Na forum często pojawiają się tematy związane z przetwornicami, w których elementem kluczującym jest tranzystor mosfet. Okazuje się, że temat nie jest prosty i często po uruchomieniu układy ulegają awarii. Większości problemów można zapobiec wykonując wstępne obliczenia, jednak dokumentacje techniczne nie są proste do analizy, zwłaszcza dla początkujących osób.
Poniższy artykuł pomoże zapobiegać awariom i ułatwi projektowanie. Nie zawiera on bardzo szczegółowych obliczeń, ale uśrednione wartości, które w bardzo dobry sposób mogą przybliżyć problem strat dynamicznych na mosfetach.
1. Od czego zacząć?
Każdy projekt rozpoczyna się od opisu, co tak naprawdę chcemy zaprojektować. Artykuł będzie się tyczył topologii mostka, w którym jednymi z ważniejszych parametrów są:
Vin = 325V - Napięcie sieciowe po wyprostowaniu
Id = 7A - Prąd maksymalny przepływający przez dren mosfeta
Vcc = 12V - Zasilanie sterownika
fmax = 200kHz - Maksymalna częstotliwość kluczowania tranzystorów
dt = 300ns - Zakładany dead time
duty = 50% - topologia full bridge, każdy klucz ma wypełnienie (prawie) 50%
Id = 7A - Prąd maksymalny przepływający przez dren mosfeta
Vcc = 12V - Zasilanie sterownika
fmax = 200kHz - Maksymalna częstotliwość kluczowania tranzystorów
dt = 300ns - Zakładany dead time
duty = 50% - topologia full bridge, każdy klucz ma wypełnienie (prawie) 50%
Założenia zawsze trzeba rozpatrywać w wartościach maksymalnych. Jeśli założymy mniejsze wartości, a następnie w toku testowania urządzenia postanowimy zwiększyć któryś z parametrów, możemy spowodować awarię urządzenia, jednakże jeśli przewymiarujemy parametry układu, to będziemy mieć niewykorzystany potencjał i koszty urządzenia nie potrzebnie wzrosną.
Dlatego ważne, by nie nastawiać się na to, że zaprojektujemy urządzenie za pierwszym razem, najczęściej trzeba wielu prototypów, by zoptymalizować parametry urządzenia do potrzeb.
Specjalnie nie skupiam się na parametrach wyjściowych układu, gdyż obliczenia będą poprawne do wszystkich zastosowań, gdzie występuje hard switching na mosfetach.
2. Driver
Pierwszym elementem, jaki rozpatrzę będzie driver. Na rynku mamy naprawdę spory wybór mosfetów, a stosunkowo mniejszy wybór wśród driverów. Jednym z kluczowych parametrów jest source i sink current, który określa nam, jakim maksymalnym prądem możemy ładować i rozładowywać pojemności bramki mosfetu oraz rezystancję wewnętrzną drivera, te dwa parametry determinują dynamikę procesów komutacyjnych klucza.
Dynamika zmiany stanu klucza wpływa bezpośrednio na straty dynamiczne, generowane zakłócenia oraz w pewnych wypadkach na wadliwy stan pracy klucza (Impacts of the dv/dt Rate on MOSFETs).
Za przykład wezmę driver L6393 od ST:
$$I_{source} = 0,29A\\
I_{sink} = 0,43A\\
Przy \ V_{cc} = 15V$$
Tak więc w przybliżeniu:
$$R_{dson\_source} = \frac{15V}{0,29A} = 51,72\Omega\\
R_{dson\_sink} = \frac{15V}{0,43A} = 34,88\Omega$$
Drivery oferują wiele udogodnień, na które warto zwrócić uwagę przy wyborze, np.:
- zabezpieczenia podnapięciowe,
- wzmacniacze,
- soft start,
- self oscillating,
- zintegrowany dead time,
- izolację galwaniczną,
3. Mosfet
Dobór klucza może być stosunkowo trudny, gdyż wymaga już pewnego poziomu wiedzy. Wielu początkujących patrzy głównie na rezystancję klucza w czasie przewodzenia (Rdson), maksymalny prąd czy moc, jaką można rozproszyć na kluczu(Ptot), które zazwyczaj podawane są w temperaturze 25°C. W praktyce są to wartości niemożliwe do osiągnięcia.
Jednak bardzo ważnym elementem jest dynamika klucza. Parametrami najczęściej rozpatrywanymi są td(on), td(off), tr oraz tf. Oczywiście powyższe parametry jak najbardziej mówią nam wiele o kluczu, jednak nie są przydatne podczas obliczeń, gdyż najczęściej są podawane przy bardzo małej wartości Rg, której w praktyce nie użyjemy.
