BJT Push-Pull für einen MOSFET

Ich suche nach einer Möglichkeit, einen MOSFET mit diskreten Komponenten anzutreiben. Eigentlich muss ich ein paar MOSFETs mit Strömen von 100-150A ansteuern. Und ich frage mich, ob es möglich wäre, keine Treiber-ICs zu verwenden, um mehr Kontrolle über die Funktionalität, weniger Komplexität und weniger Kosten zu haben.

Ich habe mit verschiedenen Anordnungen experimentiert, mit Widerständen und Kondensatoren. Ich benutze ein Oszilloskop, um Klingeln, Anstiegs- / Abfallzeiten usw. zu überwachen.

Das Problem ist, dass die Anstiegs- / Abfallzeit sehr hoch wird, sobald ich Widerstände einführe.

Das Eingangssignal hat eine Anstiegs- / Abfallzeit von nur ca. 8-10 ns. Wenn nur die BJTs verwendet werden, kann das Signal bei ähnlichen Anstiegs- / Abfallzeiten leicht dupliziert werden. Sobald jedoch die Gate-Kapazität eingeführt ist, wird die Anstiegs- / Abfallzeit signifikant höher, z. B. 300-2000 ns.

Ich habe daher mit verschiedenen Methoden experimentiert, um die Anstiegs- / Abfallzeit zu verkürzen:

Methode A: NPN + PNP (Voltage-Follower? Strombeschaffung von Vcc?)

Ich habe die folgende Schaltung gemacht, ohne zu wissen, dass die Gate-Spannung niemals höher sein würde als die Eingangssignalspannung.

Ich brauche eine Gate-Spannung von mehr als 10 V, um Rdson zu minimieren.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Methode B: PNP + NPN

Ich habe mit verschiedenen Widerständen und Kondensatoren experimentiert:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Aber ich fand das:

• Der Kondensator reduziert das Anstiegsklingeln, erhöht jedoch das Abfallklingeln und die Zeit => wird entfernt
• Alle Widerstände außer R2 und R3 hatten einen nachteiligen Einfluss auf die Anstiegs- / Abfallcharakteristik => entfernt
• Unter Verwendung von Potentiometern für R2 und R3 fand ich, dass der beste Widerstand R3 = 4k und R2 = 1,5k war.
• Anstiegszeit 490 ns, Abfallzeit 255 ns.

Ich mache mir ein bisschen Sorgen, dass die Gate-Spannung nicht niedrig genug abfällt, z. B. bei etwa 400 mV zu bleiben scheint. Obwohl der Boden bei 250 mV abgelesen zu werden scheint, ist das Steckbrett vielleicht nur beschissen. Wie niedrig sollte die Gate-Spannung sein, um einen Wärmestau zu verhindern, wenn das Signal konstant niedrig ist (aus)?

Ich frage mich, ob ich noch etwas tun kann, um die Leistung zu verbessern.

Verbesserte Schaltung:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Oszilloskop:

Hinweis: Anscheinend wurde das Eingangssignal am Oszilloskop durch Einstellen invertiert. Ich werde die Screenshots später aktualisieren ...

Außerdem habe ich die Basis des PNP in die folgenden Screenshots aufgenommen. Soll es so aussehen? Es sieht ein bisschen funky aus.

Es scheint, dass das Problem darin besteht, dass der NPN eingeschaltet bleibt, wodurch verhindert wird, dass das Gate aufgeladen wird.

Ihre BJTs befinden sich in einer Follower-Konfiguration. Dies bedeutet, dass sie eine Stromverstärkung liefern können, jedoch keine Spannungsverstärkung. Tatsächlich sind die Emitter ein Diodenabfall UNTER der Basis für positiv verlaufende Signale. Wenn Sie 6 V am Gate haben, müssen Sie ungefähr 6,7 V an Ihrem Signalgenerator haben.

Die BJT-Wiki-Seite enthält Links zu den drei gängigen Verstärkerformen, in denen mehr über die Eigenschaften von BJT-Verstärkern erklärt wird.

BJT Wiki

Die Stromverstärkung ist eine gute Sache, denn um die Gatekapazität des FET in kurzer Zeit aufzuladen, benötigen Sie hohe Spitzenströme: I = C * dv / dt.

Eine Möglichkeit, einen höheren Spannungshub zu erzielen, besteht darin, vor Ihrer Gate-Ansteuerstufe einen BJT-Pegelumsetzer hinzuzufügen, der von 5 V auf 12 V übersetzt. Natürlich würde ein einstufiger BJT-Pegelumsetzer das Signal invertieren, aber oft können Sie damit an der Signalquelle umgehen.

Der Pull-up-Widerstand muss einen ausreichend kleinen Wert haben, damit Sie eine akzeptable Anstiegszeit für Ihre Anwendung erhalten. VCC wäre Ihre 12-V-Versorgung, und der Basiswiderstand sollte so dimensioniert sein, dass angesichts des Beta des Transistors eine Sättigung mit dem 5-V-Antrieb gewährleistet ist. ! Y sollte eine Verbindung zu den Basen Ihrer BJT-Gate-Treiberstufe herstellen.

Wenn Ihr Ziel jedoch schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten vom FET ist und Sie nichts über BJTs lernen, sollten Sie wahrscheinlich einen kommerziellen Gate-Treiber-IC verwenden. Suchen Sie nach Optionen von IR / Infineon, Texas Instruments, Intersil oder Maxim.

