Wie treibe ich einen MOSFET an, der unter Hochspannung arbeitet, während ich ihn vom Rest der Schaltung isoliert halte?

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Ich möchte einen MOSFET mit einem Taktimpuls von 50 Hz und 50% Arbeitszyklus ansteuern. Die zu schaltende Spannung beträgt bis zu 300 V DC. Der Abschnitt innerhalb der gestrichelten Linien bleibt vom Rest der Schaltung elektrisch isoliert. Ich plane, einen Optokoppler zur Isolierung zu verwenden (ich bin offen für jeden anderen Vorschlag).

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Die beste Lösung, die ich finden kann, ist die Verwendung eines Spannungsteilernetzwerks (wie im zweiten Schaltplan zu sehen) und die Steuerung mit dem Optokoppler. Aber ich denke nicht, dass dies eine optimale Lösung ist, weil es zwei große Probleme gibt.

  1. Ich muss einen sperrigen Leistungswiderstand für R1 verwenden.
  2. Schaltverluste. Die Gate-Kapazität eines typischen MOSFET beträgt etwa 5 nF. Zeitkonstante für einen 5nF-Kondensator, der über 20k geladen wird Ω Widerstand ist 100 μ s, das sind 0,5 % der Schaltperiode. Der maximale Strom durch RL beträgt 10 A, und der Widerstand R ds,on des MOSFET beträgt 50 m Ω maximal. So wird der Schaltverlust ungefähr sein
    ( 10 A ) 2 × 50 M Ω × 0,5 % = 25 M W .

Ich kann die Werte von R1 und R2 erhöhen, aber diesmal erhöht sich der Schaltverlust. Es gibt einen Kompromiss. In beiden Fällen befindet sich eine Wärmequelle im Kreislauf, und es geht etwas Energie verloren.

Wie kann ein solcher MOSFET effizient angesteuert werden?

EDIT: Was ist mit dieser Schaltung?

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Bei ausreichender Totzeit zwischen den Einschaltzuständen der beiden Optokoppler kann die erforderliche Nennleistung des R1-Widerstands unter 1 W bleiben. Sehen Sie ein Problem in diesem neuen Schaltungsmodell?

EDIT2: Ich habe mich entschieden, externe Darlington-Transistoren einzusetzen, um dem MOSFET-Gate mehr Strom zuzuführen.

Die Gate-Spannung fällt im Low-Zustand auf 1,4 V ab, bei dem die meisten MOSFETs vollständig ausgeschaltet sind. Ist diese neue Schaltung realisierbar?

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Die Berechnung der Schaltverluste sieht verdächtig aus: Rds(on) beträgt 50 mOhm, WENN VOLLSTÄNDIG EINGESCHALTET, aber VIEL höher während der Einschaltzeit von 100 us.
Hier ist ein weiteres Problem mit Ihrer Schaltung: Sie haben einen Foto- Triac gezeichnet , der mit der von Ihnen gezeichneten DC-Last niemals abschaltet.
Sie können auch nach „Isolated-Gate-Treiber“ nach Hunderten von vorgefertigten Lösungen suchen.
Bezüglich Ihrer neuen Schaltung - das Ansteuern des FET mit dem Ausgang eines Optos funktioniert möglicherweise, aber Optos sind begrenzt, wie viel Strom sie aufnehmen / liefern können, und Sie haben immer noch das grundlegende Problem, die Gate-Source-Kapazität von 5 nF aufzuladen.
Ihre Berechnung der Ladezeit weist mindestens einen Fehler auf. Der äquivalente Thevenin-Quellwiderstand des Spannungsteilers beträgt 952 Ohm, nicht 20 kOhm. Großer Unterschied. Zweitens sollten Sie die Gate-Ladung in nC anstelle der Kapazität verwenden. Das könnte auch ein großer Unterschied sein (umgekehrt).

Antworten (3)

Weiter unten schlage ich etwas vor, das in vielen Anwendungen funktionieren sollte, aber vielleicht nicht in Ihrer (aufgrund der hohen Gate-Kapazität des MOSFET). Aus diesem Grund würde ich die Verwendung eines DC-DC-Isolationsmoduls in Betracht ziehen, um Gate-Schaltungen am MOSFET isoliert mit Strom zu versorgen. Hier ist eine Schaltung, die zu 90% indikativ ist: -

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B2 würde vom DC-DC-Wandler versorgt und U1 kann ebenfalls isoliert werden, obwohl in diesem speziellen Diagramm beide Seiten des Kopplers geerdet sind (direkt unter U1). DC-Wandler wie dieser wäre in Ordnung: -

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Es kann kontinuierlich 250 mA liefern und dies kann in Verbindung mit einem ausreichend großen Elektrolytkondensator verwendet werden, um den hohen Stromstoß bereitzustellen, der zum Laden des Gates erforderlich ist.

Ich würde auch die Einfachheit der Verwendung eines photovoltaischen Optokopplers wie des Vishay VOM1271 in Betracht ziehen .

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Er kann in 53 us auf eine Last von 200 pF umschalten und eine Ansteuerspannung von etwa 8 V erzeugen, wodurch er für viele MOSFETs geeignet ist. Wenn die Gate-Kapazität des MOSFET 2 nF beträgt, dauert das Einschalten natürlich etwa 0,5 Millisekunden.

  • In Ihrem Diagramm zeigen Sie einen Optokoppler-Triac, der hier nicht geeignet ist (nur bei Wechselstrom nützlich).

  • Beachten Sie, dass, was auch immer Sie in Ihrem Optokoppler haben, die Sekundärseite in der Lage sein muss, die vollen 300 V zu bewältigen!

  • Für Ihre Ladeberechnung müssen Sie davon ausgehen, dass die 5 nF von einer (1/21) * 300 = 14 V-Quelle mit einem Widerstand von 1//21 ~ = 1 k geladen werden. Sie scheinen einen Widerstand von 20k anzunehmen. Beachten Sie, dass Sie auch die Entladung berücksichtigen müssen!

  • Eine „diskrete“ Lösung könnte darin bestehen, eine 14-V-Versorgung im HV-Bereich mit einem großen Kondensator zu erstellen und einen herkömmlichen Optokoppler und Gate-Treiber zu verwenden.

Sie erwähnen nicht die Frequenz, die Sie erreichen möchten, was ein wichtiger Faktor beim Design sein könnte.

Haben Sie überlegt, einen Transformator zu verwenden? Bei hohen Frequenzen könnten Sie einen kleinen Impulstransformator verwenden, aber bei 50 Hz möchten Sie einen guten 1: 1-Transformator, der für Audiofrequenzen ausgelegt ist.

Verbinden Sie den Sekundärkreis zwischen Source und Gate des MOSFET. Treiben Sie die Primärseite mit dem Signal an, das Sie an das Gate anlegen möchten. Schließen Sie auch eine Diode von Source zu Gate an, um den negativen Hub am Gate zu begrenzen.

Wie treibe ich einen MOSFET an, der unter Hochspannung arbeitet, während ich ihn vom Rest der Schaltung isoliert halte?
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