CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
2.1 Xây dựng và tính toán đối tượng điều khiển
2.1.2 Tính toán thông số cho mạch driver
Thông số kỹ thuật của IC IR2104
Thông số kĩ thuật của IR2104 – IC driver bán cầu hoạt động theo kỹ thuật bootstrap:
Điện áp offset: Voffset = 600V max
Dòng điện xung ngắn mạch đầu ra mức cao: Io+ = 130mA Dòng điện xung ngắn mạch đầu ra mức thấp: Io- = 270mA Dải điện áp cung cấp đến cực cổng từ 10-20V
Thời gian chết deadtime đặt nội bộ, tiêu chuẩn là 520ns
Khoá hoạt động của mạch khi điện áp cung cấp tụt thấp nhờ chân /SD Tương thích với mức logic đầu vào IN là 3,3V, 5V và 15V
Đầu ra HO ( High side mosfet ) cùng pha với đầu vào IN.
Độ trễ phù hợp với cả 2 kênh.
Các giá trị tối đa tuyệt đối cho biết các giới hạn được duy trì vượt quá mức có thể xảy ra hư hỏng cho linh kiện. Tất cả điện áp tham số là điện áp tuyệt đối được tham chiếu với chân COM. Giá trị điện trở tiêu tán và công suất tiêu tán được đo trong điều kiện không khí tĩnh và được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 2.2 Các giá trị tuyệt đối của IR2104
Bảng 2.3 Thông số điều kiện hoạt động đề xuất của IR2104
Logic hoạt động cho VS từ -5 đến +600V. Trạng thái logic được giữ cho VS từ -5V đến - VBS.
Sơ đồ khối cấu tạo bên trong chức năng của các chân vào/ra của IR2104 được thể hiện thông qua hình 2.2, 2.3 và bảng 2.4.
Hình 2.2 Sơ đồ khối chức năng bên trong IR2104 Bảng 2. 4 Mô tả chức năng các chân của IR2104
Hình 2.3 Sơ đồ chân của IR2104 và IR2104S
Hình 2.4 Giản đồ thời gian đầu vào/đầu ra
Từ giản đồ hình 2.4 ta thấy hoạt động bình thường của IR2104 được quyết định bởi các chân IN, /SD, HO, LO. Thời điểm ban đầu khi chân IN có mức logic “0” , chân /SD có mức logic “1” thì mạch hoạt động và chân HO có mức logic “0” ( vì chân IN và HO cùng pha nhau ), còn chân LO có mức logic “1”. Như vậy khi đó van (ở đây ta sẽ xét van là N- MOSFET) bên phía trên của bán cầu H (gọi là High-side MOSFET) sẽ khoá do điện áp cực G chưa đủ để kích, còn van phía dưới bán cầu (gọi là Low-side MOSFET) dẫn.
Xung trên 2 chân HO và LO ngược nhau, điều này dễ dàng điều khiển cho các ứng dụng cầu H. Khi chân /SD có mức logic “0” thì cả 2 chân HO và LO đều có logic “0” nghĩa là mạch dừng hoạt động. Nhờ vào tính năng này mà ta có thể lập trình điều khiển bảo vệ cho mạch khỏi những sự cố không mong muốn.
Từ góc độ thiết kế, đây là thành phần quan trọng nhất vì nó cung cấp đường dẫn có trở kháng thấp lấy nguồn dòng điện cực đại để sạc công tắc phía cao. Theo nguyên tắc chung, tụ điện khởi động này phải có kích thước đủ để điều khiển cổng MOSFET phía cao mà không bị cạn kiệt hơn 10%. Điện dung tụ boostrap này phải lớn hơn ít nhất 10 lần so với
điện dung cổng của FET phía high-side. Lý do là để cho phép thay đổi điện dung bởi nhiệt độ và đô , đồng thời chu kỳ bị bỏ qua xảy ra trong quá trình tải quá độ. Điện dung cổng có thể được xác định bằng:
Cg= Qg
VQ1g ( 2.1)
Qg là điện tích nạp cực cổng (Ghi trong datasheet của MOSFET) VQ1g = VDD − VBootDiode
Trong đó VBootDiode là độ sụt áp khi qua bootdiode
Sau khi xác định được điện tích cổng, giá trị tối thiểu của tụ điện khởi động có thể được ước tính bằng cách sử dụng công thức:
Cboot≥10× Cg (2.2)
Ngoài ra, có thể thực hiện tính toán chi tiết hơn về giá trị tụ điện boot tối thiểu bằng :
Cboot≥ Qtotal
∆ VHB (2.3) Với:
Qtotal=Qg+IHBS×Dmax fsw +IHB
fsw ( 2.4 ) Trong đó:
QG=Total MOSFET gate charge(MOSFE T's datasheet) là điện tích tổng cộng trên cực G cho việc kích mở mosfet
IHBS=HB¿VSS leakage current(gatedrive r's datasheet) là dòng rò từ HB đến VSS Dmax=Maximunduty cycle là hệ số điều chế tối đa
IHB=HB Quiescent current ( Gate driver’s datasheet) là dòng điện tĩnh Ta có:
∆ VHB=VDD−VDH−VHBL với:
VDD=Supply voltage of the gatedriver ICnguồn cấp cho IC driver
VDHBootstrap diode forward voltage drop(Bootstrap diode datasheet) là điện áp thuận rơi trên diode bootstrap.
