Krmiljenje N-channel MOSFETa

V tem delu bomo začetnikom milostno odpuščali vse grehe in jim pomagali, da svoje prve projekte pripeljejo do uspešnega konca

Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a Lovro7 » 30 Okt 2024, 01:10

Pozdravljeni,

Imam IRFP150N MOSFET, katerega želim uporabiti za krmiljenje DC motorja. Za krmiljenje bom uporabljal PWM signal na cca 80kHz.

Pri MOSFETih je moje znanje nekeje pri vklopu in izklopu.

Torej me zanima kateri driver naj uporabim in kako izračunam vse zunanje komponente.

Če prav razumem mi ta gref pove, da če hočem da gre čez MOSFET 6A toka in imam na gate 12V bo napetost med gate in source cca 0,16V.
IMG_1498.jpeg


Kaj mi povejo drugi grafi v datasheetu?
IMG_1499.jpeg

IMG_1500.jpeg



Našel sem tudi ta načrt. Ali je bolje da uporabim ta načrt ali kupim namenski IC?
IMG_1502.png
IMG_1502.png (9.36 KiB) Videno 876 krat



Hvala za pomoč,
Lp Lovro
Vse je lahko žarnica, če je dovolj toka. http://lovro7.eu/index.html
Uporabniški avatar
Lovro7
 
Prispevkov: 241
Pridružen: 11 Feb 2024, 20:19
Zahvalil se je: 109 krat
Prejel zahvalo: 71 krat
Uporabnika povabil: DusanK
Število neizkoriščenih povabil: 5

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a dejko1 » 30 Okt 2024, 08:22

Prvi graf ti pove stanje v statičnem stanju, ja. Kot si ugotovil, bo takrat disipacija na mosfetu 0,96W, če ga boš krmilil z 12V. So pa ti grafi precej odvisni od temperature, če si pogledaš zadnji desni graf je pri max. Tj notranja upornost mosfeta ca. 2.5x večja kot pri 25*C, kjer je izrisan prvi graf.

Če želiš imeti PWM na bremenu moraš upoštevati dinamične razmere, saj je disipacija mosfeta največja med samim preklopom, takrat, ko je notranja upornost enaka upornosti bremena. Max. disipacija med preklopom je tu, če računaš, da je breme ohmsko in ga prav tako napajaš z 12V, 12V / 6A = 2 Ohm. V tem primeru je max. disipacija med preklopom ca. 3A*6V = 18W. Koliko časa traja preklop je odvisno od kapacitivnosti mosfeta (večinoma Cgs, lahko pa ti nagaja tudi Cgd) in toka, ki ga zagotovi tvoj driver. Načeloma hočeš, da mosfet preklopi čim hitreje, saj hitro prideš do tega, da je segrevanje zaradi preklopa večje od statičnega segrevanja. Hitrost preklopa je sicer sorazmerna emisijam, ki jih tvoja naprava seva v okolico, tako da tu iščeš nek ugoden kompromis. Emisije in segrevanje lahko omejiš tudi z zmanjšanjem PWM frekvence.

Motor tudi ni ohmsko breme, tako da moraš verjetno računat, da bo med časom izklopa mosfeta prevajala vgrajena dioda, kar spet privede do disipacije ca. 3W na diodi.

Glede na aplikacijo izračunaš potrebne max specifikacije mosfeta in pričakovano disipacijo. Hitro ugotoviš, da z mosfetom s specifikacijo za 10A verjetno ne boš krmilil 10A bremena :) Na srečo so mosfeti v precej kompatibilnih ohišjih, tako da jih lahko enostavno zamenjaš, če ugotoviš, da izbrani element ni primeren.

Low side integrirani driverji so v notranji zgradbi ponavadi zelo podobni shemi, ki si jo narisal, prednost je, da imaš bolj integriran element.
dejko1
 
Prispevkov: 581
Pridružen: 12 Feb 2015, 12:47
Kraj: Ljubljana
Zahvalil se je: 88 krat
Prejel zahvalo: 204 krat
Uporabnika povabil: gumby
Število neizkoriščenih povabil: 204

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a mare69 » 30 Okt 2024, 08:39

80kHz je kar visoka frekvenca za pwm za DC motor. Je kakšen poseben razlog?
Uporabniški avatar
mare69
 
Prispevkov: 238
Pridružen: 30 Jun 2024, 14:48
Zahvalil se je: 37 krat
Prejel zahvalo: 173 krat
Uporabnika povabil: miharix
Število neizkoriščenih povabil: 85

