Tính toán thiết kế mạch lái Mosfet

1

Chương 10. Mạch lái, mạch hỗ trợ và tản nhiệt
10.1 Giới thiệu
Tối thiểu công suất tổn hao trên chuyển mạch điện tử là mục đích quan trọng khi
thiết kế điện tử cơng suất. Tổn hao dẫn xảy ra vì ln tồn tại một điện áp khác
không đặt ngang quan chuyển mạch khi nó dẫn. Trong khi đó tổn hao chuyển mạch
xảy ra do chuyển mạch không thể chuyển tức thời từ trạng thái này qua trạng thái
khác và tổn hao chuyển mạch trong nhiều bộ chuyển đổi là đáng kể hơn so với tổn
hao dẫn. Bộ chuyển đổi cộng hưởng trình bày trong chương 9 làm giảm tổn hao
chuyển mạch bằng cách cải thiện dao động từ nhiên khi điện áp và dịng điện bằng
khơng. Chuyển mạch trong mạch điện như bộ chuyển đổi DC/DC thảo luận trong
chương 6 và chương 7 ln tồn tại tổn hao do nó cho phép dẫn khi dịng điện và
điện áp khác khơng. Tổn hao chuyển mạch trong những bộ chuyển đổi loại này có
thể được tối thiểu khi thiết kế mạch lái để quá trình chuyển mạch diễn ra nhanh.
Mạch hỗ trợ được thiết kế để cải thiện dạng sóng chuyển mạch, nhờ đó mà giảm
tổn hao cơng suất và bảo vệ chuyển mạch. Tổn hao công suất trong chuyển mạch
điện tử tỏa nhiệt và giới hạn nhiệt độ thiết bị là giới hạn trong thiết kế của tất cả
mạch chuyển đổi.
10.2 Mạch lái MOSFET và IGBT
Bộ lái phía dưới.
MOSFET là linh kiện điều khiển bằng điện áp và điều khiển tương đối đơn giản,
có nhiều ưu điểm so với BJT. Trạng thái dẫn xảy ra khi điện áp V gs vượt qua điện
áp ngưỡng, làm cho MOSFET trở thành đèn 3 cực (cũng gọi là thuần trở hay
khơng bão hịa). Thơng thường, điện áp Vgs đủ làm MOSFET chuyển sang trạng
thái dẫn vào cỡ 10-20V, mặc dù vẫn có một số MOSFET được thiết kế để điều
khiển theo điện áp mức logic. Trạng thái khóa xảy ra khi điện áp V gs nhỏ hơn mức
điện áp ngưỡng. Dòng điện cực cửa trong cả hai trạng thái về cơ bản là bằng
không. Tuy nhiên, điện dung ký sinh đầu vào phải được nạp để làm thơng
MOSFET và xả để khóa nó. Tốc độ chuyển mạch thường phụ thuộc vào tốc độ nạp
dòng cực cửa. Tranzistor cực cửa cách ly (IGBT) có mạch lái yêu cầu tương đối

giống MOSFET, và những thảo luận dưới dây được áp dụng tốt với chúng.
Mạch lái MOSFET phải có khả năng rút dịng/tạo dịng cho chuyển mạch tốc độ
cao. Mạch lái cơ bản trong hình 10-1a sẽ lái transistor, nhưng thời gian chuyển
mạch có thể khơng phù hợp cho một vài ứng dụng. Hơn nữa, nếu tín hiệu đầu vào


2

lấy từ một thiết bị điện tử điện áp thấp, logic đầu ra sẽ không đủ làm MOSFET
thông.
Một mạch lái tốt hơn được chỉ ra trong hình 10-1b. Mạch theo dõi điện áp
emitter kép gồm một cặp bóng bán dẫn lưỡng cực loại NPN và PNP. Khi điện
áp đầu vào mạch lái ở mức cao, Q 1 thông và Q2 khóa, làm MOSFET thơng. Khi
tín hiệu đầu vào mạch lái ở mức thấp, Q 1 khóa, và Q2 thơng và loại bỏ năng
lượng tích lũy trên cực cửa, làm MOSFET khóa. Tín hiệu đầu vào sử dụng để
điều khiển có thể lấy từ TTL collector hở, với mạch theo dõi điện áp emitter sử
dụng như bộ đệm với dòng cực cửa u cầu dạng rút/tạo dịng như chỉ ra trong
hình 10-1c.
Các cách sắp xếp khác cho mạch điều khiển MOSFET được thể hiện trong
hình. 10-2. Đây là những các mạch tương đương với mạch trong hình 10-1b.
Các bóng bán dẫn trên và dưới được lái, hỗ trợ cho bóng bán dẫn ngồi, với một
bán dẫn mắc tạo dịng và một bóng khác mắc rút dịng cho cực cửa để đóng mở
MOSFET. Hình 10.2a sử dụng transistor NPN, hình 10-2b sử dụng MOSFET
kênh N, và hình 10.2c sử dụng cả hai loại MOSFET kênh P và N.


