BUCK-BOOST : Driver MOSFET Problèmes!/Conseils?

[invite7a39c3be]

Bonjour,

J'ai développé un convertisseur de type BUCK-BOOST (inverseur) sans régulateur, c'est à dire juste la partie électronique de puissance. Puissance maximum de 70W (output: 2-14V; max. 5A). Son objectif est de commander une pompe, la précision n'est donc pas essentielle.
Il "fonctionne" mais il est truffé d'erreurs, en effet, ayant repris le schéma d'un convertisseur BUCK précédemment réalisé, je n'ai pas fait attention aux tensions négatives... les drivers ne sont pas adaptés, ils ne sont pas prévu pour des tensions négatives (U2 est détruit, c'est la diode de Q2 qui fait le travail). De plus le système "Charge pump" pour avoir une tension Vgs de 12V n'est pas adapté, en effet comme j'ai pu le voir, il additionne aussi la tension négative et donc Vgs ne vaut plus 12V mais 12V + Uout, sachant que Vgs_max est de 20V ça coince...

1) Ma première question, avez-vous déjà réalisé un convertisseur BUCK-BOOST en pratique ? Si oui avez vous un schéma ?
(Note: je ne recherche pas de BUCK-BOOST avec un contrôleur, ce qui m’intéresse c'est la commande des MOSFET surtout)
2) Ensuite, pour mes drivers, vous connaissez un type ou un schéma permettant de piloter des MOSFET avec des tension absolue négative ?
3) Je suis trop con de ne pas avoir utilisé la topologie SEPIC ?

Je vous ai mis mon schéma, il n'y a pas tout, c'est juste la partie qui nous intéresse.
Si vous avez des remarques ou question, n’hésitez pas !

Merci d'avance !
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[Tropique]

Bonjour

Merci de respecter les http://forums.futura-sciences.com/el...-sabonner.html, et de convertir l'image dans un format autre que le pdf (réservé aux documents complexes et multipages).

[bobflux]

Je ne peux pas voir la PJ, mais déjà une question : pourquoi ne pas avoir utilisé un buck boost à charge flottante ?

[invite7a39c3be]

Sauf qu'un document PDF enregistre les informations sous forme vectoriel et que de cette façon on peux lire tout les texte sans soucis, pas besoin d'avoir des images de 500ko quand on en a que 50... sans parler des métas informations. Enfin voila.


Buck boost à charge flottante, c'est à dire ? Tu as un schéma ?
merci

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tropique]

Une première remarque, incidemment: le 2118 a-t-il besoin de 12V, ne pourrait-il se contenter d'un niveau logique? A moins bien sûr qu'il y ait un µ devant, mais dans ce cas, 10K de pull-up me semble très excessif.

Pour le problème, une première idée de quick-fix (peut-être idiote) qui me viendrait serait de virer U2 et de connecter R7 à la masse, avec un écrêtage éventuel pour protéger le gate de Q2.
Il fonctionnerait en autosynchrone, et il ne serait pas nécéssaire de refaire le PCB.

[invite7a39c3be]

Oui pour le 2118, j'ai une logique a 3.3V et le driver veut Vih_Min = 9.5V mais j'ai mesuré avec les 10K, pour la commutation ça va. J'ai pas de dead-time du coup j'ai une légère cross-conduction mais ça dérange pas.

Et comme j'ai pu le constater U2 a du être détruit par la tension négative car je n'ai plus le signal de commande de la gate. Donc c'est la diode qui prend le relais.

Par contre tu viens de me faire pensé que le signal est maintenu à 0V (et non pas à la tension source de Q2) et comme j'ai une tension négative en sortie, donc au niveau source de Q2, ce dernier "conduit" quand il ne devrait pas. Ça expliquait le rendement de merde que j'ai, qui varie entre 40 et 80% ... Demain je vais déconnecter R7 et connecter la gate à la source. Et vois ce que ça donne ! Merci pour ton commentaire

Si ça arrange ça, il reste toujours un soucis de commutation pour Q1 car j'ai plus que Vgs max.

[invite7a39c3be]

J'ai retiré R7, mis une nouvelle résistance de 100ohm entre G et S de Q2 et un diode schottky en parallèle.
J'ai mis une Zener de 18V entre G et S de Q1 pour éviter d'avoir une tension de commande supérieur à 20V.
Et ça fonctionne nettement mieux j'ai même un rendement de 72% là ou j'avais 40% avant !

