thiết kế bộ Băm xung áp có đảo chiều đồ án điện tử công suất

ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
----------

BÁO CÁO MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Thiết kế mạch băm xung áp một chiều có đảo chiều để điều
chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

Giáo viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
MSV:
Lớp:

Hà Nội, 11/2021
LỜI NÓI ĐẦU


Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ
thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong cơng nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có
cơng suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó
vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết
sức mạnh mẽ.
Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của cơng
nghiệp thì ngành điện tử cơng suất ln phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu
nhất. Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hoá - hiện đại hoá của Nhà nước, các nhà
máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào
trong sản xuất. Do đó địi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an tồn,
chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cần phải giải quyết.
Để giải quyết được vấn đề này thì Nhà nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế
đơng đảo và tài năng. Sinh viên ngành TĐH tương lai không xa sẽ đứng trong độ ngũ
này, do đó mà cần phải tự trang bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng.

Chính vì vậy đồ án mơn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh
viên TĐH. Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng
là điều kiện để cho sinh viên ngành TĐH tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện
tử công suất. Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ ba còn đang ngồi trong ghế nhà
trường thì kinh nghiệm thực tế cịn chưa có nhiều, do đó cần phải có sự hướng dẫn
giúp đỡ của thầy giáo. Qua đây cho em được gửi lời cảm ơn tới thầy đã tận tình chỉ
dẫn, giúp em hồn thành tốt đồ án mơn học này.
Đồ án này hồn thành khơng những giúp em có được thêm nhiều kiến thức hơn
về mơn học mà cịn giúp em dược tiép xúc với một phương pháp làm việc mới chủ
động hơn,linh hoạt hơn và đặc biệt là sự quan trọng của phương pháp làm việc theo
nhóm. Quá trình thực hiện đồ án là một thời gian thực sự bổ ích cho bản thân em về
nhiều mặt.
Hà Nội, tháng 11, năm 2021
Sinh viên thực hiện


MỤC LỤC


DANH MỤC HÌNH VẼ


DANH MỤC BẢNG BIỂU


CHƯƠNG 1. TÌM HIỂU CÁC CƠNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
1.1 Giới thiệu chung về động cơ kích từ độc lập
1.1.1

Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động

1.1.1.1. Đặc điểm cấu tạo
Giống như những máy điện quay khác nó cũng gồm phần đứng im (stato) và
phần quay (rô to). Về chức năng máy điện một chiều cũng được chia thành phần cảm
(kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng). Khác với máy điện đồng bộ ở máy
điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở roto. Trên hình
1.2 biểu diễn cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm các bộ phận chính.
• Stator
Stator máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thơng chính của máy. Stato
gồm các chi tiết sau:
1.
2.
3.
4.

Cực từ chính
Cực từ phụ
Gơng từ
Cơ cấu chổi than
• Rotor
Rotor của máy điện một chiều là phần ứng. Ngày nay người ta dùng chủ yếu là

loại rơto hình trống có răng được ghép lại bằng các lá thép điện kỹ thuật. Ở những máy
công suất lớn người ta còn làm các rãnh làm mát theo bán kính (các lá thép được ghép
lại từng tệp, các tệp cách nhau một rãnh làm mát).
1.
2.
3.
4.

Lõi sắt phần ứng
Cổ góp
Thiết bị chổi than
Dây quấn phần ứng
1.1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập
Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh

dẫn có dịng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều của
lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
Khi phần ứng quay được nửa vịng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do có
phiếu góp chiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi.
Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động E ư chiều của suất
6


điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều suất điện động E ư
ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động.
1.1.2

Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cấu tạo hai phần riêng biệt: phần bố
trí ở phần tĩnh có các cuộn dây kích từ sinh ra từ thông Ф, phần ứng là phần quay nối
với điện áp lưới qua vành góp và chổi than. Tác động giữa từ thơng Ф và dịng điện
phần ứng tạo nên momen quay động cơ. Khi động cơ quay các thanh dẫn phần ứng cắt
qua từ thông tạo nên sức điện động .
Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện kích từ độc lập được trình bày trên hình 1.1:

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Xây dựng phương trình đặc tính cơ điện một chiều kích từ độc lập
Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

U u = Eu + ( Ru + R f ) Iu

(1.1)

Trong đó:
+
+
+
+

Uư: Điện áp phần ứng (V)
Eư: Sức điện động phần ứng (V)
Rư: Điện trở mạch phần ứng ( Ω )
Iư: Dòng điện của mạch phần ứng (A)

Với: Rư = rư + rcf + rb + rct
+
+
+
+

rư: Điện trở cuộn dây phần ứng
rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ
rb: Điện trở tiếp xúc cuộn bù
rct: Điện trở tiếp súc của chổi điện

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

7


E=
Trong đó:

p.N
.Φ .ω = K .Φ .ω
2π a

(1.2)

+
+
+
+
+

p: Số đơi cực từ chính
N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
Φ : Từ thơng kích từ dưới một cực từ
ω : Tốc độ góc (rad/s)
p.N
+ K = 2π a : Hệ số cấu tạo của động cơ
Từ (1.1) và (1.2) ta có:

ω=

U u Ru + R f

−
.I u
K .Φ
K .Φ

(1.3)

Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác, mô men
điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:

M dt = K .Φ .Iu
Với

Iu =

(1.4)

M dt
K .Φ .