3

Ví dụ 10-1 Minh họa ý nghĩa của mạch điều khiển trên MOSFET về tốc độ
chuyển mạch và tổn hao cơng suất.

Mơ phỏng mạch lái MOSFET
Một mơ hình PSpice cho MOSFETcơng suất-IRF150 có sẵn trong phiên bản
demo PSpice trong tập tin EVAL. (a) Sử dụng mô phỏng PSpice để xác định
thời gian thơng và đóng và cơng suất tiêu tán trong MOSFET cho mạch tronh
hình. 10.1a. Sử dụng Vs = 80 V và điện trở tải 10  .Điện áp điều khiển chuyển
mạch vi là xung tăng từ 0 đến 15 V, và R1 = 100  (b) Lặp lại cho mạch trong
hình 10.1c với R1 = R2 = 1k  . Tần số chuyển mạch cho mỗi trường hợp là 200
kHz, và hệ số điền xung của điện áp điều khiển chuyển mạch là xung 50 phần
trăm.
Giải
(a) Mạch lái cơ bản như trong hình 10-1a sử dụng xung áp để điều khiển chuyển
mạch. Kết quả dạng sóng chuyển mạch từ đầu đo được thể hiện trong hình
10.3a. Thời gian chuyển mạch thơ là khi chuyển mạch khóa và thơng lần
lượt là 1.7 và 0.5 us. Công suất tiêu tán trung bình trên MOS được xác định
từ đầu đo bởi enting AVG(W(M1)), kết quả là 38W.
(b) Mạch lái sử dụng mạch theo dõi điện áp emiter trong hình 10-1c sử dụng
transistor NPN 2N3904 và PNP 2N3906 từ thư viện ước tính. Kết quả là
dạng sóng chuyển mạch được thể hiện trong hình 10.3b. Thời gian chuyển
mạch khóa và dẫn lần lượt là 0.4 và 0.2 us. Công suất tiêu tán là 7.8W. Chú


4

ý là mạch lái loại này loại bỏ năng lượng trên cực cửa nhanh hơn mạch lái
trong phần (a)


5

Mạch lái kênh trên (high side)

6

Một vài công nghệ chuyển đổi, như chuyển đổi hạ áp sử dụng MOSFET kênh N
có chuyển mạch mức cao. Nguồn cung cấp của MOSFET phía trên khơng kết
nối với đất như chuyển mạch phía dưới trong chuyển đổi trong mạch tăng áp.
Chuyển mạch phía trên yêu cầu mạch lái MOSFET động với điểm đất. Mạch lái
cho những ứng dụng này được gọi là mạch lái phía trên. Để mở MOSFET, điện
áp Vgs phải đủ cao. Khi MOSFET thông trong chuyển đổi hạ áp, ví dụ điện áp ở
nguồn terminal của MOSFET bằng với điện áp cung cấp V s. Vì thế, điện áp cực
cửa phải lớn hơn điện áp cung cấp
Cách để tạo ra điện áp cao hơn điện áp nguồn là sử dụng bơm nạp (bộ
chuyển đổi chuyển mạch tụ điện) như được mô tả trong chương 6. Một mạch lái
high side được kết nối như hình 10-4a. Hai MOSFET lái và điốt được đặt tên là
chuyển mạch S1, S2, S3. Khi tín hiệu điều khiển là mức cao, S1 và S2 thông và tụ
điện được nạp nhờ nguồn Vs thơng qua đi-ốt (Hình 10-4b). Khi tín hiệu điều
khiển là mức thấp, S1 và S2 khóa và điện áp trên tụ điện được đặt ngang qua
điện trở và cực cửa của MOSFET công suất làm MOSFET dẫn. Điện áp tải lúc
này bằng điện áp nguồn Vs, làm cho điện áp cực dương tụ điện tăng lên thành
2Vs. Mạch lái này được gọi là mạch boostrap.

Các mạch lái điều khiển cổng MOSFET có sẵn dạng mạch tích hợp (IC).
Một ví dụ là mạch lái IR2117 của hãng International Rectifier, thể hiện trong
hình 10-5a. IC với một tụ điện bên ngoài và diode cung cấp các mạch bootstrap
cho MOSFET. Một ví dụ khác là IRS2110 được thiết kế để điều khiển cả hai
thiết bị chuyển mạch trên và dưới (Hình 10-5b). Bộ chuyển đổi cầu và nửa cầu
là những ứng dụng đòi hỏi cả mạch lái điều khiển chuyển mạch trên và dưới.

