Boostomvandlare - MOSFET som diod

Elektronikrelaterade (på komponentnivå) frågor och funderingar.
vedderb
Inlägg: 70
Blev medlem: 16 oktober 2010, 11:07:09

Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av vedderb »

Hej

Designar just nu en boostomvandlare som ska konvertera ca 6-15V till ca 40V och leverera ca 300W. Jag byggde en variant av den tidigare för att ladda min bärbara dator i bilen - och den fungerade utmärkt jämfört med den som jag hade köpt färdig. Flaskhalsen i den var dock dioden - den blev varmast av alla komponenter och var också svårast att kyla.

I nästa version tänkte jag byta ut dioden mot en MOSFET-transistor som jag slår på ett par nanosekunder efter att jag slår av transistorn som drar ner spolen till jord. Dock tror jag det finns ett eventuellt problem med den designen vid låga belastningar då magnetfältet i spolen hinner försvinna innan man switchar över (switchfrekvensen kommer vara ca 40 kHz). Just nu ser schemat ut så här:

Bild

(Inte klar än. En del kondensatorer kommer ha andra värden, etc.)

Jag har en del ideer för att lösa problemet:

1. (tror inte på denna lösning) Ignorera att fältet eventuellt kollapsar och spolen drivs åt fel håll - det spelar ändå ingen större roll.

2. Helt enkelt inte slå på MOSFETen på översidan vid låg duty-cycle och använda dess interna diod. Var bör man dra gränsen isåfall?

3. (detta tror jag är den bästa lösningen) Använda en OP-förstärkare över spolen för att upptäcka när den inte inducerar någon spänning längre och mata in resultatet i en och-grind till MOSFET-drivaren så att den helt enkelt stänger av när fältet i spolen kollapsar.


Så min fråga är mestadels angående idé 3: Hur ska jag jämföra 6-12V med ca 40V utan att förstöra op-förstärkaren om jag driver den på 5V?


Detta är mitt första inlägg, så om jag la det i fel del av forumet eller gjorde något annat fel så ber jag om ursäkt. Tack på förhand.


EDIT: Omformulering av frågan då jag insåg att spänningen över spolen inte indikerar när magnetfältet har kollapsat: Hur kan jag detektera att jag bör slå av MOSFETen på diodens plats utan att använda en shuntresistor och mäta strömrikningen?

EDIT2: Har byggt denna nu. Se slutet på sida 2 för att läsa mer. Fungerar relativt bra.
Senast redigerad av vedderb 26 oktober 2010, 20:10:51, redigerad totalt 2 gånger.
blueint
Inlägg: 23238
Blev medlem: 4 juli 2006, 19:26:11
Kontakt:

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av blueint »

Spänningsdelare med två resistorer borde lösa en del?
bearing
Inlägg: 11675
Blev medlem: 2 mars 2006, 01:01:45
Ort: Ängelholm

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av bearing »

Har du konstaterat att det är ledningsförlusterna och inte omslagsförlusterna som värmer dioden?
Ifall det är omslagsförlusterna kommer inte transistorn hjälpa, därför att i dödtiden mellan transistorerna kommer (MOSFET-)dioden börja leda, vilket kommer ge omslagsförluster i dioden när undre transistorn slår till. Ifall MOSFETens inbyggda diod används kommer den nog dessutom värmas mer än en snabb diod.

EDIT: La till en mening.
Senast redigerad av bearing 16 oktober 2010, 12:22:09, redigerad totalt 1 gång.
vedderb
Inlägg: 70
Blev medlem: 16 oktober 2010, 11:07:09

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av vedderb »

Efter en del ytterligare funderingar kom jag fram till att spänningsskillnaden över spolen inte indikerar när magnetfältet har kollapsat - utan rikningen på strömmen gör det. Så låt mig formulera om frågan: Hur kan jag upptäcka att strömmen har bytt riktning? jag undviker helst en shuntresistor då strömmarna kommer vara relativt stora vid 12V och 300W

Tack för svaret.
vedderb
Inlägg: 70
Blev medlem: 16 oktober 2010, 11:07:09

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av vedderb »

bearing skrev:Har du konstaterat att det är ledningsförlusterna och inte omslagsförlusterna som värmer dioden?
Är inte helt med på var du menar.