Par contre, je n'arrive pas a avoir une tension de sortie inférieur à -12V (en absolu, je suis limiter a 12V max). Qui n'est apparemment pas limité par la saturation du flux dans la bobine mais lié a la tension d’alimentations des drivers... il doit y avoir une diode ou un système de protection a l'intérieur...


Personne n'aurait un drivers pouvant allé dans le négatif ?
J'attends toujours plus d'info sur le buck boost à charge flottante ?

[bobflux]

http://www.cypress.com/?docID=21163

Deux énormes avantages :

- pas de tension négative
- source du MOS référencée à la masse, donc très facile à driver

[invite7a39c3be]

Merci beaucoup ! La doc est super bien fait aussi !
Je vais étudier/tester la chose !

[bobflux]

C'est assez simple, mais il faut faire attention au Vds du MOS qui atteint en pointe, la somme des tensions d'entrée, de sortie, plus les éventuels petits pics qui dépendent du layout, des composants, etc. Bref, prévois une certaine marge dans le choix du MOS. Si tu as besoin d'un boost pour sortir 14V, ta tension d'alim doit être plus faible, donc un MOS de 40V, tu devrais pas avoir de problèmes à trouver ça. En SO-8 ou autre CMS, c'est bien.

La charge est flottante... t'as vérifié que ta pompe n'a pas la masse reliée au chassis ?...

Si tu veux mesurer le courant, regarde là : http://www.maxim-ic.com/products/amp_comp/CSA.cfm mais tu n'es pas obligé, si t'as pas besoin de précision, contrôler la grille du MOS avec un simple PWM est suffisant.

Une protection anti déconnection de charge est indispensable, parce que si tu déconnectes la charge, la tension de sortie monte, monte.... et pouf. Même si tes connections sont soudées, un montage qu'on peut démonter sans qu'il crame, c'est sympa.

Un exemple : http://sketchtag.com/KSlbkmt7Lc ou sinon si t'as un comparateur qui traîne ça va aussi... mais il vaut mieux mettre un petit filtrage (RC sur le schéma) quand on a un DC-DC dans le coin.

Serre ton layout, et mets une capa de sortie d'une valeur suffisante (note que quand la protection anti-surtension se déclenche, il reste encore l'énergie stockée dans l'inductance à évacuer, qui ira dans la capa de sortie...)

Pour le driver du MOS, comme t'es pas en synchrone (2 MOS) mais en "oldskool" (MOS+diode) tu peux mettre n'importe quel driver de MOS qui rajoute de la patate à ton signal PWM, regarde sur digikey, il y en a des tonnes (sinon 2 transistors ça marche aussi...)

http://search.digikey.com/scripts/Dk...AN3111CSXCT-ND (et sa nombreuse famille)
http://search.digikey.com/scripts/Dk...XGD3003E6CT-ND (et sa nombreuse famille)

> Je suis trop con de ne pas avoir utilisé la topologie SEPIC ?

non, tu n'es pas trop con, tu fais un SEPIC seulement quand t'es obligé, vu que c'est plus complexe, plus cher, plus gros, et moins efficace (mais certes, la charge est référencée à la masse, et protégée par le condensateur...)

PS :

- les snubbers de ton schéma ne servent à rien, sauf si tu es à proximité d'une charge nucléaire, soigne le layout plutôt.
- puisque tu es en basse tension, ne mets pas un driver de MOS de 600V... avec des drivers anémiques dedans... (si tu veux un driver de MOS synchrone 30V qui pète, mets un ADP3120, mais pas dans ce montage-ci)
- j'arrive pas trop à voir si ton driver devrait ou non cramer en fonction de ta tension négative d'après la datasheet (mais il est tard)
- si t'as du 12V, t'es vraiment sûr que t'as besoin de cette usine à gaz pour avoir 14V ? (ou alors les 2V de plus font vraiment la différence ?...)

[invite7a39c3be]

Merci,

C'est un type de convertisseur que je pourrais appliquer pour mon application ! C'est un Boost que tu connecte non pas a la masse mais a Uin. Du coup ça me simplifie à mort tout mon système ça; je peut reprend le design de mon convertisseur Buck qui fonctionne a merveille, juste a croiser MOSFET et inductance.

MOSFET
J'ai 25V du Uin max et 14V de Uout max ça me fait 39V maximum et comme je prends 1.5x la tension maximum ça me fera de MOSFET de 60V. C'est j'ai déjà.

Pompe
Non le châssis c'est bon. La jamais pensé avoir -14V sur la masse de la pompe et maintenant j'aurai Uin, de tout manière je ferai une documentation expliquant tout ça.

