Convertidor reductor síncrono - selección MOSFET

Soy relativamente nuevo en el diseño de convertidores CC/CC y tengo algunas dificultades con la selección de los MOSFET de conmutación para mi diseño. Para ser completamente honesto, estoy tratando de averiguar si el MOSFET ya seleccionado (DMN3010LSS de DIODES Inc. y como segunda fuente el SM4832NSK de sinopower) por otro diseñador está bien o necesito sustituirlo.

Las especificaciones son:

  • Vin = 12V
  • Vsalida = 1V
  • salida = 12A
  • Controlador PWM: MIC2102
  • frecuencia de conmutación: 437kHz
  • valor del inductor entre 1.5uH y 3.3uH (los dos últimos son opciones de diseño)

Mi mayor problema en este momento es cómo calcular la corriente máxima que fluirá a través del transistor y las pérdidas máximas de energía. Naturalmente, estudié la hoja de datos del controlador, pero tengo la sensación de que de alguna manera falta información.

Con respecto a la pérdida de potencia del MOSFET, hasta ahora he entendido que consta de dos partes, la potencia de conducción y la pérdida de potencia de conmutación. La potencia conductora para el lado alto viene dada por:

PAG C o norte d ,   H S = I o tu t 2   ×   R D S o norte ,   metro a X   ×   ( V o tu t V i norte )

y para el lado bajo por:

PAG C o norte d ,   L S = I o tu t 2   ×   R D S o norte ,   metro a X   ×   ( 1   −   V o tu t V i norte )

¿Es eso correcto? La hoja de datos del MIC2102 es bastante mala en este punto: supongo que la ecuación 9 está incompleta; ¡falta por completo el ciclo de trabajo!

Entonces, las pérdidas de energía de conmutación para el lado bajo son insignificantes y pueden ignorarse, en la medida en que casi todos dicen.

Para las pérdidas de potencia de conmutación del MOSFET de lado alto, traté de seguir la información en la hoja de datos del MIC2102, pero estaba completamente confundido. Obviamente, uno tiene que usar la Ec. 12, donde el tiempo de transición de conmutación está dado por la Ec. 11 (dicen que han asumido que los tiempos de encendido y apagado son iguales, lo cual no he encontrado en ningún otro lugar, pero de todos modos ). Si vamos a seguir la ecuación 11, ¿cuál es la diferencia entre Vin y VHSD? A mi entender son totalmente lo mismo! ¿Alguna idea?

Suponiendo que finalmente calculamos las pérdidas totales de energía, ¿cómo selecciono un MOSFET apropiado?

Otro tema es entonces: Al seleccionar el MOSFET, ¿qué pasa con la corriente IDS? ¿Cómo elegir la corriente IDS máxima que puede aceptar el MOSFET?

