Простой способ решения проблемы управления затвором mosfet

Подключение мосфета к Ардуино

Программируемый микроконтроллер Arduino идеально подходит для создания нестандартных устройств. А имеющиеся в избытке готовые модули, расширения и скетчи значительно облегчают задачу.

Однако, всегда находятся проекты, в которых к Arduino необходимо подключить мощный узел или устройство. Микроконтроллер будет отвечать за логику работы, а узел или устройство – выполнять простую работу.

С одной стороны – ничего сложного, с другой – Arduino обеспечивает на выходе только небольшой ток и напряжение (U – не более 5В, I – 40 мА). Значит. Мощную нагрузку нужно подключать через специальный «усилитель». В качестве последнего могут выступать специализированные транзисторы Дарлинтона, биполярные, полевые (мосфеты), реле (механические или на оптопаре) и т.п.

Мы уже подробно рассмотрели основные варианты подключения нагрузки к Ардуино. Здесь же детально осветим вариант с полевым транзистором.

В первую очередь следует определиться с тем, какие устройства или типы нагрузок лучше всего подключать через полевики:

Не стоит через мосфеты подключать «быстрые» приборы (работающие на высоких частотах или часто включаемые/отключаемые) или сеть с переменным током (для этой задачи лучше всего использовать реле).

Во-первых, полевой транзистор будет греться, во-вторых, его реакция определённо «медленная» для ВЧ техники.

Типовая схема включения нагрузки будет иметь такой вид.

Рис. 1. Типовая схема включения нагрузки

Или такой (для лучшего понимания принципа работы).

Рис. 2. Вариант схемы включения нагрузки

Резистор 3к на затворе – это ограничитель (подстроечное сопротивление). А 10к – это своего рода предохранитель от перехода мосфета в Z-режим (исключается эффект «дребезжания» на малых токах управления).

Если нагрузка обладает большой индуктивностью (актуально, например, для двигателей), то следует использовать дополнительный диод (несмотря на то, что в большинстве мосфетов он уже встроен, не помещает дополнительная защита).

Схема принимает следующий вид.

Рис. 3. Схема устройства

На случай исключения обратного пробоя и выхода из строя платы микроконтроллера, можно реализовать гальванический разрыв цепи через оптрон.

Рис. 4. Гальванический разрыв цепи через оптрон

Если логика работы предполагает быструю реакцию мосфета на сигналы с ШИМ-пина (PWM), то выходной сигнал лучше всего предварительно усилить биполярными транзисторами, например, так.

Рис. 5. Вариант схемы устройства

На случай острой необходимости управления сетью с переменным током 220В с ШИМ-выхода можно воспользоваться следующей схемой.

Рис. 6. Вариант схемы устройства

Она подойдёт на роль «автоматического диммера» с продвинутыми настройками.

При работе с полевыми транзисторами стоит проявлять особую осторожность, они очень боятся статического электричества. Поэтому необходимо предпринять все меры, чтобы снять статический заряд в процессе работ

Как рассчитать потери мощности на мосфете

Для этого понадобится сопроводительная документация (даташит) к выбранному полевому транзистору. Здесь стоит отметить, что подбирать мосфет необходимо из серий, помеченных как «Logic Level», они разрабатываются специально для работы с микроконтроллерами.

Из даташита необходимо уточнить график зависимости параметров транзистора, например, для IRF630.

Рис. 7. График зависимости параметров транзистора

При напряжении на затворе в 5 Вольт (см. линия в центре с подписью 5V) и токе в цепи (вертикальная ось координат) 5 А, падение напряжения составит около 2В (горизонтальная ось координат).

То есть сопротивление транзистора можно рассчитать по закону Ома как 2/8=0,25 (Ом).

Тогда мощность будет считаться как P=I 2 R, то есть 5 2 ·0,25 = 25·0,25=6,25 Вт.

При силе тока в 8 А потеря мощности будет составлять уже 35 Вт.

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Источник

Режим усиления МОП-транзистора

Более распространенным у транзисторов MOSFET является режим усиления, он обратный для режима истощения. Здесь проводящий канал слаболегированный или даже нелегированный, что делает его непроводящим. Это приводит к тому, что устройство в режиме покоя не проводит ток (когда напряжение смещения затвора равно нулю). На схемах для обозначения МОП-транзисторов такого типа используют ломаную линию, чтобы обозначить нормально открытый токоизолирующий канал.