7

Người ta mong muốn có sự cách ly giữa MOSFET và mạch điều vì mức
điện áp cao của MOSFET, như trong bóng bán dẫn phía trên trong mạch cầu
hoặc bộ chuyển đổi buck. Các mạch ghép từ và ghép quang học thường được sử
dụng để cách ly điện. Hình 10-6a cho thấy một mạch điều khiển và mạch công
suất được cách điện bằng máy biến áp. Tụ điện ở phía mạch điều khiển ngăn
cản dòng bù một chiều chảy vào biến áp vì nó có thể gây bão hịa biến áp. Dạng
sóng chuyển chuyển mạch điển hình được thể hiện trong hình 10-6b. Since the
volt-second product must be the same on the transformer primary and
secondary, the circuit works best when the duty ratio is around 50 percent. Một
mạch lái cơ bản dùng cách ly quang học được thể hiện trong hình 10-6c.


8

10.3 Mạch lái transistor lưỡng cực BJT
Các bóng bán dẫn lưỡng cực (BJT) phần lớn đã được thay thế bằng MOSFET và
IGBT. Tuy nhiên, BJT có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng. BJT là một bóng
bán dẫn điều khiển bằng dòng điện, yêu cầu một dòng cực nền (B) để duy trì bóng
bán dẫn trong trạng thái thơng. Dòng cực nền được chọn để dòng cực thu (C) thỏa
mãn nhỏ nhất.
+ Thời gian mở (turn on time) phụ thuộc vào tốc độ chuyển dòng nạp yêu
cầu đến cực nền.
+ Tốc độ chuyển mạch có thể giảm xuống nếu ban đặt một dòng cực nền
tăng đột biến và sau đó giảm dịng điện để giữ cho transistor vẫn thơng. Tương tự,
một sự gia tăng dòng điện âm khi muốn khóa BJT là điều mong muốn để loại năng
lượng tích trữ, giảm thời gian chuyển đổi thơng sang khóa.

9

Hình 10-7a cho thấy một sự sắp xếp mạch thích hợp cho mạch lái BJT.
Khi tín hiệu đầu vào mức cao, R2 ban đầu bị bỏ qua bởi vì dịng tụ bù khơng nạp.
Dịng cực B ban đầu là

Khi tụ điện nạp, dòng cực B giảm xuống và đạt giá trị cuối là

Thời gian nạp mong muốn của tụ điện được xác định nhờ điện dung của nó. Thời
gian nạp/xả thông thường vào khoảng 3 đến 5 lần hằng số thời gian

Tín hiệu vào dạng âm khi muốn khóa BJT, tụ đã nạp sẽ cung cấp dòng âm tăng đột
biến để rút năng lượng từ cực B khỏi BJT. Hình 10-7b cho thấy dạng sóng tại cực
nền.
Ví dụ 10.2


10

Mạch lái BJT
Hãy thiết kế mạch lái với cấu trúc như hình 10-7a với dịng đỉnh là 1A khi mở và
giữ ổn định dịng bằng 0.2A ở trạng thái thơng. Điện áp v i là dạng xung 0-15V với
thời gian xung là 50% và tần số chuyển mạch là 100kHz. Giả sử rằng vbe = 0.9V
khi transistor thông.
Giải
Giá trị R1 được xác định từ dòng nạp đỉnh ban đầu yêu cầu. Tính tốn theo biểu
thức 10-1 ta có

Dịng điện cực B ở trạng thái ổn định sẽ xác định điện trở R 2. Từ biểu thức 10-2a ta
có

Giá trị tụ điện C được xác định từ hằng số thời gian yêu cầu. Với thời gian xung
50% ở tần số 100kHz transistor sẽ thông trong khoảng thời gian 5 us. Nếu chọn
hằng số thời gian bằng 1/5 giá trị này thì từ biểu thức 10-3 có

Ví dụ 10.3
Dùng PSpice mơ phỏng một mạch lái BJT
Sử dụng PSpice để mô phỏng mạch của hình 10-8a với V s = 80 V, tải 10  thuần
trở, tính tốn giá trị các phần tử lấy từ ví dụ 10-2: (a) với thành phần tụ điện bị bỏ
qua và (b) có sử dụng tụ điện. Xác định cơng suất tiêu hao trên bóng bán dẫn cho
từng trường hợp. Sử dụng mơ hình 2p5686 PSpice từ ON Semiconductor.
Giải


