BJT push-pull para un MOSFET

Estoy buscando una manera de conducir un MOSFET con componentes discretos. En realidad, necesito manejar un montón de MOSFET, con corrientes de 100-150A. Y me pregunto si sería posible no usar circuitos integrados de conducción, tener más control sobre la funcionalidad, menos complejidad, menos costo.

He experimentado con diferentes arreglos, con resistencias y condensadores. Estoy usando un osciloscopio para controlar el timbre, los tiempos de subida / caída, etc.

El problema es que tan pronto como introduzco resistencias, el tiempo de subida / bajada se vuelve muy alto.

La señal de entrada tiene un tiempo de subida / bajada de solo ~ 8-10 ns. Usando solo los BJT, la señal se duplica fácilmente en tiempos de subida / bajada similares. Pero una vez que se introduce la capacitancia de la puerta, el tiempo de subida / bajada se vuelve significativamente mayor, por ejemplo, 300-2000 ns.

Por lo tanto, he estado experimentando con diferentes métodos para reducir el tiempo de subida / bajada:

Método A: NPN + PNP (¿Seguidor de voltaje? ¿Fuente actual de Vcc?)

Hice el siguiente circuito, sin darme cuenta de que el voltaje de la puerta nunca sería más que el voltaje de la señal de entrada.

Necesito que el voltaje de la puerta sea superior a 10 V para minimizar Rdson.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Método B: PNP + NPN

He experimentado con diferentes resistencias y condensadores:

^{simular este circuito}

Pero encontré que:

• El condensador reduce el timbre de subida, pero aumenta el timbre de caída y el tiempo => eliminado
• Todas las resistencias, excepto R2 y R3, tuvieron un impacto perjudicial en las características de subida / caída => eliminadas
• Usando potenciómetros para R2 y R3, descubrí que la mejor resistencia era R3 = 4k y R2 = 1.5k.
• Tiempo de subida 490ns, tiempo de caída 255ns.

Estoy un poco preocupado de que el voltaje de la puerta no esté bajando lo suficiente, por ejemplo, parece mantenerse en torno a los 400 mV. Aunque el suelo parece leerse a 250mV, entonces tal vez la placa de prueba es simplemente horrible. ¿Qué tan bajo debe ser el voltaje de la puerta para evitar la acumulación de calor cuando la señal es constantemente baja (apagada)?

Me pregunto si hay algo más que pueda hacer para mejorar el rendimiento.

Circuito mejorado:

^{simular este circuito}

Osciloscopio:

Nota: aparentemente la señal de entrada se invirtió en el osciloscopio mediante la configuración. Actualizaré las capturas de pantalla más tarde ...

Además, he incluido la base del PNP en las siguientes capturas de pantalla. ¿Se supone que debe verse así? Se ve un poco raro.

Parece que el problema es que el NPN permanece encendido, evitando así que la puerta se cargue.

Sus BJT están en una configuración de seguidor. Esto significa que pueden proporcionar ganancia de corriente, pero no ganancia de voltaje. De hecho, los emisores serán una caída de diodos POR DEBAJO de la base para señales positivas. Si llegó a 6 V en la puerta, debe haber tenido alrededor de 6,7 V de su generador de señal.

La página BJT Wiki tiene enlaces a las 3 formas comunes de amplificador que explican más sobre las características de los amplificadores BJT.

BJT Wiki

La ganancia de corriente es buena porque para cargar la capacitancia de compuerta del FET en un corto período de tiempo necesita altas corrientes de pico: I = C * dv / dt.

Una forma de obtener un cambio de voltaje más alto sería agregar una palanca de cambio de nivel BJT antes de la etapa de manejo de la puerta para traducir de 5V a 12V. Por supuesto, una palanca de cambio de nivel BJT de una sola etapa invertiría la señal, pero a menudo puede lidiar con eso en la fuente de la señal.

La resistencia pull-up tendrá que tener un valor suficientemente pequeño para que obtenga un tiempo de subida aceptable para su aplicación. VCC sería su suministro de 12 V y la resistencia de base debería dimensionarse para garantizar la saturación con la unidad de 5 V, dada la beta del transistor. ! Y debe conectarse a las bases de su etapa de controlador de puerta BJT.

Sin embargo, si su objetivo es tiempos rápidos de subida y bajada del FET y no aprender sobre BJT, probablemente debería usar un IC de controlador de puerta comercial. Busque opciones de IR / Infineon, Texas Instruments, Intersil o Maxim.

Aquí hay una opción de bajo costo de TI:

UCC27517

La primera versión: un seguidor de emisor push-pull debería estar bien si solo el mosfet máximo disponible VGS = +4,3 V es suficiente. La resistencia pulldown de aproximadamente 100 Ohm debe insertarse desde los emisores BJT a GND para garantizar el estado apagado del mosfet, ya que el PNP no se despliega efectivamente por debajo de +0,7 V. Además, una resistencia de amortiguación de Ohm insertada justo en el terminal de la puerta del mosfet debería evitar algo de timbre causado por capacitancia e inductancia del cable.

