¿Cómo lidiar con los voltajes de "picos" en mosfet en el convertidor elevador?

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¿Cómo lidiar con los voltajes de "picos" en mosfet en el convertidor elevador?

aumentar
Física
controlador mosfet
convertidor dc-dc
electrónica de potencia

Miguel Durán Díaz

Estoy diseñando un Boost Converter para pasar de 5 [V] a 12 [V]. El diseño con el que vengo es el siguiente:

Para comprender mejor el diseño, tenga en cuenta lo siguiente:

1) Para manejar el mosfet, estoy usando un PIC4550 con un optoacoplador (TLP250, http://web.itu.edu.tr/yildiri1/mylibrary/data/tlp250.pdf ), así que obtengo un PWM de 15 [Vmax ] a una frecuencia de 40 [kHz]

2) No encontré el modelo que estoy usando en el convertidor real en PSpice, así que puse un diodo rectificador ahí pero el que estoy usando es SBL2030CT ( http://pribor-systems.ru/fomoremax/PDF /Diodes/SBL2030CT-SBL2060CT.pdf ), que es un diodo Schottky. 3) Todos los demás valores y componentes son correctos con respecto al convertidor real

El problema es que no puedo obtener 12 [V] en la carga porque cuando estoy elevando el ciclo de trabajo, la corriente se vuelve loca. Aproximadamente al 53 % del ciclo de trabajo, el circuito le pide a la fuente de energía aproximadamente 3 [A]. Como no puede dar más que eso, ya no puedo aumentar el ciclo de trabajo, así que no puedo obtener 12 [V]. El voltaje de salida máximo que obtengo es 10 [V]. Uno de los problemas que he encontrado al medir y ver las ondas en el osciloscopio es que la onda cuadrada en el mosfet tiene picos como este (Esta imagen NO ES de mi circuito real, pero la forma de onda es EXACTAMENTE la misma que la que tengo) estoy recibiendo Tomé esta foto de otra publicación relacionada, consulte EDICIÓN 2):

Los picos a la corriente máxima que la fuente de poder es capaz de darme son de unos 30 [V] (mientras que el voltaje de salida es de 10 [V]). Cuando toco los componentes, el mosfet está muy caliente (en comparación con la carga), así que creo que tiene que ver con los picos. ¿Hay alguna idea sobre cómo puedo lidiar con este problema?

Si falta alguna información por favor díganmelo para poder agregarla.

EDIT1: El circuito por el momento está montado en una placa de prueba (primero probé allí porque quiero que funcione correctamente y luego tengo que moverlo a una PCB). La entrada no tiene ningún condensador a través de ella. Es tal como está en el diagrama de arriba.

EDIT2: La forma de onda que obtengo en el MOSFET es exactamente la misma que se muestra aquí: Hot MOSFET DC-DC Boost Converter . Sin embargo, la respuesta allí no parece responder a la mía porque estoy usando un voltaje suficiente para encender el mosfet.

EDIT3: Este es el diagrama para el optoacoplador y el R y C utilizados:

donde R se calcula como

R = \frac{V_{C C} - V_{O L} - V_{mi mi}}{I_{O L pag mi a k}}

$R = \frac{V_{CC} - V_{OL} - V_{EE}}{I_{OLpeak}}$ Obtuve un valor de R = 24 ohmios y sí, estoy usando exactamente ese valor de capacitor que se muestra en el esquema para el bypass.

EDICIÓN 4: Se agregaron imágenes del circuito e imágenes reales del osciloscopio del circuito real:

También probé: cambié la frecuencia de conmutación a 150kHz, agregué (no se muestra en la imagen) un disipador para el mosfet y cambié la amplitud del PWM a 20 [V] (antes era de 12 [V]. Hice eso porque uno de las respuestas lo sugirieron). Ninguno de ellos funcionó y la última medición mostró una eficiencia del 47%.

pericintion

¿Puedes proporcionar fotos de tu configuración? ¿Está esto en un PCB o protoboard o qué? ¿Hay alguna capacitancia de derivación de entrada en V1? Proporcione también más detalles de la unidad de compuerta.

pericintion

Y una foto de cómo está probando el circuito para las medidas de su osciloscopio también sería informativa.

