Đồ án thiết kế môn học điện tử công suất

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ
THIẾT KẾ MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
HỌ TÊN SV: ĐỖ TRUNG PHONG

LỚP: ĐTĐ53-ĐH2.MSV: 45909

Tên đề tài: Thiết kế bộ băm áp một chiều tải của đông cơ điện 1 chiều có điện áp
220V một chiều có công suất P= 5KW.
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: BỘ BĂM ÁP MỘT CHIỀU
1.1 Khái niệm về bộ băm áp.
1.2 Các bộ băm áp một chiều.
1.3 Các phương pháp điều khiển bộ băm áp
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC
2.1 Yêu cầu kỹ thuật.
2.2 Lựa chọn phương án.
2.3 Tính toán mạch lực.
2.4 Bảo vệ van.
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.1 Yêu cầu điều khiển.
3.2 Mạch điều khiển.

Giảng viên hướng dẫn

Hải Phòng ngày tháng

năm

Người lập đề cương

1


LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, những ưu điểm của động cơ
điện một chiều ngày càng được tận dụng một cách triệt để, tinh vi và sáng tạo.
Để động cơ điện một chiều hoạt động đúng theo yêu cầu công nghệ, ta cần rất
nhiều yếu tố như công nghệ chế tạo, người vận hành…Trong đó bộ điều chỉnh
điện áp 1 chiều (băm xung một chiều) có vai trò cực kì quan trọng. Bộ băm xung
một chiều càng tối ưu thì động cơ càng dễ vận hành tăng chất lượng làm việc
tăng tuổi thọ của động cơ. Ngày nay việc sử dụng động cơ một chiều luôn gắn
liền và không thể thiếu một yếu tố quan trọng đó là bộ điều chỉnh băm xung một
chiều.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế chúng em được giao đồ án thiết kế môn học
điện tử công suất với đề tài: Thiết kế bộ băm áp một chiều tải là động cơ điện
một chiều có điện áp phần ứng là 220V, công suất động cơ là 5KW.
Với sự cố gắng của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của các thầy
cô giáo trong bộ môn đặc biệt là thầy Đặng Hồng Hải đã trực tiếp giúp đỡ chúng
em hoàn thành đồ án này.
Lần đầu làm đồ án điện tử công suất em chưa có kinh nghiệm nên không
tránh khỏi những thiếu sót, mong các thầy giúp đỡ, hưỡng dẫn, chỉ bảo để kiến
thức của em về bản đồ án được hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin chân thành
cảm ơn.

2


Chương 1
BỘ BĂM ÁP MỘT CHIỀU

1.1 KHÁI NIỆM VỀ BĂM ÁP MỘT CHIỀU
Băm áp một chiều hay băm xung một chiều (BXMC) là những thiết bị dùng
để thay đổi điện áp một chiều ra tải từ một nguồn điện áp một chiều cố định.
BXMC được ứng dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, tạo ra ổn
áp dài rộng….
1.2 CÁC BỘ BĂM ÁP MỘT CHIỀU
1.2.1 Băm xung một chiều nối tiếp

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch
Trong khoảng từ 0 đến t0 khi van dẫn điện, năng lượng của nguồn sẽ được
cấp cho phụ tải, nếu coi van là lý tưởng có: U t = E; vì dòng điện từ nguồn i 1 cấp

3


cho tải Rt phải đi qua điện cảm L, nên điện cảm này sẽ được nạp năng lượng
trong giai đoạn van Tr dẫn.
Trong khoảng thời gian còn lại từ t0 đến hết chu kỳ điều khiển, van Tr
khóa, điện cảm L phóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước, dòng điện qua L
vẫn theo chiều cũ và theo van đệm D (dòng i2), lúc này Ut = -UD ≈ 0.
Tùy theo dạng tải và tham số điều chỉnh mà chế độ dòng điện tải có thể liên
tục hay gián đoạn như trong thiết bị chỉnh lưu, nhưng thường mong muốn chế
độ dòng điện là liên tục. Vì vậy trong tính toán thiết kế cũng dựa trên việc đảm
bảo chế độ làm việc này cho BXMC, cũng vì thế ta chỉ đề cập tới chế độ này.

