Cvičení 12. Příklad výkonové aplikace. Výkonový MOSFET spínání induktivní zátěže: Měření,

Cvičení 12

Příklad výkonové aplikace

Výkonový MOSFET – spínání induktivní zátěže: • Měření, • SSimulace u ace v PSpice Sp ce

Elektronické prvky

A2B34ELP

Příklad výkonové aplikace +PWR PWR IZ

• Prosté zapínání a vypínání

vypnuto

M MCU

zapnuto

IZ

t

SW

cv.12/str.2

Příklad výkonové aplikace +PWR PWR IZ

• Prosté zapínání a vypínání • Řízení výkonu/otáček Řízení výkonu/otáček

vypnuto

M

IZ

= pulzně‐šířková modulace (PWM)

MCU

zapnuto

SW

t

IZ

PWM

t

cv.12/str.3

Příklad výkonové aplikace +PWR PWR • Prosté zapínání a vypínání • Řízení výkonu/otáček

M

= pulzně‐šířková modulace (PWM)

SW

MCU Bipolární tranzistor (BJT)

Unipolární tranzistor (MOSFET)

Přání: • Zanedbatelný úbytek napětí spínače v sepnutém stavu ý y p p p = minimalizace statického ztrátového výkonu tranzistoru v sepnutém stavu, maximalizace účinnosti

• Maximální rychlost zapínání a vypínání = minimalizace dynamického ztrátového výkonu tranzistoru při zapínání a vypínání = minimalizace dynamického ztrátového výkonu tranzistoru při zapínání a vypínání

• Minimální potřebný řídicí výkon = minimální zatížení řídicí jednotky

cv.12/str.4

Příklad výkonové aplikace – BJT nebo MOSFET ??? +PWR M MCU Bipolární t tranzistor it (BJT) ☺ Malé UCE(sat) Pomalé zapínání/vypínání p yp Velký trvalý proud IB NEVÝHODY PŘEVAŽUJÍ NEVÝHODY PŘEVAŽUJÍ

SW

Unipolární tranzistor (MOSFET) ☺ Malé RDS(on) ☺ Rychlé zapínání/vypínání y p / yp Velký impulzní proud IG ☺ VÝHODY PŘEVAŽUJÍ Ý Ř Ž Í cv.12/str.5

Příklad výkonové aplikace – řídicí obvod nutný !!! +PWR

Výkonové tranzistory BJT/MOSFET není možné řídit přímo z běžného mikrokontroléru

M

MCU

Řídicí obvod

Řídicí +IB obvod −IB

SW

s výjimkou nízkovýkonových spínacích tranzistorů do IC nebo ID řádu 1A

Řídicí obvod

+IG −IG UGS Ciss

Řídicí obvod – požadavky: BJT Zapnutí: trvale +IB ≈ IC/20 Vypnutí: impulz impulz −IIB ≈ I ≈ IC/20 tr = tf ≈ 1 μs

MOSFET Zapnutí: UGS ≈ 10V @ impulz +IG ≈ 1A/1nF Ciss Vypnutí: UGS ≈≈ 0V 0V @ impulz −IG ≈ 1A/1nF C ≈ 1A/1nF Ciss tr = tf ≈ 10 ns cv.12/str.6

Příklad výkonové aplikace induktivní zátěž => nutná induktivní zátěž => nutná ochrana !!! ochrana !!! +PWR 10 .. 15V M

3,3 .. 5V

MCU

Je nutná ochrana, funkce vysvětlena dále.

MOSFET DRIVER

Téměř každá výkonová zátěž Téměř každá výkonová zátěž se chová jako induktivní !!! M

RZ LZ cv.12/str.7

Příklad výkonové aplikace – konkrétní realizace +PWR +PWR 10 .. 15V M

3 3 5V 3,3 .. 5V

M MCU

MOSFET DRIVER

MCU

+50V +15V +15V

GP0 MCLR VSS VDD GP1 GP2 PIC10F200

6 5 4

100n

1u

D1 SK56

+15V

M 2

+15V

C3

U2 1 2 3 4

VDD VDD IN OUT1 NC OUT2 GND GND TC1411N

8 7 6 5

2

1 2 3

C1 100n +5V

C2

Q1 IRF840

1 3

U1

1

+5V

cv.12/str.8

Výkonový MOSFET – induktivní zátěž

(1.) Vypnutý stav: UGS = 0V UDS = UDD= 15V

IG = 0A ID =IDSS →0

(2.) Sepnutí : UGS ↗ UDS ↘

IG kl kladný impulz d ýi l do d vstupní kapacity (≈ ík i ( Ciss) ID ↗ (v závislosti na typu a velikosti zátěže)

