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03/08/2016 #1

Avatar de seaarg

Consulta voltaje de gate en mosfet N high side
En un medio puente hecho con mosfets N, el mosfet del lado de arriba tiene su gate manejado por un transistor npn con emisor a gnd y un circuito de bootstrap con diodo y capacitor para elevar la tension de gate y una resistencia "pull up" de 510 ohms.

La tension dei circuito va a variar entre 12.75 y 9 Volts.

Esto funciona perfecto, pero el prototipo lo estoy haciendo con mosfets IRFZ48 donde su VGS max es de +-20 V

En el diseño final, voy a usar mosfets de nivel logico, cuyo VGS max es de +-10 V (porque el lado bajo se maneja de un micro directo). La idea es no poner drivers porque los que tengo son los IR2101 y necesitan al menos 10v para funcionar y yo quiero hacerlo funcionar desde 3.7 V hacia arriba. (Y no tengo la posibilidad de comprar otro driver)

Esto me trae un problema grande, ya que la tension de bootstrap sera de unos 23.3 Volts, quiza hasta 25 teniendo en cuenta picos regenerativos, superando por mucho el VGS max del mosfet. Sin embargo, este problema es salvable facilmente poniendo un Zener de 10V entre gate y source del mosfet high side. (O quitando el bootstrap y poniendo una fuentecita flotante regulada).

Mi mayor duda es en relacion al transistor driver. Ya que este tiene su emisor a gnd,lo que implica que el voltaje de gate va a ser de 23.3 vpp y que encima representaran un alto voltaje negativo en el gate del mosfet cuando el source del mismo este al mismo potencial que gnd.

Probe colocar una resistencia entre el emisor del transistor driver y gnd, formando un divisor de tension con la pull-up que enciende el mosfet. Esto en simulacion funciona pero en la practica el circuito consume mucho mas lo que me indica un posible corto entre el mosfet superior y el inferior por problemas de tiempo de encendido / apagado.

He visto muchos diseños donde no se hacen problema y dejan el transistor driver con emisor a gnd directamente.

Mis consultas:
a- Esto no termina reventando el mosfet por exceder VGS max?
b- El parametro VGS max dice +-10 V, esto implica que puedo darle hasta 10 volts negativos con respecto a source sin dañarlo?

Muchas gracias!

PD: Siiiii ya se que deberia usar un driver pero me gustan los desafios :p ...
03/08/2016 #2


Hola caro Don seaarg , ?? se no for de muchas molestias , podrias subir aca un dibujo de lo circuito que tienes dudas ?? , serias mucho util para nosotros puder entiende mejor lo que quieres .
! Saludos desde Brasil!.
Att,
Daniel Lopes.
03/08/2016 #3

Avatar de seaarg

Gracias por tu atencion Daniel,




Seria este circuito pero en vez de 1 K estoy usando 510 ohms, y en vez de 10 K estoy usando 2K2
03/08/2016 #4

Avatar de ruben90

El IRFZ48 tiene un VGS máximo de ±20V. Si le aplicas +20V el transistor estará totalmente "saturado". Si aplicas -20V el transistor estará totalmente en corte. Si superas dicho limite el transistor se "destruye" (pierde sus propiedades semiconductoras y se puede llegar a romper el componente físico).


Como protección se colocan los siguientes diodos zener.
03/08/2016 #5


Mira , la tensión de VGS es la tensión desahollada entre Gate y Sourse , en lo premero momento de enciendido tenemos 0V en la carga (load) y 11,3V en lo Gate , asi lo transistor MosFet cierra su canal Dreno y Sourse ,y en ese momento tenemos aproximadamente 12 V en la carga ( lo que es lo mismo que en lo sourse) , con la acción del circuito de Brootstrapped lo sinal AC desahollado en la carga (load) es rectificado y sumado a lo VCC (+12V) que genera los 23V - 12V del Sourse (cuando el transistor MosFet es accionado) = 11V .
En todo caso es muy bienvenido un diodo zener de 15V X 1W en paralelo con lo Gate y Sourse del transistor MosFet. Una dica de dejo aca es agregar un capacitor de "speed-up" en paralelo con lo resistor de base del transistor NPN driver cujo valor capacitivo depende de la frequenzia de comutación .
Ese capacitor ayuda en mucho acelerar los tienpos de comutación "ON - Off" del colector del transitor driver NPN y eso puede sener observado con la ayuda de un osciloscopio.
Otro meo mucho mas sinples es enpleyar un transistor Mosfet tipo canal "P" donde su sourse es conectado a lo VCC (+12V) , lo Dreno es la salida para la carga y lo Gate es conectado a lo Colector del transistor driver NPN , no pudemos olvidar del resistor entre Gate y Sourse ( 1 Kohms es suficiente) , pero hay que tener cuidado porque haora la lógica de comando es inbertida del circuito anterior.
!Saludos desde Brasil !.
Att,
Daniel Lopes.
03/08/2016 #6