Hình 1.2 Sơ đồ băm xung một chiều nối tiếp tải RL

Hình 1.3 Băm xung một chiều nối tiếp tải RL
4

a)Sơ đồ thay thế khi Tr khóa; b)Sơ đồ thay thế khi Tr dẫn
Trong chế độ dòng điện liên tục tải có thể dạng RLEt hay RL (coi Et =0)
đều vẫn cho quan hệ điện áp ra tải như biểu thức cơ bản .
Ut = E = γ.E

Dòng qua trung bình tải :

It =

(1.1)

=

(1.2)

Bằng phương pháp giải mạch có quy luật biến thiên dòng điện tải trong hai
gián đoạn là :

i1=

Trong đó

–

= exp(- ),

;

i2 =

–

(1.3)

= exp( ).

Còn =L/Rt là hằng số thời gian của mạch tải.

Giá trị lớn nhất của dòng điện: Imax=

–

(1.4)

Giá trị nhỏ nhất của dòng điện: Imin=

–

(1.5)

Độ dao động dòng tải:

= Imax –Imin=
5

–

(1.6)

Biểu thức này cho thấy độ đập mạch dòng không phụ thuộc vào tải RL hay
RLEt, khi tải có sức điện động là Et ảnh hưởng đến giá trị tức thời của dòng điện
làm giảm trị số một lượng bằng Et/Rt so với trường hợp tải RL. Có thể coi gần
đúng hệ số đập mạch theo biểu thức;

Kdm=

=

(1.7)

Khảo sát cho thấy giá trị đập mạch dòng điện này phụ thuộc vào

và đạt

cực đại khi
1.2.2 Băm xung một chiều song song
Loại băm xung này thường ứng dụng cho công suất không lớn và phải có tụ
lọc đầu ra tải.
Quy luật điều khiển van Tr theo nguyên tắc chung: van Tr dẫn trong
khoảng (0

t0) và khóa trong khoảng (t0

T). Tuy nhiên quá trình năng lượng

xảy ra khác đi như sau:
Khi van Tr dẫn, toàn bộ điện áp nguồn được đặt vào cuộn cảm L và dòng
điện từ nguồn (dòng i1) chảy qua cuộn cảm và cuộn cảm được nạp năng lượng.

trong giai đoạn này điot D khóa và tải bị cắt hẳn khỏi nguồn, do đó năng lượng
cấp ra tải là nhờ điện dung C, vì vậy tụ điện C nhất thiết phải có ở bộ BXMC
song song.

6


Hình 1.4 Băm xung một chiều song song
Khi van Tr bị khóa năng lượng của cuộn kháng và của nguồn sẽ cấp ra tải
(dòng i2). Nhờ nhận thêm năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước trong điện cảm
nên điện áp trên tải sẽ lớn hơn điện áp nguồn E. Tụ C dùng để tích lũy năng
lượng và cấp cho Rt trong giai đoạn van Tr dẫn.
Phân tích cho thấy quy luật điện áp trên tải có dạng:

Ut=

–

(1.8)

Khảo sát cho thấy điện áp ra Ut có thể cao hơn nguồn E nếu như sụt áp trên
nội trở của nguồn nhỏ hơn 25

so với điện áp nguồn E. Điện áp tải lớn nhất có

thể đạt tới bằng :

Ut max =

(1.9)

1.Tham số chọn van Tr. Dòng trung bình qua van :
ITr =

It

ITr max=

It

(1.10)

Khi khóa van T chịu điện áp trên tụ C hay điện áp tải, suy ra :UTmax=UCmax=Utmax
7


2. Dòng trung bình qua cuộn cảm bằng tổng dòng trung bình qua van Tr:
Il= ITr + ID =

It

(1.11)

