I.7.2.1 Tổn hao do thời gian mở và khúa
Giả sử trong sơ đồ diode là phần tử lý tưởng, cũn MOSFET mở, khúa với thời gian hữu hạn. Với tải trở cảm, dũng điện iv(t) và điện ỏp uV(t) khụng thể thay đổi tức thời. Dạng dũng và ỏp trong quỏ trỡnh khúa thể hiện trờn hỡnh 1.36.
Trong thời gian chuyển mạch rất ngắn dũng tải chưa kịp thay đổi và cú giỏ trị it = It, trong khoảng thời gian t0 < t < t2. Tại t0, cú tớn hiệu khúa MOSFET V, diện ỏp trờn V tăng
tuyến tớnh từ khụng đến giỏ trị điện ỏp nguồn một chiều E trong khoảng từ t0 đến t1. Trong khoảng này diode D0 chưa mở nờn dũng qua V vẫn bằng It. Bắt đầu từ t1 diode D0 mở ra, do đú dũng qua V giảm tuyến tớnh về 0 ở thời điểm t2, tại đú dũng qua diode D0 tăng lờn đến bằng dũng tải.
Tổn hao cụng suất tức thời trờn V bằng pv(t) = iv(t)/uv(t) cú dạng tam giỏc trong khoảng t0 < t < t2. Tổn hao năng lượng trờn V chớnh là diện tớch của tam giỏc này:
Woff = 1
2EIt(t2 - t1) = 1 1
2EIttoff
Trong đú: toff là thời gian khúa của MOSFET.
Trong quỏ trỡnh mở, đồ thị dũng điện, điện ỏp trờn cỏc phần tử cú dạng giống như ở
hỡnh 1.36. Dũng qua V phải tăng từ 0 đến It, dũng qua diode giảm từ It về 0. Chỉ khi dũng qua diode đó về đến 0 thỡ điện ỏp trờn V mới
E RG RG t + - +VG- 0 L D0 V iV Rt it iD0
Hỡnh 1.35. Bộ biến đổi xung ỏp một chiều, dựng MOSFET.
Hỡnh 1.36. Dạng súng quỏ trỡnh van khúa trong sơ đồ ở hỡnh 1.35
t t t uV(t) It iV(t) E 0 -E W t0 t1 t2 It uV(t) iV(t) W 0 D U t 0 D I t 0 D U t ID0 t 0 0
bắt đầu giảm từ E về đến 0. Năng lượng tổn hao khi mở bằng: Won = 1
2EItton
Trong đú: ton là thời gian mở của van.
Tổng tổn hao cụng suất trong quỏ trỡnh đúng cắt bằng Woff + Won. Nếu chu kỳ hoạt động của van là T ứng với tần số đúng cắt của van là: = 1./T
thỡ cụng suất tổn hao sẽ bằng: Ps = 1
T (Woff + Won) = f(Woff + Won)
Như vậy tổn hao cụng suất tỷ lệ với tần số đúng cắt.
I.7.2.2 Tổn hao do quỏ trỡnh phục hồi
Ở phần trờn ta giả sử rằng diode là phần tử lý tưởng mà chỉ xột đến tổn hao cụng suất do thời gian khúa, mở của MOSFET gõy ra.
Với giả thiết thời gian đúng cắt của MOSFET rất ngắn so với thời gian khúa lại của diode thỡ tổn thất cụng suất sẽ chủ yếu do quỏ trỡnh phục hồi của diode sinh ra. Vẫn với sơ đồ trờn hỡnh 1.35, ta xột quỏ trỡnh MOSFET khúa lại. Dạng súng của quỏ trỡnh này biểu diễn trờn hỡnh 1.37.