Protection contre les sur-tension
Dans l'absolu la pompe ne sera jamais déconnectée. Si il arrivait un soucis, le système le détecterais et se déclencherais.
A la base je pensais simplement mettre une zener et un résistance comme OVP, la résistance permettant la décharge du condo.
Ton système est plutôt cool, tu force le PWM à 0. Tu choisis quel ordre de valeur pour ta résistance qui tire la Zener à 0V, 1k ? Et le filtre quel bande passante, 1/10 du PWM ?
PS: Sympa http://sketchtag.com, je connaissais pas

Layout
Pour ça, pas de soucis de ce coté, le schéma ci-dessus fait environ 15cm2 et la moitié est occupée par la bobine. Le chemin du courant est optimal. Pour les snubbers c'est a dire le RC sur les MOSFET ? Je les ai mis car je faisais des essais sur un plaque séparée et avec ça j'avais réussit a diminuer les perturbations. Au prix ou c'est... je vais les garder.

Drivers
Je vais garder deux MOSFET, ça reste mieux que un MOSFET + une Schottky. Mais cette fois je retrouve une configuration standard : 1 high side + 1 low side. Je vais reprendre le driver de mon Buck, c'est à dire le LM5106MM (c'est un driver 100V max), et l'option enable et dead-time je les apprécient Je pourrai même connecter mon OVP sur l'entrée enable !

Le circuit actuel
Je vais abandonner mon circuit, je vais passé trop de temps pour essayer de rafistoler qqch qui fonctionnera pas super bien.

Merci pour tes infos !

[bobflux]

Ça me paraît bien parti...

> Du coup ça me simplifie à mort tout mon système ça

C'est l'idée !

Sinon, tu pourrais mettre un convertisseur boost standard, suivi par un PWM sur la pompe. Quand tu n'as pas besoin du boost, le courant passe quand même dedans (via l'inductance et la diode)... mais t'auras un peu moins de rendement.

> Tu choisis quel ordre de valeur pour ta résistance qui tire la Zener à 0V, 1k ?

Il faut que la zener soit bien dans le coude de sa caractéristique, et que le courant de fuite ne provoque pas un déclenchement intempestif, donc à voir... 1K pourquoi pas !

> Et le filtre quel bande passante, 1/10 du PWM ?

Par exemple, oui (tu peux faire une simulation)...

> Pour les snubbers c'est a dire le RC sur les MOSFET ?

Ça diminue le rendement...

[invite7a39c3be]

Semaine prochaine je vais designer tout ça ! C'est bien, ça me remotive avec tout les soucis que j'ai eut ça m'avait un peu démotiver.

Bah cette topologie me parait l'idéal pour l'application, simple et efficacité et la masse flottante ne pose pas de soucis . Le PWM directe sur la pompe c'est pas super... si on avait des modèle brushless la ça aurait été bien !

Pour les snubbers j'avais mesurer et j'ai pris volotairement une valeur de C très faible et une R assez grande pour en avoir le moins possible et que ca soit toujours utile. je vais les laisser et préciser que c'est facultatif, c'est plus facile de na pas souder quelque composent que de devoir bricoler un truc par la suite

merci, je posterai le schéma !

[invite7a39c3be]

Alors voila, comme promis, le schéma de mon floating Buck-Boost. Pas de grosse faute en vue ?

[bobflux]

Ce serait bien si le forum donnait une résolution encore plus pourrie aux images

Ça a l'air bon.

Le bidule avec l'opto est original ! C'est pas con du tout, mais j'ai l'impression que la zener est à l'envers...

[invite7a39c3be]

Pour les images je me tais si non je vais me faire massacrer moi je suis pour les poster en pdf mais ils ne veulent pas...

Merci la Zener... est effectivement fausse ! Rah boulet, merci !

Ben je voulais faire par rapport à la masse mais ça faisait 14+25=39V et dans ce cas j'aurais du mettre des condos de 50V alors j'ai fait la comparaisons avec la tension différentielle mais du coup j'ai eut besoin d'une séparation galvanique. C'est pas plus mal comme ça

[invite7a39c3be]

Ça à l'air de fonctionner

Duty cycle
Bon par contre comme j'utilise un driver directe, j'ai une sortie inversé pour la commande du MOSFET du bas et je n'ai plus la fonction de transfet Vo/Vi = D/(1-D) mais Vo/Vi = -(D-1)/D mais ça ne change rien.

