Temps de commutation d'un MOS de puissance

[invite9885db9d]

Bonjour à tous,

j'aimerais réaliser un interrupteur de puissance ayant un temps de commutation de l'ordre de 25 ns. Pour cela j'ai pensé à un assemblage de MOSFET de puissance en série et en parrallère. (pour tenir les exigences en courant/tension et garder des bonnes caractéristiques : Rdson, tr, tf...)
Pour les commander de façon bien synchrone, je pense utiliser des petits anneaux de ferrite et réaliser un schéma comme celui que j'ai joins au message. (dans ce schéma seulement 2 MOS en parrallèle sont représentés)

Pour valider cet interrupteur, je pensais d'abord commencer par 2 MOS en parallèle, puis 2 en série, (pour vérifier les repartitions des courants et tension) puis augmenter ma matrice petit à petit.
De plus je commence mes essais avec des mosfet un peu moins performant, mais dans le but de voir si on peut retrouver les données de la datasheet, notamment en ce qui concerne le temps de commutation.
J'utilise donc pour l'instant des IRFB23N20D. (tr=32ns)

Le problème est que je ne parviens pas à retrouver ce temps de montée de 32ns.
Avec le montage du schéma ci-joint, j'arrive péniblement à 120ns.
Auriez-vous des idées de paramètres qui pourraient permettre de réduire ce temps de commutation jusqu'a celui donné sur la datasheet ?
Merci d'avance de vos réponses.

ps :
- les ferrites utilisées sont des petites ferrites faites pour les transfo d'impulsions, avec juste le fil qui passe dedans au primaire, et 2 tours pour l'enroulement secondaire
- les diodes utilisées sont des diodes ultra rapides BYT08P-400.
- les zener sont en fait des transils 15V.
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[invitef0503bf7]

Ton shéma n'est pas encore validé, je ne l'ai donc pas vus, mais j'ai quand même qq remarque

1) monter des MOSFET en serie n'est pas, je pensse, une bonne idée. Si la tension que tu doit commuter est vraiment si haute, utilse plutôt des IGBT.

2) le gate des transistors MOSFET représente une capacité d'asser grosse valeur ( Qg typique du IRFB23N20D = 57nC) pour charger ou décharger une tel capacité en 30nS, il faut un courant de 2A. A multiplier par le nombre de transistor en //... Cela fait tres vite des pointes de courant considérable!
Quel est le courant que peux fournir ton générateur d'impulsion?

Dépendant de la qualité de la commande des transistors, il n'est pas toujours intéressant de visé un RDS ON très faible, car cela peux engendré une augmentation des pertes de commutations plus élévé que la diminution des pertes une fois commuté.

[invite9885db9d]

bonjour xavier et merci de ton message,

je n'ai pas voulu prendre des IGBT car les temps de commutation de ces composants sont trop lent pour mon application. (a part si il en existe qui commute en 25 ns, mais dans ce cas la j'aimerais bien le connaitre)

Le générateur +10V pourra fournir un fort courant. (enfin dumoins il peut deja fournir suffisamment pour fournir 2 ampères a chacun des 2 MOS en parallèle)
autre question : comment faire pour envoyer 2 A à coup sûr sur la gate d'un mos ?
Pour l'instant mes impulsions sur Vgs sont d'une dizaine de Volt cela devrait suffire non ? et pourtant...

[invitef0503bf7]

Pour l'instant mes impulsions sur Vgs sont d'une dizaine de Volt cela devrait suffire non ? et pourtant...

En amplitude, oui, mais avec quoi comme temps de monté?

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite9885db9d]

Le temps de montée du signal Vgs est de 320 ns...
c'est surement insuffisant non ?!
et dans ce cas, comment faire plus court ?
merci

[invitef0503bf7]

Le temps de montée du signal Vgs est de 320 ns...

Dans les datasheet de IRFB23N20D, il est fait mention d'une impulsion < 1µs. J'imagine mal que sont temps de monté soit si "lent", non?

