Applicazioni di elettronica di potenza

In grassetto i contenuti più importanti.

• ci sono tanti tipi di MOSFET ma a grandi linee:
  • si usano quelli enhancement (ad arricchimento)
  • a canale N (Ron minore)
  • non logic-level (che hanno Ron e corrente sul gate maggiori)
• il controllo è in tensione ma serve corrente nel passaggio da ON a OFF
• con correnti basse la commutazione è lenta e si hanno perdite
• allora meglio usare un driver in grado di fornire corrente elevata e garantire tempi di commutazione rapidi
• si mette una resistenza di pull-down sul gate per evitare commutazioni indesiderate se G risulta isolato
• si mette una resistenza in serie al gate per regolare la corrente e quindi i tempi di commutazione: bassa se si usa un driver, alta se pilotato da un microcontrollore (tempi lunghi e corrente bassa); serve anche a smorzare possibili oscillazioni dovute alla componente capacitiva del MOSFET e induttiva dei conduttori
• gate-driver: push-pull¹⁾ discreti a BJT o integrati dedicati (eventualmente con funzione booster o charge-pump per usare MOSFET a canale N anche come high-side switch)
• in corrispondenza di Vth il MOSFET comincia a condurre ma con una resistenza ancora elevata e perdite
• il valore di VgsON per avere la piena conduzione si ricava nella riga di RdsON del datasheet
• la potenza dissipata va calcolata stimando anche la temperatura effettiva di funzionamento: si considera il caso peggiore e si calcola Ron*I^2, poi si stima l'aumento di temperatura del silicio con Rth*P e nel caso si installa un dissipatore
• per stimare il tempo di carica si può usare Ciss (capacità equivalente in ingresso) o Qg (total gate charge); in entrambi i casi si ipotizza di caricare un condensatore a corrente costante (cosa abbastanza vera quando Vgs raggiunge Vth)

Video:

• Video sul pilotaggio del gate dei MOSFET e le complicazioni associate per cui conviene usare un integrato come MOSFET driver: corrente e tempi di commutazione, gate driver con level-shift e push-pull, bootstrap per NMOS high-side (GreatScott su youtube)
• altro video più tecnico sul pilotaggio dei MOSFET e blog post associato di MicroType Engineering su youtube); perché due resistenze sul gate, perché i MOSFET logic level sono da evitare, gate driver, calcolo approssimato della potenza dissipata e della massima frequenza in commutazione
• Video con spiegazione della SOA dei MOSFET, dal sito Texas Instruments (inglese)
• lezione sui gate driver molto completa (45 minuti!)

Articoli da blog e siti di prof:

• una pagina su high-side e low-side switch con MOSFET e BJT che spiega la nomenclatura
• pilotaggio BJT on/off dagli appunti di elettronica
• breve teoria sui MOSFET dagli appunti di elettronica
• breve trattazione sui componenti elettronica di potenza dal sito del prof Vincenzo Villa (si veda in particolare la pagina sui gate-driver)

Articoli e application note dei produttori di componenti:

• AN sul pilotaggio del gate dei MOSFET di Toshiba con le varie soluzioni per il pilotaggio e differenze tra bootstrap e charge pump
• Application Note della TI su gate driving per MOSFET e IGBT con varie soluzioni, discrete e integrate di gate-driver (bootstrap a pag 30)
• Application Note sul circuito bootstrap di Texas Instruments
• AN di Onsemi sul progetto dei circuiti bootstrap per gate driver (utile riassunto a pagina 11)
• articolo di Analog Device sul perché servano i gate driver (push-pull più efficiente di transistor + resistore, più corrente → commutazione più rapida → meno perdite, funzionalità extra degli IC: level-shift, protezione da shoot-trhough, isolamento per sicurezza e NMOS high-side)

• Application note sui ponte H integrati a BJT L293/L298 (sono driver decisamente obsoleti ma ancora usati in campo didattico e hobbistico)
• Video molto semplice sul funzionamento del ponte H con MOSFET con segnale PWM generato da NE555)
• controllo PWM di un motore DC con un BJT dagli appunti di quarta: non c'è inversione del moto (non è un ponte H) ma PWM generato con 555, simulazione del motore con circuito equivalente e risultati sperimentali all'oscilloscopio
• pagina sui multivibratori con vari documenti (anche dal libro di elettronica) sul 555 e applicazioni (astabile per generare un segnale PWM)
• Immagine di un ponte H con BJT e porte NAND (da Batani)
• Tutorial di molte pagine su un progetto con ponte H con BJT (Darlington) e fotoaccoppiatori
• Tesina su un progetto con ponte H che usa solo NMOS, pompa di carica e logica di controllo
• Technical Note Nexperia molto completa su un progetto sofisticato con ponte H (e reference board)