No queda claro para que usar bootstrap, para ese mosfet que diferencia habría de Rds entre 12V y 20V como para justificar su uso.Si la Rg es baja, se puede inyectar suficiente corriente como para elevar la tensión de compuerta hasta 12V. No conozco la carga que debe manejar, es mas una pregunta que una guía para resolver el problema. Saludos.
03/08/2016 #7


smoke dijo: Ver Mensaje
No queda claro para que usar bootstrap, para ese mosfet que diferencia habría de Rds entre 12V y 20V como para justificar su uso.Si la Rg es baja, se puede inyectar suficiente corriente como para elevar la tensión de compuerta hasta 12V. No conozco la carga que debe manejar, es mas una pregunta que una guía para resolver el problema. Saludos.
Sin la ayuda del circuito de boostrap lo transistor Mosfet no logra mas cerriar lo canal Dreno y Sourse por falta de tensión suficiente de VGS ( lo Sourse sube a VCC cuando lo canal Dreno y Sourse es cerriado) .
Att,
Daniel Lopes.
03/08/2016 #8

Avatar de pilm

Hola seaarg. Prueba con este circuito…

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Tipo de Archivo: jpg highSide.jpg (41,2 KB (Kilobytes), 60 visitas)
03/08/2016 #9

Avatar de seaarg

@ruben90, gracias por esa informacion de los zeners. Sabia que podia poner 1 pero no 2 en antiserie para limitar hacia abajo.

Aclaro de nuevo que el IRFZ48 lo estoy usando en el protoboard nada mas. En la realidad voy a usar un mosfet doble SMD de nivel logico FDS9926A cuyo vgs maximo es de +-10 V y de ahi mi duda ya que alimento el circuito con un maximo de 12.6 volts de 3 celdas de litio polimero.

@plim: Gracias por tu esquematico. Lo simule y al tener un push pull el corte y conduccion son mas abruptos mejorando el rendimiento. El efecto sobre lo que tengo dudas es el mismo que con el circuito que puse mas arriba, donde el valor de gate varia entre 23 volts y 0 volts. En mi caso no necesito un corte / conduccion tan bueno ya que la frecuencia de switch es lenta, como maximo 1 khz. ¿Hay alguna razon por la cual se entra por emisor y no por base en el transistor Q4?

@Daniel Lopes: Gracias por tu detallada explicacion. Te comento que en la simulacion puse el capacitor de speed up en el driver y mejoro muchisimo el apagado del mosfet, de unos 800 nS a 100 nS con 1 nF @ 10 khz.

Sin embargo me queda una duda: Cuando el mosfet conduce, si, tenemos 12V en el source por lo que VGS = 11V, pero cuando el mismo NO conduce, tengo 0 V, por lo que, cuando lo haga conducir de nuevo con el capacitor de bootstrap cargado, voy a tener por un breve instante 23 V en VGS hasta que el mosfet se encienda llevando su source a 12 V nuevamente. ¿Este breve instante sera suficiente para reventar un mosfet con VGS max 10 V ?

Creo que si o si, no me salvo de tener que poner zeners de 9.1 V en cada uno de los gate. Es un controlador brushless por lo que son 3-6 zeners y los voy a tener que conseguir en SMD :(
04/08/2016 #10

Avatar de ruben90

Desafortunadamente NO. Los MOSFET son componentes muy sensibles al voltaje y rápidos en conmutación. Aun que el pico de voltaje durara 1µs lo notaria, así fueran uno o dos voltios arriba del limite. Recuerda que un incremento de voltaje conlleva un aumento de corriente (Ley de Ohm), y si utilizas una resistencia de 510Ω tendrás que contemplar la potencia que se disipe en ella. También recuerda que los MOSFET al conmutar a considerables frecuencias deben cargar sus capacitancias parasitas (ciss, crss, etc.), para no calentarse de más.

En vez de utilizar un diodo zener podrías utilizar un divisor de tensión, para limitar VGS.
04/08/2016 #11

Avatar de pilm

seaarg dijo: Ver Mensaje
@plim: Gracias por tu esquematico. Lo simule y al tener un push pull el corte y conduccion son mas abruptos mejorando el rendimiento. El efecto sobre lo que tengo dudas es el mismo que con el circuito que puse mas arriba, donde el valor de gate varia entre 23 volts y 0 volts. En mi caso no necesito un corte / conduccion tan bueno ya que la frecuencia de switch es lenta, como maximo 1 khz. ¿Hay alguna razon por la cual se entra por emisor y no por base en el transistor Q4?(
Con el circuito que te propuse vas a tener aproximadamente 11V para la compuerta del mosfet (respecto al surtidor), sin embargo como veo que aún es demasiado, puedes poner un zener de valor adecuado a tu necesidad en paralelo con C1 y una resistencia “shunt” en serie con D1, cuyo valor estará en relación con los parámetros del zener. Ojo que la carga (R1 en el esquemático propuesto) ya actúa como “shunt” pues la C1 repone su carga a través de esta durante los instantes en que Q1 está en corte.

