Mô hình hóa và thiết kế các mạch vòng điều chỉnh

Do ó tiristor đ được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt v i iôt là ớ đphần tử không điều khiển được.. Trong th i gian tờ r điện áp gữa cực điều khiển và emitter tăng đến g

TRƯỜNG ĐẠ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

VIỆN Đ ỆN – BM TI Ự ĐỘNG HÓA XNCN

Tr ần Tr ng Minh, V Hoàng Ph ọ ũ ươ ng

THIẾ T KẾ ĐI U KHI N CHO CÁC B BI N Ề Ể Ộ Ế ĐỔI

Đ IỆN T CÔNG SU T Ử Ấ

MÔ HÌNH HÓA VÀ THI T K CÁC M CH VÒNG Ế Ế Ạ ĐIỀ U CH ỈNH

Hà N i – N m 2014 ộ ă

1.1 Gi ới thi u h th ng ệ ệ ố đ ều khi n b bi n i ể ộ ế đổi đ ện t công su i ử ất 1

MỤC L C Ụ

MỤC LỤC 1

DANH M C KÝ HI U VÀ CH VI T TỤ Ệ Ữ Ế ẮT 4

DANH M C BỤ ẢNG 5

DANH M C HÌNH VỤ Ẽ 6

MỞ ĐẦU 11

1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG Đ ỀU KHIỂN BỘ BI N I Ế ĐỔI Đ ỆI N TỬ CÔNG SU T 12Ấ 1.1 Giới thiệu hệ th ng ố điều khiển b biộ ến đổi điện tử công suất 12

1.2 Một s v n vố ấ đề ề đóng/ngắt cho Tiristor 13

1.2.1 Quá trình m Tiristor 14ở 1.2.2 Quá trình khóa tiristor 15

1.2.3 Các yêu c u i v i tín hi u ầ đố ớ ệ điều khiển tiristor 15

1.2.4 Mạch khu ch i xung m Tiristor 16ế đạ ở 1.3 Một s v n vố ấ đề ề điều khiển cho MOSFET, IGBT 17

1.3.1 Phân tích quá trình m / khóa i vở đố ới MOSFET 17

1.3.2 Phân tích quá trình m / khóa i vở đố ới IGBT 19

1.3.3 Mạch driver cho MOSFET và IGBT 20

2 HỆ THỐNG Đ ỀU I KHIỂN CÁC B Ộ BI N Ế ĐỔI PH Ụ THUỘCEquation Chapter (Next) Section 1 24

2.1 Driver cho h th ng ệ ố điều khi n các b bi n i ph thuể ộ ế đổ ụ ộc 24

2.1.1 Khối đồng pha và tạo điện áp tựa 25

2.1.2 Khâu so sánh 27

2.1.3 Khâu tạo xung 28

2.1.3.1 Khâu t o xung kép 28ạ 2.1.3.2 Khâu t o xung chùm 29ạ 2.1.4 Khâu khu ch ế đại xung 30

2.1.5 Ví d v m ch driver cho h th ng ụ ề ạ ệ ố điều khiển nhiều kênh 30

2.1.6 Sử d ng IC chuyên d ng làm driver cho ch nh l u ph thuụ ụ ỉ ư ụ ộc 32

2.2 Thiết kế hệ th ng ố điều khiển vòng kín cho ch nh lỉ ưu tiristor 35

2.2.1 Mô hình hóa kh i ố điều chế độ ộng xung 35 r 2.3 Kết quả mô phỏng 38

2.3.1 Chỉnh lưu cầu một pha 38

2.3.2 Chỉnh lưu cầu ba pha 39

2.3.2.1 Đ ềi u khi n vòng hở 39ể 2.3.2.2 Đ ềi u khi n vòng kín 40ể 2.4 Bài tập 41

3Equation Chapter 1 Section 1 HỆ THỐNG Đ ỀU KHIỂN BỘ BI N I Ế ĐỔI DC/DC 44 3.1 Phương pháp mô hình hóa b biộ ến đổi kiểu DC/DC 44

3.1.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái 44

3.1.2 Phương pháp trung bình hóa mạch óng cđ ắt 46

3.2 Mô hình toán h c b bi n i ki u buck 49ọ ộ ế đổ ể 3.2.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái 49

3.2.2 Phương pháp trung bình hóa mạch óng cđ ắt 52 3.3 Mô hình toán h c b bi n i ki u boost 53ọ ộ ế đổ ể

3.3.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái 53

3.3.2 Phương pháp trung bình hóa mạch óng cđ ắt 55

3.4 Mô hình toán h c b bi n i kiọ ộ ế đổ ểu buck – boost 57

3.4.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái 57

3.4.2 Phương pháp trung bình hóa mạch óng cđ ắt 59

3.5 Mô hình b bi n i DC/DC làm vi c trong chộ ế đổ ệ ế độ dòng điện gián đoạn (DCM) 59 3.5.1 Mô hình trung bình 59

3.6 Phương pháp điều khiển tuyến tính cho b biộ ến đổi DC/DC 63

3.6.1 Nguyên lý điều khiể điện áp (Voltage mode) 63n 3.6.2 Nguyên lý điều khiển dòng điện (Current mode) 63

3.6.2.1 Mô hình b bi n i DC/DC ộ ế đổ điều khiển theo nguyên lý dòng điện 64

3.6.3 Nhắc lại m t s kiộ ố ến th c vứ ề lý thuy t ế điều khiển tự động 66

3.6.4 Một s b bù s d ng trong c u trúc ố ộ ử ụ ấ điều khiển DC/DC converter 68

3.6.5 Tuyến tính hóa khâu điều chế độ rộng xung 73

3.7 Cấu trúc điều khiển tuy n tính cho b bi n i kiế ộ ế đổ ểu buck 74

3.7.1 Đ ềi u khi n tr c ti p 74ể ự ế 3.7.2 Đ ềi u khi n gián ti p 80ể ế 3.7.2.1 Đ ềi u khi n theo nguyên lý dòng đi n trung bình 80ể ệ 3.7.2.2 Đ ềi u khi n theo nguyên lý dòng đi n nh 83ể ệ đỉ 3.8 Bộ biến đổi kiểu boost 83

3.8.1 Đ ềi u khi n tr c ti p 83ể ự ế 3.8.2 Đ ềi u khi n gián ti p 86ể ế 3.9 Bài tập 89

3.10 Bộ biến đổi PFC 90

3.10.1 Sơ đồ m ch lạ ực 90

3.10.2 Cấu trúc điều khiển b bi n i PFC 91ộ ế đổ 3.10.2.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện 91

3.10.2.2 Thiết kề mạch vòng điện áp 92

3.10.3 Bài tập 92

4Equation Chapter (Next) Section 1 HỆ THỐNG Đ ỀU KHIỂN NGHỊCH L U I Ư ĐỘC LẬP 94 4.1 Sơ đồ m ch l c b bi n i ngh ch l u c lạ ự ộ ế đổ ị ư độ ập 94