Altro:

• Charge Pump per pilotare MOSFET a canale N (inglese)
• Pompa di carica in italiano (la pagina è sulla RS232 ma questa soluzione viene usata anche nei gate driver per permettere l'utilizzo dei MOSFET a canale N come interruttori high-side (source)

• Simulazioni su pilotaggio motore DC con PWM (BJT, MOSFET, generazione del segnale PWM, importanza dei diodi di libera circolazione)
• gate drive push-pull per MOSFET e bootstrap per NMOS high-side
• ponte H con MOSFET a 10V comandato da segnale TTL

• BJT Darlington TIP120
• NMOS IRF 530
• PMOS IRF 9530
• Datasheet dell'L293D e del driver alternativo SN754410
• datasheet del gate driver IR2104 (half-bridge driver DIP8 con bootstrap) e relativa Application Note (per il calcolo della capacità del condensatore di bootstrap)
• motori DC di L03 (41V)
• altri motori presenti in L03 e L11 (12V)
• motoriduttore in L11 (6V)

Di seguito un programma per generare un segnale PWM sul con frequenza di 1 kHz e duty-cycle regolabile usando la scheda Arduino. Usa quattro pulsanti: uno per avviare e uno per fermare la generazione del segnale PWM, uno per aumentare e uno per diminuire il duty-cycle.

// pin (i pin 0 e 1 sono impegnati per la trasmissione seriale)
const int pinStart = 8; // piedino da mettere a massa per attivare il PWM
const int pinStop = 9; // piedino da mettere a massa per disattivare il PWM
const int pinPWMup = 2; // piedino da mettere a massa per incrementare il duty-cycle
const int pinPWMdown = 3; // piedino da mettere a massa per diminuire il duty-cycle
const int pinPWM = 5; // piedino di uscita del segnale PWM (a 1kHz in quel piedino)
// altre variabili
int spinning = 0; // attiva o no il segnale PWM 
int duty = 100; // da 0 a 255 -> 0-100%
int PWMup; // stato pin che incrementa il duty-cycle
int PWMupPrec = 1; // stato precedente pin che incrementa il duty-cycle
int PWMdown; // stato pin che diminuisce il duty-cycle
int PWMdownPrec = 1; // stato precedente pin che diminuisce il duty-cycle
 
void setup() {
  pinMode(pinPWM,OUTPUT);
  pinMode(pinStart, INPUT_PULLUP); // pull-up interno al micro
  pinMode(pinStop, INPUT_PULLUP);
  pinMode(pinPWMup, INPUT_PULLUP);
  pinMode(pinPWMdown, INPUT_PULLUP);
  pinMode(13,OUTPUT); // LED 13 acceso quando gira il motore
  Serial.begin(9600); // debug su serial monitor
}
 
void loop() {
  // gira se pinStart a GND
  if (!digitalRead(pinStart)){
    spinning = 1;
  }
  // si ferma se pinStop a GND
  if (!digitalRead(pinStop)){
    spinning = 0;
  }
  // LED sulla scheda acceso se gira (PWM attivo) 
  digitalWrite(13, spinning);
  // attiva/disattiva PWM
  if(spinning){
    // attiva PWM
    analogWrite(pinPWM, duty);
  }
  else{
    analogWrite(pinPWM, 0);
  }
  // incremento/decremento duty-cycle
  PWMup = digitalRead(pinPWMup);
  PWMdown = digitalRead(pinPWMdown);
  if((!PWMup)&&PWMupPrec){
    if (duty+10 < 255) {
      duty += 10;
    }
    delay(20); // antirimbalzo
    Serial.println(duty);
  }
  if((!PWMdown)&&PWMdownPrec){
    if (duty-10 > 0) {
      duty -= 10;
    }
    delay(20);
    Serial.println(duty);
  }
  PWMupPrec = PWMup;
  PWMdownPrec = PWMdown;
}

Nel video qua sotto il codice in azione.