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 -V DC đến +V DC . 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 V BS bởi tụ bootstrapb - C BS . Theo sơ đồ trên, có 5 phần tử ảnh hưởng đến hoạt động của tụ C BS . Trong mỗi phần tử đó, ta chú ý đến các thông số chính sau: 1. Điện trở R boot : thường lấy giá trị bằng không. 2. Diode D boot : điện áp thuận V F , dòng rò I lk-d và năng lượng hồi phục Q rr . 3. Tụ bootstrap C BS : giá trị C BS cần tính và dòng rò qua tụ I lk-c 4. Mạch kích trong IC: dòng tĩnh I qbs và năng lượng cần nạp để chuyển từ mức áp thấp lên mức áp cao Q ls 5. Khóa tầng cao: gồm năng lượng nạp cổng Q g và dòng rò qua G-S: I lk-GS 6. Khóa tầng thấp: sụt áp V CE-on 2. Tính giá trị tụ bootstrap Năng lượng tối thiểu của tụ C BS 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: t Hon là thời gian tối đa khóa trên đóng. sw swHon f Tt 1  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 (V BS ) 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: onCEFCC gHonqbsls BS BS BS BS VVVV QtIQ 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 BSBS CC  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. Q ls = 5nC (5nC khi điện áp khóa 600V, 20nC khi áp khóa 1200V) I qbs = 800 µA (datasheet IR2114) t Hon = 1/f sw = 1/10KHz = 10 -4 s (mạch kích tần số 10KHz) Q g = 96nC (datasheet 12N60A) V CC =15V V F =1.7V (datasheet UF4007) V min =10.3V (datasheet IR2114) V CE-on =2.7V (datasheet 12N60A) Thế vào công thức trên, ta được: FCC FFC C BSBS BS BS µ7,2715 µ85,110.85,1 7,23,107,115 ]10.96.210.10.80010.5[2 min 6 min 9469 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 V GS khi kích đóng. Phần 1: Nạp tụ C GS Phần 2: Nạp tụ C GD 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 V GS theo thời gian Hình 5: 4 giai đoạn của kích đóng. Điểm cuối của 4 thời kỳ tương ứng là 1. V T (t=t1): điện áp ngưỡng (threshold) 2. V PL (t=t2): điện áp đầu độ dốc do hiệu ứng Miller 3. V PR (t=t3): điện áp cuối độ dốc 4. V DR (t=t4): điện áp đỉnh của nguồn kích. Song song với sự thay đổi của điện áp V GS ở trên, giá trị dòng điện nạp I GS , điện áp máng nguồn V DS và dòng điện I DS 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 V TH . Tại thời điểm t=0, cực G được cấp nguồn và điện áp v gs bắt đầu tăng, lúc này hầu hết dòng qua cực G đều nạp cho tụ C GS . Thật ra, cũng có một lượng nhỏ dòng nạp qua tụ C GD vì tụ này có giá trị nhất định, nhưng do tụ C GS >>C GD nên có thể xem đây là thời kỳ nạp cho tụ C GS 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 V T được định nghĩa là điện áp V GS lúc dòng i D bắt đầu chảy từ cực máng D đến cực nguồn S. Lúc này V DS bắt đầu giảm nên V GD tăng (V GD =V GS -V DS ). Ta có: dt vCd dy dq i ).(  Kết quả là dòng nạp đã chảy qua tụ C GD nhiều hơn so với giai đoạn 1, trong khi dòng nạp tụ C GS vẫn không đổi. Theo hình ta thấy, dòng điện qua cực G vẫn tuyến tính với điện áp v GS 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 v DS giảm nhanh khiến V GD tăng nhanh. Dẫn đến dòng nạp ít qua C GS mà chủ yếu là qua C GD theo biểu thức i=d(C.v)/dt. Điều này giải thích tại sao áp V GS 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 v DS đạt giá trị I D *R DS(ON) và ngừng giảm, làm C GD 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 V GS tăng tới giá trị cuối cùng là áp kích V DR của IC Driver. Trong khi dòng nạp chia cho cả 2 tụ C GS và C GD thì i D không đổi, v gs giảm nhẹ do điện trở R DS(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 L S , 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 C ISS không bị dao động thì giá trị điện trở R G phải lớn hơn hoặc bằng điện trở tới hạn. ISS S TH C L R 2 Trong đó, R G là điện trở tổng, bao gồm điện trở ngõ ra R DR của Driver và điện trở kích mình cần tính Rg. R G = R DR + Rg C ISS là tụ điện ngõ vào, được tính: C ISS = C GS + C GD Do đó, để kích đóng và kích ngắt được ổn định, ta cần có: THG RR  Tuy nhiên, thực tế điện cảm đường dây L S thường nhỏ, dẫn đến R TH cũng nhỏ (khoảng vài Ohm), nên khi chọn điện trở kích R G 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. [...]