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a reber » 30 Okt 2024, 08:49

Lovro7 je napisal/-a:bo napetost med gate in source cca 0,16V

Verjetno si mislil Vds, torej napetost med drain in source... pomemben podatek, pri katerem se ni dobro zmotiti

dejko1 je lepo obrazložil, jaz pa bi bolj po domače dodal, kar je on sicer že namignil, da je za zmanjšanje disipacije treba zmanjšati PWM frekvenco.
Torej, disipacija, kot že vemo, je največja v trenutku preklopa, zato je potrebno:
- čim bolj skrajšati čas preklopa (ustrezno krmiljenje G)
- uporabiti manjše število preklopov (nižanje PWM frekvence)
- uporaba zunanje diode vzporedno z MOSFET, za razbremenitev notranje parazitne diode, del disipacije se preseli na to zunanjo diodo
Zmanjševanje disipacije je pomembno, da Tj ostane čim nižji, da posledično ostane Rds nizka.

Lovro7 je napisal/-a:bom uporabljal PWM signal na cca 80kHz

Zakaj tako visoko frekvenco? kaj bi rad dosegel s tem in zakaj meniš da je tako visoka frekvenca potrebna ali dobra?
Motorju bi bila bolj "všeč" precej nižja frekvenca, MOSFETU pa še bolj. Nekje okoli 1KHz bi bil zelo dober kompromis, če ne upoštevamo zoprnega piskanja. Za odpravo piskanja se gre s PWM frekvenco nekoliko višje, v manj slišno frekvenčno območje. Če piskanje ni moteče, ostaneš v območju slišne frekvence.
Sporočila sprejemam na e-mail objavljen na www.reber.si
Uporabniški avatar
reber
 
Prispevkov: 2147
Pridružen: 17 Mar 2015, 20:30
Kraj: Bled
Zahvalil se je: 240 krat
Prejel zahvalo: 807 krat
Uporabnika povabil: s54mtb
Število neizkoriščenih povabil: 255

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a mucek » 30 Okt 2024, 08:51

Sem hotle ravno isto napisati ... Zakaj 80 kHz, zaradi preklopnih izgub bo gretja precej vec, kot bi bilo potrebno. Obicajno se dela tam med 1 in 20 kHz, lahko tudi malo spread spectrum znotraj nekega obmocja, da ne slisis piskanja.
En enostaven driver, ki ga precej uporabljamo, je UCC27531D, bi tudi v tvojem primeru bil ok.

Med drive pina in gate predvidi upora, da lahko kasneje v aplikaciji zrihtas ringing.

Lp, G

Lp, G
... lahko pa se tudi motim ...
Uporabniški avatar
mucek
 
Prispevkov: 2926
Pridružen: 18 Jan 2015, 20:20
Kraj: Ljubljana
Zahvalil se je: 103 krat
Prejel zahvalo: 1185 krat
Uporabnika povabil: s54mtb
Število neizkoriščenih povabil: 230

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a Lovro7 » 30 Okt 2024, 11:35

Hvala za odgovore.

Namesto Vds sem po pomoti napisal Vgs.

Glede frekvence pa sem testiral in sem ugotovil, da motor najboljše deluje na 80kHz. Če je preveč bom znižal frekvenco.

Za začetek bom driver naredil sam. Pred gate bom dal 12R upor.
Če prav razmišljam bo tok čez tranzistorja driverja Ig = 12V/12R = 1A
To pomeni da bo čas preklopa t = Cg/Ig = 110nC/1A= 110nS.

Je pravilno?
Vse je lahko žarnica, če je dovolj toka. http://lovro7.eu/index.html
Uporabniški avatar
Lovro7
 
Prispevkov: 241
Pridružen: 11 Feb 2024, 20:19
Zahvalil se je: 109 krat
Prejel zahvalo: 71 krat
Uporabnika povabil: DusanK
Število neizkoriščenih povabil: 5

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a mucek » 31 Okt 2024, 21:04

V teoriji. V praksi pa štartaj z 0R, obesi gor sondo osciloskopa in glej ringing ter prilagajaj upor tako, da ringing izničiš. Ker ti na kapacitivnost ne vpliva samo Cg ampak tudi tracki itd.
Pa zapiranje naredi preko diode vzporedno z uporom (po potrebi zaporedno diodi še tudi mali upor), da zapira hitreje.

