Sterowanie mosfetami P przy dużych prądach 40V/50A - jakie elementy?

Witajcie.

Pojawił się u mnie problem ze sterowaniem mosfetami z kanałem P.
Do tej pory udawało się bez problemu korzystać z mosfetów N, do tego Logic Level, a wiec problemy = 0.

Ale tym razem muszę rozłączać + zasilania układów, do tego stosunkowo duże prądy i napięcia (40V i nawet 40-50A).

Sterowanie atmegą8 lub 64, i załączanie 3-5 osobnych układów.
Teoretycznie można by sterować mosfetem N, ale musiałbym użyć po 2 tranzystory na moduł (odłączyć obie strony masy)+ przekaźnik rozłączający + zasilania - sporo dodatkowych zupełnie niepotrzebnych elementów...
I tak dochodzimy do sedna:

Przy tranzystorach logiclevel nie byłoby większego problemu, ale ze zwykłym P schemat się ciut komplikuje.
Proszę doświadczonych w dziedzinie mosfet P o weryfikację - głównie wartości elementów dla wyższego napięcia. Czy będzie tutaj problem z poprawną praca mosfetów dla szerokiego zakresu napięć tj. od 10-40V ?

P-mos_c...png (29.21 kB)Musisz być zalogowany, aby pobrać ten załącznik.

W takim układzie włączenie tranzystora BC847 poda zbyt wysokie napięcie na bramkę - trzeba je jakoś ograniczyć, np. diodą Zenera, ale z kondensatorem i opornikiem 47R niepotrzebnie popłynie duży prąd, może się przepalić BC847, albo dioda. No i włączanie będzie szybkie (duży prąd BC847 szybko naładuje bramkę), a wyłączanie powolne (rozładowanie bramki poprzez opornik 47k).

Jeżeli nie są potrzebne krótkie czasy przełączania możesz zastosować sterownik typu "photovoltaic mosfet driver", możesz wówczas użyć jednego lub dwóch (back-to-back) tranzystorów z kanałem N.

Jeśli czas włączenia nigdy nie jest długi, można zastosować MOSFET-y z kanałem N i układ bootstrap. Ale to bardziej złożony układ...

Typowo przyspieszenie wyłączenia robi się tak jak na schemacie.
Sprawdza się w praktyce bez problemów.
Dioda może być typu 1N4148 a npn typu n.p. 2Ń2222.

Czas przełączania nie ma większego znaczenia - myślę że poszczególne mosfety będą max kilkanaście razy na dobę zmieniały stan, więc szybkość przełączanie ma drugorzędne znaczenie.
Jednak dobrze by było żeby sam proces załączania i wyłączanie nie trwał zbyt długo - powiedzmy max 100-200ms - z uwagi na możliwe spore prądy i niepotrzebne grzanie się tranzystorów - nie będę na pewno niepotrzebnie schematu komplikować żeby tranzystor mógł się w pełni otwierać i zamykać kilkadziesiąt razy na sekundę.

_jta_ napisał:

W takim układzie włączenie tranzystora BC847 poda zbyt wysokie napięcie na bramkę - trzeba je jakoś ograniczyć, np. diodą Zenera, ale z kondensatorem i opornikiem 47R niepotrzebnie popłynie duży prąd, może się przepalić BC847, albo dioda. No i włączanie będzie szybkie (duży prąd BC847 szybko naładuje bramkę), a wyłączanie powolne (rozładowanie bramki poprzez opornik 47k).

Czyli wg Ciebie zrezygnować całkowicie z kondensatora? Czy ewentualnie go zmniejszyć np do 10nF albo 1nF? W jakim czasie mosfet się otworzy/zamknie bez niego, lub z takim o małej pojemności?

Jeśli zastosuję zenerkę ograniczającą na bramce, to muszę ją dobrać do max napięcia jakie może wystąpić na źródle, a więc 40V - IRL4904 ma max napięcie GS 20V, a więc zenerka na 15V powinna załatwić sprawę - bobrze myślę?

P-mos_..png (19.46 kB)Musisz być zalogowany, aby pobrać ten załącznik.

_jta_ napisał:

Jeśli czas włączenia nigdy nie jest długi, można zastosować MOSFET-y z kanałem N i układ bootstrap. Ale to bardziej złożony układ...

Jak taki układ by wyglądał? I czy sprawdzi się on w tym przypadku?