4.2 Mô t toán h c ngh ch lả ọ ị ưu áp 94

4.2.1 Mô t toán h c ngh ch l u ngu n áp mả ọ ị ư ồ ột pha 94

4.2.2 Mô t toán h c ngh ch l u nguả ọ ị ư ồn áp ba pha 96

4.3 Phương pháp điều chế độ r ng xung cho ngh ch l u mộ ị ư ột pha 98

4.3.1 Phương pháp điều chế hai cực 98

4.3.2 Phương pháp điều chế đơn cực 99

4.3.3 Kết quả mô ph ng phỏ ương pháp điều chế độ r ng xung cho ngh ch lộ ị ưu một pha 102

4.4 Phương pháp điều chế độ r ng xung cho ngh ch lộ ị ưu ba pha 104

4.4.1 Phương pháp Sin PWM 104

4.4.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) 105

4.4.2.1 Khái ni m vector không gian 105ệ 4.4.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian 106

4.4.3 Kết quả mô ph ng phỏ ương pháp điều chế độ r ng xung cho ngh ch lộ ị ưu ba pha 114

4.5 Bù th i gian ch t deadtime trong ngh ch l u nguơ ế ị ư ồn áp 116

4.6 Xây d ng m ch vòng dòng ự ạ điện cho ngh ch l u ngu n áp mị ư ồ ột pha 116

1.1 Gi ới thi u h th ng ệ ệ ố đ ều khi n b bi n i ể ộ ế đổi đ ện t công su i ử ất 34.6.1 Thiết kế bộ điều ch nh dòng ỉ điện cho ngh ch lị ưu ngu n áp m t pha 116ồ ộ4.6.2 Ví d v thi t k m ch vòng dòng ụ ề ế ế ạ điện cho ngh ch l u ngu n áp m t phaị ư ồ ộ 1184.7 Xây d ng m ch vòng dòng ự ạ điện cho ngh ch l u nguị ư ồn áp ba pha 1184.7.1 Thiết kế bộ điều ch nh dòng ỉ điện cho ngh ch lị ưu ngu n áp ba pha 118ồ4.7.1.1 Thiết kề bộ điều ch nh dòng ỉ điện trên hệ t a ọ độ tĩnh αβ 1194.7.1.2 Thiết kề bộ điều ch nh dòng ỉ điện trên hệ t a ọ độ quay dq 1194.8 Bài tập 121

5 HỆ THỐNG Đ ỀU KHIỂN SỐ CHO B BII Ộ ẾN ĐỔI ĐIỆN T CÔNG Ử

SU TẤ Equation Chapter (Next) Section 1 1235.1 Nhắc lại kiến th c vứ ề điều khiển s 123ố5.1.1 Mô hình i t ng trên mi n gián đố ượ ề đoạn z 1235.2 Hệ th ng ố điều khiển s cho b biố ộ ến đổi điện tử công suất 1255.3 Yêu c u vầ ề độ phân gi i c a A/D và khâu ả ủ điều chế độ ộng xung 126 r5.3.1 Độ phân gi i của A/D 126ả5.3.2 Yêu c u phân gi i DPWM 127ầ độ ả5.3.3 Đồng bộ gi a thời đi m trích m u ADC và khung thời gian đi u ch ữ ể ẫ ề ế độrộng xung 1285.4 Mô hình hóa khâu điều chế độ ộ r ng xung 1295.5 Thiết kế mạch vòng điều ch nh s 130ỉ ố5.5.1 Phương pháp thiết kế gián tiếp 1305.5.1.1 Bộ biến đổi kiểu Buck 1315.5.1.2 Nghịch lưu ngu n áp m t pha 132ồ ộ5.5.2 Phương pháp thiết kế tr c tiự ếp 1335.5.2.1 Bộ biến đổi kiểu Buck 1335.5.2.2 Mạch vòng điều ch nh dòng ỉ điện ngh ch l u ngu n áp m t pha 135ị ư ồ ộ5.5.2.3 Bộ điều chỉnh dòng điện ngh ch l u ngu n áp m t pha ki u deadbeatị ư ồ ộ ể136

5.6 Chuẩn hóa bộ điều chỉnh 137TÀI LI U THAM KHỆ ẢO 140PHỤ LỤC 141

u in , U in V Điệ n áp trung bình và xác l p ậ đầ u vào b bi n ộ ế đổ i DC/DC

u C , U C V Điệ n áp trung bình và xác l p trên t C ậ ụ

i L , I L V Dòng điệ n trung bình và xác l p ch y qua cu n c m L ậ ả ộ ả

*

L

i A Lượng t dòng đặ điện qua cu n c m b bi n i DC/DC ộ ả ộ ế đổ

d, D Hệ s ố điề u ch và giá tr xác l p c a nó ế ị ậ ủ

ˆi A Biến thiên tín hi u nh ệ ỏ dòng điện quanh điể m làm vi c xác l p ệ ậ

1.1 Gi ới thi u h th ng ệ ệ ố đ ều khi n b bi n i ể ộ ế đổi đ ện t công su i ử ất 5

B

Bng 5.1ng 5.1 Các phương pháp gián đoạn 131

DANH M C HÌNH V Ụ Ẽ

Hình 1.1 H th ng ệ ố điều khiể điện t công su t tiêu bin ử ấ ểu 12

Hình 1.2 So sánh t ng i v các ph n t van bán dươ đố ề ầ ử ẫn 13

Hình 1.3 Đặc tính von-ampe c a tiristor 13 ủ Hình 1.4 D ng ạ điện áp và dòng điện c a Tiristor trong quá trình óng củ đ ắt 15

Hình 1.5 Sơ đồ ạ m ch nguyên lý tiêu bi u m Tiristor, (a) dùng bi n áp xung, (b) Dùng ể ở ế IC cách ly 16 Hình 1.6 M ch ạ điều khiển m MOSFET 17 ở Hình 1.7 Đồ th d ng xung dòng ị ạ điệ điện, n áp trên MOSFET (a) Quá trình điều khi n ể mở, (b) Quá trình điều khiển khóa 18

Hình 1.8 Sơ đồ ử th nghi m c tính ệ đặ đóng/mở IGBT 19

Hình 2.1 C u trúc c a h th ng driver cho các b bi n i ph thuấ ủ ệ ố ộ ế đổ ụ ộc 24

Hình 2.2 Gi i h n góc ớ ạ điều khiển 24

Hình 2.3 Đ ệi n áp t a d ng r ng c a s n xu ng 26 ự ạ ă ư ườ ố Hình 2.4 Đ ệi n áp t a d ng r ng c a s n lên 26 ự ạ ă ư ườ Hình 2.5 Đ ệi n áp t a dự ạng cosin 27

Hình 3.1 Mô t b bi n i DC/DC, a) m ch l c b bi n i DC/DC, b) Mô hình b ả ộ ế đổ ạ ự ộ ế đổ ộ biến đổi DC/DC tại điểm xác lập, c) Mô hình trung bình b biộ ến đổi DC/DC 47

Hình 3.2 M ng ạ điện hai c a, a) tín hiử ệu trung bình, b) M ch ạ điệ điện n t ng ươ đương được tuyến tính t i đi m làm vi c cân b ng 48 ạ ể ệ ằ Hình 3.3 Mô hình trung bình b bi n i DC/DC, a)B bi n i Buck, b)B bi n i ộ ế đổ ộ ế đổ ộ ế đổ Boost 49 Hình 3.4 Sơ đồ ạ m ch điện b bi n i ki u buck (ộ ế đổ ể a), Sơ đồ ạ m ch điện b bi n i ki u ộ ế đổ ể buck trong thái 1( ), Sb ơ đồ ạ m ch điện b bi n i ki u buck trong thái 2 (ộ ế đổ ể c) 49