Miguel Durán Díaz

De momento no puedo (el circuito es en mi universidad y ahora estoy en mi casa). Editaré ahora con la información que pueda por el momento. Pero también responderé aquí: está en una placa de prueba, no hay ninguna capacitancia en V1. La sonda está entre el drenaje y la fuente del mosfet. Después de la etapa del acoplador óptico, la puerta tiene una onda cuadrada de frecuencia 40 kHz y 15 [Vp]

pericintion

¿Alguna resistencia en serie entre el optoacoplador y la puerta MOSFET? ¿Capacidad de derivación a través del suministro del optoacoplador?

edgar marrón

Parece que su MOSFET está haciendo una transición demasiado lenta, ¿cómo está manejando su puerta? ¿Cuál es la corriente máxima que se puede entregar a la puerta? Esa es una parte crítica del esquema. Cabe destacar que, en este tipo de configuración, si ya está al 50 % de PWM con Vout<2*Vdd, algo va mal y aumentar aún más el ciclo de trabajo solo desperdiciará energía y saturará su inductor, lo que podría destruir el MOSFET. ¿Qué voltaje/eficiencia obtienes al 50% de PWM?

Miguel Durán Díaz

@pericynthion Sí. Edité la publicación original para responder a tu pregunta.

usuario105652

Estoy confundido. La foto muestra un IGBT y usted está discutiendo problemas con un MOSFET de funcionamiento mucho más rápido. Los IGBT funcionan 10 veces más lento y todo lo que he visto necesita 10 voltios en el emisor de puerta para la saturación.

Miguel Durán Díaz

@ Sparky256 La foto es solo un ejemplo. Tomé esa fórmula de un documento del diseñador del optoacoplador que dice que funciona tanto para mosfet como para igtb, por lo que el valor de la resistencia debería ser correcto.

carloc

1A a 12V es 12W, mientras que 3A a 5V es solo 15W, no creo que puedas obtener mucho mejor que esto con esas partes, la eficiencia ya es 12/15 = 80%. Luego, un par de vatios encendidos en un TO220 sin disipación de calor se convertirá en un dispositivo muy caliente. Finalmente, esos picos de voltaje se deben al diseño deficiente que puede tener en una placa de pruebas y no causarán ningún daño siempre que estén por debajo de Vdsmax o la energía máxima de avalancha. En corto, no veo ningún gran problema.

Miguel Durán Díaz

@carloc Tienes razón en eso, sin embargo, eso no es lo que tengo en la práctica. Con los problemas que comenté en la publicación original, lo "mejor" que puedo obtener es: 10 V con 0,6 A en la carga => P = 6, lo que significa que la eficiencia es de aproximadamente el 40 %. Estaría muy feliz con ese 80%.

joe electro

3 A

$3 \, A$ no es tan sorprendente ir de

5

$5$ a

12 V

$12 \, V$ como tu carga ya pide

1 A

$1 \, A$ y

\frac{12}{5} \approx 3

$\frac{12}{5} \approx 3$ . De hecho

\frac{12}{5} = 2.4

$\frac{12}{5} = 2.4$ pero si el circuito no está optimizado en cuanto a eficiencia no me sorprende con

\frac{2.4}{3} = 0.8

$\frac{2.4}{3} = 0.8$ eficiencia. Tienes que darte cuenta de que para una corriente constante a través de

L_{1}

$L_1$ su voltaje promedio debe ser

0

$0$ , y como el voltaje promedio sobre

L_{1}

$L_1$ es

U_{L_{1_{a v g}}} = δ V_{1} + (1 - δ) U_{o u t} = 0

$U_{L_{1_{avg}}} = \delta V_1 + (1 - \delta ) U_{out} = 0$ cual es

5 δ + (5 - 12) (1 - δ) = 12 δ - 7 = 0

$5 \delta + (5 - 12) (1 - \delta) = 12 \delta - 7 = 0$ ,

δ = 7 / 12

$\delta = 7/12$ .

joe electro

Eso significa que más de la mitad del tiempo toda la corriente pasa por el FET, lo que genera pérdidas. Además, si

D_{5}

$D_5$ no se abre lo suficientemente rápido, la corriente en

L_{1}

$L_1$ forzará el voltaje sobre el diodo, y sobre el transistor, a aumentar. Podría 'calmar' un poco este comportamiento aumentando la resistencia de la puerta de modo que el transistor se cierre un poco más lentamente, dando a la corriente la oportunidad de cambiar su ruta del transistor a

D_{5}

$D_5$ . Como se comentó anteriormente, podría provenir de un cable largo. si bajas

\frac{d i}{d t}

$\frac{di}{dt}$ ,

L \frac{d i}{d t}

$L \frac{di}{dt}$ el pico de voltaje también bajará.

joe electro

Pero tendría que hacer un cálculo de pérdida para ver si no se está calentando demasiado debido a las pérdidas adicionales que esto generará. Lo lejos que puede llegar depende principalmente de la frecuencia de conmutación y la longitud del cable, lo que provoca esta inductancia parásita. Pero de todos modos no mejorará la eficiencia. Creo que haré de esto una respuesta. :)

Miguel Durán Díaz

@pericynthion actualizó la publicación original con más imágenes del circuito real si todavía está interesado en ayudar.

