Contrôle d'un MOS P pour convertisseur buck

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Contrôle d'un MOS P pour convertisseur buck

Postby kayoshy » Sat Jun 20, 2015 3:53 pm

Bonjour,

je développe actuellement un convertisseur buck pour recharger une batterie LiFePO4 13.2V, à partir d'un panneau solaire 18V (36 cellules série) de 20W. Ce convertisseur buck sera régie par un algorithme MPPT type Perturb & Observ.

Je souhaite contrôler le rapport cyclique du circuit par le biais d'une sortie PWM d'un microcontrôleur PIC16F1937. La sortie est 5V à l'état haut commande le blocage du courant, la sortie est 0V à l'état bas (ground) pour commander le passage du courant. Cela me permet d'être par défaut en mode d'alimentation directe (tension du PV calé sur la tension de la batterie) lorsque la sortie PWM ne fait rien et est à 0V.

Je comptais utiliser un MOSFET type P comme interrupteur que j'aurai placé en position high side, c'est à dire juste entre le PV et la diode de roue libre (cf. photo pièce jointe). Si on part donc sur un MOS P, avec la source positionné du côté PV (et donc la diode de corps en position bloqué dans le sens PV - Batterie), en sortie PWM, à l'état bas (0V), il faut donc un mécanisme qui tire la gate vers le bas en tension tel que Vgs < 0 pour être conducteur. Il ne faut pas que la gate soit tiré à la masse, mais à une tension intermédiaire, car généralement le max en Vgs qu'un MOS P supporte, c'est - 20V. Comme la tension à vide du PV dépasse les 20V, ce risque est bien réel.
Si V(pwm) = 5V cette fois, il faut immédiatement ramener la tension de la gate à la tension du panneau, c'est à dire Vgs = 0V, pour bloquer le courant.

Vu la fréquence de 125 kHz, soit une période T de 8 µs, il faudrait un temps de montée et de descente inférieure à 1% de T, ce qui fait 80 nS.

Comment contrôler ce MOSFET à partir d'une tension 0 - 5V d'une sortie PWM PIC? Travaillant à une fréquence de 125 kHz, je dois forcément intercaler un MOSFET driver entre le microcontroleur et le MOSFET, pour charger et décharger immédiatement la gate du MOSFET. J'e sais qu'il existe des MOSFET driver déjà tout fait, mais j'ai envie d'un peu de challenge. N'existe-t-il pas un schéma électronique pour commander la gate d'un MOS à partir de cette sortie PWM?

Je vous remercie pour votre aide.

Cdt,

Julien CAMPOS
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Convertisseur buck.png
Schéma buck
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Re: Contrôle d'un MOS P pour convertisseur buck

Postby ppa94 » Sat Jun 20, 2015 5:19 pm

Bonjour,
A ces fréquences là il ne faut pas mégoter...
Alors disons vite fait: un push-pull à T bipolaires rapides en sortie duquel on va à la gate par une résistance faible pour limiter le courant de charge.
En entrée du push-pull, une résistance au + avec en // une zener et une résistance et un transistor de commutation vers le -, ce transistor commandé par le µC. Ici un petit mosfet N rapide conviendrait.
Éventuellement un petit condensateur en // sur la résistance basse peut améliorer la commutation "on".
Les résistances côté entrées push-pull ne doivent pas être trop importantes, je dirais 1K grand max à vue de nez.
Comme tu disais, un driver soic-8 "high side" ferait ça sans composant additionnel, mais bon...
Cordialement,
Philippe.
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Re: Contrôle d'un MOS P pour convertisseur buck

Postby kayoshy » Sun Jun 21, 2015 10:01 am

Bonjour Philippe,

Merci pour ces infos. Je vais regarder ça ;)

Je vais aussi travailler une version commande en configuration non inverseur, c'est à dire PWM 0V --> switch bloquant, PWM 5V --> switch non bloquant. Je pense que d'un point de vue sécurité, c'est préférable (si le PIC est HS, il vaut mieux une sécurité intrinsèque qui bloque la charge de batterie que le contraire).

Cdt,

JC
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Re: Contrôle d'un MOS P pour convertisseur buck

Postby kayoshy » Sun Jun 21, 2015 5:21 pm

Bon voilà, je me suis renseigné un peu sur le net en me servant de tes mots clés Philippe, ainsi que des infos d'un ami également, pour tester ensuite ce ptit montage sur LTSpice (je me suis aussi aidé de quelques schémas trouvés sur le net). Voilà ce que ça donne en pièce jointe. Je dois dire que ça marche plutôt pas mal!