11

Mạch trong hình 10-8a được tạo ra bằng cách sử dụng VPULSE cho nguồn điều
khiển điện áp. Mơ hình bán dẫn thu được từ trang web ON Semiconductor, và mơ
hình được sao chép và dán vào mơ hình bán dẫn QbreakN bằng cách chọn Edit,
PSpice Model.
Kết quả các dạng sóng chuyển mạch được thể hiện trong hình 10-8. Lưu ý sự khác
biệt đáng kể trong thời gian chuyển mạch khi có và khơng có tụ điện. Cơng suất
tiêu hao trên bóng bán dẫn được xác định bằng cách nhập AVG (W (Q1)), kết quả
thu được là 30 W khi không có tụ điện và 5 W với trường hợp có tụ điện.


12

Thời gian chuyển mạch có thể giảm bằng cách giữ cho transistor ở vùng gần bão
hòa, vùng qua khu vực tuyến tính nhưng khơng ở bão hịa cứng. Điều này được

điều khiển bằng cách tránh VCE có giá trị quá thấp. Tuy nhiên, tổn hao dẫn trong
với BJT lớn hơn so với trường hợp bóng bán dẫn bão hịa sâu, vì khi bão hịa sâu
điện áp VCE là nhỏ hơn.


13

Một mạch kẹp như kẹp Baker trên hình 10-9 có thể giữ bóng bán dẫn gần bão hịa
bằng cách hạn chế điện áp VCE. Có n diode nối tiếp nhau dẫn vào cực nền, và một
diode rẽ mạch Ds được kết nối từ mạch lái đến cực C. Điện áp V CE khi BJT ở trạng
thái thông được xác định theo định luật Kirchhoff II

Điện áp VCE mong muốn được xác định bởi số diode mắc nối tiếp với cực nền.
Diode Do cho phép dịng chảy ngược khi muốn khóa BJT.
10.4 Mạch lái thyristor


14

Thiết bị thyristor như SCR chỉ yêu cầu một cổng dịng điện tạm thời để thiết bị
dẫn, chứ khơng phải là tín hiệu lái liên tục như yêu cầu lái bóng bán dẫn. Các mức
điện áp trong một mạch thyristor có thể khá lớn, địi hỏi cách ly giữa mạch lái và
thiết bị. Cách ly điện được thực hiện bởi khớp nối từ hoặc cách ly quang. Một
mạch dẫn SCR cơ bản sử dụng khớp nối từ được thể hiện trong hình 10-10a. Mạch
điều khiển làm thơng transistor và thiết lập một điện áp trên sơ cấp và thứ cấp máy
biến áp, cung cấp dịng cực cổng để SCR thơng.
Mạch lái cực cổng đơn giản trong hình 10-10b có thể được sử dụng trong một số
ứng dụng không yêu cầu cách ly. Mạch này là bộ điều áp một pha (Chương 5) của
loại có thể được sử dụng trong một bộ đèn mờ thơng thường. SCR có thể được sử
dụng thay cho triac T1 để tạo ra một bộ chỉnh lưu nửa sóng có điều khiển (Chương

3). Góc trễ được điều khiển bởi mạch RC nối với cực cổng thông qua các diac T 2.
Diac là một thiết bị trong nhóm thyristor hoạt động như một triac tự kích. Khi điện
áp trên diac đạt đến một giá trị nhất định, nó bắt đầu dẫn và kích hoạt triac. Khi
điện áp nguồn hình sin có giá trị dương, các tụ điện bắt đầu nạp. Khi điện áp trên tụ
đạt đến điện áp kích hoạt diac, dịng cực cửa hình thành làm cho TRIAC thông.

10.5 Mạch hỗ trợ Transistor
Mạch snubber làm giảm tổn hao cơng suất trong bóng bán dẫn trong q trình
chuyển mạch (mặc dù khơng nhất thiết là tổng số tổn thất chuyển mạch) và bảo vệ
thiết bị khỏi những áp lực chuyển mạch điện áp và dòng điện cao.


15

Như đã thảo luận trong Chương 6, một phần lớn tổn hao công suất trong một
transistor xảy ra trong quá trình chuyển mạch. Hình 10-11a cho thấy một mơ hình
cho một bộ chuyển đổi có một tải có tính cảm lớn có thể được xấp xỉ như một
nguồn dịng điện IL. Việc phân tích các chuyển đổi chuyển mạch cho mạch này dựa
trên định luật Kirchhoff: dòng điện tải phải phân chia giữa bóng bán dẫn và diode;
Và điện áp nguồn phải phân chia giữa bóng bán dẫn và tải.

