Mosfet - IGBT Gate Driver

[nhathung1101]

Một số Optocoupler tích hợp mạch gate driver cho mosfet & IGBT như TLP250, TLP251 hoặc IC IR21xx ... vừa khó kiếm vừa đắt. Mình đã chế thử bằng Opto và transitor thông dụng. Sau một thời gian dùng thử thấy ổn, nay up lên cho anh em tham khảo. Mong rằng sẽ giúp anh em tiết kiệm thêm được ít xiền để bao...

Chú ý: Mạch có tính năng vuông hóa tín hiệu ra.

[namqn]

Bác có thể cho biết đã thử với những MOSFET/IGBT nào, tần số đến bao nhiêu?

Thân,

[nhathung1101]

Ôi xin lỗi bác Nam nhé. Hôm qua mạng tậm tịt nên em không trả lời bác được.

Cái mạch đó em đã dùng trong 3 ứng dụng:

- Nguồn tổng đài Siemen (nguồn này dùng UC3525 + IR2110). Khi nó bị chết MOSFET (IRF460) thì chết cả IR2110. Con này hơi khó kiếm và em chế như vậy. Đến giờ vẫn chạy tốt. Chỉ có điều, em dùng opto TLP750 chứ không phải TLP521.

- Dùng trong màn hình Plasma LG 42". Nó bị chết 1 con IGBT G20N60C3D nên chết theo con TLP251. Em cũng chế như vậy, và khách (quen) không hồi âm.

- Hiện đang dùng thử với cái Inverter "tự chế" của em, dùng IGBT FGA25N120ANTD. Để mấy hôm nữa có kết quả sẽ báo lên cho anh em cùng xem.

* Nhưng theo tính toán sơ bộ, ngoài 100KHz là mạch sai số tùm lum. Bác có thể chỉnh sửa giúp em được không? Thực ra em cũng chỉ copy từ cái mạch đẳng hiệu của thằng Fuji thôi mà. Chỉ khác ở cái Schmitt trigger của nó là ăn thẳng 12V.

* Hiện ở VN, IGBT và một số MOSFET thông dụng cũng đã có. Tuy chưa nhiều để lựa chọn, nhưng cũng giúp cho bọn em có kiến thức sơ đẳng về nó. Mong rằng bác sẽ góp sức để phát triển.

Cảm ơn bác rất nhiều.

[thaokhau]

Xin lỗi bác Hùng.
Theo em thì không biết bác có nhầm giữa hai con r3 và r4 không. Thực sự em không hiểu, hình như con trans q1 là thừa. Theo em thì mạch này chạy tốt ở tần số 20khz trở xuống thôi, Tr và Tf cần đạt nhỏ hơn 0.5% thời gian làm việc.
Mấy con opto tlp750 nhanh hơn opto thông thường , em thấy nó được xài trong hầu hết các mạch nguồn monitor. Hồi trước em cũng xài nhiều, giá đồ cũ cũng chỉ 500d/con. Sau này dùng pc923,922 có bán ở chợ Nhật tảo, vừa gọn vừa tốt hơn.
Bác bảo thay được cho ir2110, thực chất cái khó không phải là kích fet hay igbt, mà ở chỗ nó boot lên tạo nguồn kích con fet high side, do đó mạch bác không thay thế cho ir được, cần phải có nguồn cấp riêng để kích fet high side.
Còn tần số hoạt động em nghĩ chính là do opto thôi, opto không đủ nhanh.Để cải thiện tần số làm việc, trong các ngõ vào của driver servo hay ngõ vào các module highspeedcounter, người ta dùng loại diffrent line drive thay cho các loại kích open colector hay linedriver, trong đó các con kích opto như 24ls31 nhằm làm cho opto đóng ngắt nhanh hơn.
Em nói có gì sai anh Nam sửa giúp.

[nhathung1101]

Trước hết, rất cảm ơn bạn đã tham gia thảo luận.

- R3 và R4 chỉ là phân cực cho Q2 thôi. Nếu không có R4 thì Q2 rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu.

- Q1 là để "nâng thềm" bởi các MOSFET không thể hoạt động hoàn hảo với VGate<5V.