LP, g
... lahko pa se tudi motim ...
Uporabniški avatar
mucek
 
Prispevkov: 2926
Pridružen: 18 Jan 2015, 20:20
Kraj: Ljubljana
Zahvalil se je: 103 krat
Prejel zahvalo: 1185 krat
Uporabnika povabil: s54mtb
Število neizkoriščenih povabil: 230

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a Lovro7 » 20 Nov 2024, 22:01

Ravno testiram to vezje in imam problem. Iz funkcijskega generatorja kvadraten dobim signal 30kHz 5Vpp Vofs=2,5V. Ko signal iz generatorja ni vklopljen (gate Q1 je v zraku) se Q2 greje.
Greje se samo, ko bi moral biti Q2 izklopljen. Ko namesto generatorja priklopim 5V se ne greje.

Vsi NPN tranzistorji so BC547B PNP pa C327-16.
vezje2.png


Kaj bi lahko bilo krivo?
Ali je mogoče, da tok teče med vratima tranzistorjev Q2 in Q3?
Vse je lahko žarnica, če je dovolj toka. http://lovro7.eu/index.html
Uporabniški avatar
Lovro7
 
Prispevkov: 241
Pridružen: 11 Feb 2024, 20:19
Zahvalil se je: 109 krat
Prejel zahvalo: 71 krat
Uporabnika povabil: DusanK
Število neizkoriščenih povabil: 5

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a lojzek » 21 Nov 2024, 06:16

To izgleda kot polovica H bridgea. Q2 in Q3.

Take težave sem imel tudi jaz pri novoletnih lučkah - posebna tema na forumu.

Težava je gotovo v tem da sta delček časa odprta Q2 in Q3 skupaj. Ob prehodu signala iz 1 v 0 in obratno. In takrat pravzaprav naredita kratek stik, pa se eden (ali oba) greje.
Ko daš pa na vhod konstantnih 5V, pa prehoda 1 - 0 ni in se ne greje. Ker nista oba tranzistorja naenkrat odprta.

Jaz sem takrat rešil z mikrokontrolerjem, ki je krmilil tranzistorja in skrbel za pavzo med preklopi. Analogne rešitve mi niso uspele, sem skuril pest tranzistorjev,
lojzek
 
Prispevkov: 447
Pridružen: 25 Feb 2015, 13:18
Zahvalil se je: 21 krat
Prejel zahvalo: 140 krat
Uporabnika povabil: Proteus
Število neizkoriščenih povabil: 14

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a Lovro7 » 21 Nov 2024, 07:19

lojzek je napisal/-a:To izgleda kot polovica H bridgea. Q2 in Q3.

Take težave sem imel tudi jaz pri novoletnih lučkah - posebna tema na forumu.

Težava je gotovo v tem da sta delček časa odprta Q2 in Q3 skupaj. Ob prehodu signala iz 1 v 0 in obratno. In takrat pravzaprav naredita kratek stik, pa se eden (ali oba) greje.
Ko daš pa na vhod konstantnih 5V, pa prehoda 1 - 0 ni in se ne greje. Ker nista oba tranzistorja naenkrat odprta.

Jaz sem takrat rešil z mikrokontrolerjem, ki je krmilil tranzistorja in skrbel za pavzo med preklopi. Analogne rešitve mi niso uspele, sem skuril pest tranzistorjev,


Problem je tako pri 5V kot pri PWM signalu. Bom pouzkusil uporabiti 74HC14 (Schmitt triger inv.), ki ima zelo kratek rise in fall time.
Vse je lahko žarnica, če je dovolj toka. http://lovro7.eu/index.html
Uporabniški avatar
Lovro7
 
Prispevkov: 241
Pridružen: 11 Feb 2024, 20:19
Zahvalil se je: 109 krat
Prejel zahvalo: 71 krat
Uporabnika povabil: DusanK
Število neizkoriščenih povabil: 5

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a mare69 » 21 Nov 2024, 08:45

Za nekaj novega naučiti je tak pristop odličen. Za resnejšo aplikacijo pa priporočam uporabo namenskih gate driverjev.

Nekaj o teoriji delovanja takega driverja si lahko prebereš v infineon datasheetu za npr. 1EDNx550. Še bolj podrobno pa v SLUA618A.
Uporabniški avatar
mare69
 
Prispevkov: 238
Pridružen: 30 Jun 2024, 14:48
Zahvalil se je: 37 krat
Prejel zahvalo: 173 krat
Uporabnika povabil: miharix
Število neizkoriščenih povabil: 85

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a marko » 21 Nov 2024, 09:46

Kot je soimenjak napisal. Če je namen učenje in igranje, potem definitivno ima smisel. Če je karkoli drugega, pa definitivno namenski čip, recimo BTN9970 (https://si.farnell.com/infineon/btn9970lvauma1/motor-driver-40-to-150deg-c/dp/3886352). Deluje super in ima tudi primerne zaščite, diagnostiko, lahko meriš tok, skratka - vse kar rabiš.