Układ z bootstrapem się nadaje tam, gdzie czas włączenia nmosa jest krótki, rzędu najwyżej milisekund, stąd nawet nie warto go rozważać jeśli Twój układ ma załączać obciążenie na dłuższy czas. Musiałbyś dysponować źródłem napięcia do solidnego wysterowania bramki nmosa przez ten czas, a to już znacznie większa komplikacja niż użycie dodatkowej diody i tranzystora npn.

R13 powinien być znacznie większy - może np. 3k9 zamiast 47r; może R14 nieco mniejszy (nie 47k, a 10k); przy proponowanych wartościach w każdym wydzieli się około 0,16W, więc mogą być 0,25W.

Co do czasu otwierania/zamykania MOSFET-a: przy zamykaniu ten kondensator niewiele pomaga (a ono trwa kilka razy dłużej, będzie szybsze, jak zmniejszysz R14, ale wtedy musi być np. 0,5W; można też użyć zenerki nie 15V, a 12V, i nieco większego R13, np. 4k7, żeby zmniejszyć opóźnienie wyłączania, ale samo zamykanie będzie wtedy wolniejsze); żeby go wyliczyć, trzeba by sprawdzić w nocie katalogowej ładunek bramki i napięcie bramki przy przełączaniu (można przyjąć Vgs-th) - orientacyjnie, czas wyłączania = ładunek bramki * (R13+R14) / Vgs; ten MOSFET to chyba IRF4905, nie IRL - ma ładunek bramki do 180nC, Vgs-th jest co najmniej 2V, więc wyjdzie 180nC*13,9k/2V=1,25ms. Jaka może być maksymalna moc tracona podczas wyłączania? Przy prądzie np. 20A, napięciu 40V i obciążeniu oporowym może być 200W (10A, 20V), przez 1,25ms wydzieli się 0,25J, to mu nie powinno zaszkodzić (ale ze 4x więcej mogłoby).

Tak, oczywiście to IRF a nie IRL - myślę ciągle o stosunkowo prostych w sterowaniu logiclevel

Zamykanie tranzystora i odłączanie poszczególnych modułów będzie się odbywało przy stosunkowo małym prądzie 1 - 4A i raczej napięciu grubo poniżej 40V, jedynie otwieranie może być przy dużym prądzie, ale nie przewiduje więcej niż 10-15A na tranzystor ( w praktyce może i nawet w okolicy 10A) - po to jest kilka takich samych modułów, aby moc rozłożyć.

Jak w takim wypadku to widzisz? Może dobrze by było zachować szybkość przy otwieraniu mosfeta (przy dużej mocy), kosztem szybkości przy zamykaniu tranzystora?


Idealnie byłoby wysterować zwykły przekaźnik małym tranzystorkiem i po problemie, ale iskrzenie na stykach przy rozłączaniu DC zabije przekaźnik zbyt szybko - poza tym to takie mało eleganckie ;)

Dodano po 8 [minuty]:

yego666 napisał:

Typowo przyspieszenie wyłączenia robi się tak jak na schemacie.
Sprawdza się w praktyce bez problemów.
Dioda może być typu 1N4148 a npn typu n.p. 2Ń2222.

qrde, zastanawiam się co to za tranzystor na schemacie - ten najbardziej po prawej. Ani to mosfet, ani fet... pierwsze taki symbol widzę - wyjaśnisz proszę o co chodzi?
Czy to tylko na szybko narysowany mosfet P/N czy jakieś inne nieznane mi ustrojstwo?
Jeśli chodzi o resztę to zasilanie główne (20-30V) na kolektorze trazystora npn górnego - i to ten tranzystor razem z diodą 4148 służy do szybkiego wyłączania mosfeta?), masa wspólna - wiadomo, sterowanie 0V/5V na rezystor 1k, a 5ohm to obciążenie (wyjście?) Dobrze rozumiem czy coś namieszałem?

