MOSFET de potencia y controladores Gate

Estoy tratando de aplicar finalmente lo que aprendí en la universidad en el curso de electrónica de potencia. Sin embargo, encuentro que tanto ese curso como la mayoría de los libros / referencias en línea carecen de algunos puntos.

De hecho (esto puede ser similar a controlar puentes H para controladores de motor, no estoy seguro) existen algunas posibilidades sobre cómo realizar un convertidor reductor (reductor):

  • Usando PMOS como interruptor de entrada (fuente en el voltaje de suministro) -> la puerta del PMOS debe estar ALTA cuando el PMOS está apagado, mientras que la puerta del PMOS debe estar BAJA cuando el PMOS está encendido
  • Usando NMOS como interruptor de entrada (drenaje en el voltaje de suministro) -> la puerta del NMOS debe ser comandada a través de boostrapping (necesita un diodo y un condensador adicionales)

Además, puede ser una buena idea usar un convertidor reductor síncrono (menos pérdidas) usando un NMOS en paralelo al diodo de salida. Creo que obtuve esta parte y, de todos modos, es más fácil de controlar ya que es un NMOS con su fuente conectada al suelo.

Volviendo a la pregunta original: si bien estoy de acuerdo en que puede ser (teóricamente) posible controlar fácilmente el transistor PMOS, creo que es bastante difícil, especialmente con voltajes de entrada altos .

Considere que tomo energía del tomacorriente de pared: 230V_RMS a 10A máx. (pero para mis aplicaciones optaré por mucho menos, 1A máx.). Voy a obtener un voltaje pseudo-DC usando un puente rectificador (puente de Gretz) con un capacitor en su salida (práctica estándar). Este último voltaje será la entrada de mi convertidor reductor CC/CC.

De ahí el problema: usando un microcontrolador para generar una señal PWN para controlar el voltaje de salida (GPIO: salida de 3.3V, o 5V en el mejor de los casos) no será posible activar el NMOS o desactivar el PMOS.

Creo que necesito que el voltaje de la puerta de NMOS sea de alrededor de 5-10 V por encima del voltaje de suministro. Tendré que hacer el arranque para eso, pero realmente no lo entendí. Eso es lo que básicamente están hechos los controladores GATE para AFAIK.

En cuanto al PMOS, una solución más simple puede ser usar una señal PWM invertida (D = PWM en el nivel BAJO, normalmente es al revés) y controlar un optoacoplador que tiene su colector conectado al voltaje de suministro (igual que el voltaje de la fuente PMOS). Existen colectores capaces de sostener ese voltaje, pero puede haber una mejor solución.

No hay muchos controladores MOSFET de alto voltaje disponibles en el mercado (y mucho menos a bajo costo) y realmente me gustaría saber cómo hacerlo. Creo que los convertidores reductores/reductores son bastante comunes hoy en día, por lo que me resulta difícil que no existan tales productos. Esto me lleva a creer que no estoy mirando los componentes correctos (todavía) . ¿O la única solución sería realizar el controlador en componentes discretos? ¿Alguna recomendación/referencia de producto para satisfacer estos requisitos?

EDITAR : como le dije a Oliven Lathrop, esto es lo que tengo en mente para controlar el PMOS. Básicamente, uso un BJT como fuente de corriente y luego desvío lo suficiente del voltaje (12-15 V) para poner el PMOS en modo de conducción. De lo contrario, idealmente, no fluye corriente en el BJT y el PMOS está bloqueado. CONTROL PMOS http://img513.imageshack.us/img513/1879/pmoscommand.png .

No he verificado la polaridad de la señal PWM (si se invierte o no), pero en principio esto puede "simplemente" funcionar. Los transistores NPN que soportan > 400V_DC son mucho más comunes que los PNP/PMOS y su precio es bajo. Una pequeña corriente en el BJT es suficiente. Por lo tanto, R2 tiene que ser bastante grande (para obtener I_BJT_Collector ~ 1mA) y R1 lo suficientemente grande (pero no demasiado, de lo contrario, la carga tarda demasiado y se disipa demasiada energía). Sin embargo, ¿puede suponer un problema para la descarga, ya que las cargas acumuladas no se pueden evacuar?

EDIT2 : sé que en el esquema representé un transistor NMOS, pero no había ningún símbolo PMOS en el programa esquemático que estoy usando actualmente. ¡En realidad es un PMOS!