Khi bóng bán dẫn ở trạng thái dẫn, các diode tắt và bóng bán dẫn mang tải
dịng điện tải. Khi bóng bán dẫn ngắt, diode vẫn phân cực ngược cho đến khi điện
áp trên bóng bán dẫn vQ tăng lên bằng điện áp nguồn Vs và điện áp tải vL giảm
xuống khơng. Sau khi điện áp bóng bán dẫn đạt đến V s, dòng điện diode tăng lên
đến giá trị IL trong khi dòng transistor giảm xuống 0. Kết quả là, điểm bán dẫn ngắt
xảy ra khi điện áp và dòng điện đều rất cao (Hình 10-11b), kết quả là cơng suất tiêu
tán tức thời trên bóng bán dẫn PQ(t)có hình dạng tam giác, như trong hình 10-11c.
Khi bóng bán dẫn ở trạng thái ngắt, diode mang trọn dòng điện tải. Trong
khoảng thời gian thông, điện áp transistor không thể sụt xuống dưới V s cho đến khi

điốt ngắt, đó là khi bóng bán dẫn mang tồn bộ dịng điện tải và dòng điện qua


16

diode bằng khơng. Một lần nữa, có một điểm khi điện áp bóng bán dẫn và dịng
điện đều lớn.
Một mạch snubber thay đổi dạng sóng điện áp và dịng điện qua bóng bán
dẫn là điều cần thiết. Một mạch snubber điển hình được thể hiện trong hình 10-12a.
Mạch snubber cung cấp một đường dẫn cho dòng điện tải trong khoảng thời gian
bóng bán dẫn ngắt. Khi bóng bán dẫn đang tắt và điện áp trên nó gia tăng, diode hỗ
trợ Ds phân cực thuận và tụ điện bắt đầu nạp năng lượng. Tốc độ xung điện áp tác
động vào bóng bán dẫn được giảm bởi tụ điện, trì hỗn việc chuyển đổi điện áp từ
thấp đến cao.

Tụ điện tiếp tục nạp đến điện áp cuối cùng trên transistor và vẫn cịn nạp
trong khi transistor ngắt. Khi bóng bán dẫn dẫn, tụ điện xả năng lượng qua điện trở
hỗ trợ và bóng bán dẫn. Kích cỡ của tụ bù xác định bởi tốc độ biến thiên điện áp
trên chuyển mạch khi nó ngắt. Transistor mang dịng điện tải trước khi ngắt, và
trong khi nó ngắt dịng điện giảm gần như tuyến tính cho đến khi nó giảm đến mức
khơng. Diode tải vẫn ngắt cho đến khi điện áp tụ điện đạt đến V s. Tụ điện hỗ trợ


17

mang phần dòng tải còn lại cho đến khi tải diode thơng. Dịng điện qua bóng bán
dẫn và tụ điện hỗ trợ được biểu diễn bởi biểu thức:

trong đó tx là thời gian mà điện áp tụ điện đạt đến giá trị cuối cùng, được xác định
bởi điện áp nguồn của mạch. Điện áp trên tụ điện (và bóng bán dẫn) được biểu diễn

với các giá trị khác nhau của C trong hình 10-12b đến d. Với một tụ điện hỗ trợ
nhỏ, điện áp nhanh chóng đạt Vs trước khi dịng qua bóng bán dẫn bằng khơng,
trong khi với tụ có điện dung lớn hơn việc nạp đến điện áp V s sẽ lâu hơn. Lưu ý
rằng năng lượng hấp thụ bởi bóng bán dẫn (diện tích dưới đường cong cơng suất
tức thời) trong q trình chuyển mạch giảm khi điện dung tụ hỗ trợ tăng lên.
Tụ hỗ trợ được chọn cơ bản nhờ điện áp mong muốn khi dòng điện tức thời
đạt đến 0A. Điện áp trên tụ điện trong hình 10-12d được biểu diễn thành

Nếu dịng điện trên chuyển mạch đạt đến 0 trước khi tụ điện nạp đầy thì điện
áp trên tụ điện được xác định từ phần một của biểu thức 10-7. Thay Vc(tf) = Vf,