Pourquoi avoir mis une résistance de 5 ohms dans le drain du cirtuit de commande? Et qu'en est il de la commande de ce transistor?

[invite9885db9d]

la résistance de 5 ohm a été mise pour limiter le courant qui passe dans le primaire, mais elle peut aussi etre retirée, le courant serait alors bcp trop fort non ? Le Rdson du mos est de 0.1ohm max.
10V / Rdson = 100A , je me trompe ?
Je pourrais mettre une résistance de 1 Ohm a la place. ca peut se faire, mais je ne sais pas si j'y gagnerais?! (pour l'instant d'après les courbes de Vgs sur les gates des mos de puissance j'en suis à 140 mA de charge, loin des 2A nécessaires !!!!)

La commande du 1er mos se fait via un buffer (driver de mos) qui commande jusqu'a 1,5 A. (l'impulsion étant auparavant calibrée par un circuit de timer 555)
Ce mos switch en maximum 40ns, donc je pense qu'il est bien commandé.

Une question me vient alors : d'ou provient le courant qui arriverait sur la gate de mes mos à droite du schéma ? en augmentant le courant dans le primaire j'augmenterais à coup sûr le courant dans le secondaire ??
désolé j'ai un peu de mal a comprendre toute les subtilités... merci de ton aide !

[invitef0503bf7]

mais elle peut aussi etre retirée, le courant serait alors bcp trop fort non ? Le Rdson du mos est de 0.1ohm max.
10V / Rdson = 100A , je me trompe ?

Une rapide réflexion:
Les transfo on un rapport de 1:2. A leur secondaire 10V (une fois passer la transistion), donc, à leur primaire 5V. Il sont 2 en série, donc 10V en tout, ce qui est la tension d'alin. Il ne reste donc pas grand chose au bornes de la résistance.
Tant que tu veille a ne pas laisser le transistor de commande ON trop longtemps, il ne devrait pas y avoir de problèmes. Au besoin, double ou triple le nombre de spire

Une question me vient alors : d'ou provient le courant qui arriverait sur la gate de mes mos à droite du schéma ? en augmentant le courant dans le primaire j'augmenterais à coup sûr le courant dans le secondaire ??

Tu vois les chose a l'envers: pendant la transition, tu a un appel de courant du secondaire au primaire, courrant qui est actuellement limité par la résistance.
Une foi le gate chargeé, il n'y a plus d'appel de courrant, et le transfo n'est plus qu'une self (primaire). Si cette self est alimenter trop longtemps (largeur d'impulsion trop grande) elle va saturé, et là, elle va commencer à ta bouffer du courant pour rien, courant limiter par ta résistance.

[invite9885db9d]

ok, j'ai pris bonne note.
il me reste plus qu'à essayer les différentes idées.
merci encore pour ta réflexion.
a+

[invite9a9442f7]

Bonjours,

Je me permet d'actualiser ce sujet car j'ai justement un problème similaire.

Je dois commander un Moteur de 12V 20A via un MOSFET( IRF8010 : http://www.irf.com/product-info/data...ta/irf8010.pdf). voire le schéma.

J'ai fais un premier essai en conduction continue, le MOSFET ne chauffe pas du tout.

Mon objectifs est de le faire commuter à une fréquence de l'ordre de 20KHz pour limiter le bruit et de pouvoir rendre la vitesse du moteur variable.
J'ai donc commencer par faire un essai avec une fréquence sur la commande de 1KHz: Le MOSFET avec un dissipateur thermique à atteint 100°C en 70 secondes. j'ai arrêter à 70 secondes, je pense qu'il aurait cramer. Je n'ai même pas essayer de le faire commuter à 20KHz du coup.

Pourtant, d'après mes recherches, j'ai trouvé une formule qui ressort sur beaucoup de sites :

Pcommutation = ½*Vds*Ieff*(tr+tf)*f

Si je calcule je trouve une puissance < au Watt . . .

