Jak zaprojektować mosfet driver do szybkiego przełączania z atmega OUT?

Jak zaprojektować odpowiedni mosfet driver ?

Celem drivera jest _szybkie_ przełaczanie mosfeta, czyli szybkie przeładowywanie ładunku na bramce mosfeta M1.

Input - atmega OUT pin, PWM 5V
VCC - 12V-24V.
MOSFET M1 - non-logic - potrzebuje 10V do pełnego otwarcia

Q1-Q3 - 500mA max Ic

R1 - ogranicza prąd OUT pina z atmegi
R2 - ogranicza prąd Ic Q1
R3 - ogranicza prąd Ic Q3 (rozładowanie bramki M1) - czy nie można go usunąć ? bo R4 już ogranicza
R4 - ogranicza prąd Ic Q2 - ładowanie bramki M1

R3 jest rzeczywiście zbędny - chyba, że np. chcesz mieć taki sam prąd ładowania i rozładowania, bo bez R3 prąd rozładowania wyjdzie większy. A z czym problem?

_jta_ napisał:

A z czym problem?

Widziałem różne schematy na sieci, i trochę poczytałem, z ciekawości pytam zanim zacznę smażyć swój elementy.
Na razie jeszcze nic nie uruchomiłem, ale chciałbym ten driver szybki aby na mosfecie T przy 4A nie musiał montowac radiatora

PWM freq < 1khz
Load = grzałka

Moje Q trazystory maja 500mA max prąd IC, w katalog pisz "Peak Ic = 1A", czy to peak odnosi się nawet do małych wartości np 1 nanosekundy ?
Czy one nie pójdą do nieba jakby dostaly peak np 3A w czasie przeładowyania pojemności bramki M1 ?

Dodano po 15 [minuty]:

_jta_ napisał:

bo bez R3 prąd rozładowania wyjdzie większy.

Nie rozumiem dlaczego, powinno być to samo, nawet jak R3 jest, to
- przy ładowaniu bramki E1, ścieżka ładunku 12V(VCC)-Q2-R4
- przy rozładowaniu bramki E1, ścieżka ładunku 12V(bramka)-R4-Q3-GND

R3 jest niepotrzebny.

Do obciążenia trzeba dołożyć szybką diodę.

Co rozumiesz pod pojęciem szybko? Jeżeli ma być to <1kHz to jest to moim zdaniem mała częstotliwość jak na MOSFET'y i możesz mieć problem z nieprzyjemnym piszczeniem, jeżeli obciążenie będzie miało taką skłonność.

Pik prądu 3A na tym schemacie się nie pojawi przy odpowiednim doborze rezystorów.

Robienie własnego drivera do mosfet'a jest ciekawym zagadnieniem ale są w układy scalone dedykowane do wysterowania tranzystorami unipolarnymi

1sze zastosowanie to obciążenie passywne, drut oporowy (nie spirala) I = 4A PWM-ed (0-100%), praca ciągła 24/7.

2gie zastosowanie to silnik DC, 12V, 5-10A, praca sporadyczna przez 30sek, piski i buczenia też OK.

Wiem że są drivery gotowe do mosfetów, akurat u mnie w lokalnym sklepie nie prowadzą, ale myślę że taki ręcznie klepany driver na kolanie z BJT powinien wystarczyc do moich zastosowan.

Czy PWM soft-start dla silnika DC pomoże na wyłączający się zasilacz ATX przy starcie silnika ?
Zasilacz może podać 20A (sprawdziłem), silnik pobiera 5-8A, ale przy załączaniu jest duży skok prądu i zabezpieczenie jakieś w zasilaczu wyzwala i wyłącza zasilacz.

tadeusz12345 napisał:

Pik prądu 3A na tym schemacie się nie pojawi przy odpowiednim doborze rezystorów.

A gdybym dobrał tak rezystory że by się pojawił ?
Czy BJP wytrzyma ?

trymer01 napisał:

Nie będzie tak samo, gdyż (przy zwartym R3) Q3 będzie lepiej wysterowany (większy prąd bazy) przez Q1, podczas gdy prąd bazy Q2 jest ograniczony przez R2.

Ale jeżeli oba Q2, Q3 są wysterowane w stan nasycenia (czyli odetkane całkowicie), to raczej nie ma znaczenia czy jeden z nich jest bardziej nasycony, i tak to nie spowoduje większego prądu C-E bo ogranicza ten prą R4.

trymer01 napisał:

użyć diod Schottky w złączach B-C.

Dioda musi być wbudowana w tranzystor czy można to 'dolutować' w układzie ?