18

Giải tìm C ta có

Trong đó Vf là điện áp tụ điện mong muốn khi dòng điện trên transistor đạt đến
không (). Tụ điện đôi khi được lựa chọn như vậy mà điện áp chuyển mạch đạt đến
giá trị cuối cùng tại cùng thời điểm mà dòng điện giảm xuống khơng, trong đó
trường hợp

trong đó Vs là điện áp cuối cùng trên chuyển mạch trong khi nó thơng. Lưu ý rằng
điện áp cuối cùng trên bóng bán dẫn có thể khác với điện áp một chiều cung cấp
trong một số cơng nghệ. Ví dụ, bộ chuyển đổi forward và flyback (Chương 7) có
điện áp chuyển mạch ngắt bằng 2 lần điện áp một chiều đầu vào.
Công suất tiêu thụ trên bóng bán dẫn giảm nhờ mạch snubber. Cơng suất tiêu thụ
bởi bóng bán dẫn trước khi snubber được thêm vào được xác định từ dạng sóng
trong hình 10-11c. Cơng suất tổn hao chuyển mạch ngắt được xác định theo biểu
thức

Tích phân trên được đánh giá bằng cách xác định khu vực trong hình tam giác
chuyển mạch ngắt, kết quả là tổn hao công suất khi mạch không mạch snubber cho
bởi


19

Trong đó ts+tf là thời gian chuyển mạch ngắt và f = 1/T là tần số chuyển mạch.
Công suất tiêu thụ bởi bóng bán dẫn trong thời gian nó ngắt sau khi mạch snubber
được thêm vào được xác định từ biểu thức 10-5,10-7 và 10-10

Các biểu thức trên là thay đổi nếu , như trong hình 10-12c hay d.
Điện trở được chọn sao cho tụ điện xả năng lượng trước khi bóng bán dẫn ngắt.
Khoảng thời gian từ ba đến năm hằng số thời gian là cần thiết để tụ xả hết năng
lượng. Giả sử thời gian này là 5 lần hằng số thời gian thì thời gian thơng của
transistor là

Hay

Tụ điện xả hết năng lượng qua điện trở và transistor khi transistor thơng. Năng
lượng tích trữ trong tụ điện là

Năng lượng này được chuyển hoàn toàn vào điện trở trong khoảng thời gian
transistor thông. Công suất tiêu tán bởi điện trở là năng lượng được chia theo thời
gian, với thời gian bằng với chu kỳ chuyển mạch.

Trong đó f là tần số chuyển mạch. Biểu thức 10-15 cho thấy công suất tiêu tán trên
điện trở hỗ trợ tỷ lệ với điện dung của tụ điện hỗ trợ. Tụ điện lớn làm giảm công
suất tiêu tán trên transistor (biểu thức 10-12), nhưng đổi lại là tổn hao trên điện trở
hỗ trợ. Chú ý là công suất tổn hao trên điện trở hỗ trợ phụ thuộc vào giá trị của nó.

20

Giá trị điện trở lại được xác định dựa vào tốc độ nạp của tụ điện khi transistor
chuyển mạch dẫn.
Công suất tiêu tán trên transistor là nhỏ nhất khi tụ điện lớn, nhưng công suất tổn
hao trên điện trở trong trường hợp này lại là lớn nhất. Tổng công suất tổn hao được
tính bao gồm tổn hao rên bán dẫn và tổn hao cơng suất trên mạch hỗ trợ. Hình 1013 cho thấy quan hệ giữa các tổn hao trên và tổng tổn hao. Sử dụng mạch hỗ trợ có
thể giảm tổng tổn hao chuyển mạch, nhưng có lẽ quan trọng hơn, snubber làm
giảm cơng suất tổn hao trên bóng bán dẫn và quan đó giảm yêu cầu làm mát cho
thiết bị. Các bóng bán dẫn rất dễ bị hỏng và điện trở thì khó hỏng hơn, do đó mạch
làm cho thiết kế đáng tin cậy hơn

.
Ví dụ 10.4
Thiết kế mạch hỗ trợ cho Transistor
Bộ chuyển đổi và snubber trong hình 10-12a có V s = 100 V và IL= 5 A. Tần số
chuyển mạch là 100 kHz với thời gian xung là 50%, và bóng bán dẫn sẽ tắt trong
0,5 us.
(a) Xác định tổn hao chuyển mạch ngắt khi khơng có mạch snubber nếu điện áp
bóng bán dẫn đạt Vs trong 0,1 us. (b) Thiết kế một mạch snubber bằng cách sử


21

dụng các tiêu chí mà điện áp bóng bán dẫn đạt đến giá trị cuối cùng của nó tại cùng
một thời điểm dịng qua bóng bán dẫn bằng khơng. (c) Xác định tổn hao chuyển
mạch ngắt của transistor và điện trở cơng suất khi có mạch snubber.
Giải

