Драйвер полумоста на биполярных (FET) и MOSFET транзисторах

02.08.2015 https://anteh.ru

Речь о драйвере MOSFET полумоста с защитой от протекания сквозного тока. Несколько примеров того как работать не будет. Способ управления полумостом с использованием схемы с так называемым dedtime общеизвестен, есть готовые микросхемы, но иногда нужно что-то другое.

Результат такой, для минимизации сквозного тока: Либо должна быть максимальная симметрия схем верхнего и нижнего ключей с постепенной раскачкой управляющего сигнала. Под симметрией имеется в виду как симетрия самой принципиальной схемы, разводки печатной платы, так и максимальная близость параметров полупроводников и пассивных элементов используемых в плечах. Полупроводники желательны на одном кристале, например сдвоенные транзисторы. Симметрия минимизирует сквозные токи, но полностью не исключит и будет зависеть от сложно прогнозируемых факторов. Либо нужно использовать логическую схему гарантирующую одновременное отключение обоих ключей перед переключением, нужен так называемый dedtime. Логическая схема решает ворос, надёжная, универсальная, не требует применения редких, дорогих электронных компонентов. Есть много готовых микросхем для управления MOSFET мостами и полумостам, но они стоят денег, требуют опробации, и случаи применеия бывают разные. В сквозных токах ничего критичного нет, есть области, где они крайне нежелательны и приходится искать компромисы. Либо попробовать использовать такую схему, схема не макетировалась.

Лирика:

Нужно облучать некоторый объект элекромагнитным полем фиксированной частоты около 55 kHz. Разрабатывается выходной усилитель для нагрузки последовательного резонансного контура. Антенна плоская спиральная. Требование простота/надёжность/цена, автономное питание. Вопрос энергопотребления стоит остро.

Рассматривается несколько вариантов решения, с использованием пушпульной схемы на биполярных транзисторах и схемы на MOSFET транзисторах с защитой от сквозных токов.

Для устройства с автономным питанием выбрана пушпульная схема на биполярных pnp, npn транзисторах. Под автономным питанием имеются в виду батарейки.

Пуш пульная схема на биполярных транзисторах с индуктивной нагрузкой, модель:

Захотелось посмотреть на паразитный сквозной ток в нижеприведённой рабочей пушпульной схеме полумоста на биполярных транзисторах:

Идея была замерить ток на резисторе R3. Нагрузка резистивная, ток через R3 должен теч только сквозной + незначительный индуктивный выброс от выводов R4 и соединительных проводов. Для минимизации индуктивности проводников и выводов R3 -это smd 0805 впаянный вплотную к элементам схемы. До этого пробовал выводные проволочные резисторы SQP и выводные углеродистые, индуктивность их выводов сильно увеличивает реальный сквозной ток, практически до тока через R4.

Осциллограмма сквозного тока, измеренная на R3=1 Ом:

Осциллограмма импульса сквозного тока на R3=1 Ом с большим временным масштабом:

Измеренное напряжение импульса на R4 120 Ом = 11,6V. Напряжение питания 14.2V. Чем больше ток нагрузки, тем больше сквозной ток. Амплитуда импульса напряжения на R3 30mV = 30mA сквозного тока, длительность около 100nS.

У Analog Device есть статья "Activity 13A. Amplifier Output Stages", в которой приводится несколько схем защиты от сквозных токов пушпульной схемы на биполярных транзисторах, схемы в живую не проверялись.

Осциллограмма работы вышеприведённой схемы на индуктивную нагрузку, плоскую спиральную антенну 17 Ом актисное сопротивление, индуктивность 144uH, добротность 5, последовательная емкость 44n, скважность 0.5, частота 55kHz, VCC 14.2V: Осциллграмма есть, но какая именно уже не найду.

Пробуем схему MOSFET полумоста на P и N канальных транзисторах. Для поиска решения проблемы протекания сквозных токов нарисована схема, вариант первый:

На схеме все элеметы такие же, как на макетной плате. Q7,Q1 BC847C, Q5 BC857C, X2 IRLML5203, X1 IRLML2502(на схеме) IRLML0100(на макетной плате), X3 шоттки падение напряжение ниже чем на эмитерном переходе Q1. Нагрузка резистивная. С3 С4 со схемы не убирал, показано всё, как было на макетном образце:

Смысл в том, чтобы MOSFET транзисторы X1 и X2, работающие в ключевом режиме, перед переключением переводились в выключенное состояние.

Мысли в слух: начальное состояние: на базе Q7 уровень высокий, транзистор открыт, тогда на базе Q1 буде напряжение падения на шоттки X3, не достаточное для его открытия, Q1 закрыт. Соответственно Q5 открыт, напряжение затвор исток X2 будет пару сотен милливольт, X2 закрыт, его затворная ёмкость разряжена через Q5. X1 открыт т.к. Q1 закрыт и затворная ёмкость X1 заряжена через R24. Т.е. сейчас X2 закрыт X1 открыт.

Посмотрим, что происходит, когда уровень на базе Q7 становится низким. Соответственно напряжение на коллекторе Q7 начинает возрастать, когда оно достигнет напряжения открытия на базе Q1, Q1 открывается и через открытый/открывающийся КЭ переход разряжает затворную ёмкость X1 на землю, соответственно на затворе почти 0 и X1 закрыт. Вместе с тем, Q5 закрывается/закрыт и затворная ёмкость X2 начинает заряжаться через R23, когда она зарядится и разность потенциалов затвор исток превысит пороговое значение X2 откроется. В общем затворная ёмкость X1 разряжается через КЭ переход Q1, а X2 заряжается через R23 4.7k. Соответственно сопротивленик КЭ перехода гораздо меньше сопротивления R23 и X1 закроется раньше, чем X2 откроется. Предположительно какое-то количество времени переходы X1 и X2 транзисторов будут иметь довольно высокое сопротивление и большой сквозой ток не возникнет. Сейчас X1 закрыт, X2 открыт. Будет ли такой же процесс, но в обратном порядке, наблюдаться при установлении низкого уровня на базе Q7 ?. Не будет, какие бы схемы управления не рассматривались, в одну сторону всё красиво в обратную сквозной ток. Поможет схема на логических элементах полностью отключающая оба плеча перед переключением.

По крайней мере сам себя в правдоподобности рассуждений всегда убедиш. При практической реализации схемы получилась следующая картина:

На осциллограмме: синий меандр -управляющий сигнал на базе Q7. Жёлтый -ток потребляемый схемой, точнее напряжение на резисторе 0.01 Ом 1% включённому в разрыв земли. Наблюдаем токовые пики разной амплитуды, доходящие до 12.8 Ампер сквозного тока в момент переключения. По питанию стоит 2 чип керамики по 10uF 16V 1206. Позже выяснилось, измерения были не совсем правдоподобные, каналы осциллографа не имеют гальванической развязки и при съёме показаний, для второго варианта схемы, подключение второго "синего" канала приводило к увеличению показаний сквозного тока c 15mV до 68mV. В любом случае схема даёт большие сквозные токи и для разрабатываемого устройства не подходит.

На макетной плате X1 это IRLML0100, X2 IRLML5203. Ряд параметров X1 и X2 отличаются, в том числе затворная ёмкость по паспорту при заданных условиях отличается минимум в 2 раза. Для снижения сквозного тока можно попробовать комплементарные X1 X2 размещённые в одном корпусе, либо подбирать резтсторы R23, R24

Второй вариант схемы:

На макетной плате: X2 IRLML0100, X1 IRLML520, R6=4.7 Ом, V1=14V, R5=2k. Разумеется нагрузка планируется индуктивная.

Здесь задача та же, реализовать нахождение X1 X2 транзисторов в выключенном состоянии перед переключением. Предположительно картина такая: когда уровень на коллекторе Q3 низкий Q2 выключен Q1 включён, соответственно X1 выключен X2 включён. В процессе переключения происходит следующее: уровень на коллекторе Q3 увеличивается, в процессе достиженя около 0.7V Q2 начинает открываться, Q1 также пока открыт. В какой-то момент Q1 и Q2 оба открыты, что означает, что X1 и X2 оба будут закрыты. Т.е. важно обеспечить наличие промежутка времени, когда Q1 и Q2 оба открыты. Нужна симметричная схема и комплиментарные транзисторы на одном кристале. Попробуем разобраться без использования комплиментарных транзисторов. Текущая схема не симметрична, сложно судить о том, в какой момент что переключается и как между собой соотносится.

Критерием одновременности переключения будет одновременное наличие коллекторных токов Q1 и Q2.

Макетная плата, второй вариант схемы:

Осциллограмма сквозных токов. Синий меандр на базе Q3, жёлтый импульсы напряжения на токоизмерительном резисторе 0.01 Ом 1% включён в разрыв по общему, на схеме не показан, стоит между "общей землёй" и минусом батарейки:

По питанию стоит 2 чип керамики по 10uF 16V 1206. Сквозной ток около 15A. длительность пика 100-150nS. На слух схема зудит как большая муха в полёте). В общем затея не удалась. Минусом схемы является также большой номинал R5. X1 и X2 быстро выключаются, но медленно включаются, их затворная ёмкость заряжается через R5=2k, что слишком много. Это около 7mA. Чем больше ток нагрузки, тем больше джоулей нужно для перезаряда затворной ёмкости. Порядки токов заряда затворных ёмкостей 50mA-3A используются и больше. В общем нужна симметричная схема и R5 хотя бы 180 Ом для 14V питания, это около 80mA.

Принципиальная схема, вариант третий, был и четвёртый, результаты были неудовлетворительными.

Крайний пятый вариант схемы приводится ниже::

Эта схема не макетировалась, времени не оставалось, была реализованна классическая схема с dedtime. Номиналы условные, в процессе макетирования могут быть другими. Смысл схемы убрать сквозной ток через подбор C1 и C2.