Nie wiem skąd Ty bierzesz te 3A, ale moim zdaniem to już powinieneś składać i uruchamiać swój driver. Szybciej się w praktyce nauczysz niż z forum. Chociaż może być ciężko jeżeli nie masz dostępu do oscyloskopu.

tadeusz12345 napisał:

może być ciężko jeżeli nie masz dostępu do oscyloskopu.

ano nie nam

Widzę że problem "rośnie" z każdym postem, powiem z praktyki, jeśli chcesz tylko 1kHz przy 4A a mosfet nie jest przesadnie wielki (Qgtot<100nC), to nawet bez wtórnika byś dał radę, a skoro już masz wtórnik daj R2=1kΩ R1=4,7kΩ R3=0Ω R4=47Ω(mozesz wstawić 470Ω i sprawdzić o ile bardziej sie grzeje, przypuszczam że tragedii nie będzie).
Taki układ nie będzie bardzo szybki, ale przy takiej częstotliwości nie potrzeba, a nawet nie warto bo im szybciej przełaczasz tym więcej problemów w EMC.

Jakbyś chciał pędzić ten układ do 100kHz to dioda pomiędzy B i C dla Q1 była by potrzebna, ale przy 1kHz mozna sobie darować.

Oscyloskop też nie jest niezbędny bo w tym układzie żadne "cuda" przy tej częstotliwości nie bedą sie działay.

IRFZ44n - Rds = 18mO@10V Qgtot = 63nC Gth = 4V

jarek_lnx napisał:

to nawet bez wtórnika byś dał radę,

znaczy pin OUT z atmegi wprost do MOSFET-a ?
Ale przy Gth = 4V, 5V z pinu OUT atmegi nie odetka tego mosfeta.

EDIT:

jarek_lnx napisał:

Widzę że problem "rośnie" z każdym postem,

Założyłem ten temat bo kiedyś kupiłem na allegro gotowca PWM moduł, ale nie wydałał, usmażał mosfet-a. Moduł mia regulację wypełnienie, częstotliwość.

Dlatego z ciekawości drążę temat.

Dodano po 22 [minuty]:

jarek_lnx napisał:

Jakbyś chciał pędzić ten układ do 100kHz to dioda pomiędzy B i C dla Q1 była by potrzebna,

A dlaczego nie byłoby potrzeby diody shottky dla Q2 i Q3 ?

trymer01 napisał:

przyśpieszająca dioda Schottky ma sens tylko dla Q1.

Dlaczego ? doczytałem do czego schottky dioda, ale nie rozumiem czemu ma sens tylko przy Q1 ? przeca Q2,Q3 też chcemy szybko przłączać.

Skoro już wiadomo że chodzi o IRFZ44N to przy rezystancji wyjściowej drivera 47Ω przełączanie potrwa ok 200ns nawet jeśli szczytowa moc strat podczas przełaczania osiągnie 120W (najgorszy przypadek 12V 10A obciążenie indukcyjne - silnik) to przy 1kHz dodało by to tylko 24mW do strat w tranzystorze.
Dlatego pisałem że mozna zwiększyc rezystor R4 do 470Ω i nadal straty będą małe, a skoro tak to możliwa była by praca bez wtórnika (Q2 i Q3) ale z Q1.

trymer01 napisał:

We wtórniku emiterowym potencjał kolektora jest stały (napięcie zasilania)

hmmm...
W czasie otwarcia Q3, napięcie VCC nie jest napięciem na kolektorze Q3, napięciem zasilania jest potencjał bramki M1 pomniejszony o spadek na R4
(Napięcie na bramce E1) == R4 === kolektor-Q3 ...

dlaczego nie można zatem dać zatem schottky na C-B Q3 ?

Dodano po 23 [minuty]:

jarek_lnx napisał:

Dlatego pisałem że mozna zwiększyc rezystor R4 do 470Ω i nadal straty będą małe, a skoro tak to możliwa była by praca bez wtórnika (Q2 i Q3) ale z Q1.

Ciekawe, można zatem zredukować układ do



Wyłączanie M1 tak samo szybko
Załączanie M1 będzie wolniej, bo R2+R4, a przedtem było tylko R4, zatem załączanie 10 razy dłuższe ? (R2+R4)/R4

Dobrze byłoby najpierw określić, jaki ładunek ma przepływać przy włączaniu/wyłączaniu tranzystora, a dopiero potem projektować układ. Przykładowo, dla BUZ11, czy IRFZ44 przy napięciu zasilania sterowanego układu 48V i napięciu bramki 12V ten ładunek jest około 50nC - przy 0.5A to by trwało 0.1us.

Philips podaje wykresy "bety" w zależności od prądu dla V_CE=1V - dla grup -25 i -40 powinno być ze 40 przy prądzie 1A, dla -16 mniej - z tym, że jest to wzmocnienie dla prądu stałego, a dla szybkich impulsów jest mniejsze, bo tranzystor nie zdąża zmieniać prądu kolektora.