EDIT3 : en segundo lugar, aunque no estoy seguro de que esto funcione, ya que la corriente se impone en el NPN, no a través de R1. Puede funcionar si la corriente que ingresa al MOS (I_G> 0) se suma a la corriente del colector del NPN (I_C> 0). De esta manera, la caída de voltaje aumenta y la conducción está asegurada. Sin embargo, todavía hay dudas sobre el proceso opuesto.

¿Estás absolutamente seguro de que quieres un convertidor de dinero? De lo contrario, un convertidor flyback puede ser más adecuado para su aplicación (conmutación aislada + de lado bajo).
@W5VO: desafortunadamente, los transformadores de 50 Hz (incluso 250 W) son demasiado caros (> 50 $ / pieza en más de 50 piezas). Creo que si el transformador cuesta> que el doble del costo del resto de la configuración, algo está mal. Es una pena porque de lo contrario hubiera sido una buena idea.
@usuario: El método flyback que menciona W5VO impulsa el primario de un transformador a alta frecuencia. Dichos transformadores son más pequeños y más baratos para el mismo nivel de potencia que los de "hierro grande" que funcionan con la frecuencia de la línea de alimentación original.
@OlinLathrop: entonces el interruptor se usa para generar un voltaje de alta frecuencia presudo-AC que luego pasa a través del transformador (si lo hice bien). Desafortunadamente, parece que no puedo encontrarlos en los catálogos de los principales distribuidores (por ejemplo, Mouser) en "Transformadores de potencia". Tal vez estén clasificados como "transformador de audio" (tal vez aquí: ch.mouser.com/Power/Transformers/Audio-Signal-Transformers/_/… ). 3 $ por 75 W no es tan malo.
@usuario: ningún transformador destinado a aplicaciones de energía flyback definitivamente no se llamaría "audio". Ese es un conjunto completamente diferente de compensaciones.
@OlinLathrop: ¿alguna referencia a un transformador POWER HF (o un ejemplo fuera de los catálogos)?
Su circuito propuesto funciona en teoría si calcula cuidadosamente la corriente y se asegura de que la compuerta se conduzca al nivel adecuado, ni muy poco ni muy lejos. Sin embargo, no podrá conducir con una corriente significativa, de lo contrario habrá mucha disipación. La corriente deberá ser baja, por lo que las resistencias deben ser altas y el tiempo constante con la capacitancia de la puerta larga. Podría poner un seguidor de doble emisor entre R1 y la puerta para acelerar las cosas. Aún debe considerar la disipación a ese voltaje. 10mA x 360V = 3.6W, bueno.
@OlinLathrop: 3.6W no me parece mucho, especialmente para fuentes de alimentación de alto vataje. Entonces, ¿no hay alternativas en absoluto? Entonces me pregunto cómo es que todos los adaptadores de CA (universales) para 12V a 0.8A-3A son tan baratos. Sin embargo, es cierto que cuanto mayor sea la potencia, más caros se vuelven. Ese no es realmente el caso de las fuentes de alimentación de PC: 500 W a alrededor de 30 $. Deben usar algún tipo de truco también.
@OlinLathrop: además, el problema persiste con el circuito flyback: cómo hacer que el NMOS supere el voltaje de la línea de alimentación o el PMOS a ese nivel. Una posible solución puede ser colocar el NMOS DESPUÉS del primario del transformador y luego conectarlo a tierra de la línea eléctrica.
De lo contrario, la solución "simple" (y menos eficiente en el consumo de energía) para dispositivos de alta potencia (y grandes) puede ser comprar algunas PSU ATX (30-50 $ por 500 W más o menos), usar los rieles de 12 V por dinero/ con fines de impulso y los rieles de 3,3 V/5 V con fines de reducción (si es necesario). Algo parecido a lo que se describe aquí: wikihow.com/… . Sin embargo, me parece extraño que no se pueda comprar un transformador de esa potencia a bajo precio. Toda la fuente de alimentación cuesta mucho menos que el transformador por sí solo.
Solo un pensamiento: sé que es una especie de "tecnología antigua" (lentas, mayores pérdidas de conducción, etc.), pero ¿podrían funcionar los tiristores / triac en este caso? No habría problema en comandarlos (controlador de puerta estándar, no necesita voltaje muy alto). Sin embargo, esto no soluciona el problema del aislamiento/transformador. En Mouser solo encontré transformadores flyback de 50 W máx. a alrededor de 15 $, lo que no está nada mal. Desafortunadamente, solo están clasificados en 60V_DC max :(

Respuestas (1)

El cambio de lado alto siempre es complicado. No hay formas fáciles y simples, solo varias compensaciones.