3. Tham số chọn điôt. Dòng trung bình qua điôt:
ID =IL – ITr =

It -

It = I t

(1.12)

Điôt khóa khi van Tr dẫn và chịu điện áp ngược là điện áp trên tụ C và do
đó trị số lớn nhất tương ứng: UDngmax = Ucmax = Utmax.
4. Tham số cuộn cảm L có thể tính toán, xuất phát từ biểu thức khi coi
rng=0:
Điện cảm tối thiểu để đảm bảo chế độ dòng điện liên tục:

L>

(1.13)

Điện cảm tính theo độ đập mạch dòng điện qua điện cảm:
L=

(1.14)

5.Tụ C tính gần đúng từ biểu thức sau:
C=

(1.15)

Giá trị I và Uc thông thường lấy dưới 20% giá trị It hoặc Ut.
8


1.2.3 Băm xung một chiều nối tiếp - song song
Bộ biến đổi xung áp loại này cho phép điều chỉnh điện áp ra Ut lớn hơn
hoặc nhỏ hơn điiện áp nguồn E . So với sơ đồ kiểu BXMC kiểu song song ta
thấy vị trí của van Tr và cuộn cảm L đã đổi chỗ cho nhau.

Hoạt động của mạch này như sau:
Trong khoảng (0 t0), khi van Tr dẫn, điện cảm L được nạp năng lượng trực
tiếp từ nguồn E bằng dòng i 1 với quy luật tương tự BXMC song song. Giai đoạn
này điôt D khóa và tải chỉ nhận năng lượng từ tụ điện C, vì vậy ở đây cũng cần
tụ C mắc song song với tải.
Trong giai đoạn còn lại: (t 0 T) van Tr khóa, cắt nguồn E ra khỏi mạch để
duy trì dòng điện theo chiều dòng điện theo chiều cũ của mình sức điện động tự
cảm của cuộn kháng L sẽ đủ lớn để điôt D dẫn và hình thành dòng điện i 2. Năng
lượng tích lũy trong điện cảm sẽ được phóng qua tải, tụ điện C cũng được nạp
năng lượng trong giai đoạn này. Lưu ý rằng với chiều dòng điện nạp cho tụ C là
i2 thì chiều điện áp trên tụ điện có dấu ngược lại với 2 lại BXMC đã xét, tức điện
áp Ut là âm .Và như vậy BXMC kiểu nối tiếp - song song cho phép tạo điện áp
tải âm từ một nguồn dương.
Quy luật điện áp ra tải:

U1=

Itrng

(1.16)

Đặc điểm của loại này là có thể điều chỉnh điện áp ra tải lớn hoặc nhỏ hơn
điện áp nguồn E.

9


Hình 1.5 Băm xung một chiều nối tiếp –song song
Các tham số chọn van:
1. Van Tr. Dòng trung bình qua van Tr;

ITr=

It

ITrmax=

It

(1.17)

Khi van Tr bị khóa phải chịu được điện áp bằng:
Ut = E + Uc = E + Ut
2. Điốt D. Dòng trung bình qua điốt:
ID =

It

ID =

It

(1.18)

Và điốt phải chịu 1 điện áp ngược lớn nhất lúc van Tr dẫn và bằng:
UD = E + Uc= E + Ut
3. Tham số cuộn cảm L có thể tính toán, xuất phát từ độ đập mạch dòng
điện qua điện cảm:
L=

(1.19)

Dòng trung bình qua điện cảm bằng tổng dòng qua tải và qua van Tr:

10


IL=ITr + ID =

It

(1.20)

Tụ C gần đúng từ biểu thức sau:
C=

γΙ t

(1.21)