Edit: BTN ni samo gate driver, ampak še mosfet, tako da ne rabiš nič drugega razen diode, par uporov in kondenzatorjev.
Če ti v življenju ne gre in si nesrečen, se spomni na lastnike Renaultov.
marko
 
Prispevkov: 1713
Pridružen: 18 Jan 2015, 01:00
Kraj: Žiri
Zahvalil se je: 221 krat
Prejel zahvalo: 282 krat
Uporabnika povabil: VolkD
Število neizkoriščenih povabil: 147

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a Lovro7 » 22 Nov 2024, 21:32

Trenutno je namen učenje. Sicer bom uporabljal to krmiljenje ampak bo bolj testiranje. Cenovno se definitivno bolj splača kupiti namenski driver kot tranzistorje, 7414...
Vse je lahko žarnica, če je dovolj toka. http://lovro7.eu/index.html
Uporabniški avatar
Lovro7
 
Prispevkov: 241
Pridružen: 11 Feb 2024, 20:19
Zahvalil se je: 109 krat
Prejel zahvalo: 71 krat
Uporabnika povabil: DusanK
Število neizkoriščenih povabil: 5

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a Lovro7 » 29 Nov 2024, 22:49

Pri prejšnjem vezju sem na srečo na lahek način ugotovil, da 7414 ni za napetost 12V :_banghead

Problem sem rešil z dodatnim tranzistorjem.
Posnetek zaslona 2024-11-29 224113.png


Zgoraj prideta v 2 signala iz mikrokrmiljnika. Eden je namenjen vklopu PWM signala (spodaj levo) drugi pa pulzu za zagon motorja.

Ko sem začel s tem projektom točno 1 leto nazaj sem uporabljal samo NE555, NPN tranzistor in NPN power tranzistor (BDV65). Sedaj pa ima samo PWM krmiljenje 27 komponent.
Vse je lahko žarnica, če je dovolj toka. http://lovro7.eu/index.html
Uporabniški avatar
Lovro7
 
Prispevkov: 241
Pridružen: 11 Feb 2024, 20:19
Zahvalil se je: 109 krat
Prejel zahvalo: 71 krat
Uporabnika povabil: DusanK
Število neizkoriščenih povabil: 5

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a Lovro7 » 29 Nov 2024, 23:24

lojzek je napisal/-a:Jaz sem takrat rešil z mikrokontrolerjem, ki je krmilil tranzistorja in skrbel za pavzo med preklopi. Analogne rešitve mi niso uspele, sem skuril pest tranzistorjev,


Najprej bom poizkusil rešiti tako, kot v prejšnjem postu. Če pa bo problem čas odpiranja in zapiranja tranzistorje bom pa enega zakasnil z kondenzatorjem, diodo in tranzistorjem za praznjenje kondenzatorja
Vse je lahko žarnica, če je dovolj toka. http://lovro7.eu/index.html
Uporabniški avatar
Lovro7
 
Prispevkov: 241
Pridružen: 11 Feb 2024, 20:19
Zahvalil se je: 109 krat
Prejel zahvalo: 71 krat
Uporabnika povabil: DusanK
Število neizkoriščenih povabil: 5

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a Lovro7 » 30 Nov 2024, 00:50

Evo shemo sem testiral na 5V in lepo deluje.
Na MOSFETu sicer še ni bremena.

Fall time na gate MOSFETa je 0,4uS pri 100kHz, rise time pa 0.9uS.

Bom jutri videl kako se obnese pri 12V napajanju in 4,5A bremenu.

Rise edge sicer ni najlepši ni pa tako slabo. Me pa zanima, zakaj nastane ta rob?
IMG_1706.jpeg



Tukaj je še prototip:
IMG_1704.jpeg
Vse je lahko žarnica, če je dovolj toka. http://lovro7.eu/index.html
Uporabniški avatar
Lovro7
 
Prispevkov: 241
Pridružen: 11 Feb 2024, 20:19
Zahvalil se je: 109 krat
Prejel zahvalo: 71 krat
Uporabnika povabil: DusanK
Število neizkoriščenih povabil: 5

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a dejko1 » 03 Dec 2024, 08:15

Kje pa je merjen ta graf? Ug, Ud?
dejko1
 
Prispevkov: 581
Pridružen: 12 Feb 2015, 12:47
Kraj: Ljubljana
Zahvalil se je: 88 krat
Prejel zahvalo: 204 krat
Uporabnika povabil: gumby
Število neizkoriščenih povabil: 204

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a Lovro7 » 03 Dec 2024, 10:20

dejko1 je napisal/-a:Kje pa je merjen ta graf? Ug, Ud?