Los transistores PMOS son buenos porque pueden funcionar dentro del voltaje existente. El voltaje de la puerta debe estar por debajo del voltaje de entrada entre 12 y 15 V para encenderlos por completo. La desventaja es que los MOSFET de canal P suelen tener características un poco peores que el canal N equivalente.

El canal N puede tener una mejor combinación de Rdson, tolerancia de voltaje y costo, pero requiere que de alguna manera haga un voltaje más alto que la entrada para controlarlos. Algunos chips de controlador FET de lado alto incluyen una bomba de carga u otro truco para este propósito. Otra desventaja de un interruptor lateral alto de canal N es que la puerta debe oscilar mucho más, de cero a 12-15 voltios por encima de la entrada. Esto se debe a que el voltaje de la puerta es relativo a la fuente, que ahora sube y baja con el cambio de voltaje. Esto requiere altas velocidades de giro para mantenerse fuera de la región parcialmente encendida tanto como sea posible, y brinda más oportunidades para la captación de ruido en otros lugares.

No hay una solución fácil.

Sin embargo, en su caso particular, es posible que no necesite un interruptor lateral alto. Como mencionó W5VO en un comentario, una topología flyback solo requiere un interruptor lateral bajo en el primario. El lado alto puede permanecer conectado al voltaje de entrada.

Otra posibilidad es un primario con derivación central con el transformador funcionando en modo directo. El grifo central va al voltaje de entrada con un interruptor lateral bajo que tira de cada extremo alternativamente a tierra. Una vez más, no hay almuerzo gratis, que en este caso se exhibe por los interruptores del lado bajo que ahora tienen que soportar el doble del voltaje de entrada. Esta es la razón por la cual la topología con derivación central se usa más para voltajes de entrada más bajos y, por lo general, no para energía "universal" en todo el mundo, que necesita manejar hasta 260 V CA más o menos. Eso significaría picos de 368 V y tensión de 735 V en los interruptores del lado bajo. Los transistores con ese tipo de capacidad de voltaje renuncian a otros parámetros, como ganancia en bipolares y Rdson en FET.

No hay almuerzo gratis.

Agregado:

Quise decir esto antes, pero de alguna manera se me escapó. Lo más probable es que necesite un transformador de todos modos para obtener aislamiento. A menos que realmente sepa lo que está haciendo, desea que el suministro resultante esté aislado de la línea eléctrica. La principal excepción es si la energía permanece completamente dentro de una caja sellada y ni siquiera hay una conexión a tierra con el mundo exterior. De lo contrario, corre el riesgo de que un usuario se conecte al lado vivo de la línea de CA en caso de que algunas cosas simples salgan mal. Hay una buena razón por la que las fuentes de alimentación comerciales están aisladas en su mayoría.

Dado que probablemente desee aislamiento, el problema se convierte en cómo manejar un transformador en lugar de cómo hacer un conmutador de inversión directamente.