Hình 3.5 M ch ạ điện mô t b bi n i Buck v i tín hi u nhả ộ ế đổ ớ ệ ỏ 52

Hình 3.6 Sơ đồ ạ m ch điện b bi n i ki u boost (ộ ế đổ ể a), Sơ đồ ạ m ch điện b bi n i ki u ộ ế đổ ể boost trong thái 1( ), Sb ơ đồ ạ m ch điện b bi n i ki u boost trong thái 2 (ộ ế đổ ể c) 53

Hình 3.7 M ch ạ điện mô t b bi n i Boost v i tín hi u nhả ộ ế đổ ớ ệ ỏ 56

Hình 3.8 Sơ đồ ạ m ch điện b bi n i ki u buck - boost (ộ ế đổ ể a), Sơ đồ ạ m ch điện b bi n ộ ế đổi ki u buck - boost trong thái 1( ), Sể b ơ mạch đi n bộ bi n i ki u buck - boost trong đồ ệ ế đổ ể thái 2 ( ) 57 c Hình 3.9 Sơ đồ ạ m ch l c b bi n i Buck 60 ự ộ ế đổ Hình 3.10 D ng ạ điện áp và dòng điện b bi n i Buck trong chộ ế đổ ế độ DCM 60

Hình 3.11 M ch ạ điệ ươn t ng đương b bi n i Buck (DCM) v i tín hi u trung bình 62 ộ ế đổ ớ ệ

1.1 Gi ới thi u h th ng ệ ệ ố đ ều khi n b bi n i ể ộ ế đổi đ ện t công su i ử ất 7

Hình 3.12 M ch ạ điệ ươn t ng đương b bi n i Buck (DCM) tr ng thái xác lộ ế đổ ở ạ ập 62

Hình 3.13 C u trúc ấ điều khiển tuy n tính cho b bi n i DC/DC, ế ộ ế đổ a) điều khiển tr c ti p ự ế(direct mode), ) b điều khi n gián ti p (indirect mode) 64 ể ế

Hình 3.23 K t qu mô ph ng Buck converter s d ng bế ả ỏ ử ụ ộ bù (3.94) 78

Hình 3.24 K t qu mô ph ng Buck converter s d ng b bù (3.124) khi ế ả ỏ ử ụ ộ điện áp ngu n có ồ

đập m ch với biên 1V, t n số 100Hz 78 ạ độ ầ

Hình 3.25 K t qu mô ph ng Buck converter s d ng bế ả ỏ ử ụ ộ bù (3.124) 79

Hình 3.26 K t qu mô ph ng Buck converter s d ng b bù (3.124) khi ế ả ỏ ử ụ ộ điện áp ngu n có ồ

Hình 3.35 K t qu mô ph ng b Boost theo nguyên lý ế ả ỏ ộ điều khi n ể điện áp 86

Hình 3.36 C u trúc ấ điều khiển gián ti p theo nguyên lý dòng ế điệ đỉn nh b bi n i ki u ộ ế đổ ểBoost 86

Hình 3.37 Đồ th bode c a hàm truy n t ị ủ ề đạ G ui s bi n i kiế đổ ểu Boost 87

Hình 3.38 Đồ th bode c a hàm truy n t ị ủ ề đạ G s và b bù (3.103) bi n i ki u Boost 88 ộ ế đổ ể

Hình 3.39 K t qu mô ph ng b bi n i Boost theo nguyên lý ế ả ỏ ộ ế đổ điều khiển dòng điện đỉnh` 88

Hình 4.1 Sơ đồ m ch l c nghạ ự ịch l u ư độc l p ki u ngu n áp, a) M t pha, b) Ba ậ ể ồ ộpha 94

Hình 4.2 Mô hình ngh ch l u ngu n áp m t pha ị ư ồ ộ được mô t b i khóa chuy n ả ở ểmạch 95

Hình 4.3 Mô hình ngh ch lị ưu nguồn áp ba pha được mô t b i khóa chuy n ả ở ểmạch 96

Hình 4.4 Giải pháp đ ều chế độ rộng xung cho nghịch l u m t pha, a) i ư ộ Đ ều i

chế lưỡng c c, b) ự Đ ều chế đơn cực 98iHình 4.5 Dạng sóng điện áp theo phương pháp điều ch hai c c, a) Sóng mang ế ự

và tín hi u ệ điều khi n, b) ể Điện áp u ra m ch ngh ch lđầ ạ ị ưu 99Hình 4.6 Trạng thái m ch nghạ ịch l u theo phư ương pháp đ ều ch hai c c 99i ế ưHình 4.7 Dạng sóng điện áp theo phương pháp điều chế đơn c c, a) Sóng ựmang và tín hi u ệ điều khi n, b) ể Điện áp u ra m ch ngh ch lđầ ạ ị ưu 100Hình 4.8 Trạng thái m ch nghạ ịch l u trong phư ương pháp đ ều chế đơn c c 100i ựHình 4.9 Biểu đồ vector c a kủ ỹ thu t ậ đ ều ch vector i ế đơn cực 101Hình 4.10 Mẫu xung chu n a ra ngh ch l u m t pha, a) n a chu k d ng, b) ẩ đư ị ư ộ ử ỳ ươnưa chu kỳ âm 102Hình 4.11 Kết qu mô ph ng v i ph ng pháp ả ỏ ớ ươ điều ch l ng cế ưỡ ực 103Hình 4.12 Kết qu mô ph ng v i ph ng pháp ả ỏ ớ ươ điều chế đơn cực 104Hình 4.13 Giải pháp đ ều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha 104iHình 4.14 Quỹ đạo vector không gian trên m t ph ng ặ ẳ αβ 106Hình 4.15 Trạng thái m ch nghạ ịch lưu nguồn áp tương ứng vector chu n 108ẩ

1.1 Gi ới thi u h th ng ệ ệ ố đ ều khi n b bi n i ể ộ ế đổi đ ện t công su i ử ất 9

Hình 4.16 Vị trí vector chu n trên h t a tẩ ệ ọ độ ĩnh αβ 109

Hình 4.17 Mối quan h gi a các sector và ệ ữ điện áp t c th i uứ ờ sa, usb, usc 109

Hình 4.18 Thuật toán xác định vector đ ện áp đặt trong mỗi sector 110i Hình 4.19 Vector điện áp đượ điềc u chế trong Sector 1 110

Hình 4.20 Trạng thái logic c a vector chuủ ẩn trong Sector 1 111

Hình 4.21 Mẫu xung chuẩn trong Sector 1 112

Hình 4.22 Các m u xung chu n a ra trong mẫ ẩ đư ỗi sector 113

Hình 4.23 Quĩ đạo vector đ ện áp theo phương pháp đ ều chế độ r ng xung cho i i ộ nghịch lưu ba pha nguồn áp 114

