convertitore dc/dc buck sincrono - dubbio mosfet

[cille87]

Ciao a tutti, sto progettando un dc/dc sincrono ed ho trovato uno schema che uso come ispirazione.

http://www.timnolan.com/uploads/Arduino ... oSolar.pdf

si tratta di un regolatore di carica con MPPT e va ovviamente interfacciato da un lato con dei pannelli fotovoltaici e dall'altro con degli accumulatori.

L'unica cosa che non capisco è a cosa serve il mosfet Q2 (o il Q1) e la resistenza con il diodo li vicino...

Grazie a tutti

saluti!

[Candy]

E' una strana configurazione quella di Q1. Immagino:
- errore nello schema.
- antiritorno economico verso il pannello.

Megli sentire gli analogici: DirtyDeeds, carloc ed IsidoroKZ; o chi altri avrà voglia di intervenire. Anche se in vacanza.

[carloc]

....potrebbe essere per ottenere un interruttore bidirezionale,

che apre "bene" sia con tensione ai capi positiva o negativa oppure chiude "bene" sia che la corrente scorra da o verso l'alimentazione...

ora esco, quando ho tempo provo a vedere se è vero....

[BrunoValente]

Credo serva ad evitare la circolazione di corrente verso il pannello quando la luce è insufficiente.
Un diodo al posto di Q1 sembrerebbe poter essere ugualmente idoneo allo scopo ma lo sarebbe solo nel caso in cui il valore della tensione del pannello scendesse lentamente sotto quello dalla tensione di batteria.
Un diodo al posto di Q1 in effetti non consentirebbe il recupero verso C2 che in teoria non dovrebbe servire mai ma che in pratica credo possa servire per brevi periodi, ad esempio se si riducesse bruscamente la corrente al carico e quindi se aumentasse bruscamente la tensione della batteria, oppure se scendesse bruscamente la tensione del pannello.
Detto diversamente: credo che, per lente variazioni delle condizioni, il verso della corrente non possa invertirsi grazie al meccanismo di regolazione che riuscirebbe a stare dietro alla variazione. Per brusche variazioni delle condizioni invece credo che il verso della corrente potrebbe invertirsi e che in questo caso un recupero si renderebbe necessario, altrimenti si avrebbero sovratensioni sull'induttore e sul drain di Q3.

[IsidoroKZ]

Mi pare che sia solo un interruttore bidirezionale in tensione e corrente, quindi un interruttore a 4 quadranti, vedere qui viewtopic.php?f=1&t=28589&p=231853#p231853

Il diodo sul gate di Q1 serve per tenerlo acceso in condizioni normali, quando la tensione delle celle e` maggiore di quella delle batterie e il convertitore commuta normalmente. In questo modo Q1 non commuta e ci sono meno perdite. Invece quando la tensione di cella si abbassa Q1 e` aperto e impedisce il ritorno di corrente.

Un diodo farebbe lo stesso servizio, ma ci sarebbero perdite statiche in piu`. Se in condizioni di tensione di cella minore di tensione di batteria si fa commutare il driver dei MOS, la potenza torna indietro verso le celle, a parte qualche spike sull'induttore dovuto alla presenza di un possibile dead time fra l'apertura di Q3 e la chiusura di Q1.

[Candy]

Restando su questo circuito, c'è però qualcosa che mi sfugge.
- I vari MOS sono controllati dal driver che prende alimentazione da solo lato pannelli FTV.
- Il mosfet Q1 è polarizzato inversamente, non è in grado di interrompere tensione dai pannelli verso la batteria. Compito assolto da Q2. (Su Q1 quindici sarà la c.d.t. relativa al diodo interno, mentre Q2 dovrebbe volere una tensione di gate di qualche volt superiore a quella di source. Insomma Q1 + Q2 si "mangiano" 5 V mal contati, e fin qui mi sembra tutto "ok").
- Se invece la tensione di batteria è superiore a quella del pannello, sarà Q2 a condurrecausa il diodo interno, mentre Q1 sarà per forza di cose sempre aperto, in quanto la tensione di source sarà sempre maggiore a quella di gate.
E fin qui tutto tornerebbe rispetto a quello che è stato detto, dal mero punto di vista "logico" un diodo avrebbe tranquillamente repplicato il transistor Q1.
Però no. Due utenti hanno scritto che questa soluzione interrompe anche la corrente in modo bipolare, (almeno così mi è parso di capire), precisando, qualcuno, che altrimenti un eventuale solo diodo al posto di Q1 non avrebbe interrotto talune correnti:

