Een mosfet gebruiken als diode

Een quote uit een ander topic: "De bouw van een boostconverter"
Om het topic niet te kapen ben ik een nieuw gestart.

Op 21 juni 2013 10:53:10 schreef SparkyGSX:
Meestal is de grootste bron van verliezen bij zulke converters de dump diode; om dat te verminderen kun je die vervangen door een MOSFET, die je tegengesteld met de huidige MOSFET bestuurd, met een halve brug driver met ingebouwde dode tijd injectie, bijvoorbeeld. Het gevaar daarbij overigens wel dat de stroom door de spoel negatief kan worden als je de aansturing verkeerd doet (te kleine pulsbreedte). Een beveiliging die de synchrone rectificatie uitzet als de regelaar in discontinuous conduction mode dreigt te gaan, of als de stroom te klein of negatief wordt, of de pulsbreedte te klein (komt allemaal min of meer op hetzelfde neer) is natuurlijk wel mogelijk, maar niet echt eenvoudig.

Een interessant idee, ik had hier al vaker van gehoord en wilde er meer van weten.

Het idee is niet nieuw, Linear technologie heeft in 2007 al een component hiervoor gemaakt, de LTC4358. Wordt verkocht als een ideale diode. Wel een beetje prijzig (farnell: €6.26)
De prijs rechtvaardigt het om het wiel opnieuw uit te vinden. (Dat is mijn smoesje om het uit te zoeken).

Schakel ik een fet in de normale richting dan werkt de interne diode tegen. De positieve halve periode gaat door de fet, de negatieve halve periode gaat door de diode weer terug.
in deze opstelling niet geschikt voor gelijkrichten dus.
http://hennep.xs4all.nl/elec/irlml6344xxx.png

Mosfets zonder interne diode kan ik niet vinden, wel meldingen op een aantal fora dat deze fets er niet zijn. Er wordt aangeraden om twee mosfets met de diodes naar elkaar toe te laten wijzen zodat de diodes elkaar uitschakelen. Dan moet ik dus een van de fets "omgekeerd" laten geleiden.

Als ik de datasheet van een willekeurige mosfet erbij pak (irlml6344, waarom deze? omdat de juiste grafiekjes in de datasheet staan) dan zie ik dat bij de normale geleiderichting er een forward voltage mogelijk is van minder dan 0.1V bij een belasting onder de 7A.
http://hennep.xs4all.nl/elec/irlml6344fwd.png

Aansturen in omgekeerde richting is een ander verhaal. In het gunstigste geval 0.65V forward voltage bij 7A (of eigenlijk backward voltage). Dan kun je dus net zo goed een schottky diode gebruiken.
http://hennep.xs4all.nl/elec/irlml6344rev.png

Weet iemand of hiervoor speciale fets zijn ontwikkeld? Zoja welke?
Of zijn er andere mogelijkheden om de werking van de interne diode te elimineren?

reading can seriously damage your ignorance
Arco

Special Member

Er zijn ook wel goedkope met ingebouwde diode, hoor... ;)
Bijvoorbeeld de IRF7805: http://nl.farnell.com/international-rectifier/irf7805pbf/mosfet-n-logi…

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard-, firm-, en software ontwikkeling: www.arcovox.com
fred101

Golden Member

Arco, dat is toch een gewone HEXFET met interne diode ?
Het probleem is dat je bij een diode een ongecontroleerde doorlaat tijd hebt. Als je daar een FET voor kan gebruiken dan kun je effectiever schakelen.

Maar een FET heeft het probleem bij een boostconverter dat waneer je de FET naar massa trekt, de output hoger is dan de Vds dus gaat die diode geleiden en de output elcos gaan terug leveren dus trek je de output mee omlaag.

Als je de FET omgekeerd aansluit dan daat de interne diode als gewone diode werken. Jij sluit mooi op tijd de FET af maar de diode blijft gewoon stroom doorlaten. Daarnaast het door hennep aangehaalde uit de datasheet.

Het zou ook zo maar kunnen zijn dat het schakelgedrag verandert. Een MOSFET onder veel lagere belasting en spanning blijkt stukken trager te worden.