Hình 4.24 Kết qu mô ph ng v i ph ng pháp ả ỏ ớ ươ điều chế sinPWM 115

Hình 4.25 Kết qu mô ph ng v i ph ng pháp ả ỏ ớ ươ điều ch vector không gian 115ế Hìn Hình 4.26h 4.26 Sơ đồ m ch ạ đ ện thay th mi ế ạch vòng dòng đ ện nghịch li ưu nguồn áp một pha 116 Hình 4.27 Mô t toán h c m ch vòng ả ọ ạ điều khiển dòng điện 116

Hình 4.28 Sơ đồ m ch ạ đ ện thay th mi ế ạch vòng dòng đ ện nghịch li ưu nguồn áp ba pha 118 Hình 4.29 Biểu đ ện vector đ ện áp và dòng đ ện trên các h tr c t a i i i ệ ụ ọ độ 119

Hình 4.30 Cấu trúc điều khi n dòng ể điện trên h t a tệ ọ độ ĩnh αβ 119

Hình 4.31 Cấu trúc điều khi n dòng ể điện trên h t a ệ ọ độ quay dq 121

Hình 5.1 Hê th ng ố điều khiể ố 126n s Hình 5.2 Biểu di n d liễ ữ ệu vào ADC 126

1.1 Gi ới thi u h th ng ệ ệ ố đ ều khi n b bi n i ể ộ ế đổi đ ện t công su i ử ất 11

1 GI I THI U H TH NG Ớ Ệ Ệ Ố ĐIỀU KHIỂ N B BI N Ộ Ế ĐỔ I

Như đã biết, các b biộ ến đổi bán dẫn sử d ng các phụ ần tử bán dẫn công suất như các khoá điện t , dùng n i t i vào ngu n theo nh ng quy lu t nh t nh, trong nh ng ử để ố ả ồ ữ ậ ấ đị ữkhoảng thời gian nh t nh, nhờ đó mà bi n i ấ đị ế đổ được các thông s c a ngu n ố ủ ồ điệ đn, áp ng ứcác yêu c u khác nhau c a ph t i c ng nh các yêu c u vầ ủ ụ ả ũ ư ầ ề điều ch nh khác nhau Các ỉphần tử công suất óng cđ ắt các dòng điện, có thể rất l n, hàng trớ ăm đến hàng nghìn A, dưới

điện áp có th r t cao, t vài ch c đếể ấ ừ ụ n vài tr m V, tuy nhiên l i ă ạ được iềđ u khi n bởi nh ng ể ữdòng điện, điện áp r t nh , t o ra b i nh ng m ch ấ ỏ ạ ở ữ ạ điệ ửn t công su t nh thông th ng ấ ỏ ườNgoài ra quy lu t óng c t c a các ph n t công su t trong b bi n i c ng hoàn toàn do ậ đ ắ ủ ầ ử ấ ộ ế đổ ũcác m ch ạ điệ ử ửn t x lý tín hi u t o ra G i là x lý tín hi u vì ệ ạ ọ ử ệ ở đây công su t hoàn toàn ấkhông có ý ngh a gì, ch có giá tr , m c tín hi u và hình d ng là c n thi t mà thôi Vì v y, ĩ ỉ ị ứ ệ ạ ầ ế ậ

hệ thống điều khiển đóng vai trò h t s c quan trế ứ ọng trong m b o s ho t ng cđả ả ự ạ độ ủa các bộ biến đổi

1.1 Gi i thi u h th ớ ệ ệ ố ng i u khiể đ ề n b bi n ộ ế đổ điệ i n t công su t ử ấ

Một h th ng ệ ố điều khiển b bi n i ộ ế đổ điệ ửn t công su t ng d ng trong các l nh v c: b ấ ứ ụ ĩ ự ộbiến đổi n i lố ưới, b biộ ến đổi làm việc v i tớ ải độc lập được ch ra trên ỉ Hình 1.1 bao g m: ồ+ M ch phát xung m van bán d n (driver) ạ ở ẫ

+ Th c hi n ch c n ng ự ệ ứ ă điều ch , phân ph i xung ế ố

+ Th c hi n các bự ệ ộ điều ch nh trong m ch vòng kín ỉ ạ

+ M ch o l ng và b o v ạ đ ườ ả ệ

+ H th ng ệ ố điều khiển c p trên: Giám sát, a ra l ng t ấ đư ượ đặ điều khi n ể

Hình 1.1 Hệ thống điề u khiển iện t công su đ ử ất tiêu biểu

1.2 Một s v n v ố ấ đề ề đóng/ngắ t cho Tiristor 13Các van bán n đẫ đượ ử ục s d ng chia thành 2 lo i chính: ạ

+ Van bán d n chẫ ỉ điều khiể đượn c quá trình óng mà không đ điều khiể đượn c quá trình ngắt (Tiristor)

+ Van bán d n ẫ điều khiể đượ ản c c quá trình óng và quá trình ng t: MOSFET, IGBT đ ắPhạm vi ứng d ng c a các van bán dụ ủ ẫn này c ng rũ ất khác nhau ph thu c vào khụ ộ ả năng chịu điện áp và dòng iên đ

1.2 M t s v n ộ ố ấ đề ề đóng/ngắt cho Tiristor v

Tiristor là ph n t bán d n c u t o t b n l p bán d n ầ ử ẫ ấ ạ ừ ố ớ ẫ p-n-p-n, tạo ra ba ti p giáp ế p-n J 1 ,

J 2 , J 3. Tiristor có ba c c : anôt A, catôt K, c c ự ự điều khiển G

Đặc tính vôn- mpe c a m t tiristor g m hai ph n ă ủ ộ ồ ầ Hình 1.3 Ph n th nh t n m trong ầ ứ ấ ằgóc ph n th t th I là c tính thu n t ng ng v i tr ng h p ầ ứ ư ứ đặ ậ ươ ứ ớ ườ ợ điện áp U AK >0, phần thứ hai n m trong góc ph n t th III, g i là c tính ng c, t ng ng v i tr ng h p ằ ầ ư ứ ọ đặ ượ ươ ứ ớ ườ ợ UAK <0

Trường h p dòng ợ điệ n vào c c ự điều khiể n b ng không (I ằ =0)

Khi dòng vào c c ự điều khi n c a tiristor b ng 0 hay khi h m ch c c ể ủ ằ ở ạ ự điều khiển tiristor

sẽ c n tr dòng ả ở điệ ứn ng v i c hai tr ng h p phân c c ớ ả ườ ợ ự điện áp gi a anôt-catôt Khi ữ điện

