thiết kế mạch công suất bộ băm xung một chiều

CHƯƠNG II - TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT
II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều
1) Nguyên lý:
Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồn điện một chiều U
s
tạo ra điện áp
U
ra
là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng
giá trị trung bình của điện áp xung: U
ra
= γ .U
s
(γ=t
1
/T). Nguyên lý cơ bản của các
bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có
chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên
tải.
2) Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra:
Có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp ra:
a) Phương pháp thay đổi độ rộng xung:
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t
1
, giữ nguyên T ⇒ Giá trị trung
bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
S
S
tai
U
T

Ut
U .
.
1
ε
==
trong đó:
T
t
1
=
ε
là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.
Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của U
ra
là rộng (0 < ε ≤ 1).
b) Phương pháp xung - tần:
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t
1
=const. Khi đó:
SStai
UftU
T
t
U
1
1
==
Vậy U
ra

=U
S
khi
1
1
t
f =
và U
ra=0
khi f=0.
c) Phương pháp xung - thời gian:
Vừa thay đổi độ rộng xung vừa thay đổi tần số theo nguyên tắc giữ ∆I min
Trong thực tế, phương pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn
giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm.
II.2) Sơ đồ bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều cả dòng điện và điện áp:
Do yêu cầu của đồ án là thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ
động cơ điện một chiều kích từ song song, Thoả mãn các yêu cầu trên ta chỉ có thể
chọn mạch lực là bộ băm xung một chiều. Sơ đồ nguyên lý như sau :
Trong đó :V1,V2 là các van điều khiển hoàn toàn.
D1,D2, là các diot.
Sơ đồ trên cho phép điều chỉnh tốc độ quay của động, đặc tính làm việc của
động cơ :
U
S
i
dk1
i
dk2
u
d

U
S
u
S1
,i
S1
i
S
u
D1
, i
D1
Bi u d ng sóng dòng, áp trên các ph n tể đồ ạ ầ ử
b) Các biểu thức tính toán
- Tìm biểu thức của dòng tải :
+ Khi (D1, D2) và (V1, V2) dẫn: Trong giai đoạn này điện áp trên tải là U
T
=U
S
, do
đó phương trình mạch tải sẽ là:
Sd
d
UERi
dt
di
L =++
Giải phương trình vi phân, ta có:
atat
S

d
eIe
R
EU
ti
−−
+−
−
= .)1.()(
min
- Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
SS
SSSS
T
t
S
t
S
T
dd
UU
UUTTUTU
T
dtUdtU
T
dtu
T
U
)12()1(
)1()]([

1
])([
11
2
2
00
−=+−=
−−=−−=
−+==
∫∫∫
εεε
εεεε
Trong đó:
T
t
2
=
ε
là tỷ số chu kỳ.
Vậy nếu ta thay đổi được ε ta sẽ điều chỉnh được U
d
.
Cụ thể: ε=0,5→ U
d
=0⇒ Động cơ không được đặt điện áp.
ε>0,5→ U
d
>0⇒Động cơ quay ngược.
ε<0,5→ U
d

<0⇒Động cơ quay thuận.
- Giá trị trung bình của dòng qua diod D1 và D2:
)1.()1.(.
.2
)1.()1.(
1
)1).(1(
.
1
.
.2
).(
1
1
11
1
1
0
1
1
εεε
εε
−
−
−−≈
−+−−
−
−−
==
−

∫
R
EU
R
U
R
E
R
U
A
BAB
aTR
U
dtti
T
I
SS
SS
t
D
- Giá trị trung bình dòng qua van:
)1.(.
.2
.
1
)1)(1(
.
1
.
.2

.
1
11
1
1
εεεε
−−
−
≈
−
−−
−
−
=
−
R
U
R
EU
A
BAB
aTR
U
R
EU
I
SSSS
T
- Giá trị trung bình dòng tải:
)12.(

S
S
d
U
E
R
U
I −−=
ε
2) Điều khiển
a) Nguyên lý làm việc của mạch trên như sau:
+ Ở thời điểm t
0
=0 phát xung điều khiển V1 do Id=Imin<0 D1 vẫn dẫn u
d
=U
N
I
d
tăng dần đến thời điểm t= t
1
I
d
=0 V1 bắt đầu dẫn I
d
tiếp tục tăng dần đạt
đến I
d
=I
max

tại thời điểm t=t2.
+ t = t
2
=ε.T phát xung điều khiển V2 , khoá van V1 do I
d
>0 tải điện cảm
dòng i
d
tiếp tục chảy theo chiều cũ qua ,D2 u
d
=U
N
;V2 chưa dẫn, dòng dòng id>0
giảm dần làm xuất hiện suất điện động tự cảm trên cuộn dây L đến t=t3 id=0 U
V2
>0 van V2 dẫn id chảy theo chiều ngược lại và tăng dần đến thời điểm t=t4 I=Imin
khoá van V2, phát xung điều khiển V1 dòng id tiếp tuc chảy theo chiều cũ qua
D1,D2 trả năng lượng về nguồn…
u
dk1
u
dk2
t
0
t
1
t
2
t
3

t
4
= T
i
d
I
max
I
min
u
d
U
N
I
d
U
d
D
1
D
4
V
1
V
4
D
2
V
4
V

2
D
4

b) Các biểu thức tính toán:
- Dòng lớn nhất và nhỏ nhất qua tải:
R
E
A
B
R
U
I
ó
−
−
−
=⇒
−
1
1
1
max
1
1
.
Ta có:
TaaT
eBaA
ε

==
−
11
;
.
- Giá trị dòng trung bình qua tải:
dd
d
UERi
dt
di
L =++
∫∫∫∫
=++⇒
T
d
TT
d
T
d
dtU
T
Edt
T
dtRi
Tdt
di
L
T
0000

1111

ód
UERI
ε
=++⇒ 0

R
EU
I
ó
d
−
=⇒
ε
- Dòng trung bình qua van: I
T
=
)1(
)1).(1.(
.
1
11
1
1
AT
BABU
R
L
S

−
−−
−

dT
II
ε
≈⇒
- Dòng trung bình qua diod:
)1.()1.(
.
)1(
1
)1).(1(
.
.
.
1
11
1
1
εε
ε
ε
−=−
−
≈−−
−
−−
=

−
d
SS
D
I
R
EU
R
E
A
BAB
TR
L
R
U
I
- Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
∫
==
T
óód
UdtU
T
U
ε
ε
0
1
Nh vËy, ®Ó điều khiển tốc độ động cơ, ta chỉ cần điều khiển ε để điều chỉnh điện
áp ra tải.có những ưu điểm sau:

+ Điện áp ra tải chỉ có 1 dấu ở chiều xác định.
+ Cho phép giảm độ đập mạch dòng điện
+ Mặt khác nó cũng cho phép làm việc ở các chế độ sau:
εU
S
> E → Động cơ nhận năng lượng.
εU
S
< E → Động cơ phát năng lượng.
II.3) Giới thiệu một số loại van dùng trong mạch băm xung:
1) Trasistor công suất:
E
I
C
B
U
BE
I
E
C
I
B
U
CE
Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu như sau:
- Nguyên lí hoạt động:
Tranzitor hoạt động như một phần tử chuyển mạch ta quan tâm đến 2 trạng
thái dấn dòng và.trạng thái khoá
+ Trạng thái dẫn: U
BE

>0
Điều kiện để đưa van vào vùng dẫn bão hoà I
B
≥I
C
/β
Thực tế I
B
=s.I
C
/β
+ Trạng thái khóa: U
BE
≤0, i
c
≈0.
Trong quá trình van dẫn hoặc khoá công suất tiêu tán p
c
=U
CE
.I
C
=0.
Để chuyển trạng thái phải đi qua vùng khuyếch đại I
C
≠0, U
CE
≠0 ,tổn thất trên van
chủ yếu là khi van chuyển trạng thái và tỉ lệ thuận với tần số hoạt động của
van.Khi làm việc với tần số f>5 kHz hoặc V

CEO
≥60V, I
C
>5A phải có mạch trợ giúp
để tránh cho van bị quá nhiệt gây hỏng van.
- Các thông số của transistor công suất:
+ IC: Dòng colectơ mà transistor chịu được.
+ UCEsat: Điện áp UCE khi transistor dẫn bão hòa.
+ UCEO: Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0 .
+ UCEX: Điện áp UCE khi badơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0.
+ t
on
: Thời gian cần thiết để U
CE
từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống 0V.

+ t
f
: Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống 0.
+ t
S
: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCESat tăng đến giá trị điện áp
nguồn U.
+ P : Công suất tiêu tán bên trong transistor. Công suất tiêu tán bên trong
transistor được tính theo công thức: P = U
BE
.I
B
+ U
CE

.I
C
.
( a )
+ Khi transistor ở trạng thái mở: I
B
= 0, I
C
= 0 nên P = 0.
+ Khi transistor ở trạng thái đóng: U
CE
= UCESat.
( b )
( a )
I
C
U
CE
b
a
U
CE
I
C
I
C
•
Trạng thái dẫn và trạng thái bị khóa
a) Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch I
B

lớn, I
C
do tải giới hạn.
b) Trạng thái hở mạch I
B
= 0.
- Đặc tính tĩnh của transistor: U
CE
= f (I
C
).
c tính t nh c a transistorĐặ ĩ ủ : U
CE
= f ( I
C
).
Vùng
tuy nế
tính
Vùng g n bão hòaầ
Vùng bão hòa
U
CE
I
C
- Ứng dụng của transistor cơng suất:
Transistor cơng suất dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ lớn.
Tuy nhiên trong thực tế transistor cơng suất thường cho làm việc ở chế độ khóa. IB
= 0, IC = 0: transistor coi như hở mạch.
2) Transistor Mos cơng suất:

Transistor trường FET (Field - Effect Transistor) được chế tạo theo cơng nghệ Mos
(Metal - Oxid - Semiconductor), thường sử dụng như những chuyển mạch điện tử
có cơng suất lớn. Khác với transistor lưỡng cực được điều khiển bằng dòng điện,
transistor Mos được điều khiển bằng điện áp. Transistor Mos gồm các cực chính:
cực máng (drain), nguồn (source) và cửa (gate). Dòng điện máng - nguồn được
điều khiển bằng điện áp cửa - nguồn.
•
Cửa
•
• Nguồn
•
Máng
( b )
( a )
= 3V
= 4,5V
= 6V
= 9V
= 7,5V
Dòng
điện máng
Điện
trở
haống
soỏ
ẹieọn aựp maựng nguon
Hỡnh a) H c tớnh ra. Hỡnh b) Ký hiu thụng thng kờnh n.
Transistor Mos l loi dng c chuyn mch nhanh. Vi in ỏp 100V tn hao
dn chỳng ln hn transistor lng cc v tiristor, nhng tn hao chuyn mch
nh hn nhiu. H s nhit in tr ca transistor Mos l dng. Dũng in v

in ỏp cho phộp ca transistor Mos nh hn ca transistor lng cc v tiristor.
3) Tiristor:
a) Cu to:
Tiristor l linh kin gm 4 lp bỏn dn PNPN liờn tip to nờn ant, katt v
cc iu khin.
P
1
N
1
P
2
N
2
( a ) ( b )
A
J
1
J
2
J
3
A
K
G
G
K
Hình a) Cấu tạo của tiristor.
Hình b) Ký hiệu của tiristor.
Trong ®ã: + A: anốt.
+ K: katốt.

+ G: cực điều khiển.
+ J1, J2, J3: các mặt ghép.
Khi không tác động vào cực điều khiển G Thyristor không phải là phần tử dẫn
điện. Đặc tính Vôn ampe nằm hoàn toàn trên trục hoành.
- Thyristor dẫn dòng khi:
+ U
AK
>0.
+ I
G
đủ lớn (Cỡ 0,1-1A)
Khi Thyristor đã dẫn dòng thì nó vẫn tiếp tục dẫn dòng mà không cần dòng
điều khiển.Dòng điều khiển là dòng xung ,thời gian xung mở(t
x
) phải đủ lớn để
dòng qua van tăng lên giá trị dòng duy trì (I
A
≥I
dt
) lúc đó Thyristor mở hẳn (t
x
cỡ vài
trăm μs).
Do dòng điều khiển chỉ tác động trong thời gian ngắn nên công suất tiêu tán trên
van là rất nhỏ.
- Thyristor kho¸ đóng khi:
+ Làm giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì IH
( Holding Current ).
+ Đặt một điện áp ngược lên tiristor. Khi đặt điện áp ngược lên tiristor: U
AK

< 0, J1 và J3 bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận, điện tử đảo chiều hành trình
tạo nên dòng điện ngược chảy từ katốt về anốt, về cực âm của nguồn điện ngoài.
Thời gian khóa t
off
: Thời gian từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược đến dòng
điện ngược bằng ,t
off
kéo dài khoảng vài chục μs.
I
H
U
I
U
Z
0
U
ch
Đặc tính volt-ampe của tiristor.
- Ứng dụng:
Tiristor được sử dụng trong các bộ nguồn đặc biệt: trong mạch chỉnh lưu, bộ
băm và trong bộ biến tần trực tiếp hoặc các bộ biến tần có khâu trung gian một
chiều.
4) GTO - gate turn off thyristor:
Một Thyristor thông thường khi đã được kích mở cho dòng điện chảy qua
vẫn tiếp tục ở trạng thái mở chừng nào dòng điện chảy qua nó hãy còn lớn hơn hay
bằng dòng điện duy trì.
Khóa Thyristor để khóa thì dòng điều khiển có trị số gần ngang dòng qua
GTO tuy nhiên thời gian tồn tại dòng này rất nhỏ nhưng nhìn chung việc khóa
GTO làm mạch phức tạp vì vậy không tiện sử dụng.
Dưới đây là một bảng so sánh về các van bán dẫn trong các ứng dụng thực tế:

