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

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

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

Milada Kadlecová
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Cvičení 12 Příklad výkonové aplikace Výkonový MOSFET spínání induktivní zátěže: Měření, Simulace uacev PSpice Elektronické prvky A2B34ELP

2 Prosté zapínání a vypínání Příklad výkonové aplikace M +PWR I zapnuto Z I Z I Z vypnuto t MCU SW cv.12/str.2

3 Prosté zapínání a vypínání Řízení výkonu/otáček = pulzně šířková modulace (PWM) Příklad výkonové aplikace MCU M +PWR I zapnuto Z I Z SW I Z I Z PWM vypnuto t t cv.12/str.3

4 Prosté zapínání a vypínání Řízení výkonu/otáček = pulzně šířková modulace (PWM) Příklad výkonové aplikace M +PWR MCU SW Bipolární tranzistor (BJT) Přání: Zanedbatelný úbytek napětí spínače v sepnutém stavu Unipolární tranzistor (MOSFET) = minimalizace statického ztrátového výkonu tranzistoru v sepnutém stavu, maximalizace účinnosti Maximální rychlost zapínání a vypínání = minimalizace dynamického ztrátového výkonu tranzistoru při zapínání a vypínání Minimální potřebný řídicí výkon = minimální zatížení řídicí jednotky cv.12/str.4

ztrátového výkonu tranzistoru v sepnutém stavu, maximalizace účinnosti Maximální rychlost zapínání a vypínání = minimalizace

5 Příklad výkonové aplikace BJT nebo MOSFET??? +PWR M Bipolární tranzistor t (BJT) MCU SW Unipolární tranzistor (MOSFET) Malé U CE(sat) Pomalé zapínání/vypínání Velký trvalý proud I B NEVÝHODY PŘEVAŽUJÍ Malé R DS(on) Rychlé zapínání/vypínání Velký impulzní proud I G VÝHODY PŘEVAŽUJÍŘ cv.12/str.5

(MOSFET) Malé U CE(sat) Pomalé zapínání/vypínání Velký trvalý proud I B

6 Příklad výkonové aplikace řídicí obvod nutný!!! MCU Řídicí obvod +PWR M SW Výkonové tranzistory BJT/MOSFET není možné řídit přímo z běžného mikrokontroléru s výjimkou nízkovýkonových spínacích tranzistorů do I C nebo I D řádu 1A Řídicí obvod +I B I B Řídicí obvod +I G I G U GS C iss BJT Zapnutí: trvale +I B I C /20 Vypnutí: impulz II B I C /20 t r = t f 1 μs Řídicí obvod požadavky: MOSFET Zapnutí: U GS impulz +I G 1A/1nF C iss Vypnutí: U GS impulz I G 1A/1nF C iss t r = t f 10 ns cv.12/str.6

nízkovýkonových spínacích tranzistorů do I C nebo I D řádu 1A Řídicí obvod +I B I B Řídicí obvod +I G I G U GS C iss BJT

7 Příklad výkonové aplikace induktivní zátěž => nutná ochrana!!! +PWR 3,3.. 5V MCU V Je nutná ochrana, MOSFET DRIVER M funkce vysvětlena dále. Téměř každá výkonová zátěž se chová jako induktivní!!! M R Z L Z cv.12/str.7

. 15V Je nutná ochrana, MOSFET DRIVER M funkce

8 Příklad výkonové aplikace konkrétní realizace +PWR +PWR V M 33 3,3.. 5V M MCU MCU MOSFET DRIVER +50V +5V +15V +15V C1 100n U1 +5V GP0 MCLR 6 VSS VDD 5 4 GP1 GP2 PIC10F V C2 100n C3 1u +15V U2 1 VDD VDD IN OUT1 6 4 NC OUT2 GND GND D1 SK56 Q1 IRF840 2 M TC1411N cv.12/str.8

MCLR 6 VSS VDD 5 4 GP1 GP2 PIC10F200 +15V C2 100n C3 1u +15V U2 1 VDD VDD 8

9 Výkonový MOSFET induktivní zátěž (1.) Vypnutý stav: U GS = 0V I G =0A U DS = U DD = 15V I D =I DSS 0 (2.) Sepnutí : U GS I G kladný impulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) (3.) Sepnutý stav : U GS = 15 V I G = 0A U DS = I D R DS(on) I D = U DD /(R DS(on) +R Lz +R Z ) (4.) Vypnutí: U GS I G záporný ýimpulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) U LZ = L z.di/dt překmit napětí U DS cv.12/str.9

) Sepnutý stav : U GS = 15 V I G = 0A U DS = I D R DS(on) I D = U DD /(R DS(on) +R Lz +R Z ) (4.