Gracias por su respuesta completa. Entonces, necesito un transformador POWER HF (~ 100 kHz o similares, tal vez incluso 50 kHz, con suerte "barato") o algún circuito de control. Veo que los POWER PMOS también cuestan casi el doble del precio de sus respectivos NMOS. Si bien los PMOS se pueden controlar a través de un optoacoplador (que existe por ~ 1 $ / pieza), no hay muchos controladores MOSFET (si los hay) para ese voltaje (hasta un pico de 380 V). Supongo que esto requeriría que lo hiciera en componentes discretos. Actualizaré mi publicación original con la solución PMOS que tengo en mente en este momento. Sin embargo, no tengo idea de una conducción NMOS discreta.
Solo para que sepas: le pregunté a uno de mis profesores y dijo lo mismo que tú, lo que reforzó la necesidad de un transformador (que dijo que hubiera sido mejor si se construyera en casa, solo por su precio). Dijo que un transformador, además del aislamiento galvánico, proporciona un buen rango dinámico para la señal PWM, lo cual es bueno para el arranque/parada de algunos tipos de cargas.
@usuario: Parece que tu profesor sabe de lo que está hablando.
Sí, seguramente lo hace. No es que no confíe en tus consejos, solo quería preguntarle porque durante el curso que me dio parecía que los transformers ya no existían.
@usuario: Los transformadores están muy vivos y lo estarán en el futuro previsible. La gran mayoría de las fuentes de alimentación de pared contienen un transformador. Esta es realmente la única forma actual de obtener una potencia significativa a través de una barrera de aislamiento. Quizás su profesor se refería a los transformadores de "hierro grande" que manejan la energía de la pared directamente y la reducen a aproximadamente el voltaje deseado. Esos ya casi se han ido. Los transformadores dentro de las fuentes de alimentación modernas son mucho más pequeños y económicos, ya que funcionan a 100 s o kHz, no a la potencia de pared de 50 o 60 Hz.
Sí, pero lo extraño es que dijo que los transformadores de alta frecuencia (~ 100 kHz) eran más grandes porque el cable de cobre tenía que ser más grande (porque a ~ 100 kHz la corriente casi fluye solo en la superficie del conductor, mientras que a 50/60 Hz fluye aproximadamente por toda la sección). También dio otra razón que no puedo recordar en este momento. La "única" razón por la que los transformadores de ~ 100 kHz pueden ser más pequeños es porque la energía correspondiente es mucho más alta (E ~ f) o al menos eso leí. A frecuencias más altas, los propios transformadores (núcleos) son más pequeños, mientras que el tamaño del cable es mayor. ¿Estoy en lo correcto?
@usuario: Es posible que el cable deba ser un poco más grande debido al efecto de piel, pero el núcleo puede ser mucho más pequeño. En general, los transformadores de fuente de alimentación de conmutación de 100 kHz son mucho más pequeños, livianos y económicos que los que funcionan a 50 o 60 Hz con el mismo nivel de potencia.
Así que básicamente vale la pena el intercambio. Mi profesor dijo que en realidad no le gustaba el transformador de topología flyback debido a los "picos" de alto voltaje durante la conmutación. Sin embargo, la otra topología (hacia adelante) parece ser popular "solo" para aplicaciones de baja potencia (< 1kW) y no estoy seguro de si también crea picos de voltaje. Dijo que debería usar un transformador estándar de 50 Hz (DIY) que también me sonaba un poco extraño. Creo que puedo comprar un par de núcleos de transformador (por ejemplo, EPCOS N87, Farnell: 1781876), pero realmente no entendí para qué frecuencia se diseñaron estos núcleos.
De todos modos, en ambos casos, el uso de un transformador genera un gran problema: supongamos que quiero una fuente de alimentación de 2kW. Reduzco el voltaje de 230 V_CA a 48 V_CA, que es un mejor rango dinámico para una salida de 12 V_CC (30 V_CA sería aún mejor). Esto significa que en el primario tendré aproximadamente 9A y en el secundario aproximadamente 42A. En el lado primario ya puede ser bastante difícil (alambre de más de 2,0 mm [diámetro] de grosor), pero en el lado secundario es casi imposible (al menos con los tamaños vendidos por mi distribuidor local). Esto me lleva a creer que tendría que usar múltiples transformadores o
múltiples devanados secundarios (secundarios en paralelo), lo que plantea otro problema (incluso el equilibrio de carga entre transformadores).
@usuario: 2 KW no es un diseño trivial. Tendrá que usar todos los trucos del libro para obtener una buena eficiencia, luego lidiar con el calor residual seguirá siendo un problema importante. En ese nivel de potencia, deberías estar pensando en múltiples fases de todos modos. Tal vez 4 fases de 500 W cada una con una separación de 90 grados.
¿Qué esquema de transformador propones? ¿Convertidor hacia adelante? ¿Por qué múltiples fases? Puedo entender que la carga debe equilibrarse en el lado secundario (de ahí mi preocupación con 40A: S). Si lo entiendo correctamente, está proponiendo generar 4 señales PWM (por lo tanto, 4 convertidores, 4 transformadores), generar (por ejemplo) 12 V en cada salida y luego converger toda esa potencia en un bus de CC común, ¿correcto? Tiene que encontrar una buena manera de crear este autobús común. Schotty diodesat en la salida de cada convertidor crearía "muchas" pérdidas.
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