Khi diode khúa sẽ cú một dũng điện ngược đi ra ngoài. Biờn độ dũng điện ngược cú thể lớn gấp vài lần giỏ trị dũng điện diode dẫn trước đú. Trờn đồ thị, tại thời điểm t0 MOSFET bắt đầu mở ra làm diode D0 bắt đầu khúa lại. Dũng điện ngược của diode tạo nờn xung dũng trờn giỏ trị It qua van V. Trong khoảng t0 đến t1 diode
vẫn cũn phõn cực thuận nờn điện ỏp trờn van V vẫn bằng E. Tại t1 dũng.qua diode bằng 0, diode bắt đầu bị phõn cực ngược. Từ tl đến t2 dũng điện ngược của diode nạp cho tụ tương đương của tiếp giỏp p-n phõn cực ngược. Điện ỏp trờn van V giảm dần về 0 tại t2, tại đú diode khúa lại hoàn toàn.
Khoảng thời gian từ tl đến t2 gọi là thời gian phục hồi của diode, tr.Những diode cú khoảng thời gian t2 - tl nhỏ hơn nhiều lần khoảng t1 - to gọi là diode dập, hay diode cắt nhanh. Nếu thời gian cắt dũng của diode rất ngắn thỡ thời gian đúng cắt của cỏc phần tử cũng sẽ rất nhanh. Tuy nhiờn nếu tốc độ giảm dũng quỏ nhanh sẽ dẫn đến quỏ điện ỏp trờn cỏc điện cảm ký sinh, và do đú, cho cỏc phần tử trong mạch. Quỏ điện ỏp cú thể được suy giảm bằng cỏc mạch RC song song với phần tử (snubber circuit), nhưng cỏc mạch này lại tăng thờm cỏc tổn thất trờn sơ đồ. Núi chung phải cú một sự
t uV(t) It 0 0 0 -E W t0 t1 t2 uV(t) iV(t) W iV(t) E t t 0 D U t ID0 t 0 D I t 0 D U t Hỡnh 1.37. Tổn hao cụng suất do diode phục hồi
thỏa hiệp giữa mong muốn giảm tổn thất trong quỏ trỡnh đúng cắt và độ an toàn cho cỏc phần tử trờn sơ đồ.
Tổn thất năng lượng trong quỏ trỡnh mở van V được tớnh bằng:
2
0
t v v
t
W u t i t dt
Nếu dựng diode cắt nhanh thỡ (t2 - tl) << (t1 - t0), từ đú tớch phõn này cú thể được tớnh đơn giản hơn. Coi điện ỏp trờn van V bằng E trong phần lớn thời gian phục hồi tr = t2 - t0), dũng qua van iV(t) = It - ID0(t), do đú: 2 0 t V t t WE (I iV(t)dt = E.Ittr + E.Qr
trong đú Qr là điện tớch phục hồi của diode, giỏ trị này cú thể tỡm thấy trong đặc tớnh kỹ thuật của diode.
Tổn thất năng lượng do thời gian phục hồi của diode phụ thuộc thời gian phục hồi tr của diode và điện ỏp một chiều của bộ biến đổi. Năng lượng này cú thể chiếm một phần lớn trong tổn thất do quỏ trỡnh đúng cắt. Tổn hao này cú thế giảm đỏng kể nếu sử dụng cỏc diode cắt nhanh, tuy nhiờn khi đú phải ỏp dụng cỏc biện phỏp để trỏnh quỏ ỏp cho cỏc phần tử trong sơ đồ.
I.7.2.3. Tốn hao do cỏc phần tử phản khỏng
Cỏc phần tử phản khỏng như tụ điện, điện cảm cũng gõy nờn tổn thất cụng suất. Tụ điện tương đương song song với cỏc phần tử sẽ phúng điện khi cỏc phần tử này mở ra và tiờu tỏn toàn bộ năng lượng tớch lũy trước đú. Cỏc tụ đú được nạp khụng mất năng lượng khi phần tử khúa lại. Cỏc điện cảm nối tiếp với phần tử sẽ được nạp năng lượng khi phần tử mở ra và tiờu tỏn năng lượng đú khi phần tử khúa lại.
Năng lượng lớch lũy trong tụ điện và điện cảm tương ứng là:
1 2 2 C i i i W C U ; 1 2 2 L i i i W L I
Vớ dụ đối với MOSFET, ta cú tụ điện tương đương giữa cực mỏng và cực gốc là CDS, cũn diode song song cú tụ là CD. Tổn hao cụng suất khi MOSFET mở ra sẽ là:
Wc = 1