10 Výkonový MOSFET induktivní zátěž (1.) Vypnutý stav: U GS = 0V I G =0A U DS = U DD = 15V I D =I DSS 0 (2.) Sepnutí : U GS I G kladný impulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) (3.) Sepnutý stav : U GS = 15 V I G = 0A U DS = I D R DS(on) I D = U DD /(R DS(on) +R Lz +R Z ) (4.) Vypnutí: U GS I G záporný ýimpulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) U LZ = L z.di/dt překmit napětí U DS cv.12/str.10

11 Výkonový MOSFET induktivní zátěž (1.) Vypnutý stav: U GS = 0V I G =0A U DS = U DD = 15V I D =I DSS 0 (2.) Sepnutí : U GS I G kladný impulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) (3.) Sepnutý stav : U GS = 15 V I G = 0A U DS = I D R DS(on) I D = U DD /(R DS(on) +R Lz +R Z ) (4.) Vypnutí: U GS I G záporný ýimpulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) U LZ = L z.di/dt překmit napětí U DS cv.12/str.11

12 Výkonový MOSFET induktivní zátěž (1.) Vypnutý stav: U GS = 0V I G =0A U DS = U DD = 15V I D =I DSS 0 (2.) Sepnutí : U GS I G kladný impulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) (3.) Sepnutý stav : U GS = 15 V I G = 0A U DS = I D R DS(on) I D = U DD /(R DS(on) +R Lz +R Z ) (4.) Vypnutí: U GS I G záporný ýimpulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) U LZ = L z.di/dt překmit napětí U DS cv.12/str.12

13 Výkonový MOSFET induktivní zátěž (1.) Vypnutý stav: U GS = 0V I G =0A U DS = U DD = 15V I D =I DSS 0 (2.) Sepnutí : U GS I G kladný impulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) (3.) Sepnutý stav : U GS = 15 V I G = 0A U DS = I D R DS(on) I D = U DD /(R DS(on) +R Lz +R Z ) (4.) Vypnutí: U GS I G záporný ýimpulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) U LZ = L z.di/dt překmit napětí U DS cv.12/str.13

14 Výkonový MOSFET řídicí obvod (driver) Orientační č výpočet č proudového impulzu I G +15V +15V +50V 1 C2 C3 +15V 100n 1u +15V D1 SK56 M 2 U2 1 2 VDD 3 IN 4 NC GND TC1411N VDD 8 7 OUT1 6 OUT2 GND 5 I G 1 U GS 3 2 Q1 IRF840 Proudový impulz I G : Zjednodušený orientační výpočet nabíjení/vybíjení vstupní kapacityc C iss I G C iss U t GS r pro C iss = 1,3 nf = katalogová hodnota pro IRF840, U GS = 15 V VDD a tedy i VOUT1,2 driveru, t rugs = 25 ns = náběžná hrana VOUT1,2 driveru IG 1,3.10 = 0,8 A!!!!! 9 Nutný kvalitní MOSFET driver!!! cv.12/str.14

nabíjení/vybíjení vstupní kapacityc C iss I G C iss U t GS r pro C iss = 1,3 nf = katalogová hodnota pro IRF840, U GS = 15 V VDD a tedy i

15 MOSFET driver TC1411

16 Výkonový MOSFET vypínání induktivní zátěže Výpočetč překmitu ř napětí ě U LZ Překmit napětí U LZ : U Lz = L pro U DD = 15V, U DD L di I D = Z = 100μH, ( RDS ( on) + RLz + RZ ) R Z = 100Ω, R Lz 0, dt t f R DS(on) 0, t f = 11ns (katalogový ýp parametr tranzistoru reálně bude větší) ) I D U Lz = DD R Z Z di dt U 15 = = 0,15 A 100 I D 6 0,15 = LZ = t f = 1360 V!!!!! (reálně bude menší) V obvodu s induktivní zátěží je nutné tranzistor chránit!!! cv.12/str.16

(katalogový ýp parametr tranzistoru reálně bude větší) ) I D U Lz = DD R Z Z di dt U 15 = = 0,15 A 100 I D 6 0,15 =

