CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH PHÁT CAO TẦN
4.3 Thiết kế mạch công suất
Mạch công suất có nhiệm vụ khuếch đại công suất tín hiệu lên vài chục Watts đến hàng kWatts. Trong luận văn này em sử dụng mạch nửa cầu H đề dùng khuếch đại công suất, ƣu điểm làm dễ thiết kế và không dùng biến áp xung. Yêu cầu của mạch là đầu ra công suất của mạch đạt từ 120W trở lên, Điện áp hiệu dụng cung cấp là 110V.
Một trong nhƣng lƣu ý quan trọng là dòng đỉnh chạy qua FET là IPeak-Average cần tính toán để chọn MOSFET phù hợp tránh gây hỏng hóc linh kiện.
Ipeak-Averge = (1*) Trong đó: Pout là công suất đầu ra
Eff là hiệu suất làm việc Vin là điện áp đầu vào D là chu kỳ làm việc.
Với thông số bài toán là công suất Pout = 120W, Vin =12V, D = 50%, giả sử Eff = 90%
(1*) Ipeak-Averge = = 1,72 (A)
Dòng đỉnh trung bình vẫn nằm trong mức cho phép của MOSFET nhƣng dòng địch thực sự của nó có thể lên rất cao.
Công suất tiêu tốn cho MOSFET có thể tính nhƣ sau :
PTH = P(control) + P(leakage) + P(Rds_on) + P(switch) (2*) Trong đó:
P(control) - Công suất tiêu thụ cho mạch điều khiển đầu vào Mosfet. P(leakage) - Công suất tiêu thụ do dòng rò của Mosfet.
P(Rds_on) - Công suất tiêu thụ khi Mosfet ở trạng thái on (phụ thuộc chủ yếu vào Rds(on) và Uds(on) của Mosfet).
P(switch) - Công suất chuyển mạch (phụ thuộc vào điện áp trên Mosfet khi Mosfet ở trạng thái off - Voff và dòng điện dẫn khi Mosfet ở trạng thái on và tần số chuyển mạch) [3].
Ta có P(Rds_on) = HS-Rds_on*I2out + LS- Rds_on*I2out (3*)
Trong đó: HS-Rds_on là high-side Rds_on , LS- Rds_on là low_side Rds_on , Iout là dòng ra trung bình.
46 Ta có: Giả sử ta tính công suất tổn hao khi chuyển mạch từ trạng thái on sang off, thời gian chuyển là tfall , điện áp giảm từ Vds_off đến 0 và dòng tăng từ 0 lên Ids_on
Phƣơng trình của điện áp: V(t) = Vd * (1-t/tfall) 0<=t<=tfall
Phƣơng trình của dòng điện: I(t) = Iout * (t/tfall) 0<=t<=tfall
Công suất tổn hao thực: Pswitch_on(t) = V(t) * I(t) (4*)
Công suất tổn hao trung bình trong 1 chu kỳ T
Pswitch_on =
=
= …. = (5*)
Tƣơng tự với công suất tổn hao trong quá trình MOSFET chuyển từ trạng thái off sang on .
Pswitch_off = (6*)
P(switch) = Pswitch_on + Pswitch_off ≈ [Vd*Iout*(tfall+trise)]/2*T = [Vd*Iout*(tfall+trise)]*fsw/2.
Còn các công suất P(control) và P(leakage) thƣờng thì quá nhỏ so với các công suất còn lại nên có thể bỏ qua.
Nhƣ vậy:
(3*)(4*) PTH = HS-Rds_on*I2out + LS- Rds_on*I2out + [Vd*Iout*(tfall+trise)]*fsw/2
Với tfall = 98ns, trise = 120ns , Rds_on = 0,27 Ώ, Vd =110 ,Ids_on = Iout =
= , fsw =40khz.