áp UAK<0 theo c u t o bán d n c a tiristor hai ti p giáp J1, J3 u phân c c ng c, l p J2 ấ ạ ẫ ủ ế đề ự ượ ớphân c c thu n, nh v y tiristor s gi ng nh hai iôt m c n i ti p b phân c c ng c Qua ự ậ ư ậ ẽ ố ư đ ắ ố ế ị ự ượtiristor s ch có m t dòng ẽ ỉ ộ điệ ấn r t nh ch y qua, g i là dòng rò Khi Uỏ ạ ọ AK t ng t n m t ă đạ đế ộgiá trị điện áp l n nh t Uớ ấ ng,max sẽ x y ra hi n t ng tiristor b ánh th ng, dòng ả ệ ượ ị đ ủ điện có th ểtăng lên r t l n Gi ng nhấ ớ ố ư ở đoạ đặn c tính ng c c a iôt quá trình b ánh th ng là quá ượ ủ đ ị đ ủtrình không thể đảo ng c ượ được, ngh a là n u có gi m ĩ ế ả điện áp UAK xu ng d i m c ố ướ ứUng,max thì dòng điện c ng không gi m ũ ả được v m c dòng rò Tiristor ã b h ng ề ứ đ ị ỏKhi t ng ă điện áp anôt-catôt theo chi u thu n, Uề ậ AK>0, lúc u c ng ch có m t dòng đầ ũ ỉ ộ điện rất nh ch y qua, gỏ ạ ọi là dòng rò Điện trở t ng ươ đương m ch anôt-catôt v n có giá trạ ẫ ị r t ấlớn Khi ó ti p giáp Jđ ế 1, J3 phân c c thu n, Jự ậ 2 phân c c ng c Cho n khi Uự ượ đế AK t ng t ă đạ

đến giá trị đi n áp thu n lớn nh t, Uệ ậ ấ th,max, s x y ra hi n t ng ẽ ả ệ ượ điện tr t ng ở ươ đương m ch ạanôt-catôt t ng t gi m, dòng độ ộ ả điện ch y qua tiristor s ch b gi i h n b i ạ ẽ ỉ ị ớ ạ ở điện tr m ch ở ạngoài N u khi ó dòng qua tiristor có giá tr l n h n m t m c dòng t i thi u, g i là dòng ế đ ị ớ ơ ộ ứ ố ể ọduy trì Idt, thì khi ó tiristor s d n dòng trên đ ẽ ẫ đường c tính thu n, gi ng nhđặ ậ ố ư đường c đặtính thu n ậ ở điôt Đoạ đặn c tính thu n ậ đượ đặc c tr ng b i tính ch t dòng có th có giá tr ư ở ấ ể ịlớn nh ng ư điện áp r i trên anôt-catôt thì nh và h u nh không ph thu c vào giá tr c a ơ ỏ ầ ư ụ ộ ị ủdòng điện

Tr ường h p có dòng ợ đ ện vào c c i ự điều khiể n (I G >0)

Nếu có dòng điều khiển đưa vào gi a cữ ực điều khiển và catôt quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ x y ra s m h n, trả ớ ơ ước khi điện áp thu n ậ đạt đến giá tr ịlớn nh t, Uth.max ấ Điều này được mô t trên Hình 1.3 b ng nh ng ả ằ ữ đường nét t, ng v i đứ ứ ớcác giá tr dòng ị điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3, Nói chung nếu dòng điều khiể ớn l n hơn thì điểm chuy n c tính làm vi c s x y ra v i Uể đặ ệ ẽ ả ớ AK nh h n ỏ ơ

Tình hình x y ra trên ả đường c tính ng c s không có gì khác so v i tr ng hđặ ượ ẽ ớ ườ ợp dòng điều khiển b ng 0 ằ

Tiristor có c tính gi ng nhđặ ố ư điôt, ngh a là ch cho phép dòng ch y qua theo m t chi u, t ĩ ỉ ạ ộ ề ừanôt n catôt và c n tr dòng ch y theo chi u ng c l i Tuy nhiên khác v i iôt, đế ả ở ạ ề ượ ạ ớ đ đểtiristor có th d n dòng ngoài ể ẫ điều ki n ph i có ệ ả điện áp UAK>0 còn c n thêm m t sầ ộ ố điều kiện khác Do ó tiristor đ được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt v i iôt là ớ đphần tử không điều khiển được

đến giá trị Uth,max V l i nh vậy s x y ra tr ng h p tiristor t m ra d i tác d ng ả ạ ư ẽ ả ườ ợ ự ở ướ ụcủa các xung điện áp tại m t th i ộ ờ điểm ngẫu nhiên, không định trước

Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp d ng thụ ực tế, là đư a một xung dòng đi n có ệ giá tr nh t ị ấ định vào giữ a c c ự điề u khi n và catôt ể Xung dòng điệ điều khiển n s chuy n ẽ ểtrạng thái c a tiristor tủ ừ tr kháng cao sang tr kháng thở ở ấp mở ức điện áp anôt-catôt nh ỏKhi ó n u dòng qua anôt-catôt l n h n m t giá tr nh t nh, g i là dòng duy trì (Idt) thì đ ế ớ ơ ộ ị ấ đị ọtiristor s ti p t c trong tr ng thái m d n dòng mà không c n n s t n t i c a xung ẽ ế ụ ở ạ ở ẫ ầ đế ự ồ ạ ủdòng điều khiển n a ữ Đ ề i u này nghĩa là có th ể điề u khi n m các tiristor b ng các xung ể ở ằ

1.2 Một s v n v ố ấ đề ề đóng/ngắ t cho Tiristor 15

dòng có độ rộ ng xung nh ất đị nh, do đó công su t c a m ch ấ ủ ạ điề u khi n có th là r t nh , so ể ể ấ ỏ với công su t c a m ch l c mà tiristor là m t ph ấ ủ ạ ự ộ ần t ử đóng cắ t, kh ng ch ố ế dòng điện

1.2.2 Quá trình khóa tiristor

Một tiristor ang d n dòng s tr v tr ng thái khóa (đ ẫ ẽ ở ề ạ điện tr t ng ở ươ đương m ch anôt-ạcatôt t ng cao) nă ếu dòng điện gi m xu ng, nh h n giá tr dòng duy trì, Idt Tuy nhiên ả ố ỏ ơ ị đểtiristor v n tr ng thái khóa, v i tr kháng cao, khi ẫ ở ạ ớ ở điện áp anôt-catôt l i d ng (Uạ ươ AK > 0) cần phải có m t th i gian nhộ ờ ất định để các l p tiớ ếp giáp ph c h i hoàn toàn tính chụ ồ ất cản trở dòng điện c a mình ủ

Khi tiristor d n dòng theo chi u thu n, UAK > 0, hai l p ti p giáp Jẫ ề ậ ớ ế 1, J3 phân c c ựthuận, các điện tích i qua hai l p này d dàng và l p y ti p giáp J2 ang b phân c c đ ớ ễ ấ đầ ế đ ị ựngược Vì v y mà dòng ậ điện có thể ch y qua ba l p tiả ớ ếp giáp J1, J2, J3 Để khóa tiristor l i ạcần giảm dòng anôt-catôt về dưới mức dòng duy trì (Idt) b ng cách ho c ằ ặ là i chi đổ ều dòng

đ iện ho c áp m t iệ ặ ộ đ n áp ng ượ c lên giữa anôt và catôt c a tiristor Sau khi dòng v b ng ủ ề ằkhông phải t m t đặ ộ điện áp ng c lên anôt-catôt (Uượ AK < 0) trong m t kho ng th i gian t i ộ ả ờ ốthiểu, g i là th i gian ph c h i (tọ ờ ụ ồ rr), ch sau ó tiristor m i có th c n tr dòng ỉ đ ớ ể ả ở điện theo c ảhai chi u Trong th i gian ph c h i có m t dòng ề ờ ụ ồ ộ điện ng c ch y gi a catôt và anôt Dòng ượ ạ ữ