VHBL=HB UVLO fallingthreshold(Gate driver datasheet) là ngưỡng điện áp rơi UVLO ( under-voltage lockout là cầu chì điện tử, khi xảy ra sự cố thấp điện áp thì sẽ ngắt hoạt động của IC)
Ta có dòng điện đỉnh qua diode bootstrap được xác định bởi:
Ipeak=Cboot×dV
dt (2.5) Giá trị bypass capacitor ( tụ điện lọc nhiễu) ;
CVDD≥10×CBoot (2.6)
Vai trò của điện trở bootstrap là hạn chế dòng điện cực đại ở diode bootstrap trong suốt quá trình khởi động. Do đó phải được lựa chọn cẩn thận vì nó đưa ra hằng số thời gian với tụ điện bootstrap được cho bởi:
t=RBoot×CBoot
Duty Cycle (2.7)
Hằng số thời gian này xảy ra trong thời gian cao điểm giải thích sự phụ thuộc vào chu kỳ làm việc. Nhiệm vụ này chu kỳ không đổi, điện trở bootstrap và tụ điện bootstrap phải được điều chỉnh thích hợp để đạt được thời gian khởi động mong muốn. Việc tăng giá trị điện trở bootstrap sẽ tăng hằng số thời gian dẫn đến tốc độ chậm hơn thời gian khởi động. Ngoài ra, điện trở bootstrap được chọn phải có khả năng chịu được sự tiêu tán năng lượng cao trong lần đầu tiên.trình tự nạp của tụ điện bootstrap. Năng lượng này có thể được ước tính:
E=1
2× Cboot×V2Cboot (2.8)
Năng lượng này bị tiêu tán trong thời gian nạp của tụ điện bootstrap và có thể được ước tính bằng :
E≅3×Cboot× Rboot (2.9)
Điện trở này rất cần thiết trong việc hạn chế dòng điện cực đại thông qua diode bootstrap khi khởi động và hạn chế dv/dt của HB-HS (nguồn cung cấp nổi phía cao cho nguồn cung cấp thả nổi phía cao trở lại). Cường độ dòng điện cực đại qua điện trở này có thể được tính bằng :
IPK=VDD−VBootDiode
Rboot (2.10)
Tính toán thông số linh kiện đi kèm của IR2104
Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của IR2104
Từ những lí thuyết đã nêu ở trên ta có thể tính được thông số của linh kiện xung quanh IR2104.
Qg = 146nC (Ghi trong datasheet của MOSFET) Chọn VDD = 12V, Vbootdiode = 0.6V
Trong đó VBootDiode là độ sụt áp khi qua bootdiode VQ1g = VDD − VBootDiode = 12-0.6=11.4V
Sau khi xác định được điện tích cổng, giá trị tối thiểu của tụ điện khởi động có thể được ước tính bằng cách sử dụng công thức:
Cboot≥10× Cg=12.8∗10−8F=0.128uF
Để mạch hoạt động ổn định thì ta chọn giá trị tụ điện bootstrap từ 22uF đến 47uF.
Lấy giá trị tụ Cboot = 47uF. Khi hoạt động tụ này dễ bị cháy nên ta gắn thêm tụ gốm 100nF song song tụ boot.
Năng lượng tụ điện trong quá trình nạp tụ Cboot: E = 0.5*Cboot*V2Cboot = 0.5*100*122*100*10-12
Đồng thời năng lượng này xấp xỉ bằng: E ≈ 3*Cboot*Rboot = 3*100*10-6*Rboot
Đồng nhất 2 vé ta tìm được Rboot = 0.0024, rất nhỏ và ta coi như không cần thiết trong trường hợp này.
Chọn diode bootstrap là diode 1N4148 75V 150mA.
Trong nhiều ứng dụng, hai điện trở cực cổng on và off được sử dụng. Diode Dg_off được sử dụng để giữ cho điện trở cực cổng trong quá trình off thấp hơn điện trở trong quá trình on bởi vì thời gian trễ off thường dài hơn thời gian trễ on đối với một số van công suất.
Nó cũng có thể giúp ngăn chặn việc on thông qua điện dung Miller. Mặt khác nếu giá trị Rg_off quá thấp nó có thể dẫn đến điện áp cao phóng qua van công suất do tốc độ biến thiên dòng điện đột ngột di/dt trong quá trình off. Vì vậy ta cần cân nhắc đánh đổi giữa tốc độ đóng cắt ( switching speed) và độ bền cho van. Theo kinh nghiệm thì ta có thể chọn Rg_on
= 2Rg_off.
Từ những phân tích ở trên thì ta thấy rõ ràng điện trở Rg_on này phụ thuộc vào tốc độ lái của gate driver. ON càng nhanh thì Rg_on càng nhỏ. Để off nhanh thì ta cần điện trở Rg_off và diode Dg_off ( khi mosfet bắt đầu xảy ra quá trình khoá thì điện tích dư trên cực GS sẽ qua diode Dg_off và chảy xuống GND để khoá nhanh.)
Ở đây ta chọn các thông số :
-Diode Dg_off loại FR307 3A chịu dòng xung đỉnh 150A.
- Rg_on = 22ohm - Rg_off =10ohm
Hình 2.5 Linh kiện kích cực gate cho MOSFET
Điện trở pull-down để xả hết điện tích dư tại chân GS (do cấu tạo của mosfet thì giữa các cực của nó đều có điện dung kí sinh). Nếu không có điện trở này thì khi off van, điện dung kí sinh chân GS sẽ vẫn còn tồn tại một điện áp và lúc đó van công suất sẽ dẫn tuyến tính và phát nóng. Chọn điện trở Rgs = 10k