Su segunda versión tiene un atajo. Piense en la ruta actual Q2 base-> R3-> R2-> Q1 base.

El seguidor del emisor no tiene saturación y, por lo tanto, no tiene retraso de apagado debido a la capacitancia de difusión.

Como otras respuestas proponen, use un controlador de puerta IC. Hace el trabajo con sintonización cero y una probabilidad menor de comportarse impensablemente durante las transiciones de voltaje de operación.

Anexo del comentario del interrogador debido que establece que la corriente es de 100 A

La identificación en estado de 100 amperios necesita una atención seria e incluso más si la velocidad de conmutación es alta. Haga una prueba conduciendo la puerta desde un generador de señal de onda cuadrada Zout de 50 Ohm. Use una frecuencia de conmutación baja y comience con una señal unipolar de más de + 6V por seguridad. El osciloscopio en Vgs da una idea de la gran carga necesaria para inyectar y eliminar las transiciones de estado en el tiempo de transición deseado. Eso determina la corriente de accionamiento deseada. El osciloscopio en Vds revela los Vgs necesarios.

Las medidas descritas son el sótano para diseñar el controlador lo suficientemente capaz.

Otras personas ya han sugerido controladores IC MOSFET. Parece que realmente quieres hacer un controlador discreto.

Aquí hay un circuito y es básicamente lo que estaría dentro de un controlador IC. Esto da como resultado una conmutación de 100 A con un tiempo de transición de aproximadamente 100 ns para mantener la disipación de potencia MOSFET al mínimo.

Q1 es un traductor de nivel de inversión simple para que la señal oscile a 12 voltios. M2 y M3 forman un controlador MOSFET push-pull. R4 y R5 están ahí para limitar la corriente de disparo para evitar daños a M2 y M3 porque a medida que sus puertas pasan de 0 a 12V, estarán encendidas durante una pequeña fracción de tiempo.

Sin R4 y R5, la corriente de disparo excedería sus clasificaciones máximas de corriente de drenaje. En un IC real, M2 y M3 tendrían un tamaño lo suficientemente pequeño como para tener un Rds-on lo suficientemente alto en lugar de colocar resistencias reales.

Además, M2 / M3 realiza una inversión para volver a la lógica normal. Finalmente, M3 sirve como el controlador de alta corriente para manejar la corriente de 100 Amp.

Tenga en cuenta que hay aproximadamente 2 us retraso en apagar M1. Si no está cambiando su carga a una frecuencia alta, entonces este 2us no será motivo de preocupación.

Definitivamente no recomendaría usar estas partes; Acabo de elegir estos de lo que LTspice tenía. Por ejemplo, M1 está limitado a 35 A continuos, así que reemplace estas partes con algo apropiado para su diseño y vuelva a ejecutar la simulación. Luego pruebe en su prototipo para confirmar el rendimiento. De todos modos, este circuito podría ser un buen punto de partida para ti.

Cambiar 100 amperios rápidamente es peligroso, si no para usted, entonces para la vida del circuito.

Suponga 4 "de cable, en algún lugar. Eso es aproximadamente 0.1uH. Aproximadamente. Estoy muy contento de suponer que 1 metro de cable es 1 inductancia de microHenry, porque puedo ejecutar algunos cálculos preventivos de envoltura y esquivar daños mayores.

Vamos a apagar esos 100 amperios en 10 nanoSeconds. Con inductancia de 0.1uH en la fuente o en el drenaje. ¿Lo que pasa?

Si está en el desagüe, acaba de borrar el Power MOSFET.

Si está en la fuente, es probable que obtenga un comportamiento de retroalimentación negativa que evite el apagado durante muchos nanosegundos. Personalmente, he visto que esto sucede, con largos cables de prueba en controladores de 9 amperios.

Hay controladores IC de conversión de nivel solo para ese propósito, por ejemplo, DS0026 o MC34151 .

Tienen entradas compatibles con TTL / CMOS y tienen tiempos de subida y bajada rápidos y pueden manejar corrientes bastante altas; todas las funciones necesarias para encender y apagar MOSFET rápidamente.

<¿por qué 0-6v?

El emisor de Q2 está 0.7v por encima de la base de Q2, que es 0-5v. Esa es tu respuesta.

Estoy un poco preocupado de que el voltaje de la puerta no esté bajando lo suficiente, por ejemplo, parece mantenerse en torno a los 400 mV. Aunque el suelo parece leerse a 250mV, entonces tal vez la placa de prueba es simplemente horrible. ¿Qué tan bajo debe ser el voltaje de la puerta para evitar la acumulación de calor cuando la señal es constantemente baja (apagada)?

Parece que MOSFET M1 no está obteniendo una ruta de baja resistencia para un apagado adecuado. Se puede proporcionar a través de un transistor a GND. De esta manera, la compuerta M1 se descargará rápidamente.