Lo de la entrada por emisor es por dos razones: no se invierte la señal de control (como sucedería por base) y una mejor velocidad de conmutación.Considerando que alimentaras el circuito con baterías, deberías considerar como aspecto importante su rendimiento.

Espero te sirva. Un saludo.

PD. Posiblemente necesites un capacitor (tántalo) en paralelo con C1, entre 2,2uF y 4.7uF.
04/08/2016 #12

Avatar de seaarg

Impecable, muchas gracias a todos! Tengo la decision de simplificar y achicar circuito y por ende tamaño fisico y peso, perdiendo algunas caracteristicas ventajosas o agregar algunos componentes (como el push pull) para mejorar rendimiento.

Por ultimo, lo que consulte era una duda que tenia hacia rato desde que conoci como operar con un mosfet en high side. Sin embargo para este proyecto en particular, como me estan tardando en llegar los mosfets en encapsulado SO8, voy a tener que terminar haciendolo con unos mosfets D-PAK obtenidos de motherboards. Son unas tremendas bestias en un encapsulado "potable" y con un VGS de +-20 V con lo que se me eliminan todos los problemas si resigno algunos milimetros de placa y un par de gramos.

Proximamente posteo aqui en el foro mi controlador brushless "especial". Digo especial porque es diseñado con la intencion de que se pueda armar con la mayoria de las cosas recicladas, con un PIC en vez de atmel (exprimido al maximo esta) y diseñado con quadcopters en mente, es decir, extra rapido.
04/08/2016 #13

Avatar de pilm

Lo reflexioné un poco y considerando el mosfet que usarás y que para el micro-controlador dispondrás de fuente de 5V, pienso que la configuración adecuada sería la siguiente:

Dispondrás de aproximadamente 4.3V para manejar la compuerta, mas que suficiente para el mosfet en cuestión.
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Tipo de Archivo: jpg highSide_01.jpg (41,2 KB (Kilobytes), 18 visitas)
05/08/2016 #14

Avatar de seaarg

pilm, lo que estas usando para hacer el esquematico es proteus? Tengo la version 8 pero no tengo ese mosfet.

Con el IRFZ48 ni se mueve hasta que no alimento los "5V" con 8V y con otros mosfets de proteus que dicen ser "logic level" apenas llega a transferir un par de voltios a la carga (si fuera la realidad ya se habria quemado por sobretemperatura)
05/08/2016 #15

Avatar de ruben90


Se debe a que Proteus esta tomando la versión con encapsulado TO-220, el cual tiene un VGS = ±20V. Intenta modificar el código del dispositivo o descargalo de internet, o busca el IRLZ44 que si es "LOW LOGIC LEVEL"
05/08/2016 #16

Avatar de pilm

Hola seaarg. Pues sí, usé Proteus y no, no vas a encontrar ese mosfet. Yo lo puse únicamente atendiendo a que dijiste que lo usarías en el circuito real. Para la simulación puedes usar cualquier otro mosfet “logic level enhancement mode”.


Aquí te pongo una simulación usando el 30N06L; use una señal de control entre 0V y 5V, frecuencia 1KHz (dijiste que esa sería tu frecuencia de trabajo). En rojo el voltaje compuerta-surtidor y en verde el voltaje sobre la carga.



No olvides que en el circuito real, dado que vas a manejar una carga inductiva, debes colocar un diodo rápido en anti-paralelo con la carga.


Saludos…
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Tipo de Archivo: jpg highSide5V.jpg (91,6 KB (Kilobytes), 12 visitas)
05/08/2016 #17

Avatar de seaarg

Muchisimas gracias señores. Me solucionaron el problema de VGS max.

Tengo que ver que hago, si espero que me lleguen los mosfets en encapsulado SO8 con VGS max +-10 volt, o uso unos IR2101 en conjunto con mosfets D-PAK que obtuve de motherboards.

Con el circuito de bootstrap mi principal ventaja es poder trabajar con baterias de litio de 2 o 3 celdas a elegir.

Con el circuito con driver de mosfet, me limito a una lipo de 3 celdas si o si. Me parece que voy a hacer el esfuerzo del layout en el PCB para usar el circuito de bootstrap con el que finalmente voy a tener mayor flexibilidad.

Muchas gracias de nuevo!
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