Se in condizioni di tensione di cella minore di tensione di batteria si fa commutare il driver dei MOS, la potenza torna indietro verso le celle, a parte qualche spike sull'induttore dovuto alla presenza di un possibile dead time fra l'apertura di Q3 e la chiusura di Q1.

Fresa questa, per me, peggio che sibillina.
- Se la tensione di batteria è maggiore a quella dei pannelli, come potrebbero commutare i MOS, visto il punto dove il driver prende alimentazione?
- E se al punsto di Q1 fosse un diodo, quale energia tornerebbe indietro? Per quale strada? (Forse capacità parassite sul diodo?)

Si noti che l'intervento non è affatto polemico, (qualora se ne travisasse lo spunto), ma pura e sola curiosità rispetto ai ragionamenti che riesco a mettere assieme.

[BrunoValente]

Il diodo sul gate di Q1 serve per tenerlo acceso in condizioni normali, quando la tensione delle celle e` maggiore di quella delle batterie e il convertitore commuta normalmente. In questo modo Q1 non commuta e ci sono meno perdite. Invece quando la tensione di cella si abbassa Q1 e` aperto e impedisce il ritorno di corrente.

IsidoroKZ, mi pare invece che Q1 commuti sempre e solo insieme a Q2: ha il source collegato verso il pannello (conduce al contrario), quindi dovrebbe chiudersi solo quando l'impulso sul gate supera la tensione del pannello (circuito bootstrap del IR2104).

[Lelettrico]

cille87 probabilmente ti e' sfuggito, nelle intenzioni del progettista (da discutersi)

C2 is the input filter capacitor that smooths out the input current pulses. Q1 is the blocking MOSFET that keeps the battery power from flowing back into the solar panels at night. Normally this is done by a diode in the power path but a since all diodes have a voltage drop a MOSFET is much more efficient. Notice that Q1 is turned around so the intrinsic MOSFET diode does not conduct. Q1 turns on when Q2 is on from voltage through D2. R3 drains the voltage off the gate of Q1 so it turns off when Q2 turns off.
Q2 is the main switching MOSFET for the buck converter and Q3 is the synchronous switching MOSFET. The MOSFET are driven by IC2 which is an IR2104 MOSFET driver. The IR2104 takes the PWM signal (Digital_9) from the processor input on pin 2 and uses it to drive the switching MOSFETs. The IR2104 can also be shut down with the control signal (low on Digital_8) from the processor on pin 3. Since Q2 is an NFET it needs a gate drive voltage that is 10V higher than the source voltage which is the solar input. So the IR2104 uses a charge pump circuit made of D3 and C4 to boost the gate drive voltage to turn on the high side MOSFET. This charge pump circuit only works when the MOSFETs are switching. The software keeps track of the PWM duty cycle and never allows 100% or always on. It caps the PWM duty cycle at 99.9% to keep the charge pump working.
D1 is an ultra fast diode that will start conducting current before Q3 turns on. It is supposed to make the converter more efficient but it may not be necessary. L1 is the main inductor that smooths the switching current and along with C3 it smooths the output voltage. Since the DC/DC converter is switching at 50kHz the 33uH value of the inductor should be sufficient. C7 and R10 are the snubber network used to cut down on the ringing of the inductor voltage.
To measure the battery voltage R6 and R7 make up the voltage divider which feeds the signal to Analog_2 to be read by the processor. J3 is the battery connector, there is no reverse polarity protection so make sure the battery is connected correctly. I did not have space to fit a fuse so make sure you put a fuse in your battery wiring harness. Batteries hold a lot of energy and you can start a fire if something goes wrong and you do not have a fuse. Also you might want to put a diode in battery wiring harness during development. If you look at the schematic you can see that if Q3 ever stays on for any length of time that it is a dead short across the battery. This would not happen in normal operation but if you have a software bug or you stop the system to load new software it might end up with Q3 on. A diode would stop this from happening but you would lose efficency in the diode voltage drop. Once you have the software worked out this diode is no longer necessary. I've burned up my fair share of MOSFETs before I figured this out.