12*20*½*(326*10^-9)*1000 = 40mW

Remarque : 326 ns est le temps total mis par le MOSFET pour établir le régime bloqué saturé et saturé bloqué d'après la datasheet.

Je ne prends pas en compte la Puissance par conduction puisque d'après les testes le MOSFET ne chauffe pas en continue, donc le problème ne vient pas de là.

Il n'y a pas de résistance sur la Gate du MOSFET, puisque justement, je me dis que si je mets une résistance, je vais ralentir les temps de monté et de descentes du MOSFET ==> augmenter la puissance en commutation. Sachant que mon drivers, supporte très bien les courants d'appel de la Gate de mon MOSFET, il est fais pour sa je pense .

Je pense que la solution ici est de mettre en parallèle plusieurs MOSFET et c'est ce que je vais surement mettre en place.

Mais ce que je veux, plus que la solution est une explication sur ce qui se passe dans mon montage, je ne comprends vraiment pas le fonctionnement des MOSFETS.
_Pourquoi chauffe-t-il alors que d'après les calcules il ne devrait pas?
_Pourquoi d'après cette citation :

2) le gate des transistors MOSFET représente une capacité d'asser grosse valeur ( Qg typique du IRFB23N20D = 57nC) pour charger ou décharger une tel capacité en 30nS, il faut un courant de 2A. A multiplier par le nombre de transistor en //... Cela fait tres vite des pointes de courant considérable!
Quel est le courant que peux fournir ton générateur d'impulsion?

Dépendant de la qualité de la commande des transistors, il n'est pas toujours intéressant de visé un RDS ON très faible, car cela peux engendré une augmentation des pertes de commutations plus élévé que la diminution des pertes une fois commuté.

la résistance Rdson est la partie puissance, et la gate la partie commande, quel rapport de Rdson avec la capacité de commande à chargé ?
_Si Rdson augmente, cela va augmenter mes pertes en conduction
_etc . . . ( ne pas hésitez à m'expliquer en détails s.v.p mais sans trop me renvoyer sur des liens, j'en bouffe depuis bientôt 1 semaine je sature )

PS: Si on peut me donner un conseil avant que je fasse la bétise :
Si je mets en place plusieurs MOSFET en parralèles faut-il plusieurs drivers, ou un drivers va suffir pour 4 MOSFET par exemple ?

Merci pour la lecture

[invitee05a3fcc]

Le driver MOSFET , c'est quoi comme schéma ?
Pas de résistance dans la grille du NMOS ?
Pas de diode de roue libre ?

[bobflux]

P = RI²
I = 20A
R = 0.015 ohm

=> 6W en continu. Un dissipateur pas trop gros convient.

Qg max = 120 nC.
Pour commuter en 120 ns il faut donc envoyer 1A dans la grille.

Il faut des détails sur le driver.

> il n'est pas toujours intéressant de visé un RDS ON très faible,
> car cela peux engendré une augmentation des pertes de commutations

Plus le MOS est gros plus la RDSon est faible et Qg élevé. Donc il faut choisir le bon MOS pour équilibrer les pertes par commutation et les pertes résistives.

On peut gagner sur les 2 tableaux en choisissant un MOS moins préhistorique, aussi.

[bobflux]

Des exemples de MOS modernes :

http://search.digikey.com/scripts/Dk...296-24255-1-ND
http://search.digikey.com/scripts/Dk...L2TR1PBFDKR-ND
http://search.digikey.com/scripts/Dk...IRLB8748PBF-ND

Un rapide, un à RDSon ultra faible, un passe partout...