- Tất nhiên tốc độ đáp ứng phụ thuộc vào Optocoupler nhưng chỉ khoảng 50%. Bởi các linh kiện sau nó quyết định rất nhiều. Không phải vô lý mà người ta thay các transitor bằng fet.

- Nguồn cấp cho high side (với dòng IC IR21xx) không phải do bost lên, mà khi low side đóng sẽ nạp cho tụ và tích lũy cho chu kỳ high side.

Em nói có gì sai mong bác Nam sửa giúp.

[namqn]

Gửi bạn nhathung1101:

Không rõ các transistor của bạn có đúng như trong sơ đồ hay không. Nếu đúng như vậy thì 2 transistor ở tầng đệm dòng hơi yếu, vì các MOSFET/IGBT mà bạn muốn kích đều có điện tích cổng khá cao (từ 110 đến 300 nC). Lẽ đương nhiên bạn có thể dùng giá trị cao cho điện trở cổng (50 ohm trở lên chẳng hạn), nhưng khi đó tốc độ đóng/ngắt sẽ bị giảm.

Tôi cho là vai trò của Q1 là quan trọng, nhưng không có điều kiện để thử nghiệm, nên nhờ bạn thử bỏ Q1 ra, nối chân 4 của 7414 với base của Q2 qua điện trở 10k (như mạch gốc) và thử với một tụ điện 4.7 nF (ceramic) nối vào ngõ ra (tụ điện này đóng vai trò tụ ngõ vào của transistor). Thử cách này thì sẽ an toàn hơn.

Nếu mạch kích tương đối đơn giản với chỉ opto và tầng đệm dòng, thời gian trì hoãn và tăng/giảm của optocoupler sẽ có khả năng chiếm 70 - 80% (hay hơn nữa) tổng thời gian trì hoãn và tăng/giảm của mạch, với một số optocoupler thông dụng.

Bạn thaokhau có ý nói đến kỹ thuật bootstrap dùng trong các IC IR21xx, để tạo nguồn cho mạch kích phía cao (high side), còn bạn có lẽ cho rằng IR21xx không dùng mạch boost converter. Nếu đúng là như vậy thì cả hai bạn đều không sai. Bạn thaokhau có nhắc rằng với mạch kích của bạn thì sẽ cần nguồn cách ly cho mạch kích phía cao, điều này là đúng.

Gửi bạn thaokhau:

R3 và R4 như thế là ok, tuy nhiên tôi thường dùng giá trị cao hơn (4.7k chẳng hạn) cho R4. Như bạn nhathung1101 đã nói, cần có Q1 và R4 để đảm bảo sự hoạt động ổn định cho mạch kích. Thời gian tăng/giảm tùy thuộc vào điện dung ngõ vào, điện áp giữa các cực D, S (hay C, E) của transistor, và giá trị của điện trở cổng. Với các mạch kiểu cộng hưởng (resonant) thì không nhất thiết phải có tr/tf < 0.5% thời gian làm việc (thời gian chu kỳ?) đâu.

Như bạn nhathung1101 đã nói, tốc độ đáp ứng (hay tần số hoạt động) chỉ phụ thuộc một phần vào optocoupler, vì các phần mạch khác cũng có thời gian trì hoãn, và thời gian tăng/giảm tương ứng, đóng góp vào tổng thời gian trì hoãn và thời gian tăng/giảm của mạch.

Một vài ý chung của tôi:

Mạch kích càng nhiều tầng thì sẽ càng có nhiều thời gian trì hoãn và thời gian tăng/giảm thành phần.

Các bộ biến đổi công suất dùng cho truyền động động cơ không cần thiết phải chuyển mạch ở tần số cao hơn 20 kHz, do đó giới hạn tần số 20 kHz của mạch kích thể hiện thiết kế tối ưu cho một mục đích cụ thể.

Khi thiết kế mạch kích, tôi thường xác định các chỉ tiêu kỹ thuật rồi mới chọn một giải pháp thích hợp nhất.

