Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Obliczenia strat dynamicznych dla mosfet

_lazor_ 24 Cze 2018 10:17 2313 8
  • Obliczenia strat dynamicznych dla mosfet


    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:
    Obliczenia strat dynamicznych dla mosfet

    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%


    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.
    Obliczenia strat dynamicznych dla mosfet


    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


    $$Mosfet: \\
    Q_g = 85nC \\
    V_{plateu} = 6V \\
    V_{th} = 4V \\
    Gate\ input\ resistance = 0,63 \Omega \\
    Rg = 10 \Omega$$

    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.

    Obliczenia strat dynamicznych dla mosfet


    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).
    Obliczenia strat dynamicznych dla mosfet

    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.

    Obliczenia strat dynamicznych dla mosfet


    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
  • #2 24 Cze 2018 13:38
    Kraniec_Internetów
    Poziom 40  

    Super artykuł, który rzeczowo wyjaśnia zagadnienie. Może mi się przydać, bo w przyszłości planuje się pobawić w budowanie przetwornic średniej mocy.
    Tylko, czy tutaj:

    _lazor_ napisał:
    duty = 50% - topologia half bridge, każdy klucz ma wypełnienie (prawie) 50%

    Nie ma błędu? Jest to opis zaraz pod pierwszym schematem. Na rysunku jest przecież fullbridge.

  • #3 24 Cze 2018 15:44
    _lazor_
    Moderator Projektowanie

    Tak to jest błąd, artykuł miał dłuższą historię powstawania i początkowo miał opisywać half bridge, jednak half bridge o dziwo jest bardziej złożony i napięcie Vds nie jest takie oczywiste w niektórych konfiguracjach. Dlatego zmieniłem na opis full bridge, który już jest mniej dyskusyjny jeśli chodzi o napięcie Vds.
    Dzięki za uwagę i już to poprawiam

  • #4 28 Cze 2018 12:39
    michas
    Poziom 23  

    Witam, każdy wzór nie budzi wątpliwości jeśli podane w nim oznaczenia są z boku opisane i wiadomo czego dotyczą. We wzorach w artykule występuje dużo oznaczeń, które nie dokońca wiadomo co oznaczają - takie jest moje odczucie.
    Pozatym wydaje mi się ,że nie ma złącza dren- źródło tylko jest to kanał. Złącze jest miedzy bramką a kanałem , które odpowiednio polaryzujemy by zatkać kanał lub go otworzyć za pomocą strefy zaporowej wiec Rdson to jest rezystancja kanału w stanie załączenia.

    Co do wzorów kóre są dokładnie opisane - jest chęc zrozumiec zależność ,gorzej gdy nie wiadomo co dana wielkość oznacza wzór jest niejasny.

    W pierwszym wzorze nie powinno być Rgson zamiast Rdson ? W końcu bramkę ładujemy i rozładowujemy w obwodzie G-S.

    Na wykresach o niebieskiej siatce powinno być oznaczenie Ic? (prąd kolektora) i Uce (napięcie kolektor emiter)? w szak mamy do czynienia z mosfetami, to chyba wykres od IGBT.

    Pozatym artykuł porusza fajne zagadnienie.

    Pozdrawiam
    Michał.

  • #5 04 Lip 2018 01:03
    ukixx
    Poziom 19  

    michas napisał:
    Pozatym wydaje mi się ,że nie ma złącza dren- źródło tylko jest to kanał.

    Mosfet z punktu widzenia zasady działania to dioda połączona równolegle z rezystorem o rezystancji zależnej od VGS, innym słowem w skrócie mówiąc to dioda, która po odpowiednim spolaryzowaniu bramki względem źródła staje się rezystorem. Struktura jest jedna, a rysunki, w których "podłoże" jest na spodzie, a na wierzchu "dren" obok "źródła" z "bramką" pomiędzy nimi mają się nijak do tego co jest w gotowym tranzystorze.
    Obliczenia strat dynamicznych dla mosfet Obliczenia strat dynamicznych dla mosfet

    michas napisał:
    Złącze jest miedzy bramką a kanałem

    Tylko w tranzystorach złączowych JFET, tranzystory MOSFET między bramką a kanałem mają izolacyjną warstwę SiO2

    michas napisał:
    W pierwszym wzorze nie powinno być Rgson zamiast Rdson ? W końcu bramkę ładujemy i rozładowujemy w obwodzie G-S.

    To jest rezystancja stopnia wyjściowego drivera, a nie bramki więc ma być tak jak jest.

    michas napisał:
    Na wykresach o niebieskiej siatce powinno być oznaczenie Ic? (prąd kolektora) i Uce (napięcie kolektor emiter)? w szak mamy do czynienia z mosfetami, to chyba wykres od IGBT.

    To wykres pokazujący różnicę charakterystyki przełączania dla pracy "twardej" i rezonansowej. Więc nie ma znaczenia czy to będzie "szpadel" czy "łopata" ;)

  • #6 12 Sie 2018 13:13
    Kraniec_Internetów
    Poziom 40  

    _lazor_ napisał:
    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.

    Czekam z niecierpliwością :)

  • #7 12 Sie 2018 15:23
    _lazor_
    Moderator Projektowanie

    Ale że tak w ogóle o topologii rezonansowej? Czy bardziej o miękkim przełączaniu?

  • #8 12 Sie 2018 15:44
    Kraniec_Internetów
    Poziom 40  

    Bardziej ogólnie o miękkim przełączaniu, chociaż zapewne trzeba będzie podać przykład konkretnej aplikacji. Ogólnie ten artykuł bardzo mi przypadł do gustu, bo o ile absolutne podstawy są łatwe do znalezienia w internecie na wielu stronach, to obliczania strat w przystępny sposób nie znalazłem. To że jakoś specjalnie nie szukałem to inna kwestia ;)
    Wydaje mi się, że DVDM14 również może dorzucić swoje trzy gorsze do artykułu o ZVS. Oczywiście jeżeli chce :)

  • #9 12 Sie 2018 16:22
    _lazor_
    Moderator Projektowanie

    ZVS w kontekście przetwornicy jest nietrafionym nazewnictwem, które jakimś cudem się utrwaliło. Możliwe że ta przetwornica pracuje w ZVS, ale nie jest to nazwa urządzenia...
    Jeśli ktoś by chciał na poważnie potraktować przetwornice Mazzilliego to by musiał do niej ułożyć równania określające w jakich zakresach jest ona stabilna. Nawet są matematyczne narzędzia do takich urządzeń (do układów samowzbudnych ) jak dla przykładu równanie Van Der Pol'a.

    Więc jeśli bym nawet zaczął opisywać ZVS i ZCS to nie miało by to nic wspólnego z tą przetwornicą.