No menciona la frecuencia de conmutación y el valor del inductor que eligió / usará. Con esos todavía puedes influir en la corriente. Dado que tiene una relación Vin/Vout muy alta (12/1), espero que su ciclo de trabajo sea bastante bajo, lo que significa que el interruptor LS está encendido la mayor parte del tiempo, por lo que determinaría la mayor parte de las pérdidas. No siempre copie "lo que todos dicen" a menos que lo entienda , ¡es posible que no se aplique a su situación! Creo que ese es el caso aquí ya que su DuCy será bajo. En general, me quedaría con los MOSFET que se sugieren en la hoja de datos del MIC2102.
@FakeMoustache Gracias por el consejo, ¡pero aún no entiendo completamente cómo funciona el convertidor! Como dije, soy nuevo en esta área. Entonces, está de acuerdo en que, al menos en este caso, las pérdidas de conmutación serán mínimas para el transistor del lado bajo. ¿Qué quiere decir con que el inductor y la frecuencia de conmutación pueden influir en la corriente? Obviamente te refieres a la corriente de pico a pico, ¿verdad? Pero ¿por qué lo mencionas?
de acuerdo ... las pérdidas de conmutación serán mínimas para el transistor del lado bajo. Lea con atención ya que eso es lo contrario de lo que escribí. Está buscando suposiciones fáciles que pueda hacer. Bueno, esa nunca es una buena idea a menos que puedas explicar por qué sería una buena suposición. Dije que dado que DuCy será bajo en su caso, las pérdidas de conmutación en el lado bajo serán dominantes en comparación con el lado alto. Low DuCy significa que LS está encendido la mayor parte del tiempo, HS está mucho menos.
Sí, me refiero a la corriente pico-pico. Un inductor de valor pequeño se carga más rápido, se alcanzará una corriente alta en poco tiempo, por lo que la frecuencia de conmutación debe ser mayor, los interruptores estarán encendidos solo por un corto tiempo. Un inductor de gran valor dará lo contrario. Le sugiero que lea un libro sobre convertidores DCDC porque este chip permite muchas opciones. Las elecciones que tienes que hacer y también tienes que saber por qué hiciste una determinada elección. Hay convertidores DCDC más simples disponibles, el chip que seleccionó no es uno que recomendaría a un principiante.
Bueno, perdón por no entenderlo bien desde el principio. Pero todavía no lo entiendo. Dices que el LS estará encendido la mayor parte del tiempo. ¿Por qué eso significa que las pérdidas de conmutación serán dominantes? Eso implica en realidad que las pérdidas de conducción serán dominantes, ¿no? Y eso es exactamente lo que también digo. Por cierto, este controlador fue utilizado por otra persona y solo trato de adaptarlo a más corriente de salida. ¿Cuál recomendarías en su lugar?
Realmente necesita comprender mejor la teoría detrás de los convertidores DCDC. Las pérdidas de conmutación están relacionadas con la frecuencia de conmutación . Mayor frecuencia significa mayores pérdidas. Las pérdidas de conducción del interruptor del lado bajo serán dominantes ya que está conduciendo la mayor parte del tiempo. Todavía no puede sacar ninguna conclusión si las pérdidas de conmutación o conducción son dominantes, ya que aún no ha elegido una frecuencia de conmutación. No te voy a recomendar un chip diferente, simplemente hay demasiados.
Para un convertidor reductor en modo de conducción continua, Vout = D x Vin cuando se supone pérdida cero. Por lo tanto D = Vsal/Vin. El ciclo de trabajo como factor no falta en las ecuaciones de pérdida de conducción. Falta el factor de pérdida o eficiencia, pero no es inusual ignorarlo en el cálculo de disipación de energía.
Parece que Vin y VHSD son lo mismo. El cálculo de disipación de energía MOSFET no es muy preciso, así que solo siga las notas de la aplicación. Elegir un MOSFET es un equilibrio entre la pérdida por conducción y la pérdida por conmutación (la reducción de una tiende a aumentar la otra). Por lo general, el punto óptimo tiende a ser donde la pérdida de conmutación está en el mismo estadio de béisbol que la pérdida de conducción (dentro del grupo de buenos MOSFET actualizados). Esto también lo guiará con IDS porque un MOSFET de IDS demasiado bajo generalmente se traduciría en una pérdida de conducción proporcionalmente alta y viceversa.
Solo trato de adaptarlo a más corriente de salida. Entonces, debería pensar mucho si elegir diferentes MOSFET realmente ayudará. ¡Hay situaciones en las que los MOSFET no son el factor limitante! Por ejemplo cuando la bobina se satura. Usar a ciegas MOSFET más grandes podría no darle el resultado que necesita. Otra razón por la que debe estudiar la teoría detrás de los convertidores DCDC. No son como los reguladores lineales donde un transistor de salida más grande puede aumentar la capacidad actual.

Respuestas (1)

Sé por lo que estás pasando. Sólo sé lo suficiente para ser peligroso.

Lo que haría es usar el banco de trabajo de TI. Encontraría una parte que se ajuste a In Out y amplificadores. Qué parte no importaba porque una vez que presioné el botón Atrás, seleccioné "Comparar todos los tipos de partes" y me da una lista de varios diseños basados ​​en varios parámetros.

Luego, una vez en el diseño seleccionado, miraría el esquema que crearon. Como el tuyo, 12Vin 1V Out @ 1 amp. Este es el esquema:

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De un vistazo a esta pantalla, puedo ver instantáneamente que el diseño tiene

  • 94% de eficiencia
  • $10,23 lista de materiales
  • Frecuencia de conmutación de 100 khz.
  • CI Tj 37,8 °C
  • M1 Tj 41,1°C
  • M2 Tj 45,5°C
  • Vsal PP 0.012v

ingrese la descripción de la imagen aquí

Luego jugaría con las diferentes "opciones avanzadas", eficiencia, frecuencia de conmutación y vería qué valores cambiaron en el nuevo esquema.

Cuando se trata de eso, no tengo idea de por qué seleccionaron un MOSFET de 25v y 30v, 100 Amp

Así que entro en la lista de materiales y hago clic en la pieza para ver la hoja de datos en busca de algunas pistas. Luego haga clic en "seleccionar otra parte" y le permitirá seleccionar otra parte, pero solo los dispositivos que funcionarán con los parámetros y el diseño actuales. Aquí aprenderá cuáles son las características que limitan su inclusión en la lista de selección.

También ejecutaría una simulación térmica. Mostraría dónde estaban todas las ineficiencias en la "disipación de energía".

Para este diseño Cin 0,02 W, Cout 4,32 mW, IC 0,11 W, L1 0,12 W, M1 0,22 W

De todos modos, pensé que era una forma interesante de aprender y pensé que también podría ayudarte.

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