điện ng c này di t n các iện tích ra kh i tiếp giáp Jượ ả đ ỏ 2 và n p ạ điện cho tụ điện t ng ươđương của hai ti p giáp Jế 1, J3 được ph c h i Th i gian ph c h i ph thu c vào l ng ụ ồ ờ ụ ồ ụ ộ ượ điện tích c n ầ được di t n ra ngoài c u trúc bán d n c a tiristor và n p ả ấ ẫ ủ ạ điện cho ti p giáp Jế 1, J3

đến đi n áp ng c t i thời đi m đó ệ ượ ạ ể

1.2.3 Các yêu c u ầ đối vớ i tín hi u ệ điề u khi n tiristor ể

Quan h gi a ệ ữ điện áp trên c c ự điều khiển và catôt (UGK) v i dòng ớ điệ đn i vào c c ự điều khiển (IG) xác nh các yêu c u đị ầ đối v i tín hi u ớ ệ điều khiển tiristor V i cùng m t lo i ớ ộ ạtiristor nhà s n xu t s cung c p m t hả ấ ẽ ấ ộ ọ đặc tính điều khiển, ví d nhụ ư ở trên Error! Reference source not found., trên ó có th th y đ ể ấ được các c tính gi i h n vđặ ớ ạ ề điện áp và dòng điện nh nh t, ng v i m t nhi t môi tr ng nh t nh mà tín hi u ỏ ấ ứ ớ ộ ệ độ ườ ấ đị ệ điều khiển ph i ả

đảm b o mở ả để được chắc ch n một tiristor Dòng đi u khi n đi qua ti p giáp p-n gi a c c ắ ề ể ế ữ ự

điều khiển và catôt c ng làm phát nóng tiếũ p giáp này Vì vậy tín hi u iềệ đ u khi n c ng phải ể ũ

bị h n ch v công su t Công su t gi i h n c a tín hi u ạ ế ề ấ ấ ớ ạ ủ ệ điều khi n ph thu c r ng c a ể ụ ộ độ ộ ủxung điều khiển N u tín hi u ế ệ điều khiển là m t xung có r ng càng ng n thì công su t ộ độ ộ ắ ấcho phép có th càng l n ể ớ

Yêu c u v tín hi u ầ ề ệ điều khiển tiristor [2]:

+ Đủ công su t th hi n biên ấ ể ệ độ điệ n áp (U GK ), dòng điệ n (I GK )

+ Độ ộ r ng xung là m t yêu c ộ ầu quan tr ng ọ để đả m b ảo dòng I

V v ượ t qua giá tr dòng ị duy trì I

h , để khi ng t xung van v n gi ắ ẫ ữ đượ c tr ng thái d n Th c t , ạ ẫ ự ế độ ộng xung điề r u khiển ch c n c ỉ ầ ỡ 500µs là đảm b o m ả ở van với các d ng t i ạ ả

+ Có s ườ n xung d c ố đứng để ở m van chính xác vào th i ờ điể m qui nh, th đị ườ ng t c ố độ tăng điện áp điều khi n ph i t 10V/µs, t c t ể ả đạ ố độ ăng dòng điề u khi n 0,1A/µ s ể

1.2.4 M ch khu ch ạ ế đạ i xung m Tiristor ở

Hình 1.5 Sơ đồ m ch nguyên lý tiêu bi u m Tiristor, (a) dùng bi n áp xung, (b) Dùng IC ạ ể ở ế

cách ly

Sơ đồ tiêu bi u c a m t m ch khu ch i xung ể ủ ộ ạ ế đạ điều khiển tiristor được cho trên Hình 1.5 Sơ đồ Hình 1.5a được gi i thích nh sau: Khóa transistor T ả ư được điều khi n bởi một ểxung có r ng nh t nh, óng c t độ ộ ấ đị đ ắ điện áp phía s c p bi n áp xung Xung ơ ấ ế điều khiển

đư đếa n c c đi u khi n của tiristor ở phía bên cuộn th c p Nh vậy m ch l c ự ề ể ứ ấ ư ạ ự được cách

ly hoàn toàn v i m ch ớ ạ điều khiển b i bi n áp xung ở ế Điện tr R h n ch dòng qua transistor ở ạ ế

và xác nh n i tr c a ngu n tín hi u đị ộ ở ủ ồ ệ điều khiể Đn iôt D1 ng n m ch cu n s c p bi n áp ắ ạ ộ ơ ấ ếxung khi transistor T khóa l i ch ng quá áp trên T iôt D2 ng n xung âm vào c c ạ để ố Đ ă ự điều khiể Đn iôt D3 m c song song với cực điềắ u khi n và có th song song với tụ C có tác dụng ể ểgiảm quá áp trên tiếp giáp G-K khi tiristor b phân cị ực ngược

1.3 Một s v n v ố ấ đề ề điề u khi n cho MOSFET, IGBT ể 17

Hình 1.6 Ví d m ụ ột m ch khu ch i xung th c t m Tiristor ạ ế đạ ự ế ở

Bài tập: Tính ch n ph n t m ch K X ọ ầ ử ạ Đ Hình 1.5a cho m t Tiristor v i yêu c u: Iộ ớ ầ G = 0,2A; UGK = 5V; r ng xung là 100µs độ ộ

1.3 M t s v n ộ ố ấ đề ề điề v u khi n cho MOSFET, IGBT ể

1.3.1 Phân tích quá trình m / khóa ở đối vớ i MOSFET

Giả sử ta xét quá trình m MOSFET, làm vi c v i t i tr cở ệ ớ ả ở ảm, có điôt không Đây là chế độ làm việc tiêu bi u c a các khóa bán dể ủ ẫn Sơ đồ và đồ th dị ạng dòng điện, điện áp của quá trình m MOSFET ở được th hiể ện trên Hình 1.7 Tải cảm trong sơ đồ thể hiện bằng

nguồn dòng n i song song ngố ược v i iôt dớ đ ưới điện áp m t chiộ ều VDD MOSFET được

điều khiển bởi u ra của vi mạch DRIVER d i ngu n nuôi Vđầ ướ ồ CC, n i ti p qua ố ế điện tr ở

RGext C c ự điều khiển có điện tr n i Rở ộ Gin Khi có xung d ng ươ ở đầu vào c a DRIVER ủ ở

đầu ra của nó s có xung với biên Vẽ độ P đưa n tr Rđế ở Gext

Như v y Uậ GS s t ng v i h ng s th i gian xác nh b i Tẽ ă ớ ằ ố ờ đị ở 1 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS +

CGDl), trong ó t Cđ ụ GD đang m c th p Cở ứ ấ GDl do điện áp UDS đang m c cao ở ứ

Theo th , trong kho ng th i gian t 0 n tđồ ị ả ờ ừ đế 1, t (Cụ GS + CDSl) được n p theo quy lu t ạ ậhàm m t i giá tr ng ng Uũ ớ ị ưỡ GS(th) Trong kho ng này cả ả điện áp UDS l n dòng Iẫ D đều ch a ưthay i tđổ d(on) = t1 g i là th i gian tr khi m B t u t th i ọ ờ ễ ở ắ đầ ừ ờ điểm t1 khi UGS đã v t qua ượgiá tr ng ng, dòng c c máng Iị ưỡ ự D bắt u t ng, tuy nhiên đầ ă điện áp UDS v n gi nguyên giá ẫ ữ ởtrị điện áp ngu n Vồ DD