Для повышения N-канального МОП-транзистора ток стока будет течь только тогда, когда напряжение на затворе прикладывается к затвору больше, чем пороговое напряжение. При подаче положительного напряжения на затвор к п-типа MOSFET (что это, режимы работы, схемы включения, описаны в статье) привлекает большее количество электронов в направлении оксидного слоя вокруг затвора, тем самым увеличивая усиление (отсюда название) толщины канала, позволяя свободнее протекать току.

Безопасная эксплуатация IRF3205

У всех МОСФЕТ транзисторов одинаковые причины для поломки.

Первое, о чем стоит помнить, так это о характеристиках конкретного экземпляра. Не вздумайте использовать его на недопустимых пределах. А при использовании на больших мощностях всегда нужно иметь под рукой дополнительное охлаждения в виде радиатора и, при необходимости, кулера.

Вторая по распространенности проблема – короткое замыкание между стоком и истоком. При такой ситуации кристалл внутри транзистора может легко расплавиться, что приведет устройство в негодность.

Последнее, о чем стоит помнить, это напряжение на затворе. В случае с этим МОП-транзистором, слой диэлектрика способен разрушиться при превышении 25 Вольт на затворе.

Чтобы выбрать подходящий для любого проекта транзистор, нужно опираться на его запас по мощности. Желательно, чтобы этот запас составлял около 30%: этого должно хватить и на нестабильность питания, и на возможную неисправность других компонентов.

Управление щёточными моторами с Arduino

Как вы знаете, никакую нагрузку мощнее светодиода нельзя подключать к Ардуино напрямую, особенно моторчики. Ардуино, да и вообще любой микроконтроллер – логическое устройство, которое может давать только логические сигналы другим железкам, а те уже могут управлять нагрузкой. Кстати, урок по управлению мощной нагрузкой постоянного и переменного тока у меня тоже есть. “Драйвером” мотора могут быть разные железки, рассмотрим некоторые из них.

При помощи обычного реле можно просто включать и выключать мотор по команде digitalWrite(пин, состояние) , прямо как светодиод:

При помощи двойного модуля реле (или просто двух реле) можно включать мотор в одну или другую сторону, а также выключать:

Купить модуль реле можно на Aliexpress.

Мосфет

Полевой транзистор, он же мосфет, позволяет управлять скорость вращения мотора при помощи ШИМ сигнала. При использовании мосфета обязательно нужно ставить диод, иначе индуктивный выброс с мотора очень быстро убьёт транзистор. Скорость мотора можно задавать при помощи ардуиновской analogWrite(пин, скорость) .

Вместо “голого” мосфета можно использовать готовый китайский модуль:

Купить мосфет модуль можно на Aliexpress.

Реле и мосфет

Если объединить реле и мосфет – получим весьма колхозную, но рабочую схему управления скоростью и направлением мотора:

Специальный драйвер

Лучше всего управлять мотором при помощи специального драйвера, они бывают разных форм и размеров и рассчитаны на разное напряжение и ток, но управляются практически одинаково. Рассмотрим основные драйверы с китайского рынка:

Драйвер Vmot Ток (пик)

Стоимость

Aliexpress
L298N 4-50V 1A (2A) 100р Купить
MX1508 2-9.6V 1.5A (2.5A) 20р Купить
TA6586 3-14V 5A (7A) 100р (чип 30р) Купить, купить, купить чип
L9110S 2.5-12V 0.8A (1.5A) 50р Купить
TB6612 4.5-13.5V 1.2A (3A) 80р Купить
BTS7960 5.5-27V 10A (43A) 300р Купить
Большой 3-36V 10A (30A) 700р Купить

Остальные драйверы смотри у меня вот тут. Схемы подключения и таблицы управления:

Пины направления управляются при помощи digitalWrite(pin, value) , а PWM – analogWrite(pin, value) . Управление драйвером по двум пинам может быть двух вариантов:

NPN mosfet подключение к arduino

Тут все без гемора. Вот пара вариантов подключения:

Если надо еще и плавно включать/выключать лампочку, либо не на всю мощность, а только на половину например, можно из ардуино пищать шимом, а между затвором и истоком включить еще конденсатор микрофарад на 300. Это нужно чтобы открыть мосфет на половину.. Однако это подойдет только для маломощной лампочки, потому как полуоткрытый мосфет имеет некислое внутреннее сопротивление и греется как утюг.

В эту схему подойдет к примеру мосфет h6n03l. Но тут есть нюанс в выборе резюков. Тот, который между ардуино и gate – чем больше сопротивление, тем меньше ток на ноге ардуино и меньше вероятность что она задымится. И чем больше сопротивление тем медленнее открывается мосфет. Кароч 150 ом норм для ардуино (по закону ома I = E / R, I = 5 / 150 = 0.033 А — это 33 миллиампера, норм). Зачем он вообще нужен? Дело в том, что затвор (gate) у полевика имеет определенную емкость и является в какой-то мере конденсатором. Так что в момент переключения через затвор проходят большие токи, которые может не выдержать ардуина. Для этого и нужен резистор между gate и пином.