∆U c f

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BĂM ÁP
1.3.1 Điều khiển theo phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM
Phương pháp thực hiện băm xung với tần số không đổi f = const, điện áp ra
tải thay đổi nhờ chỉ điều chỉnh độ rộng khoảng dẫn của van t o = var. Để thực
hiện điều này sử dụng sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh họa nguyên ký hoạt động
hình 1.5. Chức năng các khâu là:
- Khâu phát xung chủ đạo nhằm tạo dao động với tần số cố định nhằm đảm
bảo điều kiện băm xung với tần số không đổi.
- Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồng

thời đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số γ.
- Khâu so sánh tạo xung: so sánh điện áp răng cưa U rc với diện áp điều khiển
Udk, điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm t o. Do đó khi điện áp điều
khiển thay đổi sẽ làm thay đổi t o và do đó thay đổi tham số điều chỉnh γ.
Điện áp ra của khâu này có dạng xung tương ứng với giai đoạn van lực Tr
dẫn.
- Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra nhờ khâu so
sánh, đồng thời phải thực hiện việc ghép nối với van lực theo tính chất điều
khiển của van lực.
- Khâu tạo điện áp điều khiển theo luật công nghệ.

11


Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều theo phương pháp
PWM
1.3.2 Điều khiển theo phương pháp xung – tần
Phương pháp này ngược với kiểu PWM, cần phải thay đổi được tần số băm
xung trong khi khoảng dẫn của van lực Tr được giữ không đổi. Vì thế cấu trúc
điều khiển gồm các khâu sau đây (hình 1.6):
1. Khâu tạo điện áp điều khiển với chức năng tương tự mạch trước.
2. Khâu biến đổi U/f nhằm tạo dao động xung với tần số tỉ lệ thuận với điện
áp vào là điện áp điều khiển.
12


3. Khâu tạo khoảng dẫn không đổi cho van lực Tr, tức là to = const, với tần
số do bộ biến đổi U/f quyết định.
4. Khâu khuếch đại công suất.

Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều kiểu xung – tần

13


Chương 2
THIẾT KẾ MẠCH LỰC
2.1 YÊU CẦU KỸ THUẬT
Yêu cầu cơ bản của một một bộ băm xung một chiều:
- Chế độ dòng điện tải là chế độ dòng liên tục, vì vậy trong tính toán thiết
kế cũng dựa trên chế việc đảm bảo chế độ làm việc này cho băm xung
một chiều.
- Điện áp ra có thể thay đổi được do yêu cầu của bài toán đề ra điện áp vào
phải ổn định.
- Bộ băm xung phải làm việc ổn định và có công suất phù hợp với công
suất của tải.
- Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
- Đảm bảo các van đóng, mở an toàn tức là nhóm van này khóa chắc chắn
thì nhóm van còn lại mới được mở.
2.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Các phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ điện một chiều:
-

Thay đổi điện trở phụ.
Thay đổi từ thông.
Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng.

Trong các phương pháp trên ta thấy phương pháp thay đổi điện áp dặt vào
phần ứng là khả thi và tin cậy bởi vì dễ điều chỉnh và có đặc tính cơ cứng. Với
trình độ kỹ thuật bán dẫn ngày nay thì phương pháp này dễ dàng thực hiện và

đạt hiệu quả cao.
2.2.1 Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra
a. Phương pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung chủ yếu của phương pháp này là thay đổi t 1, giữ nguyên T. từ đó
dẫn tới giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
14


Utải =

= ε.Us

trong đó: ε =

là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu

kỳ.
Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh Ura là rộng (0 < ε ≤ 1)
b. Phương pháp xung – tần
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const. Khi đó:
Utải =

.Us = t1.f.Us

Vậy Ura = Us khi f =

và Ura = 0 khi f = 0

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên tức là vừa thay đổi độ
rộng xung vừa thay đổi tần số.