Hw

[BrunoValente]

- I vari MOS sono controllati dal driver che prende alimentazione da solo lato pannelli FTV.
- Il mosfet Q1 è polarizzato inversamente, non è in grado di interrompere tensione dai pannelli verso la batteria. Compito assolto da Q2. (Su Q1 quindici sarà la c.d.t. relativa al diodo interno, mentre Q2 dovrebbe volere una tensione di gate di qualche volt superiore a quella di source. Insomma Q1 + Q2 si "mangiano" 5 V mal contati, e fin qui mi sembra tutto "ok").

Candy, su questo non mi trovo, secondo me Q1 e Q2 si chiudono e si aprono insieme in tutte le condizioni, provo a spiegare.

Immaginiamo dapprima la condizione di tensione pannello maggiore di quella di batteria.
in queste condizioni l'ampiezza dell'impulso di comando al gate di Q2 generato dall' IR2104 va da 0V (Q2 spento e Q3 acceso, quindi tensione pari a 0V su source di Q2) a circa due volte la tensione del pannello (Q2 acceso e Q3 spento, quindi tensione sul source di Q2 pari a quella del pannello...se anche Q1 è acceso):ci pensa il circuito bootstrap dell'IR2104 a generare la sovratensione.
di conseguenza, mentre Q2 è spento, è spento anche Q1 essendo la tensione al gate di Q1 uguale a quella del suo source (il diodo D2 è spento). Mentre Q2 è acceso invece (tensione al gate di Q2 superiore a quella del pannello) è acceso anche Q1 (diodo D2 in conduzione).

Immaginiamo ora la condizione di tensione pannello inferiore a quella di batteria ma sufficiente al buon funzionamento del IR2104.
anche in queste condizioni, se non sto prendendo un granchio, Q1 e Q2 si chiudono e aprono insieme.
Quando Q2 è spento tutto va come prima: la tensione al suo gate è pari a zero ed è spento anche Q1.
Quando Q2 è acceso la tensione al suo gate è pari al doppio (circa) di quella del pannello, il diodo D2 conduce e si accende con la stessa tensione anche Q1.

- Se invece la tensione di batteria è superiore a quella del pannello, sarà Q2 a condurrecausa il diodo interno, mentre Q1 sarà per forza di cose sempre aperto, in quanto la tensione di source sarà sempre maggiore a quella di gate.

Su questo mi trovo, ma solo quando l'integrato smette di funzionare e i mosfet non commutano più: in queste condizioni il source di Q2 si porta alla tensione di batteria ma il suo gate, non essendo pilotato si porta ad una tensione inferiore a quella di batteria e il diodo D2 resta spento, quindi resta spento anche Q1

[IsidoroKZ]

IsidoroKZ, mi pare invece che Q1 commuti sempre e solo insieme a Q2: ha il source collegato verso il pannello (conduce al contrario), quindi dovrebbe chiudersi solo quando l'impulso sul gate supera la tensione del pannello (circuito bootstrap del IR2104).

Q1 si accende insieme a Q2, ma quando Q2 si spegne Q1 rimane acceso perche' la resistenza da 470kohm e la capacita` di ingresso del MOS hanno una costante di tempo dell'ordine dei millisecondi e quindi praticamente in funzionamento normale Q1 e` sempre acceso.