Dus Hennep zoekt een MOSFET zonder interne diode want twee FETs waarvan een omgekeerd is dus blijkbaar minder ideaal dan een schottkey.

Ik zag laatst een datasheet van een mosfet gelijkricht brugschakeling. Ik denk van AD. Daar zaten 4 mosfets in een behuizing op ( zonder interne diodes dus)

www.pa4tim.nl, www.schneiderelectronicsrepair.nl, Reparatie van meet- en calibratie apparatuur, ook maritieme en industriele PCBs

Aansturen in omgekeerde richting is een ander verhaal. In het gunstigste geval 0.65V forward voltage bij 7A (of eigenlijk backward voltage). Dan kun je dus net zo goed een schottky diode gebruiken

Als je hem aanstuurt in omgekeerde richting haal je net zo goed die 0.1 Volt bij 7A.

fred101

Golden Member

Ok, ik las het verkeerd. Die tweede grafiek is niet bij opensturen. Dat is alleen hoeveel de interne diode aankan.
Er is dus een voordeel want je kan de Vf van een schottky zo wat omlaagbrengen maar wat Sparkey bedoelde is dat je wat met je timing kan doen en dat kun je door die diode niet.
Ook zit je volgens mij met een Vgs probleem. Bij normaal gebruik met Source an massa en spoel an drain is de Drain bv 24 tot 0 volt. Maar Vgs blijft constant. Want de source blijft nul.

Als diode, in gewone richting blijft de source op 24V ( bij een 12-24V de drain gaat van 24 naar 0. Dus om te sperren met hij naar 24V en om hem open te sturen heb je 24V plus de bv 12F Vg is 36V nodig. Maar door de rimpelspanning kan Vgs varieren, dus je Vgs moet ruim zijn.

Als je hem omgekeerd gebruikt dan varieert de source van 0-24V de Drain blijft 24. Als de Source naar nul gaat wil je dat de FET spert. De gate moet dus ook naar nul volt.Nu is dat geen probleem. Behalve dan dat dat al vanzelf gebeurd, los van je stuursignaal. Maar als de source weer naar 24V schiet en open moet dan moet je Vgs dus naar meer dan 34V.
En dam is er nog het probleem dat de diode de load bij nul volt source spanning naar massa trekt.

www.pa4tim.nl, www.schneiderelectronicsrepair.nl, Reparatie van meet- en calibratie apparatuur, ook maritieme en industriele PCBs
Arco

Special Member

@fred101: Sorry, verkeerde nummer.... :o
Was de IRF7807: http://nl.farnell.com/international-rectifier/irf7807d1pbf/mosfet-n-fe…
(Is nog goedkoper ook)

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard-, firm-, en software ontwikkeling: www.arcovox.com
fred101

Golden Member

Dat is een MOSFET en schottky in een huisje om plaats te besparen. Niet een diode vervanger, toch ?

www.pa4tim.nl, www.schneiderelectronicsrepair.nl, Reparatie van meet- en calibratie apparatuur, ook maritieme en industriele PCBs

Het idee van een diode en een mosfet is dat ze in 1 richting een behoorlijke spanning kunnen hebben.

Bij de mosfet is het dan de bedoeling dat je hem dan "aanzet" en dat ie dan gaat geleiden. Maar dat willen we nu niet direct.

Bij de diode draai je de spanning om en dan gaat ie geleiden.

De mosfet doet uit zichzelf het zelfde. Die "ingebouwde diode" zit er vanzelf automatisch in.

Maar... Als je nu ALS die diode gaat geleiden de mosfet ook nog aanzet, DAN krijg je het "ideale diode" gedrag.

Dus: gate wordt aangestuurd uit een opamp/comparator die de twee pootjes van de mosfet vergelijkt. /dat/ is de schakeling van de ideale diode.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Op 6 juli 2013 15:53:43 schreef fred101:
Ok, ik las het verkeerd. Die tweede grafiek is niet bij opensturen.

Ik had het ook verkeerd gezien.
Er staat notabene VGS=0V in de grafiek.