Performance sur carte de test
Bon j'ai un rendement moyen... seulement 85% et je n'arrive pas a atteindre les 5A pour Io. Mais de ce que j'ai pu mesurer, j'ai un signal de merde pour la commande du MOSFET du bas, aà mon avis ça viens du montage; les cartes à points et les fils c'est pas ce qu'il y a de mieux pour ça ! :P

Faut aussi que je contrôle que la bobine ne sature pas, elle chauffe drôlement beaucoup à 4A elle est à 100°C... C'est un composent de merde à calculer, à trouver et après c'est tellement pas stable en température... Je vais essayer de récupérer les sondes de courant pour voir ça.

Limiteur de tension
Le limiteur fonctionne bien, il limite à 20.00V pile poile ! Bon il fait un PWM par dessus un PWM c'est pas génial et ça fait siffler condos/bobines. Faut dit que ça oscille de façon merdique vu que c'est une "peak regulation" mais c'est pas grave. C'est sensé jamais servir... en théorie

[invite7a39c3be]

Je m'en doutais... mais là c'est sûr, dans la bobine circule Io + Iin donc je suis tout de suite en saturation, bien plus vite que prévu. Et dans le pire des cas je peux avoir jusqu’à 13A... du coup ça va pas le faire car je ne vais pas trouver de bobine 330uH / 13A. Étant donné que je dois me limiter à une inductance de valeur fixe déjà disponible sur le marché et que je ne peux pas augmenter la fréquence du PWM.

Bon...
Buck-Boost inverter : Tension négative, problèmes pour piloter les MOSFET
Floating Buck-Boost : Courant d'inductance trop élevé.

Bon... retour au SEPIC ou au Cuk ! J'aurais aimer le Flyback mais je ne connais pas d'inductance "toute faite" pour.

[bobflux]

Ah, merde alors !

Pourquoi ne peux-tu pas augmenter la fréquence ? 330uH c'est énorme... tu travailles à quelle fréquence, et avec quel courant d'ondulation ?

Sinon il y a un autre schéma de buck-boost que tu n'as pas cité, c'est celui utilisé par le LTC3780 et 3785, autrement dit 4 MOS :

http://sketchtag.com/KSmGabLoWA

La sortie est référencée à la masse et le contrôle est simple (dans ton cas) : suivant le mode buck ou boost, c'est l'une ou l'autre paire de MOS qui bosse. Le LTC3780 a un contrôle plus évolué, tout est expliqué dans la datasheet.

L'inconvénient c'est qu'il faut 4 MOS et donc 2 drivers synchrones. Vu tes tensions tu peux mettre un ADP3120 ($0.60 pièce) comme driver... je ne sais pas pour le prix de tes MOS, faut voir, si ça se trouve les passifs supplémentaires du Cuk/Sepic coûtent plus cher et prennent plus de place. J'ai jamais fait de Cuk/Sepic, par contre j'ai testé le LTC3780 avec satisfaction pour driver des LEDs...

[invite7a39c3be]

Oui, le flying inductor, du moins on l’appelle comme ça. Le LTC2780 est très charmant en effet. Mais le soucis c'est que j'ai seulement un seul PWM et le Enable. J'ai pas d'autre sortie à disposition... et j'ai besoin de régler la tension de sortie de 2 a 14V avec le duty-cycle du PWM. Y a peut être moyen de bidouille un truc avec le feedback du LTC mais ça commence a faire pas mal de chose en plus.

Les 72kHz c'est aussi une limite du uC. Je crois que suis plutôt coincé et poussé à faire un SEPIC. Mais comme je vois la chose on va devoir de toute manière mettre ce projet de coté pour le moment mais j'aurais aimé avoir une solution quand on le ressortira.

[bobflux]

> Les 72kHz c'est aussi une limite du uC

mais.... c'est quoi ce uC ?

[invite7a39c3be]

Un STM32F103 avec un quartz de seulement 8Mhz, mais c'est pas moi qui m'occupe de la programmation, ni qui aie designé la partie uC, ça été fait il y a plusieurs année. Jusqu’à mnt on a pas eut besoin de plus, ça fonctionne bien avec les convertisseurs buck. Mais pour cette version je n'ai plus la même plage de tension d'entrée et je suis obliger d'utiliser un abaisseur/élévateur. Je pourrais voir si c'est pas possible plus rapide. Mais je sais qu'on est assez limité niveau ressources restantes.

[bobflux]

Autrement dit, tu veux avoir un peu plus de 100 valeurs de PWM distinctes avec une horloge de 8 MHz...