Ça veut pas dire "change de MOS tout de suite" (à 20 kHz osef) mais bon, on en trouve des 5x plus rapides avec 2x moins de RdsON pour 1$

[invite9a9442f7]

Bonjours,

Merci pour ces réponse très réactive.
Alors mon Drivers de MOSFET c'est un IR2104 :
http://www.farnell.com/datasheets/306847.pdf

Vu que mon MOSFET est en bas, je suis branché sur le LO.
Mais je ne maitrise pas trop les drivers, j'ai du utilisé un montage déjà fais et rediriger sa sortie sur mon MOSFET parce que quand j'ai essayé de câblé moi même un DRIVERS MOSFET, mon MOSFET avais une trop grosse chute de tension à ses bornes, je sais pas pourquoi j'ai surement dû mal câblé mon DRIVERS.

Je ne sais pas s'il y a une résistance dans la grille de MOSFET. C'est peut-être ce fameux Rg que j'ai vu et revue mais que je ne sais toujours pas ce que c'est ? En tout cas dans mon montage, il n'y a pas de résistance entre le MOSFET et le DRIVERS.
Si si il y a une diode de roue libre au borne du moteur, je l'ai oublié sur le schéma.

Merci pour toute les solutions que vous proposez. Mais je souhaite surtout avoir des réponses à mes questions. Parce que vous ne serez pas toujours la pour me dire quel MOSFET faut choisir.

[invitee05a3fcc]

Alors mon Drivers de MOSFET c'est un IR2104

et il est alimenté comment (Vcc , IN , /SD )?
Et il y a quoi comme condensateur de découplage ?

[bobflux]

Driver : IOut min = +130 mA / -270 mA (suivant le sens du courant)
MOSFET : Qg max = 120 nC

=> Tcommutation max = Qg/I = 1µs / 0.44 µs

Mais le découplage et le layout sont assez critiques, donc envoie un schéma complet ainsi qu'une photo du prototype.

Ton driver est fait pour du demi-pont, ou alims à découpage, haute tension (600V), pour des MOS avec des Qg pas trop élevées, donc pas nécessaire d'avoir un driver musclé avec un courant important.

Toi, tu n'utilises qu'une moitié du driver (le supporte-t-il, mystère), tu es en basse tension 12V, avec un MOS dont le Qg est monstrueux.

Il te faudrait un driver adapté, il en existe des tas (sinon un montage avec des transistors bipolaires peut faire l'affaire !).

[invite9a9442f7]

Alors mon DRIVERS est alimenté en 12V, Le IN et /SD sont relié au sortie d'un PIC, la capacité de découplage est de 100nF

Comment se fait-il que tu recalcule le temps de commande de la grille alors qu'il la donne dans la datasheet ? C'est plus précis de le refaire ?

Je vais essayer de faire un schéma propre. Je l'envoie dés que je l'ai fini

[invite9a9442f7]

Sur le IN et le /SD c'est du 0-5V de commande, c'est pas moi qui est fait le programme mais il envoie un signal carré de 1KHz avec un rapport cyclique variable, avec les commandes qui vont bien entre le IN et le /SD pour que sa marche.

[bobflux]

Ah OK, le schéma montre clairement le problème :

Tu as mis le MOS en haut, mais tu utilises la sortie du driver pour le MOS du bas...

Y a-t-il une raison particulière pour avoir mis le MOS en haut ?

[invite9a9442f7]

La raison est que je suis un boulet . Sur mon schéma c'est faux, mais en pratique, j'ai fais les 2 essais.

Quand j'ai mis MOSFET en amont du moteur, j'utilisai la sortie HO du DRIVERS, quand j'ai mis mon MOSFET en aval du moteur j'utilisai la sortie LO du DRIVERS. j'ai oublié de changer les 2. Actuellement, j'ai fixé mon MOSFET en aval du moteur relier entre la sortie du moteur et la masse. Plus facile pour mesurer la tension sur la grille.

[bobflux]

Oui, si tu as le choix, il vaut mieux mettre le MOS en bas, c'est beaucoup plus facile à commander puisque c'est référencé à la masse.

T'as un oscillo sous la main ?

[invite9a9442f7]

Non je n'ai pas oscilloscope. Pour visualiser la tension au borne de mon MOSFET en commutation ?