Trong thực tế phương pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến
hơn vì đơn giản hơn và không cần thiết bị biến tần đi kèm.
2.2.2 Chọn mạch lực
a) BXMC nối tiếp

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch
Đặc điểm của mạch:
Phần tử điều chỉnh được qui ước là khóa S (van bán dẫn có thể điều chỉnh
được. Đặc điểm của sơ đồ này là khóa S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp
15


Trong khoảng từ 0 đến t0 khi van dẫn điện, năng lượng của nguồn sẽ được
cấp cho phụ tải, nếu coi van là lý tưởng có: U t = E; vì dòng điện từ nguồn i1 cấp
cho tải Rt phải đi qua điện cảm L, nên điện cảm này sẽ được nạp năng lượng
trong giai đoạn van S dẫn.
Trong khoảng thời gian còn lại từ t 0 đến hết chu kỳ điều khiển, van Tr
khóa, điện cảm L phóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước, dòng điện qua L
vẫn theo chiều cũ và theo van đệm D (dòng i2), lúc này Ut = -UD ≈ 0.
Loại băm xung này còn được gọi là băm xung giảm áp. Có nghĩa là điện áp
đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào.
b) BXMC song song

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch
Đặc điểm của mạch:
Khóa S được mắc song song với tải, cuộn cảm L thì được mắc nối tiếp với
tải
Khi van S dẫn,toàn bộ điện áp nguồn được đặt vào cuộn cảm L và dòng
điện từ nguồn (dòng i1) chảy qua cuộn cảm và cuộn cảm được nạp năng lượng.
trong giai đoạn này điot D khóa và tải bị cắt hẳn khỏi nguồn, do đó năng lượng

cấp ra tải là nhờ điện dung C, vì vậy tụ điện C nhất thiết phải có ở bộ BXMC
song song.

16


Khi van S bị khóa năng lượng của cuộn kháng và của nguồn sẽ cấp ra tải
(dòng i2). Nhờ nhận thêm năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước trong điện cảm
nên điện áp trên tải sẽ lớn hơn điện áp nguồn E. Tụ C dùng để tích lũy năng
lượng và cấp cho Rt trong giai đoạn van Tr dẫn.
Vì vậy bộ băm xung này còn được gọi là bộ băm xung tăng áp.
c) BXMC nối tiếp – song song

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch
Đặc điểm của mạch:
Bộ biến đổi xung áp loại này cho phép điều chỉnh điện áp ra U t lớn hơn
hoặc nhỏ hơn điiện áp nguồn E. So với sơ đồ kiểu BXMC kiểu song song ta thấy
vị trí của van S và cuộn cảm L đã đổi chỗ cho nhau
Trong khoảng (0 t0), khi van S dẫn, điện cảm L được nạp năng lượng trực
tiếp từ nguồn E bằng dòng i1 với qui luật tương tự BXMC song song.Giai đoạn
này điôt D khóa và tải chỉ nhận năng lượng từ tụ điện C, vì vậy ở đây cũng cần
tụ C mắc song song với tải.
Trong giai đoạn còn lại: (t 0 T) van S khóa, cắt nguồn E ra khỏi mạch để
duy trì dòng điện theo chiều dòng điện theo chiều cũ của mình sức điện động tự
cảm của cuộn kháng L sẽ đủ lớn để điôt D dẫn và hình thành dòng điện i 2. Năng

17


lượng tích lũy trong điện cảm sẽ được phóng qua tải, tụ điện C cũng được nạp

năng lượng trong giai đoạn này.
d) Lựa chọn mạch lực
Với yêu cầu đề bài là “Thiết kế bộ băm áp một chiều tải của động cơ điện
một chiều có điện áp phần ứng là 220V một chiều có công suất là 5KW”
Từ các bộ băm xung một chiều đã nêu ra ở trên ta thấy bộ BXMC nối tiếp
có cấu tạo đơn giản nhất mạch lực chỉ gồm có van điều khiển S điốt D và cuộn
cảm L. Vì thế việc thiết kế cũng như chế tạo là đơn giản hơn cả, mà vẫn đáp ứng
đầy đủ yêu cầu của một bộ băm xung và yêu cầu của bài toán.
2.3 TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
Thông số thiết kế bộ BXMC: Công suất P = 5 KW
Điện áp phần ứng
Dòng điện tải

= 220 V

= 22.72 A

Phạm vi điều chỉnh = (0.5 – 0.9)
Tần số băm xung f = 500 HZ
Theo mạch BXMC nối tiếp ta có:

= .E ⇒ E =

Điện áp nhỏ nhất trên tải

min

=

=E.

min

(V)

= 244. 0,5 = 122 ( V )

Vì quy luật dòng điện biến thiên dạng hàm số mũ, nên tính toán chính xác
các trị số trung bình dòng qua van S và điốt sẽ cho các biểu thức phức tạp và
18


cũng không thuận tiện trong tính toán và cũng trong thực tế. Vì vậy thường dùng
phương pháp đơn giản hóa bằng cách coi dòng điện tuyến tính nên lúc đó ta có:
IT =
Ta có dòng trung bình qua van S và điốt là:
=

= γIT

=

= (1- γ)IT

Từ biểu thức trên ta thấy với cùng một dòng tải dòng điện qua van S sẽ lớn
nhất khi γ = γmax, ngược lại với γ = γmin thì dòng điện qua điốt D sẽ cực đại từ đây
ta tính được dòng qua van và điốt là:
Dòng trung bình qua van S lớn nhất là:
=

It = 0,9.22,72 = 20,45 (A)

Dòng trung bình qua điốt lớn nhất là:
IDmax = (1-

).It = (1- 0,5). 22.72 = 11,36 (A)

Điện áp lớn nhất mà van S chịu bằng điện áp nguồn E, điện áp ngược lớn
nhất qua điốt cũng bằng điện áp nguồn E = 244 V.
Điện cảm để đảm bảo chế độ dòng liên tục ở chế độ dòng liên tục là:

L>

E

19


It lấy theo giá trị Imin ở đây ta chưa biết giá trị Imin vì vậy cớ thể lấy 10% giá trị
của dòng tải định mức It.
Vậy giá trị điện cảm L cần tính là:

L>

=

= 26,84 ( mH )

Vậy chỉ cần lựa chọn cuộn cảm có giá trị L > 26,84 mH ta đã dảm bảo cho
chế độ dòng điện là liên tục.

2.4 LỰA CHỌN VAN
Ta chọn van IGBT cho mạch lực của bộ băm xung vì IGBT có những ưu
điểm sau:
+IGBT là phần tử kết hợp giữa khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET
và khả năng chịu quá tải lớn của Bipolar Transistor, tần số băm điện áp cao làm
cho động cơ chạy êm hơn.
+ Công suất điểu khiển yêu cầu cực nhỏ nên làm cho đơn giản đáng kể
thiết kế của các bộ phận biến đổi và làm cho kích thước hệ thống điều khiển
nhỏ, hơn nữa nó cũng làm cho tiết kiệm năng lượng điều khiển.
+ IGBT là phần tử đóng cắt với dòng áp lớn, nó đang dần thay thế
Transistor BJT và ngày càng thông dụng hơn. Do đó việc mua thiết bị cũng đơn
giản hơn. Cùng với sự phát triển của IGBT thì các IC chuyên dụng dùng để điều
khiển chúng (IGBT Driver) ngày càng phát triển và hoàn thiện do đó việc điều
khiển cũng chuẩn xác và việc thiết kế các mạch điều khiển cũng đơn giản và gọn
nhẹ hơn.
Dựa vào các thông số đã tính ở mục 2.3 ta chọn van:
Van IGBT ;W75N60T có các thông số như sau :
VCE = 600 V
20


IC = 75 A
P = 428 W

Lựa chọn điốt RURP 3060:

