В инете полно статей о том как работают MOSFET-ы (ака полевики, т.е. полевые транзисторы), что надо рулить напряжением а не током. Разберем поподробнее + и – разных драйверов.
Есть N-канальные и P-канальные полевики, также ввиду особенностей производства, между Source и Drain образуется "паразитный" диод.
N-канальный MOSFET:
 |
Для управления N-канальным полевиком необходимо приложить положительное напряжение относительно Source порядка 10V. В импульсных преобразователях на частотах 50 кГц требуется быстро открыть полевик, чтобы его сопротивление резко уменьшилось до ~0 Ом. В таком случае потерь тепла будет меньше. Почему? Если заглянуть в любой даташит на полевой транзистор, то можно обнаружить, что сопротивление перехода Drain-Source меняется в зависимости от напряжения на Gate-Source. Возмем абстрактный транзистор: если при 5V сопротивление будет составлять 1 Ом, то при 10V уже 0.5...0.7 Ом, что в ~два раза меньше; как следствие потери при более высоком напряжении управления тоже уменьшаются. Всего то! Однако у Gate есть внутренняя емкость. От десятков пикоФарад у самых слабых полевиков до наноФарад у таких монстров как APT5016 (хотя это еще не самый злой полевик). |
P-канальный MOSFET:
 |
У P-канального наоборот: надо на Gate подать отрицательное напряжение относительно Source, чтобы полевик открылся. Ситуация с сопротивлением открытого канала аналогична. |
Для того, чтобы быстро перезарядить Gate, необходимо приложить, в зависимости от полевика, различное усилие. В интернете есть формулы для расчета токов, протекающих через драйвер. Я же хочу показать, какие есть схемы управления полевиками. Конкретно нас интересует ключевой режим работы MOSFET-а.
Не самый лучший вариант. Исключение составляют контроллеры со встроенным драйвером. RG резистор ограничивает ток через контроллер и уменьшает пульсации. У полевиков тоже есть своя индуктивность, она небольшая, но при быстром нарастании/спаде возникают колебания как в LC-контуре. В моих краях найти контроллер со встроенным драйвером либо сложно либо дорого, поэтому приходится колхозить на универсальном ШИМ-контроллере, под названием TL494.
Еще одна заметка по поводу резистора RG, когда требуется управлять большими токами и приходится ставить по 2-3+ транзистора, то данный резистор необходимо ставить перед каждым полевиком:
Особо крутые контроллеры, как на материнках, работающие на частотах 0.5...2 МГц, не требуют данного резистора и имеют отдельный выход для каждого полевика. Каждый полевик там представляет собой отдельную фазу с отдельным дросселем. Такие частоты выбраны специально для уменьшения габаритов всей схемы. Чем выше частота – тем меньше индуктивность нужна. В общих чертах.
Производители контроллеров полевиков рекомендуют сопротивление RG 4.7 Ом. Даже видел где-то видеоролик с презентацией сравнения потерь при различных резисторах. На практике же RG может доходить до 200 Ом, т.к. драйвера разные – токи, которые они могут выдержать, тоже разные. И частоты тоже разные. Короче, глупо говорить, что ставьте везде 4.7 Ома и будет счастье. Поэтому данный резистор должен подбираться индивидуально под способности драйвера и емкость Gate полевика (в даташитах этот параметр обозначается как CISS — Input Capacitance).
Одна из самых эффективных схем управления:
В идеале управляющие транзисторы надо распологать как можно ближе к MOSFET-у, для уменьшения пути протекания тока. Важно добавить шунтирующий конденсатор между VGate и землей (в схеме не указан).
Хорошо, если N-канальный полевик Source-ом подключен к общей шине – земле – что и контроллер. Такое бывает в Step-Up конвертерах, однако ими мир не ограничивается.
