¿Cómo aumentar la velocidad de conmutación del mosfet y disminuir las pérdidas de conmutación?

Question

Espero que esta no sea una pregunta demasiado amplia, pero ¿cuáles son las mejores prácticas para lograr un cambio rápido en un MOSFET impulsado por una señal PWM?

Mi conocimiento actual me dice que puedo hacer dos cosas:

1 - Usar la frecuencia PWM más baja posible, ya que las pérdidas de conmutación son mayores a frecuencias más altas.

2 - Impulsar la compuerta con la corriente máxima posible, para superar la capacitancia de compuerta lo antes posible. Para hacer esto, evito agregar una resistencia entre el MCU y la compuerta, o agrego un transistor de propósito general entre el MCU y el MOSFET, para poder impulsar la compuerta con una corriente más alta.

Actualmente, tengo un PWM que debe funcionar al menos a 100 kHz utilizando un MOSFET N de canal IRLZ44, por lo que el primer punto no es aplicable, y el segundo punto no es suficiente para darme pérdidas de conmutación aceptables. Mis MOSFET se están sobrecalentando y me gustaría encontrar una solución mejor que usar un disipador más grande.

¿Debería buscar un MOSFET mejor? ¿O tal vez, debería intentar agregar un condensador de alguna manera para activarse cuando la señal PWM aumente, aumentando la corriente a través de la compuerta? ¿O hay otras formas de lograr una conmutación más rápida?

Actualización:

Pensé que la pregunta no necesitaba un diagrama de circuito como ejemplo, pero aquí lo tienes:

Llegué a este circuito basado en otras preguntas que hice aquí. Estoy usando 5V y la carga es de alrededor de 1A. Como puedes ver, estoy impulsando un transformador. En esta configuración, tengo 10 Vpp en el primario del transformador, y el secundario eleva esto a 1500 Vpp.

Basándome en los comentarios y respuestas actuales, ya me está bastante claro que usar un controlador es la forma más fácil, económica y simple de lograr menores pérdidas de conmutación. Pero si hay una forma de mejorar el circuito sin un controlador, estaría interesado en aprender al respecto.

Answer 1

Elige un MOSFET mejor o utiliza un driver push-pull como este: -

Observa que este chip utiliza MOSFETs idénticos en la etapa de salida. Aquí hay otro que usa el FAN7842 de Fairchild: -

También debes asegurarte de que haya suficiente tiempo muerto entre que uno se apaga y el otro se enciende.

Ambos dispositivos se pueden utilizar para conducir salidas de MOSFET individuales si es necesario. Aquí hay uno que maneja un MOSFET de alto lado: -

Avoiding P channel devices will earn you a couple of percent more efficiency (genralism alert). Esto es un conjunto útil de imágenes para dar otras ideas.

Answer 2

Como aconseja Andy aka, hay toneladas de controladores MOSFET integrados disponibles, y funcionan muy bien con un mínimo de piezas.

Pero en caso de que desee un diseño único con piezas discretas, aquí hay un punto de partida: (El interruptor representa su microcontrolador, o lo que sea que esté manejando esta disposición)

simule este circuito – Esquemático creado usando CircuitLab

Q1 y Q2 son un par push-pull de seguidores de emisor. Su salida (en la compuerta de M1) se mantiene aproximadamente en el mismo voltaje que la entrada (módulo del voltaje base-emisor), pero la ganancia de corriente del BJT multiplica la corriente disponible desde la entrada.

En consecuencia, necesitará algo conectado a la entrada que pueda llegar al voltaje de la compuerta que desee usar. Si está utilizando un microcontrolador, su voltaje de salida probablemente será de 3.3V o 5V. Puede encontrar MOSFETs diseñados para trabajar a estos voltajes de compuerta, pero la mayoría de los MOSFETs de potencia funcionan mejor con algo más cercano a 12V, por lo que querrá agregar circuitería adicional para realizar la conversión de voltaje. Vea manejar el lado de bajo voltaje de un puente de mosfet con 3.3V que también incluye un controlador de compuerta MOSFET discreto más complejo.

Answer 3

1. Proporcione un circuito de accionamiento de compuerta adecuado que pueda hundir/fuente una corriente lo suficientemente alta y a una velocidad de subida decente (otros han publicado sobre un controlador de compuerta dedicado)

2. Seleccione correctamente su resistor de compuerta con respecto a la curva de carga de la compuerta (o capacitancia total de la compuerta). Si es demasiado alto, cambiará más lento y habrá más pérdidas de conmutación. Si es demasiado bajo, hay posibilidad de oscilación de circuito de potencia (aumenta sus pérdidas) y en el peor caso... generando un oscilador de Pierce

3. Si está conmutando una carga inductiva, MANTENGA la inductancia parásita entre el cátodo del diodo de rueda libre y el FET muy, muy baja (no tan baja como sea conveniente, tan baja como sea posible - vuelva a diseñar si es necesario)

4. Nuevamente, si está conmutando una carga inductiva, no descuide la recuperación inversa del diodo. Elija un diodo apropiado

5. Minimice la inductancia del cable de compuerta-fuente (par trenzado, corto), nuevamente no corto por conveniencia, corto lo más posible.

6. Si está conmutando potencia, minimice la inductancia parásita hacia el capacitor de enlace DC a granel. Nuevamente, no corto por conveniencia, sino tan corto como sea posible.

7. Considere algún tipo de barra de bus de lámina con respecto a 5

Answer 4

Un buen control de compuerta es un paso en la dirección correcta y ha sido mencionado en otras respuestas. Ahora es el momento de analizar T1. Habrá algo de inductancia de fuga entre cada pata del primario de CT. Cuando apagas Q5 o Q6 la corriente se interrumpe. La energía almacenada en la inductancia de fuga generará terribles picos de voltaje en tu circuito. Debes ocuparte de esto para evitar el fallo de los Mosfet. Cuando introduzcas cifras aproximadas para esta energía inductiva que está desperdiciando tu circuito y la multipliques por la frecuencia para estimar la pérdida de potencia, descubrirás que estas pérdidas son malas. Por lo tanto, intenta recuperar la energía desperdiciada para limitar los picos de voltaje y mantener los mosfets frescos. Una forma sencilla de recuperar esta energía es construir tu atenuador pasivo que disipe la energía en una resistencia para que los fets no se quemen más. Luego optimiza las formas de onda. Ahora decide si quieres poner la energía en la entrada o en la salida o en algún dispositivo auxiliar como por ejemplo los ventiladores de refrigeración. Ahora todo lo que necesitas hacer es construir un pequeño convertidor DC/DC para lograr esto. Deberías poder recuperar el 90% sin mucho esfuerzo. También podrías probar un sistema de pinza activa. Las pinzas activas son fáciles de controlar. Yo no he implementado una pinza activa.