А второй 10 кОм типа подтягивающий резистор – нужен чтобы держать мосфет закрытым и нагрузку выключенной пока порт ардуины в неопределенном состоянии например при загрузке (так называемое Z-состояние).

Но у этой схемы есть косяк – она медленновата. На переключение уйдет 600ns что подходит не для всех задач. Вот фронт и спад.

Желтая – выход с мосфета, зелено-бирюзово-светло-голубая – выход с ШИМ ардуино. Желтая не успевает. Для решения этой проблемы надо поставить парочку транзисторов как тут предлагают https://joost.damad.be/2012/09/dimming-12v-led-strip-with-mosfet-and.html

Но это нужно далеко не всегда и как правило достаточно первой схемы. И кстати есть вариант получше — про него в конце статьи.

Примеры применения

Активная нагрузка

Предположим, что есть некий регулируемый источник питания на 2 А/600 В, который должен быть протестирован на активной нагрузке, собранной из нескольких MOSFET, работающих в параллель. В этом случае MOSFET должен иметь максимальное напряжение не ниже 1000 В и иметь способность рассеивать максимальную мощность источника, плюс некий запас на проверку работоспособности защиты от превышения тока.

Транзистор IXTK22N100L имеет максимальное напряжение 1000 В и максимальную рассеиваемую мощность 700 Вт в ключевом режиме. Но эта мощность не может быть использована при тепловом расчете в линейном режиме. Для линейного режима необходимо оперировать областью безопасной работы SOA с максимальной рассеиваемой мощностью 240 Вт при напряжении 800 В, I = 0,3 A, Tc = +90 °C. Выберем запас 20% что означает максимальную рассеиваемую мощность 192 Вт.

Максимальная выходная мощность источника питания равна 1200 Вт. При запасе на проверку защиты от короткого замыкания в 20%, мощность сборки из параллельно включенных MOSFET должна составить не менее 1440 Вт. Количество параллельно включенных MOSFET составит 1440/192 = 8 шт. Типовая схема включения показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема для проверки источника питания 2 А/600 В с помощью активной нагрузки

Резисторы Rs1–Rs8 служат для контролирования тока стока каждого MOSFET. Разброс их сопротивления будет определять точность распараллеливания токов в параллельно работающих транзисторах. Напряжение с измерительных резисторов Rs1–Rs8 подается на инвертирующий вход операционного усилителя, включенного в затвор MOSFET. Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общим входом управления током стока .

Управление двигателем

На рис. 5 показана схема управления электродвигателем, в котором питающее напряжение от батареи подается через два параллельно включенных MOSFET, установленных на одном радиаторе.

Рис. 5. Схема линейного управления электродвигателем

Ток стока силового MOSFET, работающего в линейном режиме, определяется напряжением «затвор–исток». Напряжение на электродвигателе равно разнице напряжения батареи минус напряжение «исток–сток». Управление осуществляется с помощью драйвера, который отслеживает ток через транзисторы и выставляет нужное напряжение на затворе.

Линейный регулятор

Рис. 6 иллюстрирует типовой линейный регулятор, в котором выходные параметры устанавливаются с помощью изменения падения напряжения на проходном транзисторе. Проходной транзистор работает в линейном режиме, и его поведение похоже на переменный резистор. Данная схема требует рассеивания большой мощности и расширенной области безопасной работы FBSOA. N-канальные силовые MOSFET, приведенные в таблице, могут быть применены в данных приложениях для обеспечения большой выходной мощности.

Рис. 6. Типовая схема линейного регулятора

Защитные и контрольные функции драйверов

Защита силовых ключей от разного рода аварийных ситуаций является одной из важнейших функций схемы управления. Для ее реализации драйверы снабжаются блоками оперативного мониторинга перегрузки по току и КЗ, перенапряжения на коллекторе и затворе, перегрева, а также падения напряжения управления VGG+/VGG-.

Защита от перегрузки по току

Измерение тока коллектора/стока производится с помощью резистивных шунтов, токовых трансформаторов, индукционных сенсоров и т. д. Одним из самых распространенных методов мониторинга состояния токовой перегрузки является измерение напряжения насыщения транзистора. Выход из насыщения (Desaturation), при котором величина VCEsat достигает определенного порога, рассматривается как аварийная ситуация. При этом драйвер блокирует силовые транзисторы и формирует сигнал неисправности ERROR, который через изолирующий барьер передается на входной каскад и далее на контроллер. Интеллектуальные модули высокой степени интеграции (например, SKiiP компании SEMIKRON) имеют в своем составе датчики тока, информация с которых используется схемой защиты вместе с напряжением насыщения, что позволяет сократить время реакции и отключить IGBT при меньшем уровне перегрузки.