В Step-Down конвертерах полевик подключается Drain-ом напрямую к +, а Source идет дальше на дроссель. Если вы (не дай Бог, как я, по своей неопытности, когда в первой пришлось собрать понижающий преобразователь) попробуете заставить работать такую схему:
То обнаружите, что полевик уже дымится и припой капает коту на хвост расплавился. Как я сказал в начале статьи, N-канальный полевик открывается полностью, если на Gate подать + относительно Source. Но в данном случае получается - когда мы подаем + на Gate, он начинает открываться и Source поднимается к + тоже! В итоге - полевик не открыт и не закрыт. Висит посередине и дико греется. Но тут существует простое решение: Bootstrap-драйвер:
Схема немного усложнилась. Как видите, по-прежнему силовым полевиком (справа) управляет двухтактный биполярный драйвер. Однако он заведен относительно Source полевика. Левый полевой транзистор – маломощный, используется для сдвига уровня. Сигнал подается инвертированный. Резистор Pull-Down (подтягивающий) лучше поставить, в случае чего, чтобы схема не "летала в воздухе".
Вот как оно работает: изначально конденсатор CBOOT заряжается через диод DBOOT управляющим напряжением, т.к. транзистор закрыт, на выводе Source земля (после дросселя L идет нагрузка, которая как бы "заземляет" на время выключения полевика вывод Source). Полевик сдвига уровня наоборот (слева): открыт, чтобы силовой полевик был закрыт. Собственно в этом и заключается инверсия. Когда полевик сдвига уровня закрывается, через резистор RLEVEL подается положительное напряжение на драйвер, а далее драйвер усиливает сигнал и подает + на Gate силового транзистора. Он начинает открываться и... и открывается полностью! Так как конденсатор CBOOT заряжен и привязан к Source силового полевика, то когда Source выравнялся по напряжению с напряжением питания, то CBOOT поднялся еще выше и оттуда, сверху, рулит через драйвер полевиком! Получается, напряжение в момент открытия силового полевика относительно земли таково: UCBOOT+UPOWER. А диод не позволяет этому напряжению уходить обратно. Поэтому важно рассчитать, какая разница напряжений у Вас получится и использовать диод с запасом на данное напряжение. Когда триумф нашего CBOOT подходит к концу, левый полевик открывается, на драйвере напряжение падает и одновременно с этим Source силового полевика также возвращается на "землю".
Я бы рекомендовал добавить небольшой резистор после Drain управляющего полевика, чтобы когда драйвер открыт и "земля" драйвера выше реальной земли, не убить маломощный управляющий полевик. На своей практике я использовал 12 Ом резистор. Такая схема, с КПД 85%, управляла понижающим конвертером на 300 Ватт... Только недолго, нагрузка на выходе в виде резисторов плавилась на глазах :). Еще большего КПД можно достичь, применяя синхронный выпрямитель. Это когда вместо диода снизу ставится тоже полевой транзистор и открывается, когда верхний уже закрыт. Т.к. схема синхронизации двух полевиков заметно усложняется, то советую использовать спецальные синхронные драйвера. Там уже все задержки между открытием и закрытием есть, чтобы исключить протекание сквозных токов.
Самая простая и, возможно, самая популярная схема на одном p-n-p транзисторе:
В данном случае подразумевается, что контроллер достаточно мощный, чтобы быстро зарядить полевик. Но, например, как у TL494, выход состоит всего лишь из одного n-p-n транзистора. Обьеденив два имеющихся выхода TL494 и подцепив коллектором на + питания, эмиттеры идут на вход этого полудрайвера.
В таком случае и применяется закрывающий драйвер:
В таком случае подтягивающий резистор делается на несколько килоОм, а RG рассчитывается также как раньше. При подаче положительного импульса он проходит напрямую через диод D_ON и заряжает Gate полевика. Когда выходной каскад на TL-ке закрывается, то через подтягивающий резистор PULL_DOWN открывается Q_OFF и мгновенно разряжает через себя заряд Gate, что и приводит к моментальному закрытию полевика!
Возможно вы уже заметили, что на всех схемах фигурирует N-канальный MOSFET. Этому есть несколько причин:
Так что если уже запаслись N-канальными полевиками, то вперед собирать к ним драйвера! Это не сложнее чем купить/найти P-ch.