U = 600V
IF = 30 A
P = 125 W

RURP 3060

IGBT IGW75N60T

Hinh2.4 Sơ đồ van

2.5 BẢO VỆ VAN
21


Cần phải tôn trọng tỉ số giới hạn sử dụng đã định với từng phần tử như
điện áp ngược lớn nhất, giá trị trung bình lớn nhất đối với dòng điện, nhiệt độ
lớn nhất đối với thiết bị, thời gian khóa, thời gian mở…

a. Bảo vệ quá dòng điện
Thông thường IGBT được sử dụng trong những mạch đóng cắt tần số cao,
từ 2 đến hàng chục kHz. Ở tần số đóng cắt cao như vậy, những sự cố có thể phá
hủy phần tử rất nhanh và dẫn đến phá hỏng toàn bộ thiết bị. 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 lắp ráp.
Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm.
Tuy nhiên quá tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến
công suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt. Mặt
khác khi khóa IGBT lại trong một thời gian rất ngắn khi dòng điện rất lớn dấn
đến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áp trên collector, emiter, lập tức đánh
thủng phần tử. Trong sự cố quá dòng, không thể tiếp tục điều khiển IGBT bằng
những xung ngắn theo quy luật như cũ, cũng không đơn giản là ngắt xung điều
khiển để dập tắt dòng điện được.
Có thể ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột bằng cách sử dụng
các mạch dập RC, mắc song song với các phần tử. Tuy nhiên các mạch dập có

thể làm tăng kích thước và giảm độ tin cậy của thiết bị. Giải pháp tối ưu được
đưa ra là làm chậm lại quá trình khóa của IGBT, hay còn gọi là khóa mềm khi
phát hiện có sự cố dòng tăng quá mức cho phép.
Để van dẫn làm việc an toàn dòng điện làm việc của van không vượt qua
trị số cho phép, có thể làm mát vỏ van bán dẫn, gắn van bán dẫn lên cánh tản
nhiệt, làm mát cưỡng bức bằng quạt, bằng nước.
b. Bảo vệ quá điện áp cho thiết bị bán dẫn

22


Linh kiện bán dẫn nói chung và bán dẫn công suất noi riêng, rất nhạy cảm
với sự thay đổi của điện áp. Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới van bán dẫn
mà chúng ta cần có phương thức bảo vệ là:
• Điện áp đặt vào van lớn quá thong số của van.
• Xung điện áp do chuyển mạch van.
• Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là
do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây.
• Xung điện áp do cắt đột ngột biến áp non tải.
Để bảo vệ van khi làm việc dài hạn mà không bị quá điện áp, chúng ta cần
chọn đúng các van bán dẫn theo điện áp ngược.

Chương 3
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.1 YÊU CẦU CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Mạch điều khiển điều khiển băm xung áp một chiều cần được xây dựng
theo các yêu cầu sau:
- Tạo được xung mở IGBT có biên độ điện áp là +15V, độ rộng theo
yêu cầu điều khiển.
- Tạo được xung khóa IGBT có biên độ điện áp là -10V, độ rộng theo

yêu cầu.
- Tạo được 2 kênh điều khiển 2 nhóm van IGBT theo luật điều khiển đối
xứng.
- Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
- Đảm bảo các van đóng, mở an toàn tức là nhóm van này khóa chắc
chắn thì nhóm van còn lại mới được mở.
Tần số làm việc của mạch điều khiển là 500 Hz
3.2 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN

23


Mạch điều khiển sử dụng 4 nguồn cung cấp: nguồn ±E cho phần điều
khiển điện áp thấp và hai nguồn cho M57957L(+15V và -10V) cách ly với hai
nguồn trên.
Mạch điều khiển phụ thuộc vào phương pháp điều khiển. Ở đây ta điều
chinh theo phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM.

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều theo phương pháp
PWM
3.3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN

24


Hình 3.2 Sơ đồ điều khiển van lực IGBT cho băm xung một chiều không đảo
chiều
3.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
3.4.1 khâu phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa
 Khâu tạo điện áp răng cưa dùng dạng xung tam giác có dịch điện áp để

chuyển từ điện áp hai cực tính thành một cực tính.

25