17 Výkonový MOSFET vypínání induktivní zátěže Oh Ochrany před ř překmitem ř U LZ Po vypnutí tranzistoru převezme proud I D dioda; místo překmitu pouze úbytek na diodě (čárk. průběh) Po vypnutí tranzistoru teče proud přes diodu D do ochranného kondenzátoru C (proudová cesta i 1 ) Při následujícím sepnutí se vybije kondenzátor C přes odpor R a tranzistor (proudová cesta i 2 ) cv.12/str.17

průběh) Po vypnutí tranzistoru teče proud přes diodu D do ochranného kondenzátoru C (proudová

18 Výkonový MOSFET IRF840 použitýv měřicím přípravku A2B34ELP

19 Výkonový MOSFET IRF840

20 Výkonový MOSFET IRF840

21 Výkonový MOSFET IRF840

22 Výkonový MOSFET IRF840

23 Výkonový MOSFET měření Spínání induktivní zátěže U Lz = L Z di dt PřekmitU U LZ jakonežádoucíefekt efekt spínání A ochrany proti překmitu Překmit U LZ jako žádoucí efekt spínání A jeho využití např. spínání motorů, relé např. DC/DC konvertory cv.12/str.23

24 Výkonový MOSFET měření Spínání induktivní zátěže U Lz = L Z di dt PřekmitU U LZ jakonežádoucíefekt efekt spínání A ochrany proti překmitu např. spínání motorů, relé Vliv velikosti R G (= rychlosti nabíjení vstupní kapacity C iss ) na rychlost spínání a tedy i na velikost U LZ Funkce ochrany proti překmitu U LZ Překmit U LZ jako žádoucí efekt spínání A jeho využití např. DC/DC konvertory Princip funkce zvyšujícího DC/DC měniče = výstupní napětí ě >> napájecí napětíě cv.12/str.24

25 Výkonový MOSFET měření Základní zapojení úlohy cv.12/str.25

26 Měření překmitu napětí U DS U 1 = 5 Vpp / 20 khz, L Z = 100 μh/50hz / ale v naší aplikaci 33 μh/1mhz/ R Z = 100 Ω, R G = a) 100 Ω b) 1 kω +15V U CC U 1 R G I D /U DS +15V U DD Na osciloskopu odečtěte pro R G = 100 Ω a 1 kω : t f = μs I D = A U GS(th) = V = V U Lz U Lz L Z I D t f Porovnejte vypočtené a změřené U Lz cv.12/str.26

27 Měření překmitu napětí U DS Výsledky ýldk zaznamenejte do připraveného ř sešitu Excel cv.12/str.27

28 Zjednodušený princip DC/DC měniče Řídicí a regulační obvod L Z U DD Překmit U LZ usměrnit do kondenzátoru U 2 > U DD Zapojení proměření principudc/dc měniče cv.12/str.28

29 Jak dosáhnout co nejvyššího napětí U 2??? U 2 > U DD Malý R Z velký proudi I D U 2 U DD U Lz = U DD + L Z di dt = U DD ZVÝŠIT I + LZ t SNÍŽIT D f R Z = 56 Ω R G = 0 Ω G Malý R G rychlé nabíjení a vybíjení C iss krátká vypínací doba t f cv.12/str.29

30 Výkonový MOSFET DC/DC měnič U 1 =5 Vpp / 10 khz khz R Z = 56 Ω R G =0 Ω U 2 =. +15V U CC +15V U U DD U 1 U 2 cv.12/str.30

31 Výkonový MOSFET spínání induktivní zátěže PSpice simulace překmitu napětí U LZ 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 U LZ 2. Časová oblast vliv ochranné diody Nastavte simulační profil prekmit. Proveďte simulaci odpovídající Předchozímu měření. cv.12/str.31

32 Výkonový MOSFET spínání induktivní zátěže PSpice simulace vlivu ochranné diody 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 U DS 2. Časová á oblast vliv ochranné édiodyd Nastavte simulační profil vliv_diody. Proveďte simulaceodpovídající předchozímu měření. cv.12/str.32

33 Výkonový MOSFET spínání induktivní zátěže Výsledky ýldk zaznamenejte do připraveného ř sešitu Excel cv.12/str.33

Podobné dokumenty

A8B32IES Úvod do elektronických systémů

A8B32IES Úvod do elektronických systémů A8B3IES Úvod do elektronických systémů..04 Ukázka činnosti elektronického systému DC/DC měniče a optické komunikační cesty Aplikace tranzistoru MOSFET jako spínače Princip DC/DC měniče zvyšujícího napětí