Sterowanie tranzystorem mocy z optoizolatorem - analiza schematu i przebiegów

1. Prąd nie zachowuje się chaotycznie. To Ty wprowadziłeś pojemności do obwodu: D1, D2, D3 (złącze p-n ma pojemność) oraz brak prawidłowej polaryzacji Q3. Być może program uwzględnia też pojemności Millera. W rzeczywistym układzie będzie jeszcze gorzej, ponieważ TL081 nie jest R2R, więc będzie się przełączał, częściej niż myślisz.
2. Pewnie tak, ale patrz następny punkt.
3. Schemat jest przekombinowany.
- Wzmacniacz operacyjny jako komparator z referencją 1,5V, a do tego ujemne napięcie zasilania?
- Dlaczego wybrałeś takie archaiczne elementy? 2N3055 to już tylko w muzeum techniki można oglądać.
- BC548C (Ic_max 100mA, za mało) sparowałeś ze zdecydowanie innym od niego BC327 (Ic_max 300mA, inna beta), zamiast np. BC558C.
- Chyba najgorsze w tym wszystkim są te 2 dodatkowe grzałki: R3 (zgaduję ~1W) i R4 (trochę mniej).

Do sterowania prądem rzędu 3A, przy napięciu 30V i częstotliwości 10kHz wystarczy jeden MOSFET z rezystorem + stopień sterujący na 1 tranzystorze pośrednim, np. mały PNP ładujący bramkę, z zachowaniem limitu VGS_max.
Tutaj znajdziesz spory wybór tranzystorów pasujących do tego zadania.
W każdym przypadku będzie to rozwiązanie prostsze, tańsze i bardziej efektywne, niż przestarzały klucz bipolarny + 14 innych elementów. Lekko licząc, Twój układ sterujący będzie zamieniał ok. 6W na ciepło. A możesz to zredukować do <1,5W.

To może zacznijmy od początku. Co chcesz zbudować i jakie są wymagania?

R2R to skrót od rail to rail. Dodatkowo mówimy o R2R Out oraz R2R In/Out.
Pierwsze oznacza, że napięcie na wyjściu wzmacniacza może się zmieniać w całym zakresie napięć zasilania. W praktyce odbiega o max. 50mV od zasilania, co stanowi dużą zaletę w porównaniu do starszych OpAmp, które mają ograniczenia rzędu 0,7V od dołu i nawet 2,5V od góry.
R2R In/Out jest jeszcze lepsze. Wyjście cechuje to co napisałem wyżej, a ponadto na wejście wzmacniacza operacyjnego można podać napięcia w całym zakresie napięć zasilania i układ nie wykazuje zmiany fazy sygnału, czyli napięcie na wyjściu jest zgodne z logiką. Dla porównania uA741, TL081 czy inne LM358 wykazują paskudną cechę zmiany polaryzacji sygnału wyjściowego, kiedy napięcie wejściowe zbliża się do dolnego napięcia zasilania, np. 0,5V.
Inna rzecz, że TL08x jest produktem przestarzałym (obsolete w datasheet producenta) i absolutnie nie powinno się go stosować w nowych konstrukcjach.

Najlepiej wcale nie parować tranzystorów; projektować układ tak, aby nie było potrzeby parowania. Tutaj nie ma takiej potrzeby, ponieważ cały układ powinien wyglądać zupełnie inaczej. Być może w 1998 ten układ miał jakąś wartość, ale dzisiaj to anachronizm. Jeżeli pytasz o literaturę, to polecam to co oferują za darmo producenci półprzewodników: webinaria, noty aplikacyjne i karty produktów (datasheets). Tam znajdziesz najwięcej wartościowych informacji. Pozostaje jeszcze kwestia doświadczenia, czyli albo masz mentora/seniora i uczysz się na cudzych błędach, albo uczysz się sam i wtedy sam musisz wymyślać koło, a niekiedy boleśnie odczuć skutki błędnych decyzji.

Dobre transoptory mogą pracować spokojnie do ok. 15MHz. Są też takie na 50 Mbps. Ten, który masz w układzie jest dość podły i przy ~100kHz przestanie prawidłowo działać, ponieważ czas narastania i opadania zbocza będzie rzędu 7us.

Transformator separujący? Nie jestem przekonany. Po pierwsze wprowadzasz element indukcyjny, silnie nieliniowy i projektowany na określoną częstotliwość. Czy na pewno tego chcesz, zamiast małego transoptora + ew. jeden mały tranzystor i 2 rezystory + zasadniczy klucz MOSFET? Teraz widzę, że masz dodatkowe zasilanie -5V/+5V. Ujemne raczej zbędne, ale dodatnie może znacznie ułatwić konstrukcję, bo nie potrzebujesz klucza o dużym VGS.
Poczytaj też o scalonych driverach MOSFETów, np. http://www.mouser.com/ds/2/115/ZXGD3009DY-461486.pdf Ten mały element zastępuje niemal wszystko co masz między transoptorem, a bramką MOSFETa, kosztuje tyle co dwa małe tranzystory z Twojego układu.
Pozdrawiam

To co zaznaczyłeś wygląda na prąd rozładowania pojemności Millera w tym nieszczęsnym tranzystorze i być może podpada pod definicję "ogona prądowego" w IGBT, ale trochę to naciągane. Ale przy tej częstotliwości to mocno podejrzane. Zbuduj rzeczywisty układ, bo ten symulator chyba trochę przesadza. https://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_Millera

Chcesz sterować trafopowielacze, które mają charakter typowo indukcyjny, a symulacje prowadzisz na rezystorze? To włącz teraz cewkę w szereg z R2 i zobacz jakie napięcie dostanie kolektor przy wyłączaniu. Raczej tego nie przetrwa. Poczytaj o sterowaniu obciążeń indukcyjnych, o gaszeniu wyładowania i technikach magazynowania energii, aby poprawić sprawność układu względem np. gasików RC lub DRC. Nadal twierdzę, że 2N3055 jest bardzo złym wyborem, a lepsze propozycje podałem już wcześniej.