Op Gepost 6 juli 2013 23:13:42 schreef rew:
Maar... Als je nu ALS die diode gaat geleiden de mosfet ook nog aanzet, DAN krijg je het "ideale diode" gedrag.

Dit is precies waar ik mee aan het spelen ben in de simulator. LTspice laat dan toch nog een spanningsval over de fet/diode zien van ongeveer 0.6V. Daarom ging ik in de grafieken van de datasheet kijken.

Ik zal het maar eens met een fet en een comparator op een breadboard proberen.

reading can seriously damage your ignorance

Een tijdje geleden heb ik deze schakeling opgezet.
http://www.uploadarchief.net/files/download/fet%20diode.jpg
Moet dit nog eens verder uitwerken met andere componenten, maar werkte wel.

Afbeelding uit de helfgeleidergids Elektuur 1999

[Bericht gewijzigd door Brainbox op zondag 7 juli 2013 14:26:20 (12%)

Je hebt helemaal geen 2 MOSFETs nodig, het idee is juist dat die diode in dezelfde richting staat als de Schottky die gewoonlijk op die plaats staan, en het is ook absoluut noodzakelijk dat die diode in geleiding kan gaan zodra je de MOSFET waarmee je de spoel naar de ground trekt laat sperren.

Ga maar na: stel dat je 2 MOSFETs in anti-serie zou zetten, zodat de diodes dus niet tegelijk in geleiding kunnen zijn. Op het moment dat je de spoel dan een stukje geladen zou hebben, en die MOSFET die je daarvoor gebruikt uit zet, zou er geen pad meer zijn voor de stroom door de spoel, waardoor deze dus een hele grote dI/dt krijgt, en daarmee dus ook een hele hoge spanning gaat opwekken, zodat er iets doorslaat.

Het is helemaal niet nodig of handig om de diode uit geleiding te halen terwijl de spoel stroom voert. Als je geen stroom meer naar de uitgang wilt, moet je gewoon stoppen met de spoel te laden, en zijn resterende lading laten dumpen door de diode. Die energie moet toch ergens heen kunnen.

Als je perse abrupt zou willen stoppen, kun je beter een extra MOSFET plaatsen, zodanig dat je de spoel zelf kort kunt sluiten, en daar dus de stroom kunt recirculeren, maar ik zou niet direct weten waarom zo'n constructie nuttig zou kunnen zijn.

De MOSFET aansturen met een comparator gaat niet zomaar lukken, denk ik, want als je de converter in continuous conduction mode wilt gebruiken, moet je de MOSFET kunnen sperren nog voordat de stroom door de spoel helemaal weg is. Als je dat niet zou doen, en je de onderste MOSFET weer aan zou zetten om de spoel te laden, zou je de uitgangscondensator kortsluiten via die 2 MOSFETs voordat de comparator de kans krijgt om te reageren en die MOSFET te sperren. Ik denk dus dat je de inverse van het signaal naar de onderste MOSFET ook mee moet nemen, met een dode tijd injectie erbij. Het lijkt me dus handiger om een halve brug driver met dode tijd injectie te gebruiken, en eventueel met een comparator te detecteren dat je converter in de buurt komt van discontinuous conduction mode, en daarmee de bovenste MOSFET uit zet.

EDIT: ik vind die constructie van Elektuur wel een beetje vreemd; volgens mij komt de inverterende ingang van de opamp toch echt onder zijn negatieve voedingsspanning, en de niet-inverterende voedingsspanning hangt via een weerstandje effectief precies aan de negatieve voedingsspanning. Daarbij zal de stroom in tegengestelde richting, als er onvoldoende zonlicht is, zo klein zijn dat er nauwelijks spanning over de MOSFET valt als deze nog in geleiding is, en lijkt me dus dat je afhankelijk wordt van de input offset van de opamp om zijn uitgang wel of niet laag te trekken.

[Bericht gewijzigd door SparkyGSX op zondag 7 juli 2013 14:30:59 (12%)

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
Lucky Luke

Golden Member

D'r is ook een actieve diode waar je niks aan hebt in een switchmode converter:

http://en.wikipedia.org/wiki/Precision_rectifier

Maar leuk als je een klein signaaltje wilt gelijkrichten.