(a) Dạng sóng điện áp, dịng điện, cơng suất khi khơng có mạch snubber giống như
hình 10-11. Điện áp transistor đạt 100 V trong khi dịng điện vẫn ở mức 5 A, dẫn
tới cơng suất tức thời đỉnh là (100 V) (5 A) = 500 W. Cơ sở của tam giác công suất
là 6 μs, làm cho diện tích 0.5 (500 W) (0.6 μs) = 150 μJ.
Chu kỳ chuyển mạch là 1/f = 1 / 100.000 s, do đó tổn hao chuyển mạch ngắt trong
bóng bán dẫn là W/T = (150) (106) (100.000) = 15 W. Phương trình 10-11 cho kết
quả tương tự

(c) Tụ điện hỗ trợ có giá trị xác định bởi phương trình 10-9:

Điện trở hỗ trợ được chọn nhờ sử dụng phương trình 10-13. Tần số chuyển mạch là
100 kHz tương ứng với chu kỳ chuyển mạch là 10us. Thời gian thơng của
transistor là xấp xỉ ½ khoảng thời gian này, tức là 5us. Giá trị của điện trở khi đó là

Giá trị điện trở là không cố định. Khi hằng số thời gian là tiêu chí lựa chọn điện trở
khi thiết kế, điện trở không nhất thiết phải là 80  .
Công suất tiêu tán trên transistor được xác định theo biểu thức 10-12:

Công suất tiêu tán trên điện trở hỗ trợ được xác định theo biểu thức 10-15:


22

Tổng cơng suất tổn hao chuyển mạch khóa khi có mạch hỗ trợ là 2.08 + 6.25 =
8.33 W, giảm hơn so với giá trị 15 W khi khơng có mạch hỗ trợ. Tổn hao trên
transistor giảm đáng kể nhờ sử dụng mạch hỗ trợ, và tổng công suất tổn hao
chuyển mạch khóa cũng giảm trong trường hợp này.
Một chức năng khác của mạch snubber là giảm stress điện áp và dịng điện
trên bóng bán dẫn. Điện áp và dịng điện trong bóng bán dẫn khơng được vượt q
giá trị tối đa. Ngồi ra, nhiệt độ bóng bán dẫn phải được giữ trong giới hạn cho

phép. Dòng điện cao tại một điện áp cao cũng phải được tránh trong một bóng bán
dẫn lưỡng cực vì một hiện tượng gọi là đánh thủng lần 2 (second breakdown).
Đánh thủng lần 2 là kết quả của sự phân bố dịng khơng đều trên mối nối nền-thu
khi cả điện áp và dòng điện đều lớn, dẫn đến sự nóng lên cục bộ trong bóng bán
dẫn và làm hỏng bán dẫn.
Khu vực phân cực thuận an toàn (SOA hoặc FBSOA) của một BJT là khu
vực kèm theo các giới hạn về điện áp, dòng điện, nhiệt, và giới hạn đánh thủng lần
2, như thể hiện trong hình 10-14a. FBSOA cho biết khả năng của bóng bán dẫn khi
mối nối nền phát phân cực thuận. FBSOA cho biết giới hạn tối đa ở trạng thái ổn
định và trạng thái thơng. SOA có thể được mở rộng theo chiều dọc khi hoạt động ở
chế độ xung. Tức là, dịng điện có thể lớn hơn nếu nó khơng liên tục. Ngồi ra, có
một khu vực hoạt động an tồn phân cực ngược (RBSOA), thể hiện trong hình 1014b. Phân cực thuận và phân cực ngược đề ở đây là phân cực cho mối nối nền phát. Quỹ đạo dịng điện áp của các dạng sóng chuyển mạch của hình 10-12 được
thể hiện trong hình 10-14c. Một mạch hỗ trợ có thể thay đổi quỹ đạo và khơng cho
phép bán dẫn hoạt động ngoài vùng SOA và RBSOA. Đánh thủng lần không xảy ra
trong MOSFET.