Jednym z ważniejszych parametrów, na jaki trzeba spojrzeć to Qg (Total gate charge). Parametr ten określa, ile ładunku trzeba doprowadzić do osiągnięcia napięcia Vgs na bramce mosfeta. Pomocnym elementem w dokumentacji klucza jest wykres "Typical Gate Charge vs. Gate-to-Source Voltage", który dość szczegółowo pokazuje nam zależność napięcia Vgs od dostarczonego ładunku.
Proces dobierania klucza przede wszystkim powinien uwzględniać:
- dopuszczalne napięcie między drenem a źródłem (Vds),
- maksymalny prąd drenu przy 100 °C (Id),
- rezystancję złącza (Rdson),
- maksymalną moc rozproszoną na kluczu (Ptot, Pd),
- typowe napięcie bramki (Vgs), przy którym uzyskujemy docelową rezystancję złącza (Rdson),
- całkowity ładunek dostarczony do bramki (Qg).
Dobierając klucz, należy zachować margines bezpieczeństwa. Jeżeli tranzystor spełnia wymagania projektowe przy maksymalnych wartościach, nie należy go stosować. Wstępne marginesy bezpieczeństwa:
- 80% Vds,
- 50-60% Id,
- 50% Ptot.
Maksymalne wartości powyższych parametrów zależą od wielu czynników, między innymi od użytej topologii, radiatora, doboru elementów przy sterowniku czy od wartości napięcia zasilania.
4. Obliczenia
Dobrałem sobie dwa elementy driver L6393 oraz mosfet SiHF30N60E.
Zaczynamy od wypisania parametrów sterownika:
Driver
I_source = 0,29A
I_sink = 0,43A
Vf = 0,44V //Spadek napięcia na diodzie bootstrap
min Vgs = 10V //Minimalna wartość napięcia na bramce klucza
I_source = 0,29A
I_sink = 0,43A
Vf = 0,44V //Spadek napięcia na diodzie bootstrap
min Vgs = 10V //Minimalna wartość napięcia na bramce klucza
$$Mosfet: \\
Q_g = 85nC \\
V_{plateu} = 6V \\
V_{th} = 4V \\
Gate\ input\ resistance = 0,63 \Omega \\
Rg = 10 \Omega$$
4.1 Bootstrap
Jeśli projektujemy układ mostkowy to do sterowania górnego klucza potrzebujemy układu bootstrap, gdzie potrzebujemy dobrać odpowiednią diodę (najlepiej szybką o niskiej wartości Vf) oraz kondensator, który będzie nam podawać przesunięte napięcie na bramkę górnego klucza.
Najpierw liczymy, na jaki spadek napięcia możemy sobie pozwolić w obwodzie bootstrap:
$$ \Delta V_{boot} = V_{cc} – V_f – min V_{gs} = 12V – 0,44V – 10V = 1,56V \ \ \ \ (1)$$
Wartość kondensatora (o zerowym prądzie upływu) wynosi:
$$C_{boot} = \frac{Qg}{\Delta V_{boot}} = \frac{85nC}{1,56V} = 54,5 nF\ \ \ \ (1)$$
Wybieramy pierwszą wyższą wartość w typoszeregu od wyliczonej wartość kondensatora.
4.2 Obliczanie poszczególnych czasów w mosfecie
Mosfet nie otwiera się natychmiastowo i posiada 4 fazy podczas otwierania i zamykania.
t0 – t1 – Czas wzrostu napięcia Vgs do wartości Vth
t1 – t2 – Czas, w którym zaczyna wzrastać prąd w drenie klucza, napięcie Vgs zmienia się z Vth do Vplateu
t2 – t3 – Czas, w którym następuje zanik napięcia Vds, Vgs zmienia się w minimalnym stopniu
t3 – t4 – Czas, w którym Vgs osiąga wartość dostarczoną przez driver.
Vplateu jest napięciem, w którym zaczyna się zjawisko Millera spowodowane przeładowaniem się pojemności Cgd.