Respuestas (2)

¿Cómo lidiar con los voltajes de "picos" en mosfet en el convertidor elevador?

¿Puedes proporcionar fotos de tu configuración? ¿Está esto en un PCB o protoboard o qué? ¿Hay alguna capacitancia de derivación de entrada en V1? Proporcione también más detalles de la unidad de compuerta.
Y una foto de cómo está probando el circuito para las medidas de su osciloscopio también sería informativa.
De momento no puedo (el circuito es en mi universidad y ahora estoy en mi casa). Editaré ahora con la información que pueda por el momento. Pero también responderé aquí: está en una placa de prueba, no hay ninguna capacitancia en V1. La sonda está entre el drenaje y la fuente del mosfet. Después de la etapa del acoplador óptico, la puerta tiene una onda cuadrada de frecuencia 40 kHz y 15 [Vp]
¿Alguna resistencia en serie entre el optoacoplador y la puerta MOSFET? ¿Capacidad de derivación a través del suministro del optoacoplador?
Parece que su MOSFET está haciendo una transición demasiado lenta, ¿cómo está manejando su puerta? ¿Cuál es la corriente máxima que se puede entregar a la puerta? Esa es una parte crítica del esquema. Cabe destacar que, en este tipo de configuración, si ya está al 50 % de PWM con Vout<2*Vdd, algo va mal y aumentar aún más el ciclo de trabajo solo desperdiciará energía y saturará su inductor, lo que podría destruir el MOSFET. ¿Qué voltaje/eficiencia obtienes al 50% de PWM?
@pericynthion Sí. Edité la publicación original para responder a tu pregunta.
Estoy confundido. La foto muestra un IGBT y usted está discutiendo problemas con un MOSFET de funcionamiento mucho más rápido. Los IGBT funcionan 10 veces más lento y todo lo que he visto necesita 10 voltios en el emisor de puerta para la saturación.
@ Sparky256 La foto es solo un ejemplo. Tomé esa fórmula de un documento del diseñador del optoacoplador que dice que funciona tanto para mosfet como para igtb, por lo que el valor de la resistencia debería ser correcto.
1A a 12V es 12W, mientras que 3A a 5V es solo 15W, no creo que puedas obtener mucho mejor que esto con esas partes, la eficiencia ya es 12/15 = 80%. Luego, un par de vatios encendidos en un TO220 sin disipación de calor se convertirá en un dispositivo muy caliente. Finalmente, esos picos de voltaje se deben al diseño deficiente que puede tener en una placa de pruebas y no causarán ningún daño siempre que estén por debajo de Vdsmax o la energía máxima de avalancha. En corto, no veo ningún gran problema.
@carloc Tienes razón en eso, sin embargo, eso no es lo que tengo en la práctica. Con los problemas que comenté en la publicación original, lo "mejor" que puedo obtener es: 10 V con 0,6 A en la carga => P = 6, lo que significa que la eficiencia es de aproximadamente el 40 %. Estaría muy feliz con ese 80%.
$3 \, A$ no es tan sorprendente ir de $5$ a $12 \, V$ como tu carga ya pide $1 \, A$ y $\frac{12}{5} \approx 3$ . De hecho $\frac{12}{5} = 2.4$ pero si el circuito no está optimizado en cuanto a eficiencia no me sorprende con $\frac{2.4}{3} = 0.8$ eficiencia. Tienes que darte cuenta de que para una corriente constante a través de $L_1$ su voltaje promedio debe ser $0$ , y como el voltaje promedio sobre $L_1$ es $U_{L_{1_{avg}}} = \delta V_1 + (1 - \delta ) U_{out} = 0$ cual es $5 \delta + (5 - 12) (1 - \delta) = 12 \delta - 7 = 0$ , $\delta = 7/12$ .
Eso significa que más de la mitad del tiempo toda la corriente pasa por el FET, lo que genera pérdidas. Además, si $D_5$ no se abre lo suficientemente rápido, la corriente en $L_1$ forzará el voltaje sobre el diodo, y sobre el transistor, a aumentar. Podría 'calmar' un poco este comportamiento aumentando la resistencia de la puerta de modo que el transistor se cierre un poco más lentamente, dando a la corriente la oportunidad de cambiar su ruta del transistor a $D_5$ . Como se comentó anteriormente, podría provenir de un cable largo. si bajas $\frac{di}{dt}$ , $L \frac{di}{dt}$ el pico de voltaje también bajará.
Pero tendría que hacer un cálculo de pérdida para ver si no se está calentando demasiado debido a las pérdidas adicionales que esto generará. Lo lejos que puede llegar depende principalmente de la frecuencia de conmutación y la longitud del cable, lo que provoca esta inductancia parásita. Pero de todos modos no mejorará la eficiencia. Creo que haré de esto una respuesta. :)
@pericynthion actualizó la publicación original con más imágenes del circuito real si todavía está interesado en ayudar.