(3.) Sepnutý stav : UGS = 15 V 15 V UDS = ID · RDS(on)

IG = 0A ID = UDD /(RDS(on)+RLz+RZ)

(4.) Vypnutí: UGS ↘ ↘ UDS ↗

IG záporný impulz á ýi l do d vstupní kapacity (≈ ík i ( Ciss) ID ↘ (v závislosti na typu a velikosti zátěže)

ULZ = –Lz.di/dt

překmit napětí UDS

cv.12/str.9










ULZ = –Lz.di/dt


cv.12/str.10










ULZ = –Lz.di/dt


cv.12/str.11










ULZ = –Lz.di/dt


cv.12/str.12










ULZ = –Lz.di/dt


cv.12/str.13

Výkonový MOSFET – řídicí obvod (driver) Orientační výpočet proudového impulzu I č í ý č d éh l G +50V

1

+15V +15V C3

100n

1u

D1 SK56

+15V

M 2

+15V

C2

VDD VDD IN OUT1 NC OUT2 GND GND TC1411N

8 7 6 5

Q1 IRF840

1 3

1 2 3 4

2

U2

IG

UGS

Proudový impulz IG :

Zjednodušený orientační výpočet ≈ nabíjení/vybíjení vstupní kapacity C Zjednodušený orientační výpočet ≈ nabíjení/vybíjení vstupní kapacity Ciss pro Ciss = 1,3 nF UGS = 15 V tr UGS = 25 ns

U GS tr

= katalogová hodnota pro IRF840, ≈ VDD a tedy i VOUT1,2 driveru, = náběžná hrana VOUT1,2 driveru

15 I G ≈ 1,3.10 ⋅ = 0,8 A !!!!! 25.10 −9 −9

I G ≈ Ciss ⋅

Nutný kvalitní MOSFET driver !!! cv.12/str.14

MOSFET driver TC1411

Výkonový MOSFET – vypínání induktivní zátěže Vý č překmitu napětí U Výpočet ř k i ě í ULZ Překmit napětí ULZ :

U Lz = − LZ ⋅

di dt

pro UDD = 15V, U DD di ≈ I = D LZ = 100μH, RDS ( on ) + RLz + RZ RZ = 100Ω, = 100Ω, dt ≈ t f RLz → 0, RDS(on)→ 0, = 11ns ((katalogový parametr tranzistoru – g ýp reálně bude větší)) tf

(

)

U DD 15 = = 0,15 A RZ 100 0,15 I U Lz = − LZ ⋅ D = −100.10 −6 ⋅ = −1360 V !!!!! −9 11.10 tf ID =

((reálně bude menší))

V obvodu s induktivní zátěží je nutné tranzistor chránit !!! cv.12/str.16

Výkonový MOSFET – vypínání induktivní zátěže O h Ochrany před překmitem U ř d ř k i ULZ Po vypnutí tranzistoru převezme proud ID dioda; místo překmitu pouze úbytek na diodě (čárk. průběh)

Po vypnutí tranzistoru teče proud přes diodu D do ochranného kondenzátoru C (proudová cesta i1) j p y j p Při následujícím sepnutí se vybije kondenzátor C přes odpor R a tranzistor (proudová cesta i2) cv.12/str.17

Výkonový MOSFET IRF840 – použitý v měřicím přípravku A2B34ELP použitý v měřicím přípravku A2B34ELP

Výkonový MOSFET IRF840




Výkonový MOSFET – měření Spínání induktivní zátěže Spínání induktivní zátěže

U Lz

di = − LZ ⋅ dt

Překmit ULZ jako nežádoucí Překmit U jako nežádoucí efekt spínání efekt spínání A ochrany proti překmitu

např. spínání motorů, relé…

Překmit ULZ jako žádoucí efekt spínání A jeho využití A jeho využití

např. DC/DC konvertory… např. DC/DC konvertory…

cv.12/str.23

Výkonový MOSFET – měření Spínání induktivní zátěže Spínání induktivní zátěže

U Lz

di = − LZ ⋅ dt

Překmit ULZ jako nežádoucí Překmit U jako nežádoucí efekt spínání efekt spínání A ochrany proti překmitu

např. spínání motorů, relé…

• Vliv velikosti RG (= rychlosti nabíjení vstupní kapacity Ciss ) na rychlost spínání a tedy i na velikost ULZ • Funkce ochrany proti překmitu ULZ

Překmit ULZ jako žádoucí efekt spínání A jeho využití j y

např. DC/DC konvertory… p / y

• Princip funkce zvyšujícího DC/DC měniče = výstupní napětí >> napájecí ý í ěí á í napětí ěí cv.12/str.24

Výkonový MOSFET – měření Základní zapojení úlohy ákl d í í úl h

cv.12/str.25

Měření překmitu napětí UDS

U1 = 5 Vpp / 20 kHz, LZ = 100 μH/50Hz ale v naší aplikaci 33 / μH/1MHz / RZ = 100 Ω, RG = a) 100 Ω b) 1 kΩ b) 1

RG

U1

Na osciloskopu odečtěte pro RG = 100 Ω a 1 kΩ : tf = …… μs ID = …… A UGS(th)= …… V ULz = …… V Porovnejte vypočtené a změřené ULz

ID/UDS

+15V UCC

+15V UDD

U Lz ≈ LZ ⋅ I D t f cv.12/str.26

Měření překmitu napětí UDS Výsledky zaznamenejte do připraveného sešitu Excel ý l dk d ř éh š l

cv.12/str.27

Zjednodušený princip DC/DC měniče UDD

LZ Řídicí a regulační obvod

Překmit ULZ usměrnit do kondenzátoru U2 > UDD

Zapojení pro měření principu DC/DC měniče Zapojení pro měření principu DC/DC měniče

cv.12/str.28

Jak dosáhnout co nejvyššího napětí U2 ???

U2 > UDD

Malý RZ → velký proud I Malý R → velký proud ID

U 2 ≈ U DD − U Lz

ZVÝŠIT di ID = U DD + LZ ⋅ = U DD + LZ ⋅ tf dt

RZ = 56 Ω RG G = 0 Ω

SNÍŽIT Malý RG→ rychlé nabíjení a vybíjení Ciss → krátká vypínací doba tf cv.12/str.29

Výkonový MOSFET – DC/DC měnič U1=5 Vpp / 10 kHz .. 200 kHz RZ= 56 Ω RG= 0 Ω U2= ……….

+15V UCC

+15V UDD

U1 U2 cv.12/str.30

Výkonový MOSFET – spínání induktivní zátěže PSpice – simulace překmitu napětí U simulace překmitu napětí ULZ 1) Spustit Capture/Design Entry CIS 2) File – Open Project …\12_MOSFET_L\mosfet_l.opj K dispozici jsou dva simulační profily: 1. Časová oblast – překmit napětí ULZ 2. Časová oblast – vliv ochranné diody Nastavte simulační profil „prekmit“.. profil „prekmit Proveďte simulaci odpovídající odpovídající Předchozímu měření.

cv.12/str.31

Výkonový MOSFET – spínání induktivní zátěže PSpice – simulace vlivu ochranné diody simulace vlivu ochranné diody 1) Spustit Capture/Design Entry CIS 2) File – Open Project …\12_MOSFET_L\mosfet_l.opj 2) File Open Project …\12 MOSFET L\mosfet l.opj K dispozici jsou dva simulační profily: 1. Časová oblast – překmit napětí UDS 2 Č 2. Časová oblast – á bl t vliv ochranné diody li h é di d Nastavte simulační profil „vliv_diody“. Proveďte simulace odpovídající předchozímu měření Proveďte simulace odpovídající předchozímu měření.

cv.12/str.32

Výkonový MOSFET – spínání induktivní zátěže Výsledky zaznamenejte do připraveného sešitu Excel ý l dk d ř éh š l

cv.12/str.33

Cvičení 12. Příklad výkonové aplikace. Výkonový MOSFET spínání induktivní zátěže: Měření,

Recommend Documents