Защита от перенапряжения на затворе

Функцию ограничения напряжения на затворе рекомендуется реализовывать в любом драйвере, независимо от наличия аварийной ситуации. Кроме защиты затвора от пробоя, это позволяет ограничить ток КЗ. Подробнее данный вопрос будет рассмотрен далее.

Защита от перенапряжения на коллекторе (стоке)

Ограничение напряжения на силовых терминалах может осуществляться самим модулем (большинство MOSFET обладает стойкостью к лавинному пробою), внешними пассивными снабберами, а также активными цепями, переводящими транзистор в линейный режим при возникновении опасного перенапряжения.

В ряде интеллектуальных модулей (например, SKiiP) реализована функция запрета коммутации при достижении напряжением DC-шины порогового уровня. Эта опция не способна защитить от внешних перенапряжений, однако она позволяет исключить влияние коммутационных выбросов в критических режимах, что существенно повышает надежность работы преобразовательного устройства. Мониторинг напряжения питания производится «квази-изолированным» датчиком на основе высокоомного дифференциального усилителя, передающего аналоговый сигнал, пропорциональный VDC, на схему управления. Если величина VDC превышает заданный уровень, силовые транзисторы отключаются, и схема защиты формирует сигнал неисправности. В ряде случаев параллельно цепи питания инвертора устанавливается тормозной чоппер, активно разряжающий конденсаторы звена постоянного тока при опасном увеличении напряжения. Такая схема чаще всего применяется в приводах, где используется режим динамического торможения (электротранспорт, лифты и т. д.).

Защита от перегрева

Температура силовых кристаллов, а также изолирующей подложки рядом с чипами, корпуса модуля и радиатора может быть определена расчетным методом или с помощью сенсоров. Если термодатчик гальванически изолирован, то его выходной сигнал передается на схему управления и используется для отключения силового каскада и формирования сигнала неисправности.

Защита от падения напряжения управления VGG+, VGG- (Under Voltage LockOut, UVLO)

Падение напряжения питания выходного каскада драйвера и, соответственно, уровня VGE нежелательно по многим причинам. В первую очередь при этом возрастает опасность перехода ключа в линейный режим работы и резкого увеличения рассеиваемой мощности. Кроме того, в этом случае теряется управляемость: транзистор не может быть полностью открыт или заблокирован. Мониторинг критического состояния производится путем измерения величин VGG+, VGG- с последующим отключением силового каскада при их снижении до опасного уровня.

Что такое Ардуино Уно и Ардуино Нано

Основой платы Ардуино Уно является микроконтроллер ATmega328. На ней также установлены дополнительные элементы:

  • кварцевый резонатор;
  • кнопка сброса;
  • разъем USB;
  • интегральный стабилизатор напряжения;
  • разъем питания;
  • несколько светодиодов для индикации режимов;
  • микросхема связи для USB-канала;
  • разъем для внутрисхемного программирования;
  • еще несколько активных и пассивных элементов.

Все это позволяет сделать первые шаги, не пользуясь паяльником, и избежать этапа изготовления печатной платы. Запитывается блок от внешнего источника напряжения 7..12 В или через USB-разъем. Через него же модуль подключается к ПК для загрузки скетча. На плате имеется источник напряжения 3,3 В для питания внешних устройств. Для работы доступно 6 аналоговых входов, 14 цифровых выводов общего назначения. Нагрузочная способность цифрового вывода при питании от 5 В составляет 40 мА. Это означает, что к нему непосредственно можно подключить светодиод через ограничительный резистор.


Arduino Uno.

Плата Ардуино Нано полностью совместима с Уно, но меньше размером и имеет некоторые отличия и упрощения, указанные в таблице.

Плата Контроллер Разъем для внешнего питания Микросхема для связи по USB Разъем USB
Arduino Uno ATmega328 Есть ATmega8U2 USB A-B
Arduino Nano ATmega328 Нет FT232RL micro USB


Arduino Nano.

Различия не принципиальны и для темы обзора значения не имеют.