Anledningen att dioden värms är dess framspänningsfall vid relativt stora strömmar (http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/2031). Med en MOSFET samt en bra drivare blir omslagsförlusterna nästan försumbara och on-resistansen hos en MOSFET (IRF1404 - 0.004 ohm) ger extremt mycket lägre värmeutveckling än diodens framspänningsfall kombinerat med strömmen.
Pucco
Inlägg: 905
Blev medlem: 11 december 2006, 14:48:08
Ort: Linköping

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av Pucco »

Du kan linda en extralindning på induktansen för att mäta strömmen med. Alltså använda induktansen som en strömtransformator.
Då kan sätta på FETen när strömmen är över en viss nivå.
vedderb
Inlägg: 70
Blev medlem: 16 oktober 2010, 11:07:09

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av vedderb »

Pucco - det låter som en riktigt bra idé.

Jag har dock inte så bra koll på op-förstärkare. Kan jag koppla extralindningen direkt till en, säg 10k resistor, och koppla ingångarna till op-förstärkaren över resistorn för att upptäcka när strömmen byter håll eller fungerar inte op-förstärkaren när källan till dess ingångar är galvaniskt isolerad från dess matning?
Pucco
Inlägg: 905
Blev medlem: 11 december 2006, 14:48:08
Ort: Linköping

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av Pucco »

En annan mycket viktig sak att tänka på är att IRF1404 bara tål 40V. Om du ska ha 40V ut kommer den att gå sönder.
I sådana här kopplingar finns det massor av parasitinduktanser/kapacitanser och fördröjningar i av och påslag av Fetar och dioder som gör att det kommer att bli kraftiga högfrekventa ringningar som garanterat blir över 100V i amplitud. Du behöver skaffa en mera högspännd FET samt labba fram nödvändiga snubber-kretsar för att dämpa ringningarna.
bearing
Inlägg: 11675
Blev medlem: 2 mars 2006, 01:01:45
Ort: Ängelholm

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av bearing »

vedderb skrev:
bearing skrev:Har du konstaterat att det är ledningsförlusterna och inte omslagsförlusterna som värmer dioden?
Är inte helt med på var du menar.

Anledningen att dioden värms är dess framspänningsfall vid relativt stora strömmar (http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/2031). Med en MOSFET samt en bra drivare blir omslagsförlusterna nästan försumbara och on-resistansen hos en MOSFET (IRF1404 - 0.004 ohm) ger extremt mycket lägre värmeutveckling än diodens framspänningsfall kombinerat med strömmen.
Även en diod har ju omslagsförluster. Du har inte berättat vilken typ av diod som används, så jag tycker min undran var befogad. Kanske räcker det med att använda en bra schottkydiod.
Borre
Inlägg: 4606
Blev medlem: 14 juni 2007, 15:43:50
Ort: Hälsingland

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av Borre »

Visst har den väl det, men de stora förlusterna kommer från diodens spänningsfall och det är det man kommer ifrån genom att använda en mosfet med väldigt lågt motstånd. Det kallas "synchronous rectification" och är (eller kan vara, kanske ska tilläggas) mycket effektivare än att använda en schottkydiod.
vedderb
Inlägg: 70
Blev medlem: 16 oktober 2010, 11:07:09

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av vedderb »

Pucco skrev:En annan mycket viktig sak att tänka på är att IRF1404 bara tål 40V. Om du ska ha 40V ut kommer den att gå sönder.
I sådana här kopplingar finns det massor av parasitinduktanser/kapacitanser och fördröjningar i av och påslag av Fetar och dioder som gör att det kommer att bli kraftiga högfrekventa ringningar som garanterat blir över 100V i amplitud. Du behöver skaffa en mera högspännd FET samt labba fram nödvändiga snubber-kretsar för att dämpa ringningarna.
Jag tror inte jag behöver komma upp i mer än 35V, men om det visar sig att jag behöver det så kör jag nog med IRF1405 eller liknande.