Najważniejsze do obliczeń strat dynamicznych są przedziały t1-t2, t2-t3 oraz analogiczne przedziały dla procesu wyłączania. Zaczniemy od obliczenia sumy rezystancji dla bramki w procesie załączania (Rghi) oraz wyłączania (Rglo) klucza:
$$R_{ghi} =\frac{V_{cc}(15V)}{I_{source}} + R_g + Gate\ input\ resistance =\frac{15V}{0,29A} + 10\Omega + 0,63 \Omega = 62,35 \Omega$$
$$R_{glo} =\frac{V_{cc}(15V)}{I_{sink}} + R_g + Gate\ input\ resistance =\frac{15V}{0,43A} + 10\Omega + 0,63\Omega = 45,51\Omega$$
Aby obliczyć przedział czasu, będziemy musieli wspierać się wykresem z dokumentacji "Typical Gate Charge vs. Gate-to-Source Voltage". Odczytujemy z niego jaki ładunek jest dostarczony do bramki w poszczególnych przedziałach:
$$Q_{12} = 5nC \\
Q_{23} = 40nC$$
Obliczamy średnią wartość prądu płynącą w danych przedziałach:
$$I_{g12} = \frac{V_{gs} – \frac{V_{th} + V_{plateu}}{2}}{R_{ghi}} = \frac{10V – \frac{4V + 6V}{2}}{62,35\Omega} = 80mA \ \ \ \ (2) \\
I_{g23} = \frac{V_{gs} – V_{plateu}}{R_{ghi}} = \frac{10V – 6V}{62,35\Omega} = 64mA \ \ \ \ (2) \\
I_{g32} = \frac{V_{plateu}}{R_{glo}} = \frac{6V}{45,51\Omega} = 132mA \ \ \ \ (2) \\
I_{g21} = \frac {\frac{V_{th} +V_{plateu}}{2}}{R_{glo}} = \frac {\frac{4V+6V}{2}}{45,51\Omega} = 110mA \ \ \ \ (2)
$$
Znając już te wartości jesteśmy w stanie oszacować, ile poszczególne przedziały trwają:
$$
t_{12} = \frac{Q_{12}}{I_{g12}} = \frac{5nC}{80mA} = 62,5ns\ \ \ \ (2) \\
t_{23} = \frac{Q_{23}}{I_{g23}} = \frac{40nC}{64mA} = 625ns\ \ \ \ (2) \\
t_{32} = \frac{Q_{23}}{I_{g32}} = \frac{40nC}{132mA} = 303ns\ \ \ \ (2) \\
t_{21} = \frac{Q_{12}}{I_{g21}} = \frac{5nC}{110mA} = 45ns\ \ \ \ (2) \\
$$
Możemy już policzyć, ile energii będzie tracone podczas przełączania w hard switch:
$$E_{t12+t23} = \frac{(t_{12} + t_{23}) * V_{ds} * I_d}{2} = \frac{(62,5ns + 625ns) * 325V * 7A}{2} = 782uJ\ \ \ \ (2) \\
Et32+t21 = \frac{(t_{32} + t_{21}) * V_{ds} * I_d}{2} = \frac{(303ns + 45ns) * 325V * 7A}{2} = 396uJ\ \ \ \ (2)$$
oraz ostatecznie moc traconą na przełączaniu:
$$P = P_{on} + P_{off} = E_{t12+t23}*f_{max} + E_{t32+t21}*f_{max} = (782uJ + 396uJ)*200kHz = 235,6W\ \ \ \ (2)$$
5. Wnioski
Do powyższych obliczeń należy dodać jeszcze straty związane z przeładowaniem pojemności Coss, straty na wewnętrznej rezystancji bramki mosfetu, straty na przewodzeniu oraz straty na body diode (jeśli występują).
Oczywiście dobrałem dość ekstremalny przykład, gdyż mało kto będzie stosował w swoich zasilaczach czy falownikach częstotliwości sięgających 200kHz. Jednak warto się zastanowić przed budową swojego układu czy aby na pewno klucz, który się dobrało spełni oczekiwania, zwłaszcza gdy nie posiadamy sprzętu pomiarowego i chcemy mieć pewność, że nasz układ nie uszkodzi się z powodu temperatury.
Oczywiście są techniki, aby tym stratom zapobiegać. Dając mocniejszy driver skrócimy czasy, kiedy tranzystor się załącza, ale to generuje kolejne problemy, takie jak możliwość uszkodzenia się mostka z powodu zbyt dużej wartości zmian napięcia (du/dt), czy generacje za dużych zakłóceń.
Można także wyłączać szybciej klucz stosując dodatkowe elementy (jak np. tranzystor PNP).
Jednak najskuteczniejszą metodą jest wprowadzenie zamiast hard switch, soft switch (ZVS lub ZCS), który znacznie minimalizuje straty związane z przełączaniem, ale to rzecz na całkowicie osobny artykuł.
Źródła:
1. Link
2. Link
3. Link
Specjalne podziękowania dla:
Marek_Skalski
And!
kozi966
dt1
gulson
Za zaangażowanie się w redagowanie powyższego artykułu
Fajne! Ranking DIY