Hier ist eine kostengünstige Option von TI:

UCC27517

Die erste Version - ein Push-Pull-Emitterfolger sollte in Ordnung sein, wenn nur der maximal verfügbare Mosfet VGS = +4,3 V ausreicht. Der Pulldown-Widerstand von ca. 100 Ohm sollte von BJT-Emittern zu GND eingeführt werden, um den Ausschaltzustand des Mosfets zu gewährleisten, da der PNP unter +0,7 V nicht effektiv herunterzieht. Zusätzlich sollten einige Ohm-Dämpfungswiderstände, die direkt in den Gate-Anschluss des Mosfets eingesetzt werden, dies verhindern Einige Klingeltöne werden durch Kapazität und Drahtinduktivität verursacht.

Ihre zweite Version hat eine Verknüpfung. Denken Sie an die aktuelle Route Q2 Basis-> R3-> R2-> Q1 Basis.

Der Emitterfolger hat keine Sättigung und somit keine Ausschaltverzögerung aufgrund der Diffusionskapazität.

Verwenden Sie, wie andere Antworten vorschlagen, einen Gate-Treiber-IC. Es erledigt die Arbeit mit einer Nullabstimmung und einer geringeren Wahrscheinlichkeit, sich während Betriebsspannungsübergängen undenkbar zu verhalten.

Nachtrag fälliger Kommentar des Fragestellers, der besagt, dass der Strom 100 A beträgt

Ein-Zustand-ID von 100 Ampere erfordert ernsthafte Aufmerksamkeit und noch mehr, wenn die Schaltrate hoch ist. Führen Sie einen Testlauf durch, indem Sie das Gate von einem normalen 50-Ohm-Zout-Rechtecksignalgenerator ansteuern. Verwenden Sie eine niedrige Schaltfrequenz und beginnen Sie aus Sicherheitsgründen mit einem unipolaren Signal von mehr als +6 V. Das Oszilloskop in Vgs gibt eine Vorstellung davon, wie viel Ladung benötigt wird, um für Zustandsübergänge in der gewünschten Übergangszeit zu injizieren und zu entfernen. Das bestimmt den gewünschten Antriebsstrom. Das Oszilloskop in Vds zeigt die benötigten Vgs.

Die beschriebenen Messungen bilden die Grundlage für die Gestaltung des Treibers.

Andere Leute haben bereits IC-MOSFET-Treiber vorgeschlagen. Klingt so, als ob Sie wirklich einen diskreten Treiber machen möchten.

Hier ist eine Schaltung und es ist im Grunde das, was sich in einem Treiber-IC befinden würde. Dies führt zu einer 100-Ampere-Umschaltung mit einer Übergangszeit von etwa 100 ns, um die Verlustleistung des MOSFET auf ein Minimum zu beschränken.

Q1 ist ein einfacher invertierender Pegelumsetzer, um den Signalhub auf 12 Volt zu bringen. M2 und M3 bilden einen MOSFET-Push-Pull-Treiber. R4 und R5 dienen dazu, den Durchschussstrom zu begrenzen, um eine Beschädigung von M2 und M3 zu vermeiden, da beide beim Übergang zwischen 0 und 12 V für einen kleinen Bruchteil der Zeit eingeschaltet sind.

Ohne R4 und R5 würde der Durchschussstrom ihre maximalen Drainstromwerte überschreiten. In einem tatsächlichen IC wären M2 und M3 klein genug, um einen ausreichend hohen Rds-On-Wert zu haben, anstatt tatsächliche Widerstände zu setzen.

Zusätzlich führt M2 / M3 eine Inversion durch, um zur normalen Logik zurückzukehren. Schließlich dient M3 als Hochstromtreiber für den 100-Ampere-Strom.

Beachten Sie, dass das Ausschalten von M1 etwa 2 us verzögert. Wenn Sie Ihre Last nicht mit einer hohen Frequenz schalten, ist dies kein Problem.

Ich würde definitiv nicht empfehlen, diese Teile zu verwenden; Ich habe diese nur von LTspice ausgewählt. Zum Beispiel ist M1 auf 35 A Dauerbetrieb begrenzt. Ersetzen Sie diese Teile durch Teile, die für Ihr Design geeignet sind, und führen Sie die Simulation erneut aus. Testen Sie dann Ihren Prototyp, um die Leistung zu bestätigen. Auf jeden Fall könnte diese Strecke ein guter Ausgangspunkt für Sie sein.

Das schnelle Umschalten von 100 Ampere ist gefährlich, wenn nicht für Sie, dann für die Lebensdauer der Schaltung.

Nehmen wir irgendwo 4 "Draht an. Das sind ungefähr 0,1 uH. Ungefähr. Ich bin sehr glücklich, wenn ich davon ausgehe, dass 1 Meter Draht 1 Mikro-Henry-Induktivität ist, da ich einige vorsichtige Berechnungen der Rückseite der Hülle durchführen und größeren Schäden ausweichen kann.

Schalten wir diese 100 Ampere in 10 Nanosekunden aus. Mit einer Induktivität von 0,1 uH in Source oder Drain. Was geschieht?

Wenn Sie sich im Abfluss befinden, haben Sie gerade den Power-MOSFET ausgelöscht.

Wenn Sie sich in der Quelle befinden, erhalten Sie wahrscheinlich ein negatives Rückkopplungsverhalten, das das Ausschalten für viele, viele Nanosekunden verhindert. Ich habe dies persönlich gesehen, mit langen Testleitungen in 9-A-Treibern.

Es gibt pegelkonvertierende Treiber-ICs nur für diesen Zweck, z. B. DS0026 oder MC34151 . .

Sie haben TTL / CMOS-kompatible Eingänge, schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten und können ziemlich hohe Ströme ansteuern. Alle Funktionen, die zum schnellen Ein- und Ausschalten von MOSFETs erforderlich sind.

<warum 0-6v?

Der Emitter von Q2 liegt 0,7 V über der Basis von Q2, was 0-5 V entspricht. Das ist deine Antwort.