PTH = 1.,212*0,27+ 1,212*0,27+ (110 *1,21*(120 + 98)*10- 9
*40*103))/2 = 2,44 W
Tổng công suất yêu cầu mà MOSFET cần: P = Ptải + Phao tổn
47 Một trong những lƣu ý quan trọng khi thiết kế mạch cầu H hoặc nửa cầu H là tránh khả năng trùng dẫn khi các FET đƣợc kích đối ngƣợc, nghĩa là khi ta chỉ sử dụng 1 xung PWM thì xung còn lại tắt nhƣng khi bị trùng dẫn xung đang hoạt động chƣa kịp tắt thì xung kia đã đƣợc bật. Khi đó FET sẽ bị nóng và có thể bị phá hủy do dòng qua nó liên tục. Thời gian trễ khi mở hoặc khi đóng phụ thuộc vào các tụ ký sinh Cgs, Cgd, Cds tuy nhiên nhà sản xuất thƣờng cho dƣới dạng các trị số tụ CISS, CRSS, COSS với những điều kiện nhất định nhƣ điện áp UDS, UGS.Từ đó có thể tính ra các : [2]
Cgd = CRSS Cgs = CISS –CRSS Cds = COSS - CRSS
Hình 4.10 Hiện tƣợng MOSFET bị trùng dẫn
Vì vậy để tránh bị hiện tƣợng trùng dẫn gây phá hủy linh kiện, ta cần phải tạo một khoảng thời gian deadtime giữa 2 lần tắt mở xung để tránh hiện tƣợng trùng dẫn từ 1us – 5us.
Với những tính toán trên, trong mạch công suất này sử dụng 1 cặp MOSFET IRFP460 có các thông số cơ bản mà ta cần lƣu ý nhƣ Bảng dƣới đây.
48
Hình 4.11 Ký hiệu và hình ảnh thực tế của MOSFET IRFP460
Bảng 4-4 Các thông số quan trọng của IRFP460P [8]
Ký hiệu Tham số Giá trị
(Max) Ghi chú VDS Điện áp trên chân D và S <500V
ID Dòng chạy từ cực D đến cực S 20A
10A Tc = 100ºC VGS Điện áp vào cực G so với cực S ±20V
Pw Max 250W
RDS Điện trở ở cực D và S 270mΏ
Fc Tần số cắt 1MHz
Trong số các thông số mà nhà sản xuất đƣa ra, chúng ta cần chú ý tới 4 thông số quan trọng đó là : VGS , VDS, ID, Công suất hao tổn. Sau đây là sơ đồ mạch nguyên của phần công suất sử dụng mạch nửa cầu H.
Hình 4.12 Sơ đồ mạch nguyên lý của phần mạch công suất
Với sơ đồ mạch nguyên lý nhƣ hình trên ta có sơ đồ mạch tƣơng đƣơng nhƣ sau:
49
Hình 4.13 Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng của mạch công suất
Sơ đồ nghịch lƣu nguồn áp nửa cầu H hình: gồm hai khóa Q1 và Q2 , nguồn đầu vào dùng hai tụ C1 và C2 có giá trị đủ lớn và bằng nhau tạo nên bộ phân áp. Điện áp mỗi tụ bằng nhau và bằng Vd/2. Tải đƣợc nối giữa đầu ra nghịch lƣu với điểm giữa của nguồn một chiều. Các khóa Q1, Q2 điều khiển luân phiên, khi Q1 mở thì Q2 khóa và ngƣợc lại. Khóa Q1 đƣợc điều khiển trong nửa chu kì 0< t< =T/2, đặt điện áp Vd/2 của nhánh tụ C35 lên tải. Q2 mở trong nửa chu kì còn lại T/2 <t <=T điện áp –Vd/2 của nhánh tụ C46 đặt lên tải. Điện áp đầu ra có hình nghịch lƣu hình chữ nhật với biên độ - Vd/2 đến Vd/2. Do tải mang tính dung kháng dòng chỉ thực sự chảy qua Q1 trong nửa chu kì đầu từ cực + của Vd qua Q1 qua tải quá nhánh C46 về cực – của Vd. Tại thời điểm Q2 mở Q1 khóa, nhƣng dòng vẫn chạy theo chiều cũ. Nhƣ vậy năng lƣợng lấy từ nguồn Vd trong khoảng thời gian từ 0 -> T/2, từ T/2 - > T là năng lƣợng lấy từ trong tải trả về nguồn nạp cho tụ C46. [1, 2]
50
Hình 4.14 Dạng sóng đầu ra khi lắp biến tử siêu âm
Dạng sóng tín hiệu đầu ra bị các xung nhiễu ở đỉnh sƣờn lên và sƣờn xuống, nguyên nhân do tụ kí sinh trong MOSFET và tính dung kháng của transducer gây ra.