Thiết kế mạch cầu H để truyền động động cơ DC (trích lọc)

[electronicltv]

Tôi có 1 mạch đơn giản. Bạn tính lại mấy giá trị điện trở và thêm diode zener ghim áp VGS lại là được (khỏi thêm cũng k sao).

[chuongfriendly]

xin chào các bác.
đây là lần đầu tiên em làm mạch kích nửa cầu H và luồng này đã giúp em rất nhiều.
em dùng IR21271 để kích IRF540 theo sơ đồ sau.



hình 1: sơ đồ trích phần kích MOS.
[tụ bootstrap và Rgate tính theo công thức trong luồng này. sơ đồ đầy đủ em gửi ở file pdf kèm theo]



em test ở tần số 5KHz, duty 50% và kết quả trên Osci như sau:
hình 2: điện áp trên cực G của MOS.





hình 3:dạng sóng áp kích. giống hình 2 nhưng được "phóng to". và dạng sóng này không thay đổi khi em thay đổi tần số kích lên 10KHz, 20KHz.





hình 4: điện áp trên tải R với dòng tải 3A.




câu hỏi của em:
1. tại sao áp trên cực G của MOS (hình 3) lại dao động nhiều vậy? do bị nhiễu hay do cảm kháng đoạn dây kích gây ra?
2. một mạch kích được xem là tốt (thực tế) thì áp Vgs có dao động không? ít nhiều như thế nào?
3. có thể cho em một vài kinh nghiệm để làm mạch kích (10KHz) hoat động ổn định.

em rất mong nhận được ý kiến của các bác.

[namqn]

Nguyên văn bởi chuongfriendly

...
câu hỏi của em:
1. tại sao áp trên cực G của MOS (hình 3) lại dao động nhiều vậy? do bị nhiễu hay do cảm kháng đoạn dây kích gây ra?
2. một mạch kích được xem là tốt (thực tế) thì áp Vgs có dao động không? ít nhiều như thế nào?
3. có thể cho em một vài kinh nghiệm để làm mạch kích (10KHz) hoat động ổn định.

em rất mong nhận được ý kiến của các bác.

1. Bạn đang chuyển mạch cứng, với MOSFET được đóng khi áp Vds có giá trị dương khá lớn, do đó hiệu ứng Miller sẽ xảy ra, và dạng sóng điện áp Vgs sẽ có một đoạn gần như nằm ngang tại điện áp bằng điện áp ngưỡng Vth. Bạn chưa chọn giá trị tối ưu của điện trở mạch kích, do đó dạng sóng của bạn bị dao động mạnh. Bản chất của mạch vòng là một mạch RLC, do đó nhất định sẽ có dao động, và việc chọn giá trị tối ưu cho R là rất quan trọng để đệm dao động đó.

2. Một mạch kích được xem là tốt thì áp Vgs vẫn có thể dao động, miễn là dao động đó không ảnh hưởng đến trạng thái làm việc của MOSFET. Trong trường hợp của bạn, dao động đầu tiên ngay sau khi hiệu ứng Miller kết thúc (chu kỳ dao động thứ ba của toàn bộ dạng sóng Vgs ngay sau khi tín hiệu PWM được thay đổi) quá lớn, với phần bán kỳ âm có đỉnh còn thấp hơn Vth, tức là MOSFET sẽ bắt đầu dẫn rồi lại tắt, rồi lại dẫn và tắt trong một vài chu kỳ dao động, rồi mới hoàn toàn dẫn.

3. Kinh nghiệm tùy vào trường hợp cụ thể, nhưng không thể dùng vài câu văn để diễn đạt. Bạn có thể tham khảo link sau để hình dung vấn đề:

http://focus.ti.com/lit/ml/slup169/slup169.pdf

Thân,

[chuongfriendly]

em cám ơn Thầy đã trả lời, Em đã đọc kỹ và hiểu những gì Thầy nói ở trên.

1. Đúng vậy, mạch vòng là một mạch RLC. Theo lý thuyết mạch thì điều kiện để áp trên tụ không dao động là:



Như vậy, giá trị tính được theo công thức này là điện trở tối thiểu để việc nạp tụ CISS không có dao động.

Áp dụng cho mạch em tính ở trên:
IR21271 có: Io+=250mA (test ở 15V);
IRF540 có: Ciss =1960pF; Qg=71nC

R_G = R_out(IC) + Rg = 15/0.25 + 10 = 70Ω

Với: R_out(IC) : điện trở ngõ ra của IR21271
Rg : điện trở em thêm vào.

Suy ra: Ls tối thiểu để mạch dao động:
Ls = Ciss .4R^2 = 1960p.4.70.70=38,4 µH.