Thay giá trị Iư vào (1.3) ta có:

ω=

U u Ru + R f
−
M dt
K .Φ ( K .Φ ) 2

(1.5)

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mơmen cơ trên trục động cơ bằng
mô men điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là: Mdt = Mcơ = M

ω=

U u Ru + R f
−
.M
K .Φ ( K .Φ ) 2

(1.6)

Đây là phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thơng Φ = const, thì các phương trình đặc
tính cơ điện (1.3) và phương trình đặc tính cơ (1.6) là tuyến tính. Đồ thị của chúng
được biểu diễn trên hình 1.6 là những đường thẳng.
Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:
8


ω=

Uu
= ω0
K .Φ

(1.7)

ω 0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. Còn khi ω =0 ta có:

Iu =

U
= I nm
Ru + R f

M = K .Φ .I nm = M nm

(1.8)
(1.9)

Inm và Mnm được gọi là dịng điện ngắn mạch và mơ men ngắn mạch. Ngồi ra
phương trình đặc tính (1.3) và (1.6) cũng có thể được viết dưới dạng:

Trong đó:

ω=

Uu
R
−
.I u = ω o − ∆ ω
K .Φ K .Φ

(1.10)

ω=

Uu
R

−
.M = ω o − ∆ ω
K .Φ ( K .Φ ) 2

(1.11)

R = Ru + R f
ω0 =

Uu
KΦ

∆ω =

R.I u
R.M
=
K .Φ ( K .Φ ) 2

∆ ω được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M.
Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ
thơng động cơ Φ , điện áp phần ứng Uư, điện trở phần ứng động cơ.
1.1.3

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều.

Về điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các
loại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổi tốc độ một cách dễ dàng mà
cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời đạt được chất lượng điều
chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Từ phương trình tốc độ:

ω=

Uu
R
−
.I u
K .Φ K .Φ

(1.12)

suy ra để điều chỉnh có thể:

+ Điều chỉnh điện áp phần ứng
9


+ Điều chỉnh bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch
+ Điều chỉnh từ thông Φ
1Phương pháp thay đổi điện trở phụ
• Nguyên lý điều khiển
Trong phương pháp này người ta giữ U = , = và nối thêm điện trở phụ vào
mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng. Độ cứng của đường đặc tính cơ:

∆M ( K .Φ )2
β=
=
∆ ω Ru + R f

(1.13)

Ta thấy khi điện trở càng lớn thì càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do
đó càng mềm hơn.

Hình 1.2: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ
Ứng với = 0 ta có độ cứng tự nhiên có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên
có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi ta thay
đổi ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên.
Đặc điểm của phương pháp:
+ Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính
cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
+ Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ
định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có cơng suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng
trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường
dùng ở động cơ điện trong cần trục.

10


+ Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tục
được mà phải điều khiển nhảy cấp. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số
mômen tải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = / càng nhỏ. Phương pháp
này có thể điều chỉnh trong dải D = 3:1
+ Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở
phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
1.1.1.3. Phương pháp thay đổi từ thông
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh
momen điện từ của động cơ M = K.Φ.I ư và suất điện động quay của động cơ E ư =
K.Φ.ω. Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ thông cũng

là hệ phi tuyến:

ik =

ek
dΦ
+ ωk .
rb + rk
dt

(1.14)

Trong đó:

rk :

điện trở dây quấn kích thích

rb :

điện trở của nguồn điện áp kích thích

ωk :

số vịng dây quấn kích thích

Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:

ik =

ek
; ω k = f [ ik ]
rb + rk

(1.15)

Hình 1.3: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi từ thông

11


Độ cứng:

β

( kΦ )
=

2

(1.16)

R
Khi giảm từ thông để tăng tốc độ động cơ thì độ cứng giảm.
1.1.1.4. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

Giả thiết từ thông Φ = Φdm = const, từ phương trình đặc tính cơ tổng quát:
ω=

Uu

Ru
−
M → ω = ω0 − ∆ω
K .Φ ( K .Φ ) 2

(1.17)

Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song
song với đặc tính cơ tự nhiên.

Hình 1.4: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi áp phần ứng
Ta thấy rằng, khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì momen ngắn mạch, dịng điện
ngắn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm với một phụ tải nhất định nhưng độ
cứng khơng đổi. Do đó phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ và
hạn chế dòng điện khi khởi động.
1.1.4

Nhận xét:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng có nhiều hạn chế so
với phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng, phương pháp thay đổi từ thông bị
nguồn điện áp một chiều dung để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, tạo nguồn ổn
áp dải rộng,… hạn chế bởi các điều kiện cơ khí: đó chính là điều kiện chuyển mạch
của cổ góp điện. Cụ thể phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn
như sau:

12


• Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để)

hơn khi ta dung phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao
công suất điều khiển nhỏ.
• Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến momen
ngắn mạch giảm, dịng ngắn mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong
lúc khởi động động cơ.
• Độ sụt tốc tuyệt đối trên dải điều chỉnh ứng với một momen điều chính
xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phương pháp này địi hỏi cơng suất điều chỉnh cao và địi hỏi phải có
nguồn áp điều chỉnh được song nó là khơng đáng kể so với vai trị và ưu điểm của nó.
Vì vậy phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
1.2 Giới thiệu chung về bộ băm xung áp một chiều
1.1.5

Khái niệm, phân loại các bộ băm xung áp một chiều

1.2.1.1. Nguyên lý chung về biến đổi xung áp một chiều

Hình 1.5: Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC)
Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được mơ tả trên hình 1.5. Giữa
nguồn một chiều E và tải R t là van Tr làm việc như một khóa điện tử, hoạt động của
BXMC là cho van đóng cắt với quy luật:
+ Trong khoảng thời gian 0 – t0 cho van dẫn (khoá Tr đóng mạch), điện áp
Ut sẽ cho giá trị bằng điện áp nguồn Ut = E.
+ Từ t0 đến T, van Tr không dẫn (mạch hở), tải bị ngắt khỏi nguồn Ut = 0.
Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ nhận được là:
13


t

1 0
t
U t = ∫ Edt = 0 E = γE
T0
T

(2.1)

Biểu thức cho thấy có thể điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi tham số
γ. Việc điều chỉnh điện áp ra bằng cách “băm” điện áp một chiều E thành các “xung”
điện áp ở đầu ra nên thiết bị này có tên gọi là “ Băm xung một chiều - BXMC”.
Trong đó:
+ t0 là thời gian van Tr dẫn;
+ γ là độ rộng xung điện áp chính là tham số điều chỉnh
+ T là chu kỳ đóng cắt của van.
Có hai phương pháp chính cho phép thay đổi tham số γ là :
+ Thay đổi thời gian t1, cịn giữ chu kỳ T khơng đổi, như vậy ta dùng cách
thay đổi độ rộng của xung điện áp ra tải trong quá trình điều khiển chỉnh,
nên cách này được gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.
+ Thay đổi chu kỳ T, giữ thời gian t1 không đổi. Cách này ngược lại với
phương pháp trên, độ rộng xung điện áp ra tải được giữ nguyên, mà chỉ
thay đổi tần số lặp lại của xung này, vì vậy được gọi là phương pháp
xung - tần. Phương pháp này không thuận lợi khi phải điều chỉnh điện áp
trong một dải rộng, vì tần số biến thiên nhiều sẽ làm thay đổi mạnh giá
trị trở kháng khi mạch có chứa các điện cảm hoặc tụ điện nên khó tính
tốn thiết kế, nhất là các hệ thống điều chỉnh kín vì lúc đó mạch thuộc hệ
có tham số biến đổi.
Ta thấy rằng khoá V chỉ làm việc đúng như một van bán dẫn, vì vậy băm xung
một chiều có nhiều ưu điểm :
+ Hiệu suất cao vì tổn hao cơng suất trong bộ biến đổi là không đáng kể so

với các bộ biến đổi liên tục do tổn hao ở van bán dẫn là nhỏ.
+ Độ chính xác cao và ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ mơi trường vì yếu tố
điều chỉnh là thời gian đóng khố Tr mà không phải giá trị điện trở phần
tử điều chỉnh như những bộ điều chỉnh liên tục kinh điển.
+ Kích thước gọn và nhẹ.
Tuy nhiên băm xung một chiều cũng có những nhược điểm là:
+ Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng qn tính điều chỉnh.
+ Tần số đóng cắt lớn sẽ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh.
14


1.2.1.2. Phân loại các bộ băm xung áp một chiều
Các bộ băm xung một chiều được phân thành:
• băm xung một chiều khơng đảo chiều
• băm xung một chiều có đảo chiều dòng tải.
1.1.6

Van IGBT

1Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 1.6: IGBT. (a) Cấu trúc bán dẫn; (b) Cấu trúc tương đương với n-p-n và một MOSFET.

IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng
chịu tải lớn của tranzito thường. Về mặt điều khiển IGBT gần như giống hoàn toàn
MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp. Hình 1.6 giới thiệu cấu trúc bán dẫn
của một IGBT.

Hình 1.7: Ký hiệu IGBT
Về cấu trúc bán dẫn IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm

lớp p nối với colectơ tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emiter (tương tự cực gốc) với
colector (tương tự với cực máng), chứ không phải là n-n như ở MOSFET. Có thể coi
IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng bazo được điều khiển bởi một
MOSFET. IGBT được ký hiệu trên sơ đồ như trên hình 1.7.
Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE > 0 kênh dẫn với các hạt mang điện
là các điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET. Các điện tử di chuyển
về phía colector vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa bazo và colector ở
transistor thường, tạo nên dòng colector. Do có cấu trúc p-n-p mà điện áp thuận giữa C
15


và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT thấp hơn so với ở MOSFET. Tuy nhiên thời gian
đóng cắt của IGBT chậm hơn so với MOSFET, đặc biệt là khi khố lại. Trên hình 1.7,
thể hiện sơ đồ tương đương của IGBT với một MOSFET và một p-n-p transistor, ký
hiệu dòng qua IGBT gồm hai thành phần: i1 là dòng qua MOSFET, i2 là dòng qua
transistor. Phần MOSFET trong IGBT có thể khố lại nhanh chóng nếu xả hết được
điện tích giữa G và E, do đó dịng i1 sẽ bằng khơng. Thành phần dịng i2 sẽ khơng thể
suy giảm nhanh được do lượng điện tích tích lũy trong lớp n (tương đương với bazo
của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể mất đi do q trình tự trung hịa điện tích. Điều này dẫn
đến xuất hiện vùng dịng điện bị kéo dài khi khố một IGBT.
1.2.1.3. Đặc tính đóng cắt của IGBT

Hình 1.8: Sơ đồ thử nghiệm khố IGBT.
Ta sẽ khảo sát q trình mở và khố một IGBT theo sơ đồ thử nghiệm cho trên
hình 1.8. Trên sơ đồ IGBT đóng cắt một tải cảm có điơt khơng D0 mắc song song.
IGBT được điều khiển bởi nguồn tín hiệu với biên độ U G, nối với cực điều khiển G
qua điện trở RG. Trên sơ đồ Cgc, Cge thể hiện các tụ ký sinh giũa cực điều khiển và
colector, emitor.
• Q trình mở IGBT

16


Hình 1.9: Đồ thị dạng tín hiệu khi điều khiển mở một IGBT
Quá trình mở IGBT diễn ra rất giống với quá trình này ở MOSFET khi điện áp điều
khiển đầu vào tăng từ không đến giá trị UG. Đồ thị quá trình thể hiện trên hình 1.9.
Trong thời gian trễ khi mở td(on) tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ C ge làm điện
áp giữa cực điều khiển và emitor tăng theo quy luật hàm mũ, từ không đến giá trị
ngưỡng UGE(th) (khoảng 3 – 5V), chỉ bắt đầu từ đó MOSFET trong cấu trúc của IGBT
mới bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa colector-emitor tăng theo quy luật tuyến tính từ
khơng đến dịng tải I0 trong thời gian tr. Trong thời gian tr điện áp gữa cực điều khiển
và emitơ tăng đến giá trị UGE,Io, xác định giá trị dịng I0 qua colector. Do điơt D0 cịn
đang dẫn dòng tải I0 nên điện áp UCE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều Udc.
Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo hai giai đoạn, t fv1 và tfv2. Trong suốt hai giai đoạn
này điện áp giữa cực điều khiển giữ nguyên ở mức UGE,Io (mức Miller), để duy trì dịng
I0, do dịng điều khiển hồn tồn là dịng phóng của tụ C gc. IGBT vẫn làm việc trong
chế độ tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra q trình khố và phục hồi của điơt D0.
Dịng phục hồi của điơt D0 tạo nên xung dịng trên mức dòng I 0 của IGBT. Điện áp
UCE bắt đầu giảm. IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang
vùng bão hịa. Giai đoạn hai tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của
colector, dẫn đến điện trở giữa colector-emiter về đến giá trị R on khi khố bão hịa hồn
tồn, UCE,on = I0Ron.

17


Sau thời gian mở ton, khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển
và emitor tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ, với hằng số thời gian bằng C geRG, đến
giá trị cuối cùng UG.
Tổn hao năng lượng khi mở được tính gần đúng bằng:

U I
Qon = dc 0 ton
.
2
Nếu tính thêm ảnh hưởng của q trình phục hồi của điơt D0 thì tổn hao năng
lượng sẽ lớn hơn do xung dịng trên dịng colector.
• Q trình khố

Hình 1.10: Đồ thị dạng tín hiệu khi điều khiển khố một IGBT

Dạng điện áp, dịng điện của q trình khố thể hiện trên hình 1.10. Q trình
khố bắt đầu khi điện áp điều khiển giảm từ U G xuống –UG. Trong thời gian thời gian
trễ khi khoá td(off), chỉ có tụ đầu vào Cge phóng điện qua dòng điều khiển đầu vào với
hằng số thời gian bằng CgeRG, tới mức điện áp Miller. Bắt đầu từ mức Miller điện áp
giữa cực điều khiển và emitter bị giữ không đổi do điện áp U CE bắt đầu tăng lên và do
đó tụ Cgc bắt đầu được nạp điện. Dịng điều khiển bây giờ sẽ hồn tồn là dịng nạp
cho tụ Cgc nên điện áp UGE được giữ không đổi.
Điện áp UCE tăng từ giá trị bão hòa UCE,on tới giá trị điện áp nguồn Udc sau
khoảng thời gian trV. Từ cuối khoảng trV điôt D0 bắt đầu mở ra cho dịng tải I 0 ngắn
mạch qua, do đó dịng colector bắt đầu giảm. Q trình giảm dịng diễn ra theo hai giai
đoạn, tfi1 và tfi2. Trong giai đoạn đầu, thành phần dòng i 1 của MOSFET trong cấu trúc
bán dẫn IGBT suy giảm nhanh chóng về khơng. Điện áp U GE ra khỏi mức Miller và
giảm về mức điện áp điều khiển ở đầu vào –U G với hằng số thời gian RG(Cge + Cgc). Ở
18


cuối khoảng tfi1, UGE đạt mức ngưỡng khoá của MOSFET, UGE(th), tương ứng với việc
MOSFET bị khố hồn tồn. Trong giai đoạn hai, thành phần dòng i 2 của transistor pn-p bắt đầu suy giảm. Q trình giảm dịng này có thể kéo rất dài vì các điện tích trong
lớp n- chỉ bị mất đi do quá trình tự trung hịa điện tích tại chỗ. Đó là vấn đề đi dịng
điện đã nói đến ở trên.

Qoff =

U dc I 0
toff
2
.

Tổn hao năng lượng khi khố có thể tính gần đúng bằng:
Lớp n- trong cấu trúc bán dẫn giúp giảm điện áp rơi khi dẫn vì khi đó số lượng
các điện tích thiểu số (các lỗ) tích tụ trong lớp này làm giảm điện trở đáng kể. Tuy
nhiên các điện tích tích tụ này lại khơng có cách gì di tản ra ngoài một cách chủ động
được, làm tăng thời gian khố của phần tử. Ở đây cơng nghệ chế tạo bắt buộc phải
thỏa hiệp. So với MOSFET, IGBT có thời gian mở tương đương nhưng thời gian khố
thì dài hơn, cỡ 1 đến 2 μs.
Giống như đối với BJT, vùng làm việc an toàn của IGBT thể hiện dưới dạng đồ
thị mối quan hệ giữa giá trị điện áp và dịng điện lớn nhất mà phần tử có thể hoạt động
được trong mọi chế độ, khi dẫn, khi khoá cũng như trong q trình đóng cắt.
Hình 1.10 thể hiện SOA của IGBT khi điện áp đặt lên cực điều khiển và emitơ
là dương, hình 1.7 là SOA khi điện áp này là âm. SOA khi điện áp điều khiển dương
có dạng hình chữ nhật với hạn chế ở góc phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ
dòng điện và điện áp lớn. Khi xung dịng điện càng ngắn thì khả năng đóng cắt cho
phép càng cao. Ví dụ, với xung dịng điện 50 µS, hệ số lấp đầy xung là 50%, thì vùng
cho phép gần như vng, biên độ dòng điện đến 10 A, điện áp 600 V. SOA khi điện áp
điều khiển chuyển từ dương xuống âm, hình 1.10 cho thấy IGBT có khả năng chịu
được xung điện áp lớn với điều kiện dòng điện nằm trong giới hạn cho phép. Điều này
phải được tính đến khi tính toán mạch RC song song với van (mạch snubber). Khi van
khố lại mạch RC có tác dụng hạn chế tốc độ tăng điện áp trên colector– emitter. Nếu
tốc độ tăng điện áp quá lớn sẽ dẫn xuất đến hiện dòng điện lớn đưa vào vùng p của cực
điều khiển, tác dụng giống như dòng điều khiển làm IGBT mở trở lại như tác dụng đối

với cấu trúc của thyristor. Tuy nhiên khả năng chịu đựng tốc độ tăng áp ở IGBT lớn
hơn nhiều so với ở các phần tử bán dẫn cơng suất khác.
Giá trị lớn nhất của dịng colector ICM được chọn sao cho tránh được hiện tượng
chốt giữ dịng, khơng khố lại được, giống như ở tiristo. Hơn nữa, điện áp điều khiển
lớn nhất UGE cũng phải được chọn để có thể giới hạn được dịng điện ICE trong giới hạn
19


lớn nhất cho phép này trong điều kiện xảy ra ngắn mạch bằng cách chuyển bắt buộc từ
chế độ bão hịa sang chế độ tuyến tính. Khi đó dịng I CE được giới hạn không đổi,
không phụ thuộc vào điện áp U CE lúc đó, tiếp theo IGBT phải được khố lại trong cùng
điều kiện đó, càng nhanh càng tốt để tránh phát nhiệt quá mãnh liệt. Để tránh hiện
tượng chốt giữ dòng phải liên tục theo dõi dòng colectơ, đó là điều cần phải làm khi
thiết kế điều khiển cho IGBT.
1.2.1.4. Mạch phát xung điều khiển IGBT (IGBT Driver)
IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp, giống như MOSFET, nên yêu cầu
điện áp có mặt liên tục trên cực điều khiển và emitơ để xác định chế độ khố, mở.
Mạch điều khiển cho IGBT có u cầu tối thiểu như được biểu diễn qua sơ đồ trên
hình 1.11. Cặp transisto Q1, Q2 gọi là mạch totem, có tác dụng chuyển tín hiệu lơgic
điều khiển UG thành tín hiệu mở có biên độ +U GE, tín hiệu khố có biên độ -U GE, cung
cấp cho mạch G-E qua điện trở R G. G-E được bảo vệ bởi điôt ổn áp ở mức khoảng +/18V. Do có tụ ký sinh lớn giữa G và E nên kỹ thuật điều khiển như điều khiển
MOSFET có thể được áp dụng, tuy nhiên điện áp khố phải lớn hơn. Nói chung tín
hiệu điều khiển thường được chọn là +15V và -5V là phù hợp.

Hình 1.11: u cầu đối với tín hiệu điều khiển.
Điện trở RG cũng ảnh hưởng đến tổn hao công suất điều khiển. Điện trở R G nhỏ
giảm thời gian xác lập tín hiệu điều khiển, giảm ảnh hưởng của dU CE/dt, giảm tổn thất
năng lượng trong quá trình điều khiển nhưng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn
với điện cảm ký sinh trong mạch.
Dòng điều khiển đầu vào phải cung cấp được dịng điện có biên độ bằng:

I G ,max =

∆ U GE
RG ,

∆U = U

+U

GE
GE ( on )
GE ( off ) .
trong đó
Tổn hao cơng suất trung bình do mạch phát xung có thể tính bằng:

20


P = U GE .QG . f sw

Trong đó QG (nanoculơng, nC) là điện tích nạp cho tụ đầu vào, giá trị thường
được cho trong tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất, fsw là tần số đóng cắt của IGBT.
Phương pháp tính tốn và lựa chọn mạch Driver cho IGBT rất giống với cách
làm đối với MOSFET, Điện tích yêu cầu QG để thay đổi điện áp UGE có thể được xác
định từ đồ thị giống như trên hình 1.7 do nhà xản suất cung cấp đối với một IGBT nào
đó.
1.2.1.5. Vấn đề bảo vệ IGBT
IGBT thường được sử dụng trong các mạch nghịch lưu hoặc các bộ biến đổi
xung áp một chiều, trong đó áp dụng các quy luật biến điệu khác nhau và thường yêu

cầu van đóng cắt với tần số cao, từ 2 kHz đến hàng chục kHz. Sự cố thường xảy ra
nhất là quá dòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc từ các phần tử có lỗi do chế tạo hoặc
do lắp ráp. Vì vậy vấn đề bảo vệ cho phần tử là nhiệm vụ đặt ra cực kỳ quan trọng.
Đối với IGBT có thể ngắt dòng điện bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị
âm. Tuy nhiên nếu khoá IGBT lại ngay lập tức khi dòng điện I C lớn dẫn đến tốc độ
tăng dòng dI/dt quá lớn, gây quá áp trên colector-emitter, đánh thủng phần tử. Vấn đề
ngắt dòng đột ngột không chỉ xảy ra trong chế độ sự cố mà còn xảy ra khi tắt nguồn
hoặc khi dừng hoạt động, nghĩa là trong chế độ vận hành bình thường.
Có thể chống lại hậu quả của việc tắt dòng đột ngột bằng cách làm chậm lại q
trình khố của IGBT, hay cịn gọi là khố mềm (soft turn-off). Trong trường hợp này
điện áp trên cực điều khiển và emitter được giảm đi từ từ về đến điện áp âm. IGBT sẽ
chuyển về trạng thái khố qua chế độ tuyến tính, do đó dịng điện bị hạn chế và giảm
dần về không, tránh được quá áp trên phần tử. Thời gian khố của IGBT có thể được
kéo dài 5 đến 10 lần thời gian khố thơng thường.
Có thể phát hiện q dòng bằng cách dùng các phần tử đo dòng điện tuyến tính
như sensor Hall hoặc các mạch đo dịng điện trên shunt dịng. Tuy nhiên đối với IGBT
có thể phát hiện quá dòng nếu theo dõi điện áp trên colector – emitter. Khi có tín hiệu
mở nếu UCE lớn hơn mức bão hịa, thơng thường UCE,bh < 7 V, chứng tỏ IGBT ra khỏi
chế độ bão hòa do dòng điện quá lớn. Một số vi mạch chuyên dụng được chế tạo sẵn
cho mục đích phối hợp giữa tín hiệu điều khiển và phát hiện chưa bão hòa ở IGBT,
hơn nữa lại cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển. Chức năng phát xung và bảo vệ
IGBT đã được tích hợp trong một số IC chuyên dụng, sử dụng dễ dàng. Ví dụ về một
mạch tích hợp như vậy, HCPL-316J của Agilent Technologies.
21


Hình 1.12: Sơ đồ sử dụng IC chuyên dụng HCPL-316J, tích hợp khả năng bảo vệ
chống bão hồ cho IGBT.
Trên hình 1.12 có thể thấy cực điều khiển của IGBT được cung cấp tín hiệu
điều khiển từ đầu ra VOUT qua điện trở RG, với mức điện áp do các nguồn cung cấp VCC2

= 18 V và VEE = -5 V. Tín hiệu DESAT, được lấy từ colector qua điơt D DESAT qua một
mạch lọc tần thấp bằng điện trở 100 Ω và tụ 100 pF, đưa vào chân 14 của IC. Mức
điện áp ở chân 14 được theo dõi để phát hiện mức độ bão hoà của IGBT. Nếu điện áp
này lớn hơn 7 V sau khi có tín hiệu điều khiển mở IGBT chứng tỏ có q dịng điện,
mạch xử lý lơgic khố mềm (Soft Shutdown) sẽ phát tín hiệu khố và tự động tăng
điện trở đưa đến cực điều khiển đến cỡ 500Ω, lớn hơn mười lần so với khi khố, mở
thơng thường.
1.2.1.6. Các thơng số của van IGBT
Nhà chế tạo linh kiện đưa ra các thông số đặc trựng sau đây quy điịnh khả năng
làm việc cực đại và cực tiểu cho phép cảu van IGBT.
• Điện áp khóa collector-emitter VCES: là điện áp collector- emitter cực đại
ở trạng thái khóa khi cổng và emitter ngắn mạch. Sự đánh thủng quy
định dòng điện rod và thay đổi theo nhiệt độ với hệ số nhiệt dương.
• Điện áp cổng emitter VGES: là điện áp cổng emitter cực đại cho phép khi
collector ngắn mạch với emitter. Chiều dày và đặc tính lớp oxit ở cỏng
xác định điện áp này. Điện áp cổng phải gới hạn thấp hơn để hạn chế
dịng điện collector khi bị sự cố.
• Dịng điện collector một chiều ic: là dòng điện một chiều cần thiết để
nhiệt độ cực đại chuyển tiếp không quá 150oC, nhiệt độ vỏ 25oC.
22


• Dòng điện đỉnh collector lặp lại I CM: là dịng điện cực đại q độ mà
IGBT có thể chịu được, có giá trị cao hơn Ic.
• Cơng suất tiêu tán cực đại Pm:là công suất tiêu tán lớn nhất cho phép khi
nhiệt độ chuyển tiếp không quá 150oC, nhiệt độ vỏ 25oC.
• Nhiệt độ chuyển tiếp Tj: là nhiệt độ cho phép của chuyển tiếp khi làm
việc.
• Dịng điện tải cảm ILM: là dòng điện cực đại lặp lại mà IGBT có thể cắt
được khi làm việc có dịng điện phục hồi qua diode thoát nối song song

với tải điện cảm và làm tang tổn hao của chuyển mạch.
• Dòng điện rò collector- emitter ICES: là dòng điện rò ở điện áp định mức,
dòng điện quy định khi cổng được nói ngắn mạch với emitter.
• Điện áp cổng emitter ngưỡng VGeth: là điện áp cổng emitter khi IGBT
đóng để dẫn dịng collector. Điện áp ngưỡng này có hệ số nhiệt âm.
• Diện áp collectoer- emitter bão hào V CE SAT: là điện áp rơi thuận của
collectoe- emitter làm hàm số của dịng điện collector, điện áp cổng và
nhiệt độ.
• Độ hỗ dẫn thuận gFE: hỗ dẫn thuận được đo với biến thiên nhỏ của điện
áp cổng, nó tang tuyến tính theo dịng điện collector của IGBT với dịng
điện định mức ở 100oC.
• Điện tích cổng tổng Qc: thơng số này giúp thiết kế mạch điều khiển cổng
thích hợp và tính tốn gần đúng tổn hao. Thơng số này thay đổi theo điện
áp cổng emitter.
• Thời gian trễ khi đóng td: là thời gian giữa 10% điện áp cổng tới 10%
dịng điện collector cuối cùng.
• Thời gian trễ mở td off: là thời gian giảm 90% điện áp cổng tới 10% điện
áp collector cuối cùng.
• Thời gian tăng trưởng tr: là thời gian cần thiết để đóng dịng collector
tang đến 90% của giá trị cuối từ 10% giá trị cuối.
• Thời gian giảm tf: là thời gian cần thiết để dòng điện collector giảm 90%
giá trị đầu xuống 10% giá trị đầu.
• Điện dung vào Cies: là điện dung G-E đo được khi collector ngắn mạch
với emitter. Điện dung vào là tổng điện dung G-E với điện dung Miller,
điện dung CGE lớn hơn điện dung Miller nhiều
• Điện dung ra Cres: là điện dung giữa collector và emitter khi cổng ngắn
mạch với emitter.

23

• Điện dung ra Creslà điện dung giữa collector và emitter khi cổng ngắn
mạch với emitter.
• Điện dung truyền đạt ngược: là điện dung Miller giữa cổng và collector.
• Diện tích làm việc an tồn SOA: là diện tích làm việc an tồn xác định
ranh giới mà IGBT có thể làm việc mà khơng bị hư hỏng.
1.1.7

Phân tích sơ đồ băm xung một chiều có đảo chiều cấp điện cho tải là

phần ứng của động cơ một chiều

Hình 1.13: Sơ đồ băm xung một chiều
Ta sử dụng van bán dẫn IGBT. Các van bán dẫn IGBT làm nhiệm vụ khố
khơng tiếp điểm, các diode dùng để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện
quá trình hãm tái sinh. Bộ băm xung áp một chiều dùng van điều khiển hồn tồn
IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện phụ tải. Trong
các hệ truyền động tự động thường có yêu cầu đảo chiều dòng điện phụ tải. Trong các
hệ truyền động tự động thường có yêu cầu đảo chiều động cơ, do đó bộ biến đổi xung
áp loại này thường hay dùng để cấp nguồn cho các động cơ một chiều kích từ độc lập
có nhu cầu đảo chiều quay. Hoạt động của sơ đồ phụ thuộc vào cách phối hợp điều
khiển 4 van động lực.
• Nguyên lý
Trong phương pháp này cả 4 van lực đều hoạt động, nhưng các van điều khiển
khác nhau tuỳ theo chiều dịng tải cần có.
Trong khoảng (0 ÷ t0), dòng điện i1 chảy từ nguồn E qua hai van IGBT1, IGBT2

có Ut = E.

24

Trong khoảng t = (t0 ÷ T), điều khiển khố van IGBT1, dòng điện buộc phải
chảy theo chiều cũ nên dòng i 2 sẽ chảy vòng tròn qua IGBT2 và điôt D 4, tải bị ngắn
mạch Ut = 0. Tuy nhiên tuỳ theo dạng tải mà quá trình vật lý có thể khác nhau:
+ Với tải RL có thể xuất hiện chế độ dịng điện gián đoạn nếu năng lượng
tích luỹ ở điện cảm kịp phóng hết ở giai đoạn (t 0 ÷ T). Như vậy các q
trình hoạt động của mạch là tương tự với băm xung một chiều không đảo
chiều.
+ Với tải RLE, do tải chứa sức điện động E t nên dịng tải có thể đảo chiều
sau khi năng lượng tích luỹ ở điện cảm L t đã phóng hết năng lượng, như
vậy lại khơng thể có dòng điện gián đoạn. Biểu thức luật điều chỉnh điện
áp ra vẫn là

U t = γE

nhưng quy luật dòng điện sẽ khác vì có sự tham gia

của Et.
Có các phương pháp điều khiển khác nhau: Điều khiển riêng hay điều khiển độc
lập, điều khiển đối xứng và điều khiển không đối xứng.
1.1.8

Lựa chọn bộ biến đổi :

Qua các mạch phân tích ở trên ta thấy để phù hợp đảo chiều động cơ (một cách
chủ động) ta chọn bộ băm xung một chiều có đảo chiều (cầu băm xung một chiều),
mạch này cho phép năng lượng đi theo 2 chiều U d, Id có thể đảo chiều một cách độc
lập sử dụng phương pháp điều khiển không đối xứng.

25