Convertisseur buck_Commande.png
Schéma High Side Mosfet Driver non inverseur


Tout d'abord, pour précision, sur LTSpice, j'utilise le AO6407 pour les besoins de simu. Dans la réalité j'utiliserai le DMP3017SFG de chez Diodes qui affiche des durées de switch (montée/descente ON-OFF, délai ON-OFF) un peu meilleur. Diodes propose bel et bien un modèle Spice pour le DMP3017 sur son site, mais le lien est HS...Donc j'ai fait avec ce que j'ai.

Sur la dynamique de ce montage, avec l'AO6402, j'obtiens un temps de montée et descente ON OFF de l'ordre de 200ns. Sur les temps de délais ON et OFF, je tourne autour des 50 à 100 ns. Voici une image de la forme des signaux:

Convertisseur buck_Signaux.png
Image des signaux


J'ai refait l'expérience en rajoutant une diode en antiparallèle à la résistance de grille. Ca a accéléré légèrement la durée de descente.

Convertisseur buck_Commande bis.png
Schéma idem avec diode antiparallèle à R grille


Après ça ne reste que de la simu, loin de moi l'idée de prendre ces valeurs comme sainte parole d'évangile ;), surtout que je n'ai pas les valeurs dynamiques de la sortie PWM du PIC à disposition. J'ai donc mis une valeur arbitraire de 20 ns. J'ai mis pour voir un temps de montée ON/OFF à 200 ns sur la sortie PWM
, naturellement ça shift du même ordre de grandeur les temps de délai dont j'ai parlé plus haut. Mais le buck fonctionne toujours sur la simu.

Sur la sécurité Over Voltage au niveau de la tension Vgs, j'ai rajouté une diode zener de 15V entre grille et source.

Des commentaires? J'avoue que sur les valeurs de résistances, j'ai remis exactement les mêmes que celle du schéma que j'ai trouvé sur ce forum:

http://electronics.stackexchange.com/qu ... rrent-is-0

Cordialement,

Julien CAMPOS
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Re: Contrôle d'un MOS P pour convertisseur buck

Postby ppa94 » Mon Jun 22, 2015 12:05 am

La zener en // sur R4 sinon comme elle est là elle se prend un max de courant et influe sur la désaturation. Après le changement, la 4148 ne doit plus être nécessaire.
Cordialement,
Philippe.
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Re: Contrôle d'un MOS P pour convertisseur buck

Postby kayoshy » Mon Jun 22, 2015 7:28 am

Bonjour,
Je corrige tout de suite. Merci :D
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Re: Contrôle d'un MOS P pour convertisseur buck

Postby kayoshy » Mon Jun 22, 2015 2:39 pm

Bonjour Philippe,

Le déplacement de la Zener 15V en parallèle de R4 empêche le convertisseur buck de marcher (je ne suis pas sur de bien saisir le mécanisme).

J'avais mis cette Zener pour protéger d'une éventuelle surtension dommageable pour la grille (le mosfet DMP3017 supporte au max Vgs=-25V).

Ce que j'ai vu du fonctionnement du Totem pole en l'absence de la Zener, sur les états 0 et 5V du PWM:

- à 0V le Vgs ~ 0V donc switch bloquant,

- à 5V le Vgs vaut environ -12V, avec une tension source (celle du PV) à 17V, et une tension gate à 5V. C'est comme si la tension 5V du PWM s'était transposé sur la gate. Pour les experts des montages transistor ce mécanisme doit sembler hyper simple à comprendre, pour moi un peu moins, question d'habitude je suppose.

Dans ce cas, avec un Vgs de -12V, la Zener 15V n'est pas active. J'observe sur la simu tout de même un courant de spike au niveau des transitions ON/OFF du PWM. A tout casser quelques mA durant une centaine de nanoseconde.

La Zener peut s'activer si Vgs < -15V. Partant de ce schéma de transposition, cela arrive si le panneau délivre une tension supérieure à 20V. J'ai changé le rapport cyclique pour me mettre dans une situation où le PV présente 25V de tension à ses bornes. En théorie ce n'est pas possible puisque sur un 18 cellules la tension à vide tourne autour de 22/23V. A ces tensions de plus, le PV ne délivre plus aucun courant par définition. Mais admettons pour l'expérience et regardons ce qu'il se passe.

Sur la simu, la Zener tire 130 mA environ. Sur ces 130 mA, une partie file par la résistance (90 mA environ, la tension chute de diode divisée par 10 ohm), les 40 mA par la diode. Sans cette diode, on obtient aussi 130 mA qui file par la résistance.
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