Thyristor BJT FET GTO IGBT
Availabilty Early 60s Late 70s Early 80s Mid 80s Late 80s
Voltageratings 5 kV 1 kV 0,5 kV 5 kV 3,3 kV
Curentratings 4 kA 400 A 200 A 5 KA 1,2 kA
Switch Freg na 5 kHz 1 MHz 2 kHz 100 kHz
Drive Circuit Simple Difficult Very
simple
Very
difficult
Very
simple

T cỏc phõn tớch v bng so sỏnh trờn, ta thy vi i vi b bm xung mt
chiu dựng cho ng c cú in ỏp nh mc 12V dũng in nh mc 50A thỡ s
dng van IGBT lm khúa úng ct l hp lớ nht. Vy ta cú s mch lc nh
sau:
II.4) Tớnh chọn mạch lực:
a) Đặt vấn đề:
Để tính toán mạch lực, trớc hết ta chọn chế độ làm mát cho van.
-Chế độ làm việc của các van rất khắc nhiệt, rất nhạy cảm với nhiệt độ.
Nhiệt độ của van tăng lên do công suất tổn hao trên van gây ra. Khi nhiệt độ của
van cao hơn nhiệt độ môi trờng xung quanh nhiệt lợng đợc truyền vào môi trờng,
nếu nhiệt độ của van vợt quá giới hạn cho phép sẽ phá hủy van, vì vậy làm mát cho
van là một vấn đề rất quan trọng. Thông thờng van đợc gắn lên một cánh tản nhiệt
với thông số phù hợp. Có các biện pháp làm mát thờng gặp :
+ Làm mát tự nhiên : chỉ dựa vào sự đối lu không khí xung quanh van, hiệu
suất làm việc của van thấp chỉ khoảng 25%.
+ Làm mát bằng gió cỡng bức : tạo luồng không khí với tốc độ lớn qua van
để đẩy nhanh qúa trình truyền nhiệt của van vào không khí, hiệu suất làm việc của
van từ 30%

ữ
60%.
+ Làm mát bằng nớc : van đợc gắn thêm tấm đồng rỗng cho nớc chảy qua.
Đây là biện pháp làm mát rất hiệu quả, hiệu suất làm việc của van đạt đến 80%, tuy
nhiên hệ thống làm mát phức tạp chỉ phù hợp với yêu cầu công suất lớn và có
nguồn nớc tại vị trí lắp đặt thiết bị.
- Qua những phân tích trên, vì đặc diểm của dòng hàn là dòng tác động nhanh nên
ta chọn cách làm mát bằng bằng gió cỡng bức với hiệu suất làm việc của van
tiristor là 40%. Đây là biện pháp phù hợp hơn cả.
b) Tính toán các thông số để chọn van:
- Tớnh chn van IGBT, ta cn tớnh toỏn I
C MAX
(dũng trung bỡnh ln nht qua
van) v in ỏp ng c ln nht U
CES
chn van IGBT.
- Tớnh chn Diode, ta cn tớnh toỏn in ỏp ngc cc i trờn Diode
chn diode.
- Vỡ mi van IGBT u cú mt diode ni ngc chiu nờn nú khụng phi
chu in ỏp ngc. Cỏc giỏ tr dũng ỏp ln nht s t c khi mch hot ng
cỏc ch khc nghit nht i vi tng van, do vậy ta sẽ xét trờng hợp van làm
việc ở chế độ nặng nề nhất.
- Ta có: dòng điện lớn nhất qua van là dòng định mức qua tải:
I
max
= Iđm = 60 (A).
- Vì van làm việc với hiệu suất 30%, nên dòng điện I
C MAX
cần tính là:
I

C MAX
=
%40
max
I
=
4,0
60
=150 (A).
Ta chọn van IBGT là loại IR MG300Q1US51 với các thông số sau:
1) I
CMAX
= 400( A)
2) V
CES
=1200 (V)
3) P
d
max =2500(W)
4) V
CE
= 3,6 (sat)
5) I
CES
=4000 (
à
A)
- Chọn Diode nh sau:
+in ỏp U
DS

trờn van T
1
, T
2
v in ỏp ngc trờn D
1
, D
2
bng U
N
- 2U
DS
( vi U
DS
l in ỏp ri trờn MOSFET khi dn )
=> U
DS T2 max
= U
DS T3 max
= U
N D2 max
= U
N D1 max
=U
N
- 2U
DS
U
N
I

TB T1 max
= I
TB T2 max
=I
m
= 60 A
U
DS T1 max
= U
DS T2 max
= U
N D1 max
= U
N D2 max
=

U
N

Điode cũng làm việc với hiệu suất 40%, do đó: I
D MAX
=
%40
dm
I
=
4,0
60
=150 (A).