tính toán thiết kế mạch kích mosfetigbt

tính toán thiết kế mạch kích mosfetigbt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH KÍCH MOSFET/IGBT

TP HCM tháng 6 năm 2008

MỤC LỤC

Lời nói đầu 3

Phần I: Tính giá trị tụ bootstrap 4

I.1 Sơ đồ nguyên lý mạch sử dụng tụ bootstrap 4

I.2 Tính giá trị tụ bootstrap 4

I.3 Một số lưu ý 5

Phần II: Quá trình kích đóng IGBT 6

II.1 Giới thiệu quá trình kích đóng 6

II.2 Phân tích quá trình kích đóng 7

Phần III: Quá trình kích ngắt IGBT 9

Phần IV: Tính giá trị điện trở kích 10

IV.1 Điện trở tới hạn 10

IV.2 Điện trở kích đóng 11

IV.3 Điện trở kích ngắt 12

Phần V: Thiết kế mạch kích IGBT dùng IC Driver IR2114 13

V.1 Sơ đồ khối 13

V.2 Sơ đồ nguyên lý 14

V.3 Mạch in 15

V.4 Kết quả thử nghiệm và đánh giá 17

Tài liệu tham khảo 20

Lời nói đầu

Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học trong chế tạo linh kiện MOSFET và IGBT công suất đã khẳng định vị trí dẫn đầu trong ngành bán dẫn công suất Và được ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng liên quan đến đóng ngắt và khuyếch đại công suất

Một trong những yếu tố giúp MOSFET và IGBT được sử dụng nhiều là nhờ khả năng kích đóng và kích ngắt ở tần số cao khá dễ so với các linh kiện khác như BJT, TRIAC, GTO…

Trên thị trường, có rất nhiều linh kiện hoặc module hoàn chỉnh dùng để kích MOSFET và IGBT Trong đó có dòng Driver SKHI, được biết đến như một chuẩn công nghiệp và được sử dụng rộng rãi IC SKHI sử dụng kỹ thuật bootstrap, là một phương pháp cấp nguồn cho mạch kích khá đơn giản và rất kinh tế

Nhắm đến mục tiêu làm chủ phương pháp kích IGBT và áp dụng thực hiện mạch thay thế IC SKHI, tài liệu này sẽ đề cập đến các vấn đề sau:

Giới thiệu mạch cấp nguồn kiểu bootstrap và cách tính toán giá trị tụ bootstrap Giới thiệu và phân tích quá trình đóng ngắt của MOSFET và IGBT

Cách tính điện trở kích đóng và điện trở kích ngắt

I TÍNH GIÁ TRỊ TỤ BOOTSTRAP

1 Sơ đồ nguyên lý mạch sử dụng tụ

bootstrap

Hình 1: Mạch bootstrap

Như chúng ta đã biết, việc cấp nguồn cho

mạch kích khóa tầng dưới như bình

thường vì điểm 0V của nguồn trùng với

cực S của khóa (MOSFET)

Tuy nhiên, vấn đề khó khăn hơn khi cấp

nguồn mạch kích khóa tần trên, bởi vì

điện áp cực S của MOSFET tầng trên

không cố định mà thay đổi liên tục từ giá

trị -VDC đến +VDC

Giải quyết vấn đề này có 2 cách Một là

tạo nguồn riêng (cách ly) cho mạch kích

tầng trên; hai là sử dụng kỹ thuật

bootstrap Phần sau đây giới thiệu và xác

định linh kiện trong phương pháp

bootstrap

Mạch kích tầng cao được cấp nguồn VBS

bởi tụ bootstrapb - CBS Theo sơ đồ trên,

có 5 phần tử ảnh hưởng đến hoạt động của

tụ CBS Trong mỗi phần tử đó, ta chú ý

đến các thông số chính sau:

1 Điện trở Rboot: thường lấy giá trị

bằng không

2 Diode Dboot: điện áp thuận VF , dòng

rò Ilk-d và năng lượng hồi phục Qrr

3 Tụ bootstrap CBS: giá trị CBS cần

tính và dòng rò qua tụ Ilk-c

4 Mạch kích trong IC: dòng tĩnh Iqbs

và năng lượng cần nạp để chuyển từ mức áp thấp lên mức áp cao Qls

5 Khóa tầng cao: gồm năng lượng nạp cổng Qg và dòng rò qua G-S: Ilk-GS

6 Khóa tầng thấp: sụt áp VCE-on

2 Tính giá trị tụ bootstrap

Năng lượng tối thiểu của tụ CBS để cung cấp cho mạch

Q BSmin = (Q rr + I lk-d t Hon ) + (I lk-c t Hon ) + (Q ls + I qbs t Hon )+(Q g + I lk-gs t Hon )

Trong đó: tHon là thời gian tối đa khóa trên đóng

sw sw Hon

f T

Tuy nhiên, ta có thể tính gần đúng bằng cách bỏ qua các đại lượng ít ảnh hưởng đến kết quả tính Và gấp đôi Qg

để đảm bảo năng lượng cho bất kỳ khóa nào Khi đó, công thức tính được rút gọn là:

Q BSmin = (Q ls + I qbs t Hon ) + 2Q g

Khi tụ cấp năng lượng cho các phần tử nói trên, thì điện áp trên tụ sẽ sụt dần

ta gọi Vmin là điện áp trên tụ (VBS) tối thiểu để mạch hoạt động khi đó, độ thay đổi điện áp trên tụ trong lúc khóa tầng cao đóng là:

ΔV BS = V CC – V F – V min – V CE-on

Như vậy, để đảm bảo tụ hoạt động ổn định, giá trị nạp cho tụ phải được gấp đôi giá trị trên Điện dung tối thiểu của

tụ bootstrap được tính:

on CE F

CC

g Hon qbs ls BS

BS

BS BS

V V V V

Q t

I Q C

V

Q C



















min min

min min

] 2

[ 2 2

Theo khuyến cáo của các hãng, giá trị

tụ bootstrap nên lấy gấp 15 lần giá trị

tối thiểu trên

min

15 BS

BS C

3 Một số điểm lưu ý:

1 Tụ bootstrap phải có điện trở nội

(ESR) thấp để hạn chế dòng rò,

ta nên dùng tụ Tanlalum hoặc

mắc song song nhiều tụ gốm

Nếu sử dụng tụ Electrotithic thì

phải tính đến dòng rò

2 Diode phải là loại fast recovery,

có thời gian hồi phục nhỏ hơn

100ns Điện áp ngược của diode

phải lớn hơn nguồn cung cấp cho

khóa Dòng qua diode được tính:

I F =Q BSmin *f sw

Ví dụ: Ta tính giá trị tụ bootstrap cho

IC Driver IR2114 kích IGBT

12N60A

Qls = 5nC (5nC khi điện áp khóa

600V, 20nC khi áp khóa 1200V)

Iqbs = 800 µA (datasheet IR2114)

tHon = 1/fsw = 1/10KHz = 10-4s

(mạch kích tần số 10KHz)

Qg= 96nC (datasheet 12N60A)

VCC=15V

VF=1.7V (datasheet UF4007)

Vmin=10.3V (datasheet IR2114)

VCE-on =2.7V (datasheet 12N60A)

Thế vào công thức trên, ta được:

