfüllen?

BEARBEITEN : Wie ich Oliven Lathrop sagte, habe ich hier das im Sinn, um das PMOS zu kontrollieren. Grundsätzlich verwende ich einen BJT als Stromquelle und überbringe dann gerade genug Spannung (12-15 V), um das PMOS in den Leitungsmodus zu versetzen. Ansonsten fließt idealerweise kein Strom im BJT und das PMOS ist gesperrt. PMOS-STEUERUNG http://img513.imageshack.us/img513/1879/pmoscommand.png .

Ich habe die Polarität des PWM-Signals nicht überprüft (sollte es umgekehrt sein oder nicht), aber im Prinzip kann dies "nur" funktionieren. NPN-Transistoren, die > 400 V_DC unterstützen, sind viel häufiger als PNP/PMOS und ihr Preis ist gering. Ein kleiner Strom im BJT reicht aus. Daher muss R2 ziemlich groß sein (um I_BJT_Collector ~ 1mA zu bekommen) und R1 gerade groß genug (aber nicht zu viel, sonst dauert das Laden zu lange und ich verliere zu viel Energie). Kann die Entladung jedoch ein Problem darstellen, da die angesammelten Ladungen nicht abgeführt werden können?

EDIT2 : Ich weiß, dass ich auf dem Schaltplan einen NMOS-Transistor dargestellt habe, aber in dem Schaltplanprogramm, das ich gerade verwende, war kein PMOS-Symbol vorhanden. Es ist tatsächlich ein PMOS!

EDIT3 : Zweitens bin ich mir nicht sicher, ob dies funktionieren würde, da der Strom im NPN und nicht über R1 auferlegt wird. Es funktioniert möglicherweise nur, wenn sich der in den MOS fließende Strom (I_G > 0) mit dem Kollektorstrom des NPN (I_C > 0) summiert. Auf diese Weise erhöht sich der Spannungsabfall tatsächlich und die Leitung wird sichergestellt. Es bestehen jedoch immer noch Zweifel am entgegengesetzten Prozess.