Thân,

[nhathung1101]

Không rõ các transistor của bạn có đúng như trong sơ đồ hay không. Nếu đúng như vậy thì 2 transistor ở tầng đệm dòng hơi yếu, vì các MOSFET/IGBT mà bạn muốn kích đều có điện tích cổng khá cao (từ 110 đến 300 nC). Lẽ đương nhiên bạn có thể dùng giá trị cao cho điện trở cổng (50 ohm trở lên chẳng hạn), nhưng khi đó tốc độ đóng/ngắt sẽ bị giảm.

Đúng như anh nói, cặp transitor này hơi yếu. Nếu dùng bằng cặp BD139/BD140 thì rất tốt.
Tuy nhiên, với các dòng MOSFET IRF250/350/450/460 thông dụng ở thị trường VN em thấy dùng vẫn tốt.

Tôi cho là vai trò của Q1 là quan trọng, nhưng không có điều kiện để thử nghiệm, nên nhờ bạn thử bỏ Q1 ra, nối chân 4 của 7414 với base của Q2 qua điện trở 10k (như mạch gốc) và thử với một tụ điện 4.7 nF (ceramic) nối vào ngõ ra (tụ điện này đóng vai trò tụ ngõ vào của transistor). Thử cách này thì sẽ an toàn hơn.

Không bỏ Q1 được anh ạ, bởi khi chân 4 của 7414 ở mức cao là 5V, nếu nối thẳng với Q2 thì Q2 sẽ luôn dẫn. Tuy điện áp ra ở collector nhỏ, nhưng cũng ảnh hưởng đến mạch.
Tính năng của Q1 chỉ đơn giản là cái "khóa". Cực B của nó được cấp 5V, khi chân 4 của 7414 ở mức cao thì VB=VE => Q1 ngắt.

À mà em copy được cái mạch này trong Application của thằng Fuji. Nhìn qua đã thấy nó vẽ sai con Transitor tầng trên (đáng lẽ phải là PNP).
Anh có thể tính toán giùm em các trị số linh kiện ở trong mạch được không?
Cảm ơn anh rất nhiều.

[thaokhau]

ý em làm con r4 nhỏ quá, r3 lớn quá, khi kích hoạt ngõ vào thì phân cực cho q2 thấp quá.
Xin lỗi vì em nhầm con 7414 với 7407 do đó con q1 không thể không có, em cũng xài một mạch kích gần giống cái này, tuy nhiên có con 7407 để kích cặp trans ngõ ra.

[namqn]

...
À mà em copy được cái mạch này trong Application của thằng Fuji. Nhìn qua đã thấy nó vẽ sai con Transitor tầng trên (đáng lẽ phải là PNP).
Anh có thể tính toán giùm em các trị số linh kiện ở trong mạch được không?
Cảm ơn anh rất nhiều.

Mạch của họ đóng tích cực và ngắt thụ động, nếu dùng optocoupler thông thường thì có thời gian trì hoãn khi ngắt đến hàng chục us. Nên chỉnh lại như sơ đồ thứ hai (v2) thì thời gian trì hoãn khi đóng sẽ lớn hơn thời gian trì hoãn khi ngắt đôi chút, nhưng lại phù hợp với transistor hơn (thường có thời gian trì hoãn khi ngắt lớn hơn khi đóng đôi chút). Tôi giả định bạn dùng PC817, có CTR khoảng 80%. Tất nhiên bạn sẽ điều chỉnh lại các điện trở cực base của các transistor Q1 và Q2, nếu bạn dùng optocoupler khác. Chú ý CTR của các optocoupler thường thay đổi nhiều, và không cao như trong datasheet của nhà sản xuất.

Thân,

[nhathung1101]

Nhưng anh Nam ơi, nếu theo sơ đồ V2 thì cần phải có 1 tầng đảo ở trước Opto không nhỉ?
Bởi hầu hết các mạch đều kích hoạt opto để mạch driver dẫn. Nếu ở chế độ nghỉ (không cấp áp cho diode quang trong Opto thì mạch V2 này lại có Vo=V nguồn.