F C

C

F F

C C

BS BS

BS BS

µ 7 , 27 15

µ 85 , 1 10 85 , 1

7 , 2 3 , 10 7 , 1 15

] 10 96 2 10 10 800 10

5 [ 2

min

6 min

9 4

6 9

min































II HOẠT ĐỘNG KÍCH ĐÓNG IGBT

1 Giới thiệu quá trình kích đóng

IGBT được xem là sự ghép nối giữa

MOSFET và BJT, do đó nó có được ưu

điểm là kích đóng hoặc kích ngắt bằng

điện áp, và sụt áp khi dẫn điện thấp

Vì vậy hoạt động kích đóng và kích ngắt

của IGBT hoàn toàn như của MOSFET

Và ở đây sử dụng đại diện là MOSFET

Việc phân tích cho IGBT hoàn toàn tương

tự, ta chỉ việc lần lược đổi tên cực D & S

của MOSFET thàng cực C & E của IGBT

Hình 2: Mô hình IGBT

Hình sau giúp ta dễ hình dung sự ảnh

hưởng của các tụ ký sinh trong quá trình

kích

Hình 3: Các tụ ký sinh trong MOSFET

Quá trình kích MOSFET được chia làm 3 phần chính

Hình 4: Dạng điện áp VGS khi kích đóng Phần 1: Nạp tụ CGS

Phần 2: Nạp tụ CGD do hiệu ứng Miller Phần 3: Nạp tới giá trị đỉnh của áp kích

Ta sẽ phân tích quá trình từ khi có điện áp kích đến khi MOSFET đóng hoàn toàn một cách chi tiết qua 4 thời kỳ, đó là một

đồ thị điện áp VGS theo thời gian

Hình 5: 4 giai đoạn của kích đóng

Điểm cuối của 4 thời kỳ tương ứng là

1 VT (t=t1): điện áp ngưỡng

(threshold)

2 VPL (t=t2): điện áp đầu độ dốc do

hiệu ứng Miller

3 VPR (t=t3): điện áp cuối độ dốc

4 VDR (t=t4): điện áp đỉnh của nguồn

kích

Song song với sự thay đổi của điện áp VGS

ở trên, giá trị dòng điện nạp IGS, điện áp

máng nguồn VDS và dòng điện IDS cũng có

sự thay đổi tương ứng, được trình bày

trong hình sau:

Hình 6: Sự liên quan giữa các thông số

trong quá trình kích đóng

2 Phân tích quá trình kích đóng

1 Từ zero đến V TH

V GS tăng từ 0 đến V TH

i GS giảm từ giá trị max

i D =0

v DS không đổi

Điện áp Vgs trong tầm 0 đến VTH Tại thời điểm t=0, cực G được cấp nguồn

và điện áp vgs bắt đầu tăng, lúc này hầu hết dòng qua cực G đều nạp cho

tụ CGS Thật ra, cũng có một lượng nhỏ dòng nạp qua tụ CGD vì tụ này có giá trị nhất định, nhưng do tụ CGS>>CGD nên có thể xem đây là thời kỳ nạp cho tụ CGS

Giai đoạn này còn được gọi là ON_delay, bởi vì cả dòng điện và điện

áp qua máng nguồn vẫn chưa thay đổi lúc này MOSFET vẫn đang ở trạng thái ngắt (OFF)

2 Từ V T đến V PL

V GS tăng từ V T tới v PL

i gs giảm

i D tăng nhanh

v DS bắt đầu giảm

Giai đoạn 2 này là giai đoạn đầu của MOSFET khi chuyển từ trạng thái ngắt sang đóng

Điện áp ngưỡng VT được định nghĩa là điện áp VGS lúc dòng iD bắt đầu chảy

từ cực máng D đến cực nguồn S Lúc này VDS bắt đầu giảm nên VGD tăng (VGD=VGS-VDS)

Ta có:

dt

v C d dy

dq

i  ( . )

Kết quả là dòng nạp đã chảy qua tụ

CGD nhiều hơn so với giai đoạn 1,

trong khi dòng nạp tụ CGS vẫn không

đổi

Theo hình ta thấy, dòng điện qua cực

G vẫn tuyến tính với điện áp vGS trong

2 giai đoạn đầu

3 Từ V PL đến V PR

v GS tăng từ V PL đến V PR

i D đạt giá trị max

v DS giảm nhanh đến V DS(ON)