... truyền của mạch nhỏ, thời gian kích đóng và kích ngắt của IGBT cũng nhỏ Đó là những mong muốn cho một sản phẩm tốt d Một số kết quả khác: + dạng điện áp kích IGBT tầng dưới: thời gian kích là 510ns, một kết quả cũng rất tốt + dạng điện áp kích IGBT tầng cao: thời gian kích là 650ns Lâu hơn một ít so với tầng dưới vì điện áp kích thấp hơn (do sụt áp trên diode bootstrap) Nhưng 650ns là một kết quả tốt... 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: Rg = RG – RDR 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,... trị min (Imin = 0) Kết quả thí nhiệm là 2,9 micro giây Nhận xét: Thời gian kích đóng lâu hơn thời gian kích ngắt một ít Điều này hoàn toàn phù hợp với thông số đưa ra của nhà sản xuất Nhìn chung, với thời gian kích ngắt cũng chưa đến 3 micro giây là kết quả hết sức khả quan Hình 23: thời gian OFF của IGBT c Kết luận về ảnh hưởng của thời gian lan truyền và thời gian chuyển mạch Kết quả thí nghiệm cho... IR2114 TLP2200 TLP2200 ghi chú Ron Roff Rshutdown Ron Roff Rshutdown opto opto 3 Mạch in Thiết kế mạch in dùng chương trình Proteus Hình 15: layout IR2114 Sau khi gắn linh kiện đầy đủ: Hình 16: board mạch hoàn chỉnh Sau khi gắn board vào hộp máy: Hình 17 Gắn board vào thiết bị Sản phẩm hoàn chỉnh: Hình 18 Sản phẩm hoàn chỉnh 4 Kết quả thử nghiệm a thời gian lan truyền tín hiệu: + thời gian lan truyền qua... Là thời gian tính từ lúc có xung dương ở ngõ vào đến khi có xung dương ở ngõ ra của IR2114 Thí nghiệm đo được là 290 ns (380ns) Nhận xét: thời gian lan truyền qua IC nhanh, với tốc độ này có thể đảm bảo mạch kích với tần số lên đến hàng trăm KHz Hình 20: Thời gian lan truyền qua IC Driver IR2114 b Thời gian chuyển mạch của IGBT + Thời gian kích đóng IGBT: Là thời gian tính từ khi có xung kích đóng (xung...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... trọng, nó ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch và tránh được nhiều hư hỏng khác V THIẾT KẾ MẠCH KÍCH IGBT SỬ DỤNG IC DRIVER IR2114 IR2114 là một trong những dòng Driver cho MOSFET và IGBT, được sản xuất bởi International Rectifier Là một trong những Driver dùng cho tầm công suất trung bình với nhiều chức năng như: Hoạt động với điện áp công suất 600V Khả năng chuyển mạch (kích ngắt) mềm khi có sự cố quá dòng... 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: dV dt Ta cần tính sao cho Vge < VT của khóa Vậy: VT Rgoff   RDR dV C RESoff dt Vge  ( Rgoff  RDR )  C RESoff Nói chung, thực hiện một mạch kích thì việc chọn giá trị điện trở kích phù... Phần giao tiếp với vi xử lý 2 Phần bootstrap 3 Phần kích IGBT tầng dưới và tầng trên 4 Phần hồi tiếp điện áp VC của IGBT để bảo vệ quá dòng Áp dụng lý thuyết đã phân tích ở phần trước để tính giá trị tụ bootstrap, điện trở kích đóng và điện trở kích ngắt Ta có sơ đồ nguyên lý và giá trị linh kiện như sau: 2 Sơ đồ nguyên lý Hình 14: sơ đồ nguyên lý mạch kích có cách ly Chi tiết linh kiện STT 1 2 3 4 5... AV  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 . 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. 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. 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