Nhưng em vẫn hơi băn khoăn về giá trị R13 trong mạch đó. Giả sử cần Mosfet ngưng dẫn, thì yêu cầu áp cấp cho 2 cực B của Q1 & Q2 phải <=0,5V. Liệu trở CE của Opto khi toàn dẫn có đạt được yêu cầu đó không?

Nhưng tất cả đều cần có thực nghiệm, em sẽ lắp thử và báo kết quả.

Thân.

[namqn]

Nhưng anh Nam ơi, nếu theo sơ đồ V2 thì cần phải có 1 tầng đảo ở trước Opto không nhỉ?
Bởi hầu hết các mạch đều kích hoạt opto để mạch driver dẫn. Nếu ở chế độ nghỉ (không cấp áp cho diode quang trong Opto thì mạch V2 này lại có Vo=V nguồn.

Nếu bạn nối cực gate vào giữa C1 và C2, còn cực source (hoặc emitter) vào R9, thì không cần tầng đảo này.

Nhưng em vẫn hơi băn khoăn về giá trị R13 trong mạch đó. Giả sử cần Mosfet ngưng dẫn, thì yêu cầu áp cấp cho 2 cực B của Q1 & Q2 phải <=0,5V. Liệu trở CE của Opto khi toàn dẫn có đạt được yêu cầu đó không?

Khi tôi tính toán thì đã giả thiết dòng điện cấp cho diode của optocoupler là 20 mA, do đó transistor ngõ ra của optocoupler sẽ dẫn bão hòa (với giả thiết CTR = 80%). Tất nhiên nếu bạn cấp dòng cho diode của optocoupler khác đi, hay CTR của optocoupler không đạt giá trị giả thiết (rất có khả năng xảy ra) thì phải tính toán lại các điện trở R1 - R4, và R13. Giả sử hfe của Q1 và Q2 đủ lớn (> 100), chúng ta có thể tăng các điện trở này khoảng 10 lần, nhưng khi đó thời gian trì hoãn khi đóng và ngắt sẽ tăng lên (theo kết quả mô phỏng của tôi thì thời gian trì hoãn khi ngắt có thể đến 10 us).

Nhưng tất cả đều cần có thực nghiệm, em sẽ lắp thử và báo kết quả.

Thân.

Nhất trí với bạn về điểm này.

Thân,

[BinhAnh]

Một số Optocoupler tích hợp mạch gate driver cho mosfet & IGBT như IC IR21xx ... vừa khó kiếm . ....

Năm ngoái em có đặt hàng ở Háng Trống về IR21xx và bây giờ họ vẫn còn bán nó. Ở Đội Cấn cũng có: hình như là một vài loại trong số:IR2101,IR2103,ir2110,IR2183...giá khoảng 20K gì đó. Em sợ bác Nhật Hùng ko biết HN bán mấy con này nên post lên.

[nhathung1101]

Năm ngoái em có đặt hàng ở Háng Trống về IR21xx và bây giờ họ vẫn còn bán nó. Ở Đội Cấn cũng có: hình như là một vài loại trong số:IR2101,IR2103,ir2110,IR2183...giá khoảng 20K gì đó. Em sợ bác Nhật Hùng ko biết HN bán mấy con này nên post lên.

Không phải không biết. Ở Hàn Thuyên có bán IR2103 giá 30K. Giá thì không thành vấn đề, nhưng khi mình băm để có sin thì... xem lại datasheet nhé.

Ức thật! Tự mình đưa ra bài toán... nào là rẻ nhất (nên được nhiều người xem) rồi thì chất lượng (nên có nhiều người thắc mắc)...

Hỡi ơi! Đến bao giờ mới chuyển quốc tịch được đây????????????

[PPIICC]

Chú IR2110 ở Đội Cấn dòng Driver tới 2A, thời gian trễ vài trăm ns, chất lượng hơn con IR2103 ở HT.

[thaokhau]

À, hình như ý anh Hùng không phải là chỉ thay thế cho mấy con đó đâu, mấy con họ IR tốc độ nhanh, dòng kích lớn nhưng có nhược điểm là không cách li ngõ vào, để tận dụng hết khả năng cũa nó thì phải dùng các opto nhanh, vậy thì chi bằng tự chế.