Đây là giai đoạn sau của việc kích

đóng và MOSFET gần như dẫn hoàn

toàn

Trong giai đoạn này, áp vDS giảm

nhanh khiến VGD tăng nhanh Dẫn đến

dòng nạp ít qua CGS mà chủ yếu là qua

CGD theo biểu thức i=d(C.v)/dt Điều

này giải thích tại sao áp VGS tăng rất

chậm, hoặc thậm chí là một đường

nằm ngang nếu tích số (C.v) tăng đủ

nhanh

Dòng máng nguồn tăng đến giá trị tối

đa và dừng lại ở đó Giá trị max này

phụ thuộc vào thông số tải

Đến cuối giai đoạn, điện áp vDS đạt giá

trị ID*RDS(ON) và ngừng giảm, làm CGD

ngừng tăng

4 Từ V PR đến V DR

V GS tăng từ v PR đến v DR

i D là hằng số ở giá trị max

v DS là hằng số ở giá trị min

Giai đoạn hoàn thiện một chu kỳ kích

đóng MOSFET và không có gì thay

đổi lớn Độ lớn VGS tăng tới giá trị

cuối cùng là áp kích VDR của IC

Driver

Trong khi dòng nạp chia cho cả 2 tụ

CGS và CGD thì iD không đổi, vgs giảm

nhẹ do điện trở RDS(ON) giảm nhẹ

Như vậy, việc kích đóng của MOSFET trong chuyển mạch cứng thì ảnh hưởng của hiệu ứng Miller rất lớn Và do đó, việc kích MOSFET không đơn thuần là kích bằng áp nữa, mà dòng kích cũng ảnh hưởng nhiều đến tốc độ kích đóng của khóa

III HOẠT ĐỘNG KÍCH NGẮT IGBT

Hoạt động kích ngắt diễn ra ngược lại với quá trình kích đóng nên ở đây không phân tích nữa, chỉ lưu ý là quá trình này cũng bao gồm 4 giai đoạn bắt đầu với:

V GS bằng áp kích (V DR )

I G bằng 0

V DS bằng V DS(ON)= I D *R DS(ON)

I D phụ thuộc tải

4 giai đoạn được trình bày trong hình sau:

Hình 7: Sự liên quan giữa các thông số trong quá trình kích ngắt

Tóm lại, có thể chia quá trình kích đóng

và kích ngắt IGBT thành 4 giai đoạn mà

độ dài của mỗi gian đoạn này phụ thuộc vào các giá trị tụ điện liên quan

IV TÍNH GIÁ TRỊ ĐIỆN TRỞ KÍCH

1 Điện trở tới hạn

Phần trước ta đã tìm hiểu sơ qua việc đưa

năng lượng vào MOSFET như thế nào để

MOSFET đóng ngắt

Việc cấp năng lượng hay chính xác hơn là

cấp dòng điện cho MOSFET có giới hạn,

và giới hạn này được quyết định bởi điện

trở kích Rg (Gon và Goff)

Hình 8: quá trình kích đóng

Hình 9: quá trình kích ngắt

Trên hình 8 và hình 9 có tụ điện Ceff, là

giá trị tụ điện quy đổi của tất cả các tụ liên

quan đến quá trình kích đóng và kích ngắt

Ta có thể sử dụng sơ đồ thay thế sau để phân tích :

Hình 10: sơ đồ thay thế mạch kích

Ở sơ đồ ta thấy có thêm phần tử điện cảm

LS, bởi vì từ mạch kích đến các khóa ta phải có đường dây dẫn, và điện cảm sinh

ra bởi đường dây này (Theo EMC thì ta

có thể ước lượng cho đường đi trong mạch

in là khoảng 2nH/1cm) Theo lý thuyết mạch, để điện áp trên tụ

CISS không bị dao động thì giá trị điện trở

RG phải lớn hơn hoặc bằng điện trở tới hạn

ISS

S TH

C

L

R 2 Trong đó, RG là điện trở tổng, bao gồm điện trở ngõ ra RDR của Driver và điện trở kích mình cần tính Rg

RG = RDR + Rg

CISS là tụ điện ngõ vào, được tính:

CISS = CGS + CGD

Do đó, để kích đóng và kích ngắt được ổn định, ta cần có:

TH

G R

Tuy nhiên, thực tế điện cảm đường dây LS

thường nhỏ, dẫn đến RTH cũng nhỏ (khoảng vài Ohm), nên khi chọn điện trở kích RG còn phải quan tâm đến dòng điện cho phép của mạch Driver Phần sau sẽ giới thiệu cách tính điện trở kích có xét đến khả năng chịu dòng của IC Driver