A układ z bootstrapem to rozumiem że niepotrzebna komplikacja dość prostej rzeczy - przyjałem do wiadomości

Dobrze to pojąłeś 😊
A to po prawej to pmos. Źródło u góry, dren u dołu. Edytor schematów na smarkfonie ma tylko taki archaiczny symbol.
Zamiast rezystora 1k - tego po lewj, można dać n.p. 4.7k. Procesor to doceni.

yego666 napisał:

Układ z bootstrapem się nadaje tam, gdzie czas włączenia nmosa jest krótki, rzędu najwyżej milisekund, stąd nawet nie warto go rozważać jeśli Twój układ ma załączać obciążenie na dłuższy czas. Musiałbyś dysponować źródłem napięcia do solidnego wysterowania bramki nmosa przez ten czas, a to już znacznie większa komplikacja niż użycie dodatkowej diody i tranzystora npn.

Coś tam w sumie już w tej sprawie wymyślono
http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt92-4.pdf
http://www.ti.com/lit/an/slva444/slva444.pdf

Ale są to dość złożone układy. Wymyślono coś innego: 4-pinowy układ scalony ProFET, który steruje się niskim napięciem (TTL), a przełącza na plusie, i w zasadzie mógłby działać samodzielnie, jakkolwiek zwykle dodaje się jeszcze parę elementów dla zabezpieczenia np. przed uszkodzeniem przez odwrotne podłączenie zasilania (z tymi elementami on to przeżywa!), ale jakoś nie zauważyłem takich, które by się nadawały do 50A przy 40V - są na prądy 50A i niskie napięcia, są na wyższe napięcia, ale znacznie mniejsze prądy (np. jest taki, że ma opór 0R022, moc 1,6W, czyli prąd 8,4A). Może trzeba lepiej poszukać, może nie ma.

NIE! Nie idźmy ta drogą! Znam ludzi który do załączania paska ledów używają mikrokontrolera i kupy elementów, zamiast przełącznika - choć i tak w procku jest obsługa TYLKO i wyłącznie przycisku i przekaźnika - ON/OFF - dla mnie bezsens!

To ma być jak najprostsze i działać dobrze - tyle

W ciągu 2tyg powstanie prototyp sterownika - jako że potrzebuję 4 układów - wykorzystam 2 różne schematy - z kondensatorem (myślę że zostawię 100n, a w przypadku grzania przy wyłączaniu zmniejszę go lub całkowicie wywalę jeśli samo załączanie nie będzie powodowało grzania tranzystora), oraz drugi od kolegi
yego666 z dodatkowym tranzystorem i diodą do szybkiego wyłączania mosfeta. Oba stosunkowo proste, a na etapie projektowania pcb nie ma znaczenia czy zrobię tak czy inaczej.
Wnioski i schemat użyty w ostatecznej wersji wstawię w odpowiednim czasie.

yego666 czy tranzystory npn mogą być np BC847? Czy ich prąd nie będzie zbyt mały? wg noty mają 100mA a 2N2222 które podałeś aż 600-800mA. Jeśli będzie mało, to może nada się BC817 - 500mA ? Chodzi o to że mam je u siebie i fajnie byłoby wykorzystać coś co już leży i śniedzieje

Nie chcę być złośliwy, ale rozwiązanie, o którym pisałem w
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3664515.html#18496756
to są dwa elementy.

BC817 będzie też ok. 2N2222 podałem jako przykład, a prąd kolektora musi być trochę większy niż 100mA bo od tego zależy szybkość rozładowania bramki. Jeśli będzie wciąż za wolno, to opornik 10k zamieniłbym na 4.7k, a 4.7k na 2.2k, ale dopiero gdy się okaże że pmos się grzeje.

krzysiek_krm napisał:

Nie chcę być złośliwy, ale rozwiązanie, o którym pisałem w
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3664515.html#18496756
to są dwa elementy.

Ale żadnej złośliwości tutaj nie widzę - wręcz przeciwnie - dowiedziałem się że takie układy istnieją - zawsze to dodatkowa wiedza na przyszłość. Na tme kosztują około 4-8zł za szt (na aliexpres pewnie połowe tego), do tego mosfet(y) i pewnie kilka elementów dodatkowych.
Chodzi o to że te główne mosfety typu P już mam - 45gr/szt, a reszta elementów w pudełkach też leży i czeka. Gdybym nic nie miał, to zapewne prostota wykorzystania takiego drivera i niska cena mosfeta N z rezystancją na poziomie kilku mohm przemawiałaby za takim rozwiązaniem.

W takim razie montuje do tego 2x BC817 i po uruchomieniu będę patrzył co się dzieje. Na tą chwilę dzięki za pomoc i napisze jak wszystko uruchomię i jakie będa efekty.