Uzyskanie czasu krótszego od 0.1us będzie wymagało sporego prądu baz Q2/Q3, czyli sporego prądu przez R2 i Q1 - tu istotna jest częstotliwość graniczna Q2/Q3. A i co do sterowania Q1 przez ATmegę miałbym wątpliwości, zwłaszcza przy większym prądzie Q1 - tu raczej by się nadał szybki przełączający, np. 2N2222, o częstotliwości granicznej ponad 250MHz, a nie jakieś BC (z założenia do niskich częstotliwości, które wzmacniają może do 150MHz).

I może równolegle do R1 opornik z kondensatorem połączone szeregowo - to pozwoli przy wyłączaniu Q1 podać mu ujemne napięcie na bazę (to przyspiesza wyłączenie), a przy włączaniu większy prąd bazy (to przyspiesza włączenie). Można jeszcze rozważyć dodatkowy stopień wzmocnienia, bo dla szybkich impulsów wzmocnienie jest mniejsze i wygląda na to, że będzie trochę za małe na uzyskanie 0.1us.

_jta_ napisał:

tu raczej by się nadał szybki przełączający, np. 2N2222, o częstotliwości granicznej ponad 250MHz, a nie jakieś BC (z założenia do niskich częstotliwości, które wzmacniają może do 150MHz).

Świetna uwaga, Teraz rozumiem dlaczego na necie używają 2N2222 a nie BC* do PWMa, nie brałem pod uwagę prędkości przełączania tranzystora, umknął mi ten 'szczegół'.


W wersji z wtórnikiem czym zastąpic BC327-40 PNP ?

_jta_ napisał:

I może równolegle do R1 opornik z kondensatorem połączone szeregowo

Ale to będzie zwarcie dla pinu OUT atmegi, atmega ma limity na max I na pinie out.
http://forum.arduino.cc/index.php?topic=176968

Dodano po 1 [minuty]:

trymer01 napisał:

dla Q3 - kolektor ma potencjał zero,

racja, nie zauważyłem że kolektor Q3 wisi na masie, dzięki za wskazanie tego szczegółu.

Ale to będzie zwarcie dla pinu OUT atmegi, atmega ma limity na max I na pinie out.
Nie będzie zwarcie, bo ten dodatkowy opornik będzie ograniczał prąd.

W układzie z #19 mały prąd ATmegi nie zapewni szybkiego włączania Q1 - spodziewam się, że rozładowanie bramki M1 potrwa około mikrosekundy.

Wolne włączanie i szybkie wyłączanie ma sens przy obciążeniu indukcyjnym z diodą - przy wyłączaniu prąd generowany przez indukcyjność przejmuje dioda, a przy włączaniu indukcyjność ogranicza prąd, więc włączanie może być wolniejsze (pod warunkiem, że prąd diody zdążył zaniknąć).

_jta_ napisał:

Nie będzie zwarcie, bo ten dodatkowy opornik będzie ograniczał prąd.

Jakie wartości C1,R5 ?

C1 może wystarczy ze 2nF, ale nieco większy też może być; R5 - taki, żeby ograniczyć prąd do wartości dopuszczalnej dla ATmegi. Włączanie M1 pewnie będzie trwało ponad 3us - popatrz na wykres 6 noty katalogowej IRFZ44, tam jest taki odcinek prawie poziomy - to głównie w tym zakresie on się włącza, przez R2 płynie wtedy 6mA, a musi przepłynąć typowo prawie 20nC (może być do 25nC, czyli ponad 4us).

_jta_ napisał:

to głównie w tym zakresie on się włącza, przez R2 płynie wtedy 6mA, a musi przepłynąć typowo prawie 20nC (może być do 25nC, czyli ponad 4us).

Dlaczego nie można dać mniejszego rezystora R2 ? np R2=100, to zwiększy prąd 10 krotnie i skróci czas ładowania znacznie.

Jak nie można zwiększyć prądu ładowania w tej wersji, To może powrót schematu do wersji push-pull ?

R2=100 oznacza, że kiedy M1 ma być wyłączony, to przez R2 płynie prawie 120mA i wydziela się w nim prawie 1.4W - zaletą push-pull jest to, że nie traci się tyle mocy, a można przełączać szybko.

Rozumiem, wracam do schematu push-pull,
na razie bez diody schottky i na BC3* tranzystorach, jak mosfet będzie się grzał to będę dalej główkował jak przyśpieszyć przełączanie.

wielkie dzięki ludzie za wskazówki.

Jeśli chcesz projektować to polecam: