KEEN SIDE успешно заменяет аналогичные продукты таких известных брендов, как Phoenix Contact, Weidmueller, Degson, Winstar, Hsuan Mao, KLS, G-NOR, Mean Well и др.

Простой способ решения проблемы управления затвором MOSFET

TPL191B

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2014

Sajjad Haidar

Electronic Design

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

Когда пороговое напряжение затвора MOSFET или IGBT превышает напряжение, которое можно получить от управляющей им схемы, стандартным приемом решения проблемы является использование операционного усилителя или специального драйвера. В предлагаемой схеме, выполняющей такую же задачу, используется оптоизолятор с горсткой простых пассивных компонентов.

В некоторых случаях возникает необходимость управлять MOSFET (или IGBT) с помощью сигнала, уровень которого ниже порогового напряжения затвора (VTH). Чтобы поднять сигнал до уровня, достаточного для управления транзистором, обычно используют драйвер или операционный усилитель (ОУ). Однако, если напряжение источника, питающего устройство, ниже или близко к VTH, управлять затвором MOSFET не сможет даже rail-to-rail ОУ.

Ниже описана простая схема управления затвором MOSFET, позволяющая использовать сигнал, амплитуда которого меньше VTH (Рисунок 1).

Простой способ решения проблемы управления затвором MOSFET
Рисунок 1. Источник тока на основе оптрона позволяет использовать
для управления MOSFET сигнал, уровень которого ниже
порогового напряжения затвора. (R3 – внутреннее
сопротивление генератора импульсов).

Изолированный светодиод диодного оптрона U1 питается напряжением нагрузки 2.5 В, а потенциометр R1 (100 кОм) подключен к выходу оптрона. Поскольку U1 является устройством с фотогальванической связью, в диапазоне напряжений до нескольких вольт, зависящем от характеристик конкретного прибора, он действует как источник постоянного тока.

Изменяя сопротивление резистора R1, можно менять смещение MOSFET Q1, управляя таким образом напряжением на R1 (Рисунок 2). Если сопротивление резистора R4 выбрать равным 68 Ом, ток светодиода установится на уровне порядка 16.5 мА, при котором ток короткого замыкания ISC фотогальванического выхода будет равен примерно 48 мкА. Конденсатор C1 обеспечивает низкоимпедансный путь прохождения сигнала; его емкость должна быть больше входной емкости Q1. Для нашей схемы мы выбрали C1 = 0.1 мкФ, что превышает емкость затвора использованного MOSFET.

Простой способ решения проблемы управления затвором MOSFET
Рисунок 2. Выходная характеристика прибора с фотогальванической
связью показывает, что изменяя сопротивление R1,
можно изменять смещение MOSFET.

Для тестирования схемы использовалась чисто резистивная нагрузка (2 Ом). С помощью подстроечного резистора R1 на затворе Q1 устанавливают напряжение, близкое к пороговому, которое, согласно измерениям, равно примерно 1.9 В. При использовании оптрона TPL191B максимально достижимое выходное напряжение составляет примерно 7 В (при этом VOC равно примерно 8 В), что превышает пороговое напряжение VTH большинства устройств. К входу схемы VIN подключался генератор сигналов с внутренним сопротивлением 25 Ом, обозначенным на схеме как R3. Амплитуда сигнала составляла примерно 1.2 В. Как входное напряжение VIN, так и выходное напряжение VOUT измерялись осциллографом (Рисунок 3).

Простой способ решения проблемы управления затвором MOSFET
Рисунок 3. Совмещение на одной диаграмме выходного и входного
напряжения позволяет увидеть небольшую задержку
времени включения и выключения, в основном,
обусловленную внутренним сопротивлением
генератора импульсов, используемого в качестве
источника тестового сигнала.

Общее напряжение, включающее MOSFET, составляет 1.2 В + 1.9 В = 3.1 В, что, превышает напряжение питания 2.5 В. Незначительная задержка включения и выключения обусловлена, прежде всего, внутренним сопротивлением R3 генератора импульсов. Небольшие выбросы выходного напряжения во время выключения связаны с тем, что сопротивление резистора R2 содержит небольшую индуктивную составляющую. В зависимости от тока стока и крутизны выбранного MOSFET, для переключения транзистора можно использовать входной сигнал меньшего уровня.

Схема работает в диапазоне от постоянного тока до высоких частот. Верхняя граница зависит только от используемого MOSFET. Чтобы посмотреть, что получится при установке в схему других MOSFET, воспользуйтесь LTSpice или иными средствами моделирования, заменив оптрон источником постоянного тока. Для нашей схемы используйте в модели источник тока 48 мкА.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Simple Circuit Overcomes MOSFET Gate-Threshold Voltage Challenge

Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения (только последние 20 сообщений):Полный вариант обсуждения »
  • Плюс на затворе должен быть относительно истока. У вас затвор висит в воздухе по постоянному току.
  • В чём весь и смысл ... суммирование только по приходу импульса ... зачем мне сквозняки ... :)
  • Я БЫ СДЕЛАЛ НЕ ТАК ...
  • Как вы не поймёте? Включаем схему. Оптрон выдаст, например, 1,9 в. Это напряжение приложено между затвором и правой обкладкой конденсатора. А сколько вольт будет между истоком и затвором после окончания переходного процесса? Ведь только это напряжение позволяет судить о состоянии мосфета. Напряжение распределится прямо пропорционально сопротивлениям изоляции затвора и конденсатора, измеряемыми мегаомами. Вполне возможно, что оно в бОльшей степени зарядит конденсатор (минус на правой обкладке). При поступлении импульса это напряжение будет вычтено из амплитуды импульса. Не годится и вторая схема. Токи, создаваемые фотодиодами оптронов измеряются микроамперами. Три последовательно включённые оптрона будут ограничивать ток зарядки ёмкости затвора. В результате фронт импульса на затворе может растянуться на секунды.
  • Моделька для IRF640. Синим цветом - сигнал на стоке. Зеленый - входной.
  • Совершенно верно - в этой схеме нет оптронов (3 шт)! Да и затвор гальванически соединён с землёй, а не висит в воздухе.
  • И выходной график в точности повторяет входной :) ... И напряжение на затворе ...типа 3,1 в ... а питающее ниже затворного ...
  • Ну, если длительность фронта 1 мкс не нравится, то в трёхоптронной схеме завал будет в сотни раз больше.
  • Да я о фронтах. Они изрядно завалены, особенно при выключении; не всегда это приемлемо. Моделька для 3103. Красным добавлен сигнал на затворе.
  • Прокомментируйте пожалуйста ... почему питающее вами взято 5 вольт , а не 2,5 в ... И картинку ...
  • Пожалуйста. Моделька иллюстрирует принцип, для этого неважно, какое напряжение и ключи брать. При нулевом сигнале на входе подбираете напряжение "вольтодобавки" таким, чтобы ключ оставался закрытым, но вблизи порога включения. Сигнал на входе должен быть таким, чтобы сложившись с напряжением "вольтодобавки" надежно открыть ключ. Все это описано в статье. Вторая картинка подогнана под пример из статьи. А вообще я привел их, чтобы показать плохие фронты на ключе. И в данной схеме это ничем не лечится.
  • Вижу не суммирование сигналов ... а просто задранную до напряжения оптрона землю ... схема говно ... что и хотел довести сразу ... но интуитивно ... образования не хватило :) ... Спасибо ...
  • [COLOR=Red]Причём здесь количество оптронов , если напряжение выставляется переменными резисторами ? ... схема принципиальная ... если хватает затвору ... поставь один ... не хватает ... 10 :mad: ток оптронов мал ... быстродействия не хватает ... так прогресс не стоит на месте ...[/COLOR] [COLOR=Blue]Скажите ... например , после любой микросхемы ШИМ , при отсутствии сигнала ... на затворе обязательно присутствует какой - то потенциал :confused: ...[/COLOR] Что вы пытаетесь доказать мне ? ... [url]http://www.mnemosyne.ru/audio/galich-6.mp3[/url]
  • [B]НОВОРОСЬЕВИЧ[/B], не обижайся. Ничего я не пытаюсь доказать кроме того, что твои схемы в самом деле не годятся. Импульс на затворе должен быстро заряжать и разряжать ёмкость затвора. Фотодиоды в принципе не могут это обеспечить. У ТС фотодиоды (оптрон) служат для создания напряжения смещения, а низкое сопротивление в цепи затвора обеспечивают генератор сигналов и конденсатор, заряжаемый фотодиодами. Оптрон позволяет создать напряжение до 8 в. Т.е. хватит одного. Для мосфета лучше, когда при отсутствии сигнала напряжение на затворе равно нулю. Напряжение смещения при отсутствии сигнала - это вынужденная мера при низких напряжениях. Осциллограмма сигнала на затворе от loxox сомнительна. Если такие плохие фронты, то причиной может быть либо косяк симулятора, либо неприлично большой ESR конденсатора.
  • Сомневаться не надо, видимо, Вы забыли о резисторе 25 Ом, через который происходят заряды-разряды емкости затвора.
  • Давайте посчитаем. Ёмкость затвора 1650 пф, сопротивление 25 ом. Постоянная времени 0,04125 мкс. А вы говорите...
  • Я ПОЧЕМУ и просил пояснить картинку ... нет там резистора 25 Ом ... это эквивалент внутреннего сопротивления генератора ... а рядом с источником сигнала ... ещё какое - то сопротивление фигурирует ... нет ли ошибки ?
  • Ага, даже настаиваю:) В случае с конденсатором вместо затвора так и будет, как Вы говорите. Однако у нас не конденсатор 1650 пФ, а затвор ПТ. "Косяк симулятора" - это учет моделью влияния стоковой емкости (эффект Миллера, слыхали?:) ) Искривление сигнала на затворе (от идеальной зарядной кривой) происходит как раз в момент открытия ключа. Есть там резистор 25 Ом :) Нет разницы, где нарисовать эквивалент внутреннего сопротивления генератора - оно все равно включено последовательно. В приложенной мной модельке у генератора сигнала задано внутреннее сопротивление 0,1 Ома. Итого:0,1+25=25,1 Ом. Вот только его уменьшение и может улучшить фронты...
  • [B]loxox[/B], вы, очевидно, любитель поспорить. Ёмкость затвор - сток, которая создаёт эффект Миллера, в этой схеме можно и не учитывать. Во-первых, она всего 650 пф, а во-вторых, напряжение на стоке всего 2,5 в. А по косякам симуляторов могу сказать, что я их неоднократно наблюдал. Реально спаянная схема работает, а в симуляторе нет или не так.
  • Не надо переходить на личности. Лучше соберите эту простенькую схемку и убедитесь, что теория и модель в симуляторе подтверждаются на практике. Я-собрал. Миллер все равно круче нас, смиритесь с этим. И не вводите других в заблуждение.
Полный вариант обсуждения »