Come determinare la massima frequenza PWM per transistor (2SK2554)

Come posso determinare (stimare) la frequenza PWM massima ragionevole per il transistor 2SK2554?

Ho trovato i tempi nel foglio dati :

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Potrei stimare la frequenza da questo (e assicurarmi che tutti questi tempi siano 20-50x più brevi della mia lunghezza del ciclo PWM o qualcosa del genere. Ma ho Vgs tra 4-5 V, la mia corrente massima è 10A.

Sto chiedendo perché ora ho PWM lento (~ 1kHz), ma voglio sapere quanto può essere veloce il mio PWM senza perdere troppa potenza durante il passaggio.

Il mio carico è una grande batteria al piombo (carica) o resistiva (scarica).

Finora - ho fatto una simulazione con un transistor simile, un po 'più piccolo (2SK2553) perché non c'era 2SK2554 nel mio Multisim.

Questo è il grafico per Vgs = 4V.

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Quanto tempo (ad esempio in percentuale) il tempo di commutazione può impiegare dal tempo di ciclo PWM?

transistors mosfet switching-losses

— Kamil
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Bene, dal momento che hai meno corrente attraverso il tuo drenaggio, è probabile che questi valori siano limiti superiori , un buon inizio è

t_{d (o f f)} + t_{f} < \frac{T_{s w i t c h i n g}}{100}

$t_{d(off)}+t_f<\frac{T_{switching}}{100}$ . Se riesci a misurare l'onda quadra e non hai bisogno di produrla, la tua migliore opzione è probabilmente misurarla, o puoi simularla, i produttori di solito regalano alcuni modelli di dispositivi piuttosto complicati.

— Vladimir Cravero,

Aspetta che sia un mosfet, puoi ignorare la parte "limiti superiori", scusami.

— Vladimir Cravero,

È 2SK2554, non esiste una parte del genere nel mio Multisim. Ho simulato il transistor 2SK2553 (simile, un po 'più piccolo). Aggiungerò screenshot nella mia domanda.

— Kamil,

Forse puoi trovare qualcosa sul sito Web del produttore, ho visto molti modelli di spezie su ti, ad, maxim e così via ... Nessun Multisim comunque.

— Vladimir Cravero,

@VladimirCravero Bene, sono abbastanza soddisfatto della formula che hai scritto, puoi aggiungerla come risposta, basta aggiungere la legenda cosa è td e tf.

— Kamil,

Risposte:

Il fattore principale che determina la velocità di commutazione non è solo il MOSFET stesso, ma il circuito in cui è cablato.

Dal punto di vista del gate (ovvero, il PoV del segnale PWM), il MOSFET può essere visto come un semplice condensatore. Il MOSFET è considerato ON quando la tensione attraverso quel condensatore è superiore alla tensione di soglia $V_{th}$ e spento quando sotto (è più complesso di così, ma per ora è un modello semplificato).

Quindi sostanzialmente si riduce a quanto velocemente puoi caricare e scaricare quel condensatore .

Più tempo impiega il condensatore a caricare o scaricare, più tempo impiegherà il dispositivo a passare e maggiore sarà la potenza dissipata durante quel periodo di commutazione.

C'è un bellissimo documento PDF di International Rectifier che ti introduce alle basi dei MOSFET . La sezione intitolata "Gate Charge" è una buona lettura per questo problema.

Può essere semplificato fino alle formule RC standard per il calcolo del tempo di carica di un condensatore $\tau=R \times C$ - la capacità del gate, moltiplicata per la resistenza della porzione di circuito che carica o scarica il gate. Ad esempio, se si commuta il gate su 100Ω e il gate ha una capacità di 7700pF, il tempo di salita sarebbe $100 × 7.7e-9 = 770ns$ per il 63,2% di carica. Regola quel tempo per adattarsi esattamente alla tensione di soglia e alla tensione del tuo convertitore.

Supponiamo che tu abbia un PWM a 8 bit, che è un possibile 256 valori, quindi hai bisogno di un minimo assoluto di 770ns * 256 intervalli di tempo per la commutazione, che è 197.120µs, o una frequenza massima assoluta di 5073Hz. Lo limiterei a metà in modo da garantire un intervallo minimo di unità di livello tra accensione e spegnimento.

Certo, questo è solo un valore approssimativo. Se leggi quel PDF e lo confronti con i valori nel foglio dati potresti essere in grado di trovare valori più accurati.

— Majenko
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Questo è davvero un bel documento PDF.

— Kamil,

Quando un gradino colpisce un cancello mosfet c'è qualche ritardo prima che il mos sia completamente acceso. Questo deve essere preso in considerazione se non si desidera finire con un MOS che trascorre la maggior parte del suo tempo ad accendere (spegnere) invece di (non) condurre nei suoi stati ideali, cioè "completamente acceso" e "completamente spento" .

Quando arrivano i passaggi, accadono due cose: la capacità del gate-source deve caricarsi e la regione di inversione deve formarsi sotto il gate. C'è una sorta di ritardo "morto", cioè non accade nulla, sia all'accensione che allo spegnimento, poiché quando la carica sul gate è al di sotto o al di sopra di una certa soglia nessuna corrente (o tutta la corrente possibile) può fluire: quel ritardo è il tempo di ritardo.

I tempi di salita e di discesa tengono conto del tempo necessario alla corrente per raggiungere il suo valore massimo, o zero, è come se si stesse camminando lungo le caratteristiche mos nella regione lineare (triodo).

Mentre i tempi di ritardo sono probabilmente praticamente costanti, i tempi di salita e discesa dipendono fortemente dalla tensione di gate:

all'accensione, maggiore è la tensione della porta target , minore è il tempo di salita
allo spegnimento, minore è la tensione di gate iniziale , minore è il tempo di caduta

A volte si guida il cancello ad alta tensione per accenderlo rapidamente, quindi tornare al minimo $V_{GS}$ ciò garantisce la saturazione in modo che anche lo spegnimento sia più veloce.

Per quanto riguarda i tuoi tempi, inizierei a sommare il ritardo e il tempo di salita (caduta) per ogni transizione:

t_{O N} = t_{d (o n)} + t_{r} = 480 n S t_{O F F} = t_{d (o f f)} + t_{f} = 2100 n S

$t_{ON}=t_{d(on)}+t_r=480ns\\t_{OFF}=t_{d(off)}+t_f=2100ns$

Supponiamo che tu voglia spendere al massimo l'1% del tuo tempo per accendere o spegnere il tuo mos: prendi $t_{ON}+t_{OFF}=2580ns$ , moltiplicalo per 100 e hai il tuo periodo: 258000ns, o 258us, che è di circa 4kHz. Nei commenti stavo semplicemente trascurando il tempo di accensione.

L'1% è comunque un limite abbastanza conservativo, significa che l'onda sembra davvero un'onda quadra se la vedi attraverso un ambito. Probabilmente puoi anche andare un po 'più in alto ed essere al sicuro, cioè non stai dissipando molto.

— Vladimir Cravero
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