Sind Sie sich absolut sicher, dass Sie einen Abwärtswandler wollen? Wenn nicht, ist ein Sperrwandler möglicherweise besser für Ihre Anwendung geeignet (isoliert + Low-Side-Schaltung).
@W5VO: Leider sind 50-Hz- (sogar 250-W-) Transformatoren viel zu teuer (> 50 $ / Stück bei 50+ Stück). Ich denke, wenn der Trafo mehr als doppelt so viel kostet wie der Rest des Setups, ist schon was dran. Schade, denn sonst wäre es eine gute Idee gewesen.
@user: Die von W5VO erwähnte Flyback-Methode treibt die Primärwicklung eines Transformators mit hoher Frequenz an. Solche Transformatoren sind bei gleicher Leistung kleiner und billiger als die "großen Eisen", die mit der ursprünglichen Netzfrequenz laufen.
@OlinLathrop: Der Schalter wird also verwendet, um eine hochfrequente Presudo-Wechselspannung zu erzeugen, die dann durch den Transformator geleitet wird (wenn ich das richtig verstanden habe). Leider kann ich diese in den Katalogen der großen Distributoren (zB Mouser) unter "Leistungstransformatoren" nicht finden. Vielleicht werden sie als "Audio-Transformer" klassifiziert (vielleicht hier: ch.mouser.com/Power/Transformers/Audio-Signal-Transformers/_/… ). 3$ für 75W ist kein so schlechter Deal.
@user: Keine Transformatoren, die für Flyback-Leistungsanwendungen vorgesehen sind, würden definitiv nicht als "Audio" bezeichnet. Das ist eine ganz andere Reihe von Kompromissen.
@OlinLathrop: irgendein Hinweis auf einen POWER HF-Transformator (oder ein Beispiel aus den Katalogen)?
Ihre vorgeschlagene Schaltung funktioniert theoretisch, wenn Sie den Strom sorgfältig berechnen und sicherstellen, dass das Gate auf den richtigen Pegel getrieben wird, nicht zu wenig oder zu weit. Sie können jedoch nicht mit nennenswertem Strom fahren, da sonst viel Verlustleistung auftritt. Der Strom muss niedrig sein, also die Widerstände hoch und die Zeitkonstante mit der Gate-Kapazität lang. Sie könnten einen doppelten Emitter-Folger zwischen R1 und dem Gate platzieren, um die Dinge zu beschleunigen. Sie müssen immer noch die Verlustleistung bei dieser Spannung berücksichtigen. 10 mA x 360 V = 3,6 W, pfui.
@OlinLathrop: 3,6 W erscheinen mir nicht sehr viel, insbesondere für Netzteile mit hoher Leistung. Es gibt also gar keine Alternativen? Ich frage mich dann, wie es kommt, dass alle Netzteile (universal) für 12 V bis 0,8 A-3 A so schmutzig billig sind. Es stimmt jedoch, dass sie umso teurer werden, je höher die Wattzahl ist. Bei PC-Netzteilen ist das nicht wirklich der Fall: 500 W für etwa 30 $. Sie müssen auch irgendeinen Trick anwenden.
@OlinLathrop: Darüber hinaus bleibt das Problem bei der Flyback-Schaltung: Wie man den NMOS höher als die Netzspannung oder den PMOS auf genau diesem Pegel treibt. Eine mögliche Lösung könnte darin bestehen, den NMOS NACH der Primärwicklung des Transformators zu platzieren und ihn dann mit der Masse der Stromleitung zu verbinden.
Andernfalls besteht die "einfache" (und am wenigsten energieeffiziente) Lösung für Hochleistungsgeräte (und große Geräte) möglicherweise darin, einige ATX-Netzteile (30-50 $ für 500 W oder so) zu kaufen und die 12-V-Schiene(n) für Geld zu verwenden / Boost-Zwecke und die 3,3-V/5-V-Schiene(n) für Buck-Zwecke (falls erforderlich). Etwas in der Art wie hier beschrieben: wikihow.com/… . Seltsam finde ich allerdings, dass man einen Trafo dieser Leistung nicht billig kaufen kann. Das gesamte Netzteil kostet viel weniger als der Transformator allein.
Nur ein Gedanke: Ich weiß, es ist eine Art "alte Technik" (langsame, größere Leitungsverluste usw.), aber könnten Thyristoren / Triacs in diesem Fall funktionieren? Es wäre kein Problem, sie zu befehlen (Standard-Gate-Treiber, benötigt keine sehr hohe Spannung). Dies löst jedoch nicht das Isolations- / Transformatorproblem. Bei Mouser habe ich nur Flyback-Transformatoren mit maximal 50 W für etwa 15 $ gefunden, was nicht so schlimm ist. Leider sind sie nur für maximal 60 V_DC ausgelegt :(

Antworten (1)

High-Side-Switching ist immer schwierig. Es gibt keine einfachen und einfachen Wege, nur verschiedene Kompromisse.

PMOS-Transistoren sind insofern schön, als sie innerhalb der vorhandenen Spannung arbeiten können. Die Gate-Spannung muss um 12-15 V unter die Eingangsspannung gezogen werden, um sie vollständig einzuschalten. Der Nachteil ist, dass P-Kanal-MOSFETs normalerweise etwas schlechtere Eigenschaften haben als die entsprechenden N-Kanal-MOSFETs.

Der N-Kanal hat möglicherweise eine bessere Kombination aus Rdson, Spannungstoleranz und Kosten, erfordert jedoch, dass Sie irgendwie eine Spannung erzeugen, die höher als der Eingang ist, um sie anzusteuern. Einige High-Side-FET-Treiberchips enthalten zu diesem Zweck eine Ladungspumpe oder einen anderen Trick. Ein weiterer Nachteil eines N-Kanal-High-Side-Schalters besteht darin, dass das Gate viel stärker schwingen muss, von null auf 12–15 Volt über dem Eingang. Dies liegt daran, dass die Gate-Spannung relativ zur Source ist, die jetzt mit der umgeschalteten Spannung auf und ab fährt. Dies erfordert hohe Flankensteilheiten, um so weit wie möglich außerhalb des teilweise eingeschalteten Bereichs zu bleiben, und bietet an anderer Stelle mehr Möglichkeiten für die Aufnahme von Rauschen.

Es gibt keine einfache Lösung.

In Ihrem speziellen Fall benötigen Sie jedoch möglicherweise überhaupt keinen High-Side-Schalter. Wie W5VO in einem Kommentar erwähnte, erfordert eine Flyback-Topologie nur einen Low-Side-Schalter auf der Primärseite. Die High-Side kann mit der Eingangsspannung verbunden bleiben.

Eine andere Möglichkeit ist eine Primärwicklung mit Mittenanzapfung, bei der der Transformator in Durchlassrichtung betrieben wird. Der Mittelabgriff geht auf die Eingangsspannung, wobei ein Low-Side-Schalter jedes Ende abwechselnd auf Masse zieht. Auch hier gibt es kein freies Mittagessen, was sich in diesem Fall daran zeigt, dass die Low-Side-Schalter nun der doppelten Eingangsspannung standhalten müssen. Aus diesem Grund wird die Mittenabgriff-Topologie eher für niedrigere Eingangsspannungen verwendet und normalerweise nicht für weltweite "universelle" Stromversorgung, die bis zu 260 V AC oder so verarbeiten muss. Das würde 368-V-Spitzen und 735-V-Belastung der Low-Side-Schalter bedeuten. Transistoren mit dieser Art von Spannungsfähigkeit geben andere Parameter auf, wie die Verstärkung bei Bipolaren und Rdson bei FETs.

Es gibt kein freies Mittagessen.

Hinzugefügt:

Ich wollte das früher sagen, aber irgendwie ist es mir durch die Ritzen gerutscht. Sie werden höchstwahrscheinlich sowieso einen Transformator benötigen, um eine Isolierung zu erhalten. Wenn Sie nicht wirklich wissen, was Sie tun, möchten Sie, dass die resultierende Versorgung von der Stromleitung isoliert wird. Die Hauptausnahme ist, wenn der Strom vollständig in einer versiegelten Box bleibt und nicht einmal eine Erdverbindung zur Außenwelt besteht. Andernfalls laufen Sie Gefahr, dass ein Benutzer mit der heißen Seite der Wechselstromleitung verbunden wird, wenn auch nur ein paar einfache Dinge schief gehen. Kommerzielle Netzteile sind aus gutem Grund meist isoliert.

Da Sie wahrscheinlich eine Isolierung wünschen, besteht das Problem darin, einen Transformator anzusteuern, anstatt direkt einen Abwärtsschalter herzustellen.

Vielen Dank für Ihre vollständige Antwort. Also brauche ich entweder einen POWER-HF-Transformator (~100kHz oder ähnliches, vielleicht reichen sogar 50kHz - hoffentlich "billig") oder eine Steuerschaltung. Ich sehe, dass POWER PMOS auch ziemlich doppelt so teuer sind wie ihre jeweiligen NMOS. Während PMOS über einen Optokoppler angesteuert werden kann (der für ~ 1 $ / Stück existiert), gibt es nicht viele (wenn überhaupt) MOSFET-Treiber für diese Spannung (bis zu 380 V Spitze). Dies würde erfordern, dass ich es in diskreten Komponenten mache, nehme ich an. Ich werde meinen ursprünglichen Beitrag mit der PMOS-Lösung aktualisieren, die ich gerade im Sinn habe. Keine Idee für eine diskrete NMOS-Ansteuerung.
Nur um es Sie wissen zu lassen: Ich habe einen meiner Professoren gefragt und er hat dasselbe gesagt wie Sie und damit die Notwendigkeit eines Transformators verstärkt (der seiner Meinung nach besser gewesen wäre, wenn er zu Hause gebaut worden wäre, nur wegen seines Preises). Er sagte, dass ein Transformator - neben der galvanischen Isolierung - einen guten Dynamikbereich für das PWM-Signal bietet, was gut zum Starten / Stoppen einiger Arten von Lasten ist.
@user: Es hört sich so an, als wüsste Ihr Professor, wovon er spricht.
Ja, sicher tut er das. Es ist nicht so, dass ich Ihren Ratschlägen nicht traue, ich wollte ihn nur fragen, weil es während des Kurses, den er mir gab, so aussah, als gäbe es keine Transformatoren mehr.
@user: Transformers sind sehr lebendig und werden es auf absehbare Zeit sein. Die überwiegende Mehrheit der wandbetriebenen Netzteile enthält einen Transformator. Dies ist heute wirklich die einzige Möglichkeit, eine nennenswerte Leistung über eine Isolationsbarriere zu bringen. Vielleicht bezog sich Ihr Prof auf "große Eisen" -Transformatoren, die die Wandleistung direkt verarbeiten und auf ungefähr die gewünschte Spannung herunterskalieren. Die sind so gut wie weg. Die Transformatoren in modernen Netzteilen sind viel kleiner und billiger, da sie mit 100 s oder kHz laufen, nicht mit der Netzspannung von 50 oder 60 Hz.
Ja, aber das Seltsame ist, dass er sagte, dass Hochfrequenztransformatoren (~ 100 kHz) größer waren, weil der Kupferdraht größer sein musste (weil bei ~ 100 kHz Strom fast nur auf der Oberfläche des Leiters fließt, während bei 50/60 Hz). es fließt grob über den gesamten Abschnitt). Er gab auch einen anderen Grund an, an den ich mich jetzt nicht erinnern kann. Der "einzige" Grund, warum ~ 100-kHz- Transformatoren kleiner sein können, ist, dass die entsprechende Energie viel höher ist (E ~ f) oder zumindest so gelesen habe. Bei höheren Frequenzen sind die Transformatoren selbst (Kerne) kleiner, während die Drahtgröße größer ist. Hab ich recht?
@user: Der Draht muss aufgrund des Skin-Effekts möglicherweise etwas größer sein, aber der Kern kann viel kleiner sein. Insgesamt sind 100-kHz-Schaltnetzteiltransformatoren viel kleiner, leichter und billiger als solche, die bei gleicher Leistung mit 50 oder 60 Hz betrieben werden.
Der Tausch lohnt sich also grundsätzlich. Mein Professor sagte, er mochte den Flyback-Topologie-Transformator wegen der Hochspannungsspitzen während des Schaltens nicht wirklich. Die andere Topologie (vorwärts) scheint jedoch "nur" für Anwendungen mit ziemlich geringer Leistung (< 1 kW) beliebt zu sein, und ich bin mir nicht sicher, ob sie nicht auch Spannungsspitzen erzeugt. Er sagte, ich sollte einen Standard-50-Hz-Transformator (DIY) verwenden, was für mich auch etwas seltsam klang. Ich glaube, ich kann einfach ein Paar Transformatorkerne kaufen (z. B. EPCOS N87, Farnell: 1781876), aber ich habe nicht wirklich verstanden, für welche Frequenz diese Kerne ausgelegt sind.
Wie auch immer, in beiden Fällen verursacht die Verwendung eines Transformators ein großes Problem: Angenommen, ich möchte eine 2-kW-Stromversorgung. Ich verringere die Spannung von 230 V_AC auf 48 V_AC, was einen besseren Dynamikbereich für einen 12-V-DC-Ausgang darstellt (30 V_AC wären noch besser). Das bedeutet, dass ich primär ca. 9A und sekundär ca. 42A habe. Auf der Primärseite mag es schon schwierig genug sein (> 2,0 mm [Durchmesser] dicker Draht), aber auf der Sekundärseite ist es fast unmöglich (zumindest mit den Größen, die von meinem örtlichen Händler verkauft werden). Dies führt mich zu der Annahme, dass ich entweder mehrere Transformatoren verwenden müsste oder
mehrere Sekundärwicklungen (Sekundärwicklungen parallel), was ein weiteres Problem darstellt (sogar Lastausgleich über Transformatoren).
@user: 2 KW ist kein triviales Design. Sie müssen alle Tricks im Buch anwenden, um eine gute Effizienz zu erzielen, dann wird der Umgang mit der Abwärme immer noch ein erhebliches Problem sein. Bei diesem Leistungsniveau sollten Sie sowieso an mehrere Phasen denken. Vielleicht 4 Phasen von 500 W jeweils 90 Grad auseinander.
Welches Transformatorschema schlagen Sie vor? Vorwärtskonverter? Warum mehrere Phasen? Ich kann verstehen, dass die Last auf der Sekundärseite ausgeglichen werden muss (daher meine Bedenken mit 40A :S). Wenn ich Sie richtig verstehe, schlagen Sie vor, 4 PWM-Signale (also 4 Wandler, 4 Transformatoren) zu erzeugen, (z. B.) 12 V an jedem Ausgang zu erzeugen und dann die gesamte Leistung auf einem gemeinsamen DC-Bus zu konvergieren, richtig? Muss einen guten Weg finden, diesen gemeinsamen Bus zu erstellen. Schotty-Dioden am Ausgang jedes Wandlers würden "viele" Verluste erzeugen.
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