Jag tror dock att man kan ligga ganska nära max spänning (efter en del andra experiment) med IRF1404 då den är Avalanche-ratad med fördelaktiga resultat (se graferna i slutet av databladet). Rätta mig gärna om jag missförstår databladet.
vedderb
Inlägg: 70
Blev medlem: 16 oktober 2010, 11:07:09

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av vedderb »

Borre skrev:Visst har den väl det, men de stora förlusterna kommer från diodens spänningsfall och det är det man kommer ifrån genom att använda en mosfet med väldigt lågt motstånd. Det kallas "synchronous rectification" och är (eller kan vara, kanske ska tilläggas) mycket effektivare än att använda en schottkydiod.
Precis vad jag tänkte säga :)
Pucco
Inlägg: 905
Blev medlem: 11 december 2006, 14:48:08
Ort: Linköping

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av Pucco »

Funderade lite mer på det där att ha en extralindning. Det blir lite opraktiskt eftersom man måste ha väldigt många varv för att det ska fungera.
Bättre är då att linda en egen strömtransformator och sätta mellan diod(FET) och utgångskondensator.
En liten ringkärna med exempelvis 20 varv. Dra sedan högströmen rakt igenom mitten på kärnan så är det ett varv.
Sätt sedan 1 ohm på din lindning. Det gör att 1ohm/(20*20)= 2,5 mohm kommer att transformeras "i serie" med högströmmen.
1ohms-motståndet ser högström/20 och effekten blir med 30A 30A/20varv*1ohm=1.5W.
Över motståndet mäter man 1A/20varv*1ohm= 50mV/A.
Pucco
Inlägg: 905
Blev medlem: 11 december 2006, 14:48:08
Ort: Linköping

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av Pucco »

vedderb skrev:
Pucco skrev:En annan mycket viktig sak att tänka på är att IRF1404 bara tål 40V. Om du ska ha 40V ut kommer den att gå sönder.
I sådana här kopplingar finns det massor av parasitinduktanser/kapacitanser och fördröjningar i av och påslag av Fetar och dioder som gör att det kommer att bli kraftiga högfrekventa ringningar som garanterat blir över 100V i amplitud. Du behöver skaffa en mera högspännd FET samt labba fram nödvändiga snubber-kretsar för att dämpa ringningarna.
Jag tror inte jag behöver komma upp i mer än 35V, men om det visar sig att jag behöver det så kör jag nog med IRF1405 eller liknande.

Jag tror dock att man kan ligga ganska nära max spänning (efter en del andra experiment) med IRF1404 då den är Avalanche-ratad med fördelaktiga resultat (se graferna i slutet av databladet). Rätta mig gärna om jag missförstår databladet.

Det är inte strömmen jag syftar på utan spänningståligheten. Det kan lätt bli genomslag och kortis i switchFETen på grund av överspänning. Med 35V på utgången så får switchFETen 35V mellan drain - source och med ringningar på 100V så blir det 135V vilket är långt över det max på 40V som FETen tål. Mycket stor risk för härdsmälta.
vedderb
Inlägg: 70
Blev medlem: 16 oktober 2010, 11:07:09

Re: Boostomvandlare - MOSFET som diod

Inlägg av vedderb »

Avalanche innebär väl att mosfeten börjar leda när source-drain-spänningen går över ett visst värde när gaten är avstängd. MOSFETar som är avalanche-testade (som irf1404) ska väl tåla sådana induktiva spikar så länge de inte har för stor energi. (http://www.st.com/stonline/products/lit ... /12244.htm)
Skriv svar