Push-pull BJT para um MOSFET

Estou procurando uma maneira de dirigir um MOSFET com componentes discretos. Na verdade, eu preciso dirigir um monte de MOSFETs, com correntes de 100-150A. E estou pensando que seria possível não usar CIs de acionamento, ter mais controle sobre a funcionalidade, menos complexidade, menos custo.

Eu experimentei diferentes arranjos, com resistores e capacitores. Estou usando um osciloscópio para monitorar o toque, os tempos de subida / descida etc.

O problema é que, assim que eu introduzo resistores, o tempo de subida / descida se torna muito alto.

O sinal de entrada tem um tempo de subida / descida de apenas cerca de 8-10 ns. Usando apenas os BJTs, o sinal é facilmente duplicado em tempos de subida / descida semelhantes. Porém, uma vez introduzida a capacitância da porta, o tempo de subida / descida se torna significativamente maior, por exemplo, 300-2000 ns.

Assim, tenho experimentado diferentes métodos para reduzir o tempo de subida / descida:

Método A: NPN + PNP (seguidor de tensão? Fonte de corrente de Vcc?)

Fiz o seguinte circuito, sem perceber que a tensão do portão nunca seria superior à tensão do sinal de entrada.

Preciso que a tensão do portão seja superior a 10V para minimizar o Rdson.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Método B: PNP + NPN

Eu experimentei diferentes resistores e capacitores:

^{simule este circuito}

Mas eu descobri que:

• O capacitor reduz o toque de subida, mas aumenta o toque de queda e o tempo => removido
• Todos os resistores, exceto R2 e R3, tiveram um impacto negativo nas características de aumento / queda => removidos
• Usando potenciômetros para R2 e R3, descobri que a melhor resistência era R3 = 4k e R2 = 1,5k.
• Tempo de subida 490ns, tempo de queda 255ns.

Estou um pouco preocupado que a tensão do portão não esteja caindo suficientemente baixo, por exemplo, parece permanecer em torno de 400mV. Embora o solo pareça ser lido em 250mV, talvez a placa de ensaio seja apenas ruim. Quão baixa deve ser a tensão do portão para evitar o acúmulo de calor quando o sinal é constante baixo (desligado)?

Gostaria de saber se há algo mais que eu possa fazer para melhorar o desempenho?

Circuito melhorado:

^{simule este circuito}

Osciloscópio:

Nota: aparentemente o sinal de entrada foi invertido no osciloscópio por configuração. Vou atualizar as capturas de tela mais tarde ...

Além disso, incluí a base do PNP nas capturas de tela a seguir. É para ficar assim? Parece um pouco estranho.

Parece que o problema é que o NPN permanece ligado, impedindo o carregamento do portão.

Seus BJTs estão em uma configuração de seguidor. Isso significa que eles podem fornecer ganho de corrente, mas não ganho de tensão. De fato, os emissores serão uma queda de diodo ABAIXO da base para sinais positivos. Se você chegou a 6V no portão, deve ter cerca de 6,7V fora do seu gerador de sinal.

A página Wiki do BJT possui links para as três formas comuns de amplificador, o que explica mais sobre as características dos amplificadores BJT.

BJT Wiki

O ganho atual é bom porque, para carregar a capacitância do FET em um curto período de tempo, você precisa de correntes de pico altas: I = C * dv / dt.

Uma maneira de obter um balanço de tensão mais alto seria adicionar um comutador de nível BJT antes do estágio de acionamento do portão para converter de 5V para 12V. É claro que um deslocador de nível BJT de estágio único inverteria o sinal, mas muitas vezes você pode lidar com isso na fonte do sinal.

O resistor de pull-up terá que ser suficientemente pequeno em valor para que você obtenha um tempo de subida aceitável para sua aplicação. O VCC seria sua fonte de 12V e o resistor de base deve ser dimensionado para garantir a saturação com o inversor de 5V, dada a beta do transistor. ! Y deve conectar-se às bases do estágio do driver do gate BJT.

No entanto, se seu objetivo é aumentar rapidamente os tempos de queda e queda do FET e não aprender sobre BJTs, você provavelmente deve usar um IC de driver de portão comercial. Procure opções de IR / Infineon, Texas Instruments, Intersil ou Maxim.

Aqui está uma opção de baixo custo da TI:

UCC27517

A primeira versão - um seguidor de emissor push-pull deve ser bom se apenas o mosfet VGS máximo disponível = +4,3 V for suficiente. O resistor de pulldown de cerca de 100 Ohm deve ser inserido dos emissores BJT no GND para garantir que o mosfet fique fora do estado, porque o PNP não cai efetivamente abaixo de +0,7 V. Além disso, alguns resistores de amortecimento de Ohm inseridos apenas no terminal do mosfet devem impedir alguns toques causados ​​por capacitância e indutância do fio.

Sua segunda versão possui um atalho. Pense na rota atual Q2 base-> R3-> R2-> Q1 base.

O seguidor do emissor não tem saturação e, portanto, nenhum atraso de desligamento devido à capacitância de difusão.

Como outras respostas propõem, use um IC de driver de porta. Ele faz o trabalho com ajuste zero e com uma probabilidade menor de se comportar de maneira impensável durante as transições de tensão de operação.

Adendo devido comentário do questionador que afirma que a corrente é de 100 A

O ID no estado de 100 amperes precisa de muita atenção e ainda mais se a taxa de comutação for alta. Faça um teste conduzindo o portão a partir de um gerador de sinal de onda quadrada comum de 50 Ohm Zout. Use baixa frequência de comutação e comece com mais de + 6V sinal unipolar por segurança. O osciloscópio em Vgs dá uma idéia de quão grande carga é necessária para injetar e remover as transições de estado no tempo de transição desejado. Isso determina a corrente desejada da unidade. O osciloscópio em Vds revela os Vgs necessários.

As medidas descritas são a base para projetar o driver com capacidade suficiente.

Outras pessoas já sugeriram drivers IC MOSFET. Parece que você realmente quer fazer um driver discreto.

Aqui está um circuito e é basicamente o que estaria dentro de um IC de driver. Isso resulta em comutação de 100 Amp com tempo de transição de aproximadamente 100 ns para manter a dissipação de energia do MOSFET no mínimo.

Q1 é um tradutor simples de nível de inversão para obter o balanço do sinal para 12 Volts. M2 e M3 formam um driver push-pull do MOSFET. R4 e R5 estão lá para limitar a corrente de passagem, para evitar danos a M2 e M3 porque, quando seus portões transitam entre 0 e 12V, os dois ficam ligados por uma pequena fração de tempo.

Sem R4 e R5, a corrente de disparo excederia suas classificações máximas de corrente de dreno. Em um IC real, M2 e M3 seriam dimensionados com tamanho suficiente para ter RDS alto o suficiente, em vez de colocar resistores reais.

Além disso, o M2 / M3 faz uma inversão para voltar à lógica normal. Finalmente, o M3 serve como o driver de alta corrente para lidar com a corrente de 100 Amp.

Observe que há um atraso de cerca de 2 nós no desligamento do M1. Se você não está alternando sua carga em alta frequência, esse 2us não seria motivo de preocupação.

Definitivamente, eu não recomendaria o uso dessas peças; Eu apenas escolhi estes de qualquer LTspice. Por exemplo, M1 é limitado a 35A contínuos, portanto, substitua essas peças por algo apropriado para seu projeto e execute novamente a simulação. Em seguida, teste em seu protótipo para confirmar o desempenho. De qualquer forma, este circuito pode ser um bom ponto de partida para você.

Mudar 100 amperes rapidamente é perigoso, se não for para você, durante a vida útil do circuito.

Suponha 4 "de fio, em algum lugar. Isso é aproximadamente 0,1 uH. Aproximadamente. Estou muito feliz ao supor que 1 metro de fio é uma indutância microHenry, porque posso executar alguns cálculos de advertência e evitar grandes danos.

Vamos desligar esses 100 amperes em 10 nanoSegundos. Com indutância de 0.1uH na fonte ou no dreno. O que acontece?

Se estiver no ralo, você acabou de apagar o Power MOSFET.

Se na fonte, você provavelmente terá um comportamento de feedback negativo que impede o desligamento por muitos nanossegundos. Eu pessoalmente vi isso acontecer, com longos testes em drivers 9amp.

Existem ICs de driver com conversão de nível apenas para esse fim, por exemplo, DS0026 ou MC34151 .

Eles têm entradas compatíveis com TTL / CMOS, têm tempos de subida e descida rápidos e são capazes de acionar correntes bastante altas; todos os recursos necessários para ativar e desativar o MOSFET rapidamente.

<por que 0-6v?

O emissor do Q2 está 0,7v acima da base do Q2, que é 0-5v. Essa é a sua resposta.

Estou um pouco preocupado que a tensão do portão não esteja caindo suficientemente baixo, por exemplo, parece permanecer em torno de 400mV. Embora o solo pareça ser lido em 250mV, talvez a placa de ensaio seja apenas ruim. Quão baixa deve ser a tensão do portão para evitar o acúmulo de calor quando o sinal é constante baixo (desligado)?

Parece que o MOSFET M1 não está obtendo um caminho de baixa resistência para o desligamento adequado. Pode ser fornecido através de um transistor para GND. Desta forma, o portão M1 descarrega rapidamente.