Cvičení 12 Příklad výkonové aplikace Výkonový MOSFET spínání induktivní zátěže: Měření, Simulace uacev PSpice Elektronické prvky A2B34ELP
Prosté zapínání a vypínání Příklad výkonové aplikace M +PWR I zapnuto Z I Z I Z vypnuto t MCU SW cv.12/str.2
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
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
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
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 10V @ impulz +I G 1A/1nF C iss Vypnutí: U GS 0V @ impulz I G 1A/1nF C iss t r = t f 10 ns cv.12/str.6
Příklad výkonové aplikace induktivní zátěž => nutná ochrana!!! +PWR 3,3.. 5V MCU 10.. 15V 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
Příklad výkonové aplikace konkrétní realizace +PWR +PWR 10.. 15V M 33 3,3.. 5V M MCU MCU MOSFET DRIVER +50V +5V +15V +15V 1 1 2 3 C1 100n U1 +5V GP0 MCLR 6 VSS VDD 5 4 GP1 GP2 PIC10F200 +15V C2 100n C3 1u +15V U2 1 VDD VDD 8 2 7 3 IN OUT1 6 4 NC OUT2 GND GND 5 1 2 3 D1 SK56 Q1 IRF840 2 M TC1411N cv.12/str.8
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
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
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
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
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
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 15 25.10 9 IG 1,3.10 = 0,8 A!!!!! 9 Nutný kvalitní MOSFET driver!!! cv.12/str.14
MOSFET driver TC1411
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 = 100.10 9 t 11.10 f = 1360 V!!!!! (reálně bude menší) V obvodu s induktivní zátěží je nutné tranzistor chránit!!! cv.12/str.16
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
Výkonový MOSFET IRF840 použitýv měřicím přípravku A2B34ELP
Výkonový MOSFET IRF840
Výkonový MOSFET IRF840
Výkonový MOSFET IRF840
Výkonový MOSFET IRF840
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
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
Výkonový MOSFET měření Základní zapojení úlohy cv.12/str.25
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
Měření překmitu napětí U DS Výsledky ýldk zaznamenejte do připraveného ř sešitu Excel cv.12/str.27
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
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
Výkonový MOSFET DC/DC měnič U 1 =5 Vpp / 10 khz.. 200 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
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
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
Výkonový MOSFET spínání induktivní zátěže Výsledky ýldk zaznamenejte do připraveného ř sešitu Excel cv.12/str.33