Trong kho ng tả 1 đến t2 dòng ID t ng tuy n tính r t nhanh, t n giá tr dòng t i T tă ế ấ đạ đế ị ả ừ 2trở đi, khi UGS đạt n m c, g i là m c Miller, đế ứ ọ ứ điện áp UDS b t u gi m r t nhanh Trong ắ đầ ả ấkhoảng t từ 2 đến t4 điện áp UGS b g m m c Miller, do ó dòng Iị ă ở ứ đ G c ng có giá trũ ị không

đổi Kho ng này gọi là kho ng Miller Trong kho ng thời gian này dòng đi u khi n là ả ả ả ề ểdòng phóng cho t Cụ GD để gi m nhanh ả điện áp gi a c c máng và c c g c Uữ ự ự ố DS

Sau th i ờ điểm t4 VGS l i t ng ti p t c v i h ng s th i gian Tạ ă ế ụ ớ ằ ố ờ 2 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS+ CGDh) vì lúc này t Cụ GD đã t ng n giá tr cao Că đế ị GDh VGS s t ng n giá tr cu i cùng, ẽ ă đế ị ốxác nh giá tr th p nh t c a đị ị ấ ấ ủ điện áp gi a c c g c và c c máng, Vữ ự ố ự = I R

Trên thđồ ị Hình 1.8a, A1 c tr ng cho đặ ư điện tích n p cho t (Cạ ụ GS + CGD) trong kho ng ả

t1 đếnt2, A2 c tr ng cho đặ ư điện tích n p cho t Cạ ụ GD trong kho ng tả 2 đến t4

Nếu coi iôt không D không phđ ải là lý tưởng thì quá trình ph c h i c a iôt sụ ồ ủ đ ẽ ảnh hưởng n d ng sóng c a sđế ạ ủ ơ đồ như được ch ra trong ỉ Hình 1.8a, theo đó dòng ID có đỉnh nhô cao th i ở ờ điểm t2 t ng ng v i dòng ng c c a quá trình ph c h i iôt D ươ ứ ớ ượ ủ ụ ồ đ

Dạng sóng c a quá trình khóa thủ ể hiện trên Hình 1.8b Khi đầu ra c a vi mủ ạch điều khiển DRIVER xuống n m c không Vđế ứ GS b t u gi m theo hàm m v i h ng s th i ắ đầ ả ũ ớ ằ ố ờgian T2 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDh) t 0 n từ đế 1, tuy nhiên sau th i ờ điểm t3 thì h ng ằ

số th i gian l i là Tờ ạ 1 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDl) T 0 n từ đế 1 là th i gian tr khi ờ ễkhóa td(off), dòng điều khiển phóng điện cho t Cụ GS và t Cụ GD Sau th i ờ điểm t1 điện áp VSDbắt u t ng t Iđầ ă ừ D.RDS(on) đến giá tr cu i cùng t i tị ố ạ 3, trong khi ó dòng Iđ D v n gi nguyên ẫ ữmức c Kho ng th i gian t tũ ả ờ ừ 2 đến t3 t ng ng v i m c Miller, dòng ươ ứ ớ ứ điều khiển và điện

áp trên c c ự điều khiển gi nguyên giá trữ ị không đổi Sau th i ờ điểm t3 dòng ID b t u gi m ắ đầ ả

về đến không th i ở ờ điểm t4 Từ t4 MOSFET b khóa h n ị ẳ

(b) Quá trình điề u khi n khóa ể

Khi d n MOSFET th hi n b i tham s Rẫ ể ệ ở ố DS(on) (điện tr DS khi d n) ở ẫ

1.3 Một s v n v ố ấ đề ề điề u khi n cho MOSFET, IGBT ể 19

1.3.2 Phân tích quá trình m / khóa ở đối vớ i IGBT

Ta s kh o sát quá trình m và khóa m t IGBT theo sẽ ả ở ộ ơ đồ ử th nghi m cho trên hình ệ1.30 Trên sơ đồ IGBT óng c t m t t i c m có iôt không D0 m c song song IGBT đ ắ ộ ả ả đ ắ được điều khiển bởi ngu n tín hi u v i biên Vồ ệ ớ độ G, n i v i c c ố ớ ự điều khi n G qua ể điện tr Rở G Trên sơ đồ Cgc, Cge th hi n các t ký sinh gi a c c ể ệ ụ ũ ự điều khiển và collector, emitter

Quá trình m IGBT di n ra r t gi ng v i quá trình này MOSFET khi ở ế ấ ố ớ ở điện áp điều khiể đần u vào t ng t không n giá trị Vă ừ đế G Trong th i gian tr khi m tờ ễ ở d(on) tín hi u ề điều khiển n p điện cho tụ Cạ ge làm điện áp gi a c c ữ ự điều khiển và emitter t ng theo quy lu t ă ậhàm m , tũ ừ không đến giá tr ng ng Vị ưỡ GE(th) (kho ng 3 – 5V), ch b t u tả ỉ ắ đầ ừ đó MOSFET trong c u trúc c a IGBT m i b t u m ra Dòng ấ ủ ớ ắ đầ ở điện gi a collector-emitter t ng theo ữ ăquy lu t tuy n tính t không n dòng t i Iậ ế ừ đế ả 0 trong th i gian tờ r Trong th i gian tờ r điện áp gữa cực điều khiển và emitter tăng đến giá tr Vị GE,Io, xác nh giá tr dòng Iđị ị 0 qua collector

Do iôt D0 còn ang d n dòng t i Iđ đ ẫ ả 0 nên điện áp VCE v n b g m lên m c ẫ ị ă ứ điện áp ngu n ồmột chi u Về dc Ti p theo quá trình m di n ra theo hai giai ế ở ễ đoạn, tfv1 và tfv2 Trong su t hai ốgiai đoạn này điện áp gi a c c ữ ự điều khiển gi nguyên m c Vữ ở ứ GE,Io (m c Miller), duy trì ứ đểdòng I0, do dòng điều khi n hoàn toàn là dòng phóng c a t Cể ủ ụ gc IGBT v n làm vi c trong ẫ ệchế độ tuyến tính Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa và ph c h i c a iôt D0 ụ ồ ủ đDòng ph c h i c a iôt D0 t o nên xung dòng trên m c dòng Iụ ồ ủ đ ạ ứ 0 c a IGBT ủ Điện áp VCEbắt u gi m IGBT chuy n đầ ả ể điểm làm vi c qua vùng chệ ế độ tuy n tính sang vùng bão ế đểhòa Giai đoạn hai ti p di n quá trình gi m ế ễ ả điện tr trong vùng thu n tr c a collector, d n ở ầ ở ủ ẫ

đến đi n trở gi a collector-emitter v n giá trị Rệ ữ ề đế on khi khóa bão hòa hoàn toàn, VCE,on =