Eluke.nl | De mens onderscheid zich van (andere) dieren door o.a. complexe gereedschappen en bouwwerken te maken. Mens zijn is nerd zijn. Blijf Maken. (Of wordt, bijvoorbeeld, cultuurhistoricus)

@SparkyGSX:

Als de paneelspanning hoger is dan de accuspanning zal deze de accu willen laden en gaat er een stroom met de klok mee lopen, in eerste instantie door de bodydiode.
De noninverting input wordt dan hoger dan de inverting en de FET zal gaan geleiden en de bodydiode overbruggen, er resteert dan alleen nog de Vds.
Is de paneelspanning lager dan zal de inverterende hoger worden dan de noninverterende en wordt de gate naar 0 getrokken met als gevolg dat de FET zal sperren.

@brainbox: ik snap dat dat het idee is, maar de paneelspanning kan nauwelijks lager worden dan de accuspanning zolang de MOSFET geleidt, aangezien er dan een forse stroom door de MOSFET zou gaan lopen. Als die stroom maar klein is, valt er dus ook maar weinig spanning over de MOSFET, en ben je dus sterk afhankelijk van de offset spanning van de opamp, zoals ik al zei. Daarbij zal de inverterende ingang bij het laden van de accu best lager worden dan de niet-inverterende, maar hij gaat OOK buiten de voedingsspanning van de opamp, dus ik vind de hele constructie een beetje dodgy.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

@SprkyGSX:
Het gaat niet om de klemspanning maar om de potentiele spanning.
Bij te weinig licht wordt die van het paneel lager dan die van de accu.
Stel de accu is 14V en en de potentiele spanning van het paneel is 13,8 Volt dan is de potentiele spanning op de Drain dus 14 - 13,8 = +0,2 V.
Er zal dus een stroom van de drain naar de source willen gaan lopen met als gevolg dat de drain positiever wordt dan de source.
Ook al geleidt de FET op dat moment, dan zal die spanning door de interne weerstanden welliswaar kleiner worden, maar nog steeds positief.
De inverterende wordt dan positief en zolang dit meer is dan de maximale offset van 300uV zal de uitgang/gate 0 volt worden en de geleiding stopt.
Edit:
Om op het topic terug te komen,
Je kunt een FET dus gewoon omgekeerd aansluiten zodat de interne bodydiode in je voordeel kan gaan werken.
Je hebt dan geen exclusieve FET nodig zonder deze diode.

[Bericht gewijzigd door Brainbox op maandag 8 juli 2013 09:10:35 (13%)

Op 8 juli 2013 00:46:11 schreef SparkyGSX:
Als die stroom maar klein is, valt er dus ook maar weinig spanning over de MOSFET, en ben je dus sterk afhankelijk van de offset spanning van de opamp, zoals ik al zei.

De offset spanning van de mosfet MOET de juiste polariteit hebben. Wat er dan gebeurt is dat er met die maar mv offsetspanning de mosfet dus juist genoeg opengestuurd wordt om die offset te handhaven.

Je moet bedenken dat een paar mv offsetspanning bij een opamp best veel is, maar voor een diode je standaard aan 600mV moet denken. Een factor 100 verminderen van het geleidingsverlies is dus gewoon prima haalbaar!

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Op 7 juli 2013 14:21:37 schreef SparkyGSX:
ik vind de hele constructie een beetje dodgy.

En dat is het ook.

Er lopen nu twee toepassing van de "ideale diode" door elkaar. Bij een zonnepaneel kun je blijkbaar gemakkelijk de diode vervangen door een fet. Er staan tientallen voorbeelden op het internet.

In een boostconverter is het lastiger. Als ik met een opamp/comparator de spanning over de de fet(Q2) (cq interne diode) meet om daarmee de gate te sturen dan kan ik niet snel genoeg de fet(Q2) laten sperren als de spoel weer geladen gaat worden.

http://hennep.xs4all.nl/elec/dodgy.png

Als Q2 volledig open staat en Q1 wordt aangezet dan spert Q2 niet snel genoeg, gevolg: C1 wordt korststondig kortgesloten.