Na sliki je graf Ug. Merim na gate od MOSFETa.
Nasledni teden ko dobim material pa bom testiral še na vezju.
Vse je lahko žarnica, če je dovolj toka. http://lovro7.eu/index.html
Uporabniški avatar
Lovro7
 
Prispevkov: 241
Pridružen: 11 Feb 2024, 20:19
Zahvalil se je: 109 krat
Prejel zahvalo: 71 krat
Uporabnika povabil: DusanK
Število neizkoriščenih povabil: 5

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a dejko1 » 03 Dec 2024, 15:03

Lahko poskusiš še z majhnim kondenzatorjem namesto mosfeta. Potem boš vedel, ali stopnička nastane v krmilnem vezju ali na samem mosfetu. Podobno izgleda stopnička zaradi Cgd, ampak v tvojem primeru je mogoče tudi zaradi tega, ker zadnja BJT stopnja pride v nasičenje (krmiljenje blizu napajalnega raila).
dejko1
 
Prispevkov: 581
Pridružen: 12 Feb 2015, 12:47
Kraj: Ljubljana
Zahvalil se je: 88 krat
Prejel zahvalo: 204 krat
Uporabnika povabil: gumby
Število neizkoriščenih povabil: 204

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a mucek » 03 Dec 2024, 16:34

Glede na prototip na protoboardu je brezveze karkoli sklepati in se truditi. Kapacitivnosti na gate pri takem zickanju bodo povsem drugacne (in kar je najhuje, spreminjale se bodo!), tako da lahko pozabis na kako resno optimizacijo.

Lp, G
... lahko pa se tudi motim ...
Uporabniški avatar
mucek
 
Prispevkov: 2926
Pridružen: 18 Jan 2015, 20:20
Kraj: Ljubljana
Zahvalil se je: 103 krat
Prejel zahvalo: 1185 krat
Uporabnika povabil: s54mtb
Število neizkoriščenih povabil: 230

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a Lovro7 » 03 Dec 2024, 17:01

Breadboard sem uporabil samo za testiranje delovanja.
Sem pa na tiv pustil prostor za dodatne kondenzatorje in upore če bo potrebno kam dodati.
Vse je lahko žarnica, če je dovolj toka. http://lovro7.eu/index.html
Uporabniški avatar
Lovro7
 
Prispevkov: 241
Pridružen: 11 Feb 2024, 20:19
Zahvalil se je: 109 krat
Prejel zahvalo: 71 krat
Uporabnika povabil: DusanK
Število neizkoriščenih povabil: 5

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a blasny » 03 Dec 2024, 19:01

Lovro7 je napisal/-a:Evo shemo sem testiral na 5V in lepo deluje.
Me pa zanima, zakaj nastane ta rob?

Vzrok je Millerjev efekt.
blasny
 
Prispevkov: 782
Pridružen: 18 Jan 2015, 15:48
Kraj: Tepanjce
Zahvalil se je: 499 krat
Prejel zahvalo: 300 krat
Uporabnika povabil: VolkD
Število neizkoriščenih povabil: 33

Re: Krmiljenje N-channel MOSFETa

OdgovorNapisal/-a Lovro7 » 03 Dec 2024, 20:36

Če prav razumem millerjev efekt nastane ob vklopu mosfeta, ko gre Drain na GND. Takrat se poveča kapacitivnost med gate in GND in tok steče iz gate v ta “kondenzator”. To za kratek čas zniža Vg (zaustavi polnjenje gate) zaradi upora na gate in omejitve toka na tranzistorjih.
Vse je lahko žarnica, če je dovolj toka. http://lovro7.eu/index.html
Uporabniški avatar
Lovro7
 
Prispevkov: 241
Pridružen: 11 Feb 2024, 20:19
Zahvalil se je: 109 krat
Prejel zahvalo: 71 krat
Uporabnika povabil: DusanK
Število neizkoriščenih povabil: 5


Vrni se na Elektronika za začetnike

Kdo je na strani

Po forumu brska: 0 registriranih uporabnikov in 1 gost