Nhận xét: giá trị Ls quá lớn. mạch em làm có lẽ L chỉ vài trăm nH là cùng. Như vậy sẽ không có dao động mới đúng. nhưng thực tế lại có? Em hết biết giải thích rồi? Thầy có ý kiến chỗ này không?

2. Đúng như Thầy nói. Việc chọn giá trị R tối ưu rất quan trọng, và em thấy để tính được nó không dễ chút nào.
lúc tính giá trị R, em chỉ dùng công thức trong slup69 để ước lượng cận dưới của R thôi (vì em không biết được chính xác Ls). Em tính R theo năng lượng trung bình (tham khảo tài liệu DT04-4):
Qg = Q_av =[(Vdrv-Vth)/R_G]. T_sw
Tuy nhiên, cách tính này cho kết quả trong một khoảng từ 0-47 Ω. Em chọn 10 Ω làm thí nghiệm như trên.

Tóm lại: em nhờ Thầy ở 2 chỗ:
1. nhận xét về R>Rth, nhưng vẫn có dao động.
2. làm sao để tính được R tối ưu?

[namqn]

Người ta không tính điện trở ngõ ra của IR21271 như bạn. Trong trường hợp bình thường, điện trở ngõ ra của vi mạch chỉ có vài ohm, chỉ khi ở trạng thái ngắn mạch thì vi mạch mới hạn dòng và điện trở ngõ ra do đó mới tăng lên.

Công thức tính điện cảm tối thiểu của bạn không đúng, phải chia cho 4 chứ không nhân với 4. Giả sử điện cảm mạch vòng của bạn là 100 nH, khi đó tổng điện trở tối thiểu của mạch kích sẽ khoảng 14 Ω. Giá trị 10 Ω của điện trở thêm vào khi đó sẽ thường xuyên đưa vi mạch vào trạng thái ngắn mạch ngõ ra. Với các vi mạch có giới hạn dòng ngắn mạch khá nhỏ, người ta thường phải chọn giá trị điện trở mạch kích theo giới hạn dòng ngắn mạch chứ không theo giá trị điện trở tối ưu. Bạn thử lại với giá trị điện trở thêm vào là 68 Ω xem sao.

Tôi vẫn tính điện trở tối ưu theo công thức của slup169 thôi, cái chính là kinh nghiệm ước lượng điện cảm của mạch vòng (theo các tài liệu về EMC, người ta thường ước lượng điện cảm của đường mạch in là 10 nH/cm).

Thân,

[chuongfriendly]

yeah! cám ơn Thầy nhiều lắm, em hiểu rồi. em sẽ test lại.

ah, đúng là công thức tính điện cảm của em bị sai...hihi

[chuongfriendly]

theo như Thầy, trong mạch kích IRF540 dùng IR21271. em chọn điện trở kích Rg=68Ω, kết quả như sau:

hình 1: Vgs rise



hình 2: Vgs fall



hình 3: Vds



hình 4: Ids



nhận xét: với Rg=68Ω thì
- dạng sóng kích đóng và kích khóa rất đẹp. nhưng có vẻ như thời gian đóng và ngắt này hơi lâu (trên 1us)
- thời gian để MOSFET chuyển từ trạng thái đóng sang ngắt khoảng 700ns là khá lớn so với T_rise IR540 là dưới 50ns!

thời gian chuyển trạng thái đóng ngắt càng lâu thì MOSFET càng nóng và tổn hao càng lớn. nên em thử với giá trị điện trở khác là Rg=34Ω. kết quả như sau:

hình 5: Vgs rise



hình 6: Vds



nhận xét: với Rg=34Ω thì
-thời gian nạp kích nạp cho cực G nhanh hơn. tuy nhiên, dạng sóng nạp tuy có dao động nhưng vẫn chưa đủ lớn để đưa MOSFET từ vùng dẫn bão hòa về vùng khuyếch đại.
-thời gian kích đóng MOSFET cũng nhanh hơn. tuy nhiên, dạng sóng Vds dao động khá lớn.
-việc chọn Rg tối ưu giúp giảm tổn hao, nhưng còn dòng điện Ids thì chỉ phụ thuộc vào tải. vì vậy, sự dao động của dòng tải là không thể điều khiển được bằng driver?

trên là kết quả thí nghiệm và một số nhận xét chủ quan của em. Thầy nhận thấy những nhận xét đó có gì chưa phù hợp không? Thầy có bổ sung gì để giúp em hiểu rõ hơn không?
em cám ơn Thầy vì đã dành thời gian trả lời thắc mắc của em.