Ook als ik het over een andere boeg gooi en het pwm signaal dat op de gate van Q1 staat inverteer en daarmee Q2 aanstuur, dan veroorzaakt de inverter net teveel overlap.
Ik zou eigenlijk het pwm signaal naar de beide gates vertraagd moeten hoog maken en gelijk met het pwm signaal weer laag. Uiteraard wel de ene fet geinverteerd aansturen t.o.v. de andere.

Hoe kan ik dat handig aanpakken in een analoog circuit?

reading can seriously damage your ignorance

@hennep: dat is precies wat ik bedoel! Als je probeert te reageren op het feit dat Q1 in geleiding gaat, ben je per definitie altijd te laat, omdat je Q2 juist helemaal wilt sperren (en zijn body diode kortstondig in geleiding laten gaan) voordat Q1 begint te geleiden.

De truc is inderdaad dat je weet wanneer je Q1 aan gaat zetten, en als je dat signaal een paar honderd nanoseconden vertraagt, heb je de kans om Q2 te laten sperren.

Maar kijk nu eens goed naar de constructie: Q1 zit met zijn source aan de ground, terwijl zijn drain aan de source van Q2 zit; dit is dus gewoon een halve brug. Je kunt het geheel dus ook aansturen met een standaard halve brug driver (IR2184 o.i.d.), als die maar een diode tijd injectie heeft.

Met discrete componenten is het ook wel op te lossen, maar dan heb je R/C circuits nodig voor de vertraging, met comparator en push-pull trapjes om de MOSFETs weer fatsoenlijk aan te sturen, etc. Ik zou een geïntegreerde MOSFET driver nemen, of het in software oplossen, als de regeling in een DSP of microcontroller wordt gedaan.

Overigens heeft TI speciaal voor dit soort toepassingen een gate driver die kan meten hoe lang de body diode van de bovenste MOSFET in geleiding is, en aan de hand daarvan de dode tijd korter maakt, zodanig dat die diode net niet in geleiding gaat, en de beide MOSFETs dus nog net een heel klein beetje overlap hebben, zodat die diode niet meer in reverse-recovery gaat, wat goed is voor het rendement en zeker voor de EMC emissie.

Op 8 juli 2013 09:06:41 schreef Brainbox:
De inverterende wordt dan positief en zolang dit meer is dan de maximale offset van 300uV zal de uitgang/gate 0 volt worden en de geleiding stopt.

Dat is dus precies wat ik bedoel, die offset kan best groot zijn. Als ik een moderne MOSFET neem, zal die al snel een Rdson rond de 3 milliohm hebben. Met 300uV offset moet er dan 100mA lopen voordat de opamp de MOSFET zal sperren. Als de MOSFET eenmaal gesperd is, zal de spanning erover veel groter worden (200mV in jouw voorbeeld), dus hij zal ook wel gesperd blijven. De vraag is of dat spanningsverschil van 200mV genoeg is om de benodigde 100mA stroom door de MOSFET te krijgen.

@REW: als de offset van de opamp de juiste polariteit heeft, zodanig dat deze de MOSFET weer zou sperren als de ingangen exact gelijk zijn, zou het in principe min of meer moeten werken, waarbij ik het nog steeds dubieus vindt dat de inverterende ingang onder de onderste rail van de opamp komt. Maar wie geeft je de garantie dat de offset juist is, als je geen offset balance gebruikt?

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

@SparkyGSX:
Ik zie nu pas dat jij op 7 juli al voorspelde waarmee ik vandaag heb zitten prutsen. Ik zal eens een poging doen met zo'n half bridge driver.

Een bijkomend voordeel is de enable pin. Ik heb nu een testschakeling met een avr controller. De uitgangsspanning is ingesteld op 26V maar onbelast wil bij het aanzetten de spanning wel eens doorschieten tot boven de 60V.
Met de enable pin kan ik de fets hardwarematig compleet uitschakelen bij overspanning.

reading can seriously damage your ignorance