[invite9a9442f7]

Actuellement mon hacheur marche, j'ai mis 4 MOSFET en parralèlles en aval du moteur, avec les 4 gates relié sur un seul DRIVER, sa marche. enfin sa marche qu'à 1KHz et leur température atteint 40°. Or il faut que j'arrive à monter à 20KHz, alors je vais faire les essais dans la semaine et je vais voir ce que sa donne. Mais comme je l'ai mentionné, si je relance surtout ce sujet , c'est pour avoir des réponses aux questions que j'ai posé dans mon premier message, pour savoir ou c'est que je me suis planté, si c'est en théorie, avec ma formule, ou ne pratique, si j'ai négligé un détails ou que j'ai mal câblé.

[bobflux]

Perso je te conseillerais fortement de mettre un driver de MOS plus adapté, IC genre FAN31xx ou MIC442xx, ou implémenté avec quelques transistors... un seul MOS devrait suffire.

Envoie une photo du montage aussi.

[invite9a9442f7]

OK merci pour ton aide, mais comment as tu fais pour juger que celui que j'utilise n'est pas bon et que celui que tu me propose convient mieux ? C'est surtout sa qui m'interesse.

La photo du montage est vraiment necessaire ? C'est des cartes de testes, c'est vraiment moche le montage. De plus qu'il y a une carte qui est normalement fait pour un pont en H mais on a redirigé les sorties des DRIVERS vers nos MOSFET. Si tu veux vraiment une photo du montage je te l'envoie mais je pense pas que sa va t'aider.

[bobflux]

> comment as tu fais pour juger que celui que j'utilise n'est pas bon

En fait je n'en suis pas sûr, mais j'ai quelques doutes quand même sur le fait d'utiliser juste une moitié du driver. Les drivers synchrones comme celui-là ont un circuit pour empêcher les 2 MOS de conduire en même temps, si tu ne mets qu'un seul MOS je me demande ce qu'il en pense... après ça peut très bien marcher !

Mais avec un MOS en low-side et un driver fait pour, au moins t'es sûr que ça marche...

> C'est des cartes de testes, c'est vraiment moche le montage

Ben là, je veux encore plus la photo.

> on a redirigé les sorties des DRIVERS vers nos MOSFET

Avec des fils ? Longs ? Y'a une forte chance que ton MOS entre en oscillation alors. Ça expliquerait tout.

[invite9a9442f7]

Alors suite à de nombreux essais fais récement, (du au fait que je mets du temps à répondre sur le forum), je confirme effectivement, que mes DRIVERS ne sont surement pas fais pour ce genre d'application, parce qu'à l'oscilloscope, quand je regarde les commutations sur la gate, je constate effectivement une oscillation lors de la fermeture. Je vais essayer de te montrer la courbe à l'oscillo si j'arrive à l'extraire.

Puis pour les photo du montage j’essaierai de les faire, mais je sais pas quand ( en faite je suis en DUT GEII et je fais mon stage). Donc je suis pas non plus trop libre de faire ce que je veux. Mais je vais essayer de faire sa rapidement.

En tout cas, merci pour ton aide.

[invite9a9442f7]

J'ai dis des oscillation à la fermeture mais c'est à l'ouverture.

Alors je mets en pièce jointe la photo d'un essai à l'oscillo sur la grille d'un MOS ( sachant que la fréquence est de l'ordre de 14-15KHz, 5V/Div).

Je t'ai mis les photo du montage, sans commentaire, je vais commenter parce que je pense que c'est vraiment pas claire du tout comme sa. mais sa te donne une première vision. Deplus qu'il faut préciser que la carte de commande, c'est à la base fait pour un pont en H, étant donné que c'est pour des testes, on a repris cette carte déjà toute prête, on a rediriger la sortie et commande de nos MOSFET ensemble ( ce sont sa les ponts) et on a changer le programme du PIC, donc beaucoup de composants ne servent à rien dessus. Je commente l'image puis je la renvoie.