Dibujó · Answer 1

Ok, suponiendo que su dibujo sea del voltaje de drenaje del mosfet, ¿está seguro de que la forma de onda es correcta? Usted afirma que la forma de onda es la misma que esta de la pregunta que vinculó, pero eso no es lo mismo que su dibujo.

Se espera un pico justo después de que el mosfet se apague. Ese es el voltaje de "impulso". La señal que dibujaste... No sé qué sería. ¿Es tal vez el voltaje de la puerta y no el drenaje? no sé.

Supongo que su forma de onda se parece a la de esta imagen.

Creo que lo que sucede es que su mosfet no se maneja con suficiente voltaje de puerta, o eso o el tiempo de conmutación es demasiado lento. Un claro indicio es que el mosfet se está calentando. Debe sondear la puerta y actualizar la pregunta con sus resultados. Creo que vas a querer un mosfet diferente con un Vgs (encendido) más bajo.

También debe publicar el circuito completo, incluido el optoaislador, porque podría haber un problema allí. Por ejemplo, es posible que pueda reducir la resistencia de compuerta de 24 ohmios, pero no puedo decirlo porque no sé el número de pieza del optoaislador.

Sí tienes razón. No noté la diferencia entre el dibujo y la imagen, pero el de la imagen es lo que obtengo. Gracias por tu respuesta, haré las pruebas y actualizaré tan pronto como pueda.
¿A qué distancia está el suministro de 5 voltios? A 1 microHenry de inductancia por metro de cable (no es de par trenzado ni coaxial), verá mucha inducción inductiva (probablemente destructiva, o simplemente disruptiva, ese problema de compuerta). Haga que el nodo de TIERRA sea una lámina cuadrada de 1 cm y suelde TODOS los componentes que necesitan conexión a tierra a esa lámina cuadrada. Esto hace que la inductancia de TIERRA sea de solo uno o 2 nanoHenries, y algunos de los picos disruptivos desaparecerán.

joe electro · Answer 2

$3A$ no es tan sorprendente ir de $5 \, V$ a $12 \, V$ como tu carga ya pide $1A$ y $\frac{12}{5} \approx 3$ .
De hecho $\frac{12}{5} = 2.4$ pero si el circuito no está optimizado en cuanto a eficiencia no me sorprende con $\frac{2.4}{3} = 0.8$ eficiencia.
Tienes que darte cuenta de que para una corriente constante a través de $L_1$ su voltaje promedio debe ser $0$ , y como el voltaje promedio sobre $L_1$ es

{tu}_{{L_{1}}_{a v gramo}} = d V_{1} + (1 - d) {tu}_{o tu t} = 0

$U_{{L_1}_{avg}} = \delta V_1 + (1−\delta) U_{out} = 0$

cual es

5 d + (5 - 12) (1 - d) = 12 d - 7 = 0

$5 \delta + (5−12)(1 − \delta) = 12 \delta − 7 = 0$

entonces

d = 7 / 12

$\delta=7/12$

Eso significa que más de la mitad del tiempo toda la corriente pasa por el FET, lo que genera pérdidas. Además, si $D_5$ no se abre lo suficientemente rápido, la corriente en $L_1$ forzará el voltaje sobre el diodo, y sobre el transistor, a aumentar. Como se comentó anteriormente, podría provenir de un cable largo, ya que ya está usando un diodo Schottky rápido.

Podría 'calmar' un poco este comportamiento aumentando la resistencia de la puerta de modo que el transistor se cierre un poco más lentamente, dando a la corriente la oportunidad de cambiar su ruta del transistor a $D_5$ .
si bajas $\frac{di}{dt}$ , $L \frac{di}{dt}$ , el pico de tensión también bajará.

Por otro lado, el período en el que tanto la corriente a través del transistor como el voltaje sobre él no son cero, por lo tanto, la disipación aumenta, por lo que tendría que hacer un cálculo de pérdida para ver si no se está calentando demasiado debido a la pérdidas adicionales que esto dará.
Lo lejos que puede llegar depende principalmente de la frecuencia de conmutación y la longitud del cable, lo que provoca esta inductancia parásita. Pero de todos modos no mejorará la eficiencia.

¿Cómo lidiar con los voltajes de "picos" en mosfet en el convertidor elevador?

Miguel Durán Díaz

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usuario105652

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