Выводы

Замена кремниевых ключей на SiC в большинстве приложений требует не только доработки конструкции силового каскада, но и адаптации схемы управления затвором с учетом особенностей карбидокремниевых структур. Они перечислены:

  • более высокое напряжение включения VGS(on) (18–20 В) требуется из-за сильного модулирующего эффекта RDS(on);
  • более высокое напряжение включения VGS(on) (18–20 В) требуется из-за большой зависимости уровня «плато Миллера» от тока и температуры;
  • увеличение VGS(on) ведет к повышению тока КЗ (как правило, 10×ID_nom) и усложнению схемы защиты;
  • отрицательное напряжение выключения VGS(off) необходимо из-за возможности «пассивного» включения (эффект Миллера) и снижения порога включения VGS(th) с ростом температуры. Однако величина VGS(off) должна быть ограничена на уровне не ниже -5 В из-за деградации оксидного слоя затвора.

Таким образом, в отличие от кремниевых ключей, SiC MOSFET работают вблизи критических напряжений на затворе, что требует ответственного отношения к выбору коридора напряжения управления.

Высокая скорость коммутации SiC MOSFET (время нарастания tr и спада tf выходного сигнала составляет единицы нс) формирует особые требования к динамическим характеристикам схемы управления:

  • на переходе между +VGS(on) и +VGS(off) не должно быть «ступеньки», что требует разделения выходов ON и OFF для предотвращения сквозного тока в выходном каскаде драйвера;
  • подавление динамических всплесков напряжения в цепи затвора;
  • время реакции на состояние перегрузки (КЗ) — не более 3 мкс;
  • регулировка «мертвого времени» Tdt и возможность отключения функции «Interlock». Оптимизация Tdt нужна для снижения уровня потерь и EMI, генерируемых «тельным» диодом;
  • сверхмалый уровень джиттера и разброса временных параметров;
  • высокая помехозащищенность (dvdt > 100 кВ/мкс).

Несмотря на меньшую емкость «Миллера» по сравнению с кремниевыми ключами, у SiC MOSFET велик риск ложных срабатываний, что обусловлено высокой скоростью коммутации и большой температурной зависимостью порогового напряжения.

  • в существующих модулях SiC-MOSFET вероятность «пассивного» включения при высоких напряжениях (>600 В) и токах (>200 A) можно снизить, уменьшая didt, но при этом растут динамические потери;
  • скорость коммутации didt у SiC-ключей в 5-10 раз выше, чем у IGBT, таким образом даже незначительная паразитная индуктивность в цепи затвора может генерировать всплески напряжения, превышающие предельные значения VGS(th);
  • у SiC dvdt в 5…10 раз выше, чем у IGBT, что создает высокий ток смещения через емкость Миллера. Большой собственный резистор Rg(int) ограничивает возможности подавления эффекта Миллера за счет отрицательного напряжения -VG(off), которое не должно быть ниже –5 В.

Поскольку изоляция обмоток моторов требует ограничения dvdt, на рынке приводов SiC-модули используются только в специальных приложениях

Важно понимать, что снижение потерь за счет применения SiC достигается только при высоких скоростях коммутации (30–50 кВ/мкс). Во многих случаях применение IGBT в моторных приводах более оправдано и по экономическим и по техническим соображениям

Использование SiC-чипов в стандартных корпусах не позволяет реализовать все возможности этой технологии. Для получения максимальной выгоды от применения карбида кремния необходима разработка новых конструктивов с уменьшенной индуктивностью DC-терминалов и цепей управления. Кроме того, они должны быть изготовлены из термостойких материалов, в противном случае расширение температурного диапазона будет сокращать ресурс модулей.

Параллельное включение SiC MOSFET представляет серьезную проблему из-за большого разброса динамических характеристик, что препятствует применению карбидокремниевых модулей в мощных преобразователях.

До сих пор не выработаны единые нормы по напряжению на затворе SiC MOSFET, для управления которыми зачастую используются стандартные драйверы IGBT с адаптацией уровней VG. Выбор оптимального резистора RG также требует тщательного подхода, поскольку структура SiC имеет большое собственное сопротивление Rgint.

Подведем итог

Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы. 

МОП-транзистор: 

  • Высокая частота переключения.
  • Лучшие динамические параметры и более низкое энергопотребление драйвера. 
  • Более низкая емкость затвора.
  • Более низкое термосопротивление, которое приводит к лучшему рассеиванию мощности.
  • Более короткое время нарастания и спада, что означает способность работать на более высоких частотах.

IGBT модуль: 

  • Улучшенная технология производства, которая приводит к снижению затрат.
  • Лучшая устойчивость к перегрузкам.
  • Улучшенная способность распараллеливания схемы.
  • Более быстрое и плавное включение и выключение.
  • Снижение потерь при включении и при переключении.
  • Снижение входной мощности.

В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током. Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность. Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.