Pièces jointes supprimées à la demande d'Adrien26700

[bobflux]

OK, vu la longueur des fils, la courbe de V(gate), et vu que le MOS chauffe, il oscille, c'est pratiquement certain.

Mets le driver sur la carte du MOS, c'est le plus simple. Avec un découplage adapté.

Sinon :

Quand tu coupes le MOS, le courant continue à circuler dans la charge pendant un certain temps (à cause de son inductance interne), et donc le courant passe dans la diode, et il diminue au cours du temps (e=-Ldi/dt avec e = seuil de la diode + pertes ohmiques).

Donc le courant diminue et à un moment la diode bloque. A ce moment là il reste toujours un peu d'énergie stockée dans l'inductance (autrement dit, le courant n'est pas tout à fait nul quand la diode bloque). La diode bloquée équivaut à une capacité : cela provoque une salve d'oscillations amortie (circuit RLC).

hop un petit dessin avec les pieds :

http://sketchtag.com/KRCD3DIEaq

Là tu as une salve de PWM qui se traduit par une impulsion de courant dans l'inductance, de 0 à une valeur moyenne, puis retour à zéro.

Tu remarques que tant que ne revient pas à 0, il n'y a pas d'oscillation : cela ne se produit que lorsque la diode ET le MOS sont bloqués, donc en fin de salve.

Si ta charge a une inductance très faible mais non nulle (par exemple une résistance au bout d'un long câble) ce phénomène peut se produire à chaque cycle du PWM.

[invite9a9442f7]

Comme je te l'ai déjà dis, c'est des testes que j'effectuent, et je ne peux pas mettre les DRIVERS sur la carte avec les MOS car problème de package ( DIP avec SOIC). Enfin je ne peux pour les testes.

Je t'ai commenté un peu mais vu ta réponse, je pense que tu as déjà compris, mon montage et que mes commentaires vont juste confirmer ce que tu pensais.

Je ne comprends pas trop ton explication sur les oscillations.

Mon hacheur commute sous 14-15KHz. Je ne crois pas qu'on laisse le temps à l'inductance du moteur de se déchargé vu à la vitesse à laquelle on commute.

Donc je me dis que dans n'importe quels cas, j'ai soit les MOSFETS qui conduisent, soit la diode de roue libre. Sauf si bien sûre on se trouve en régime discontinue. Mais je vais travaillé sur les choix des DRIVERS parce que je pense que sa doit y joué, puis les oscillations augmente les pertes par dissipation thermique donc pas bon.

Sinon j'en profite pour revenir à l'essentiel. Est ce que tu aurais les réponses aux questions que j'ai posé parce que c'est surtout sa qui m'interesse :

_Pourquoi chauffe-t-il alors que d'après les calcules il ne devrait pas?
_Pourquoi d'après cette citation :

Citation:
2) le gate des transistors MOSFET représente une capacité d'asser grosse valeur ( Qg typique du IRFB23N20D = 57nC) pour charger ou décharger une tel capacité en 30nS, il faut un courant de 2A. A multiplier par le nombre de transistor en //... Cela fait tres vite des pointes de courant considérable!
Quel est le courant que peux fournir ton générateur d'impulsion?

Dépendant de la qualité de la commande des transistors, il n'est pas toujours intéressant de visé un RDS ON très faible, car cela peux engendré une augmentation des pertes de commutations plus élévé que la diminution des pertes une fois commuté.
la résistance Rdson est la partie puissance, et la gate la partie commande, quel rapport de Rdson avec la capacité de commande à chargé ?
_Si Rdson augmente, cela va augmenter mes pertes en conduction
_etc . . . ( ne pas hésitez à m'expliquer en détails s.v.p mais sans trop me renvoyer sur des liens, j'en bouffe depuis bientôt 1 semaine je sature

Pièces jointes supprimées à la demande d'Adrien26700