2 Điện trở kích đóng

Như đã thấy ở phần trên, dòng điện qua

cực G và điện áp VGS không có phương

trình nên không thể tính điện trở kích một

cách chính xác Thực tế có nhiều cách tính

theo nhiều hướng Ở đây xin trình bày một

phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả

được hãng IR Rectifier giới thiệu như sau:

Gọi IAV là dòng kích trung bình, tsw là thời

gian chuyển mạch từ lúc bắt đầu đưa áp

kích đến khi MOSFET đã đóng, tức từ

thời điểm t=0 đến t=t3 trong phần phân

tích dạng áp kích (Hình 5) đã nói ở trên

Ta có:

Qg = I AV *t sw

Ta dùng Qg chứ không phải (Qgs+Qgd)

như trên hình 4 và hình 5 vì thực tế các

linh kiện cùng tên thường chênh lệch nhau

chút ít Và năng lượng cần nạp để đảm

bảo đầy đủ cho việc kích được khuyến cáo

là Qg

Với:

G

P CC

AV

R

V V

VP là điện áp ngưỡng do hiệu ứng Miller,

bằng giá trị trung bình của vgs trong

khoảng (t=t2÷t3) Đó là một thông số

quan trọng của MOSFET và được cung

cấp trong datasheet dưới dạng đồ thị như

sau:

Hình 11: VGS theo năng lượng nạp

Lưu ý là tsw lớn hay nhỏ phụ thuộc vào dòng kích, tsw càng nhỏ thì thời gian chuyển mạch càng nhanh và tổn hao trên linh kiện càng giảm bởi vậy tsw thường được chọn theo tiêu chí thiết kế và phù hợp tần số sóng mang

Một giá trị tsw được đánh giá là rất tốt khi

sử dụng IC driver để kích khóa:

tsw = (3÷4) (td(on) + tr) Với td(on) và tr là những thông số của MOSFET được cho trong datasheet

Từ các biểu thức trên, ta có:

sw G

P CC

R

V V

Suy ra:

g

sw P CC G

Q

t V V

 Nhắc lại:

R G = R g + R DR

DR OUT

CC DR

I

V R

,



IOUT,DR là dòng điện tối đa mà IC Driver

có thể kích được, được cho trong datasheet của IC Driver

Vậy, giá trị điện trở kích được xác định:

R g = R G – R DR

3 Điện trở kích ngắt

Thông thường IC Driver được cung cấp

chân kích đóng và kích ngắt riêng biệt

Khi đó điện trở kích đóng vẫn được tính

như trên, còn điện trở kích ngắt nên được

chọn với giá trị nhỏ hơn bởi 2 nguyên

nhân:

Thứ nhất: Để việc kích ngắt xảy ra nhanh

hơn, giúp giảm DeadTime Để đơn giản,

ta có thể sử dụng giá trị điện trở kích ngắt

bằng với giá trị điện trở tới hạn

Thứ hai: khi khóa dưới ngắt, khóa trên

đóng, thì điện áp ngõ ra (tại điểm gắn với

tải) sẽ chuyển từ mức thấp lên mức cao

của nguồn công suất trong thời gian ngắn

Tức là dV/dt có giá trị lớn

Hình 12 Dòng điện khi khóa dưới ngắt và

khóa trên đóng

Khi đó sẽ có dòng điện chảy qua CRESoff,

Rgoff và RDR

Do:

dt

dV C

i RESoff

Nếu dòng điện này đủ lớn và sụt áp trên

cực G cao hơn điện áp ngưỡng đóng (VT)

của khóa, thì khóa có thể tự đóng mặc dù

đã được điều khiển kích ngắt Trường hợp

này nguy hiểm cho linh kiện và cho nguồn

công suất vì nó giống như hiện tượng

đồng dẫn

Như vậy: Việc giảm điện trở kích đóng sẽ

giải làm giảm sụt áp trên cực G của khóa

dưới

Ta có:

dt

dV C

R R

V ge ( goff  DR) RESoff

Ta cần tính sao cho Vge < VT của khóa Vậy:

DR RESoff

T

dt

dV C

V

Nói chung, thực hiện một mạch kích thì việc chọn giá trị điện trở kích phù hợp là rất quan trọng, nó ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch và tránh được nhiều hư hỏng khác