Ce serait vraiment avantageux d'opérer à une fréquence plus élevée pour réduire la taille de cette énorme inductance !

Tu pourrais simplement passer le uC à une fréquence plus rapide... il devrait suffire de changer les paramètres de la PLL (ce uC fonctionne jusqu'à 72 MHz il me semble).
Ou alors, diminuer le nombre de "pas" de pwm : ta pompe est-elle vraiment controlable à 1% près ? 16 pas pourraient probablement suffire... surtout si il y a une contre-réaction autour (mesure de la pression ou autre)...

[invite7a39c3be]

Oui, ça fait partie des choses que je vais proposer cette histoire de fréquence, comme dit je suis pas le seul sur ce projet et j'ai pas mal de soucis a faire passez de nouvelles idées vu qu'on a une version qui fonctionne pas trop mal. Cette histoire de BUCK-BOOST c'est une variante et je comprends aussi qu'ils ne veulent pas tout refaire pour ça, du moins pas pour le moment. C'est un produit de niche, de recherche fondamentale, qui sera produit à une dizaine d’exemplaire et si ça dépasse 100 c'est un énorme succès.

Mais j'ai un liste avec les améliorations à faire et je vais ajouter la fréquence et défendre ça au mieux Mais ça sera pas pour tout de suite ça c'est sur. Je designer un version SEPIC, les inductances sont plus faible, j'ai trouvé une AN de National fabuleuse je vais faire avec çà avant que ça passe dans le tiroirs des trucs à donner à des étudiants comme thèse ou autres. Je posterai le schéma ici.

[bobflux]

> qui sera produit à une dizaine d’exemplaire et si ça dépasse 100 c'est un énorme succès.

Tu peux mettre un LTC3780 ou 3785 avec le PWM pour contrôler la tension de sortie, c'est overkill, mais c'est une solution...

Sinon, t'as pas une autre pompe sous la main ?

[invite7a39c3be]

Les pompes elles change souvent... chaque fois que troue un meilleur rendement. Baah j'ai eut un discutions avec le responsable, comme j'ai dit : en attente y a plus important. Mais je vais marquer tes idées sur ma fameuse liste Merci beaucoup en tout cas !

[invite7a39c3be]

Comme promis le schéma de la version SEPIC. Par contre niveau inductance il n'est pas vraiment optimisé. Il faudrait faire sois-même sa propre inductance couplée. La fréquence du PWM actuellement de 72kHz pourrait être augmenté.

(La version PDF du schéma permet une bonne lecture du texte)

[bobflux]

Si tu passes une semaine dessus et que tu vas en fabriquer une centaine, ça coûte moins cher à la boîte de mettre un LTC3780

(avec un bémol : le layout est très délicat et un PCB 4 couches est pratiquement obligatoire pour cet excellent convertisseur ; je peux te refiler un layout avec sous altium si je le retrouve).

Sinon, j'ai jamais fait de SEPIC, mais il semblerait que le condensateur soit assez critique, mais ce n'est pas facile de trouver des specs en "ripple current" pour les céramiques... j'ai fait 2 minutes de google et sorti un lien :

http://www.tdk.de/templ/campaign30/C...a%20Search.htm
http://www.tdk.de/templ/campaign30/D...06K%20Z-RC.pdf

Il semblerait que plusieurs capas en parallèle soient nécessaires. Un petit test destructif ?

[invite7a39c3be]

Le problème c'est que une semaine de boulot ce leur cout aussi bien cher


Le PCB fait déjà 4 couches donc c'est pas un soucis Mais si tu as un PCB avec ton LTC3780 je suis preneur
Un jour je sais que j'en aurais besoin


Ha oui bien cool ton lien ! Je me suis énervé de ne rien trouver pour les ESR.
Difficile de dire, faudrait voir quel influence cela a sur le rendement. Mais je pense que 2 voir 3 en parallèle ça peut être bénéfique.
Pour les SEPIC il parait que ce document est considéré comme la bible du design : http://www.national.com/an/AN/AN-1484.pdf Mise à part qu'il disent une faible ESR ils disent rien de plus.


Je suis entrain de l'écrire dans la doc, je ne peux plus faire de tests, hélas.

[bobflux]

Je vais fouiller ce soir pour te ressortir ça.

Pour la capa de couplage, il faudrait simuler la variation de tension dessus. Comme les céramiques ont un bon effet piézo, ça risque de faire du bruit. Je n'ai pas de données précises là-dessus, mais perso j'en mettrais plusieurs en parallèle pour la fiabilité...