23

Có thể thay thế các vị trí của mạch hỗ trợ. Bộ chuyển đổi forward được thể
hiện trong hình 10-15 với một mạch snubber kết nối từ bóng bán dẫn với đầu vào
chứ không phải với đất. Chức năng của mạch snubber trong hình 10-12 là giống
với các mạch hỗ trợ trước, ngoại trừ điện áp cuối đặt trên tụ điện là V s chứ không
phải là 2Vs.
Một nguồn stress điện áp trong chuyển mạch bóng bán dẫn là năng lượng tự
cảm được lưu trữ trong máy biến áp. Mô hình chuyển đổi flyback trong hình 10-16
là một ví dụ, bao gồm điện cảm rò L l, được bỏ qua trong phân tích của bộ biến đổi
trong Chương 7 nhưng rất quan trọng khi phân tích stress trên chuyển mạch. Điện
cảm rỉ mang cùng một dòng điện như dòng chảy trên transistor khi transistor
thơng. Khi bóng bán dẫn ngắt, dịng điện trong điện cảm rị khơng thể thay đổi tức

thời. Giá trị di/dt lớn xuất hiện khi dòng điện giảm nhanh có thể gây ra biến đổi
điện áp lớn trên transistor.
Mạch hỗ trợ trên hình 10-12 ngồi việc giảm tổn thất của bóng bán dẫn cịn
có thể làm giảm stress điện áp trên bóng bán dẫn. Sự kết hợp điện trở-tụ điện-điện


24

trở cung cấp một đường dẫn song song với transistor. Khi bóng bán dẫn ngắt, dịng
điện được duy trì bởi điện cảm rò của máy biến áp phân cực thuận các diode và
nạp năng lượng cho tụ điện. Tụ điện hấp thụ năng lượng được lưu trữ trong điện
cảm rò và làm giảm tốc độ tăng điện áp xuất hiện trên transistor. Năng lượng này
tiêu tán trong điện trở hỗ trợ khi bóng bán dẫn thơng.

Mạch hỗ trợ bảo vệ bóng bán dẫn khỏi điện áp và dịng điện cao xuất hiện
đồng thời khi bóng bán dẫn thơng. Giống mạch hỗ trợ ngắt, mục đích mạch hỗ trợ
mở là sửa đổi dạng sóng điện áp-dịng điện để giảm tổn hao cơng suất. Một cuộn
cảm mắc nối tiếp với bóng bán dẫn làm chậm tốc độ tăng dịng điện và có thể làm
giảm ảnh hưởng của dòng và áp cao. Một mạch hỗ trợ mở thể hiện trong hình 1017. Diode hỗ trợ sẽ ngắt trong thời gian bóng bán dẫn thơng. Trong thời gian bóng
bán dẫn ngắt, năng lượng lưu trữ trong cuộn cảm hỗ trợ được tiêu tán trong điện
trở.
Nếu mạch hỗ trợ ngắt cho bóng bán dẫn được sử dụng, năng lượng lưu trữ
trong cuộn cảm hỗ trợ mở có thể chuyển đến cho mạch hỗ trợ ngắt mà không cần
thêm các diode và điện trở. Điện cảm rị hoặc điện cảm phân tán vốn có trong các
mạch có thể thực hiện chức năng của một mạch hỗ trợ mở mà không cần thêm
cuộn cảm.


25

10.6 Thu hồi năng lượng mạch hỗ trợ
Mạch hỗ trợ làm giảm cơng suất tiêu tán trong bóng bán dẫn, nhưng điện trở hỗ trợ
cũng gây tiêu tan công suất thành nhiệt. Năng lượng lưu trữ trong tụ điện hỗ trợ
cuối cùng được chuyển sang điện trở hỗ trợ. Nếu năng lượng lưu trữ trong tụ bù có
thể được truyền tải hoặc nạp lại nguồn, điện trở hỗ trợ sẽ là không cần thiết và tổn
thất sẽ giảm. Một phương pháp phục hồi năng lượng trong mạch hỗ trợ được hiển
thị trong hình 10-18. Cả hai Ds và Cs hoạt động như mạch hỗ trợ trong hình 10-12a
khi bán dẫn ngắt: Cs nạp đến điện áp Vs và làm chậm tốc độ tăng điện áp đặt lên
bóng bán dẫn. Khi bóng bán dẫn thơng, một đường dẫn dịng điện bao gồm Q, C s,
L, D1, và C1 được hình thành, và kết quả dao động dòng điện. Năng lượng nạp ban
đầu lưu trữ trong Cs được chuyển sang C1. Tại rẽ tiếp theo, C1 xả qua D2 vào tải
trong khi Cs lại nạp. Tóm lại, năng lượng lưu trữ trong Cs trong lần bóng bán dẫn
ngắt đầu tiên được chuyển sang C1 và sau đó được chuyển sang tải.
10.7 Mạch hỗ trợ mở thyristor
Mục đích của mạch hỗ trợ thyristor là để bảo vệ thiết bị khỏi những xung áp và
xung dòng. Nếu dv/dt quá lớn, thiết bị sẽ bắt đầu thơng mà khơng cần có tín hiệu
cổng. Nếu di/dt q lớn trong q trình thơng, nhiệt tập trung sẽ là kết quả từ mật