I0Ron

Sau th i gian m tờ ở on, khi t Cụ gc đã phóng điện xong điện áp gi a c c ữ ự điều khiển và emitter ti p t c t ng theo quy lu t hàm m , v i h ng s th i gian b ng Cế ụ ă ậ ũ ớ ằ ố ờ ằ geRG, n giá tr đế ịcuối cùng VG

Tổn hao năng lượng khi mở được tính gần úng bđ ằng

bằng CgeRG, t i m c ớ ứ điện áp Miller B t u t m c Miller ắ đầ ừ ứ điện áp gi a c c ữ ự điều khiển và emitter b giị ữ không đổi do điện áp Vce b t u t ng lên và do ó t Cắ đầ ă đ ụ gc b t u ắ đầ được n p ạ

điện Dòng iều khiểđ n bây giờ sẽ hoàn toàn là dòng n p cho t Cạ ụ gc nên điện áp VGE được giữ không đổi

Đ ệi n áp Vce t ng t giá tr bão hòa Vă ừ ị ce,on t i giá trớ ị điện áp ngu n Vồ dc sau kho ng th i ả ờgian trV T cu i kho ng từ ố ả rV điôt D0 b t u m ra cho dòng t i Iắ đầ ở ả 0 ng n m ch qua, do ó ắ ạ đdòng collector b t u gi m Quá trình gi m dòng di n ra theo hai giai ắ đầ ả ả ễ đoạn, tfi1 và tfi2 Trong giai đoạ đần u, thành ph n dòng i1 c a MOSFET trong c u trúc bán d n IGBT suy ầ ủ ấ ẫgiảm nhanh chóng v không ề Điện áp Vge ra kh i m c Miller và gi m v m c ỏ ứ ả ề ứ điện áp điều khiển ở đầu vào –VG v i h ng s th i gian Rớ ằ ố ờ G(Cge + Cgc) cu i kho ng tỞ ố ả fi1, Vge đạt m cứngưỡng khóa c a MOSFET, Vủ GE(th), tương ứng v i vi c MOSFET b khóa hoàn toàn ớ ệ ịTrong giai đoạn hai, thành ph n dòng i2 c a transistor ầ ủ p-n-p b t u suy gi m Quá trình ắ đầ ảgiảm dòng này có thể kéo rất dài vì các điện tích trong l p ớ n - ch b m t i do quá trình t ỉ ị ấ đ ựtrung hòa điện tích t i ch ó là v n ạ ỗ Đ ấ đề đuôi dòng điệ đn ã nói n trên đế ở

Tổn hao năng lượng trong quá trình khóa có thể tính gần úng bđ ằng:

off dc off V I t Q

2

0 (3.2)

Lớp n - trong cấu trúc bán dẫn của IGBT giúp giảm điện áp rơi khi dẫn vì khi đó số lượng các điện tích thiểu số (các l ỗ) tích tụ trong lớp này làm giảm điện trở đáng kể Tuy nhiên các điện tích tích tụ này lại không có cách gì di tản ra ngoài một cách chủ động được, làm t ăng thời gian khóa của phần tử Ở đây công nghệ chế t ạo bắt buộc phải thỏa hiệp So vớ i MOSFET, IGBT có thời gian mở tương đương nhưng thời gian khóa thì dài hơn

Khi dẫn IGBT dẫn dùng tham số UCE(sat) tương tự như ở transitor Cũng có hãng chế tạo đưa ra điện áp trên IGBT khi dẫn bão hòa, bao gồm cả hai thành phần cấu tạo transitor và MOS trong bóng IGBT là:

1.3.3 M ch driver cho MOSFET và IGBT ạ

IGBT và MOSFET là các phần tử bán dẫn với các tính năng ưu việt như khả năng đóng cắt nhanh, công suất đi ều khiển cực nhỏ, là nhữ ng phần tử sẽ thay thế các tranzito công suất thông thường Điều khiển khoá, mở các phần tử này có những yêu cầu đặc biệt Những khó khăn trong điều khiển IGBT và MOSFET chủ yếu là tạo được các xung điều khiển với sườn xung dựng đứng, thời gian tạo sườn xung chỉ cỡ 0,1 S hoặc nhỏ hơn Các

tụ điện ký sinh giữ a cực điều khiển G với cực gốc S (ho ặc E ở IGBT), giữa cực G với cực máng D (hoặc collectơ C), cản trở tốc độ thay đổi của tín hiệu điều khi ển Đã có nhi ều vi mạch chuyên dụng, phục vụ cho khâu tạo xung điều khiển cuối cùng này, gọi là các driver

1.3 Một s v n v ố ấ đề ề điề u khi n cho MOSFET, IGBT ể 21

Tính ch n ọ điện trở ở ự điều khiể c c n RG, thông th ng ườ được tính theo công th c sau: ứ

Trong ó: Rđ g là n i tr c a c c ộ ở ủ ự điều khiển

Về nguyên tắc các driver cho MOSFET và IGBT là gi ng nhau vì các phố ần tử này có cấu trúc bán dẫn được điều khiển gi ng nhau Tuy nhiên trong khi MOSFET có thố ể điều khiển khóa l i d dàng nhờ đưa tín hi u ạ ễ ệ điều khiển gi a G và S v m c 0V thì IGBT th i ữ ề ứ ở ờgian khóa b kéo dài h n do c u trúc bán d n gi ng nh tranzito th ng Ngoài ra vi c ị ơ ấ ẫ ố ư ườ ệkhóa IGBT không th chể ủ động như ở MOSFET, khi quá t i IGBT có th ra kh i chả ể ỏ ế độbão hòa, t n hao công su t trên ph n t có th t ng v t, phá h ng ph n t Chính vì v y ổ ấ ầ ử ể ă ọ ỏ ầ ử ậdriver cho IGBT th ng là các m ch lai (hybrid), trong ó k t h p m t driver gi ng nhườ ạ đ ế ợ ộ ố ư ởMOSFET v i các m ch b o v ch ng quá t i khác ớ ạ ả ệ ố ả

(a)

(b)

Hình 1.11 Sơ đồ m ch nguyên lý s d ng driver HCPL 3120, (a) S d ng ngu n n c c c ạ ử ụ ử ụ ồ đơ ự ấp

Ngoài ra, driver cho IGBT có tích h p quá t i b ng cách theo dõi ợ ả ằ điện áp gi a collect ữ ơ

và emit trong th i gian có tín hi u mơ ờ ệ ở, nế điệu n áp này l n h n 5 n 7V m ch s tớ ơ đế ạ ẽ ự động phát tín hi u quá t i và th c hi n khóa IGBT l i v i th i gian khóa ệ ả ự ệ ạ ớ ờ được kéo dài ra gấp 10 lần (t i 10 S) Nh v y IGBT s khóa l i qua vùng tuy n tính, dòng t i không bớ ư ậ ẽ ạ ế ả ị ng t t ắ độngột, tránh được xung quá điện áp ánh thđ ủng van Chức năng b o vả ệ này g i là ọdesaturation, ngh a là khoá qua vùng không bão hoà ĩ

Khi s d ng m ch driver tích h p c n ph i gi i quy t m t s v n sau: ử ụ ạ ợ ầ ả ả ế ộ ố ấ đề

+ Thi t k m ch ngu n cách ly cho m i driver ế ế ạ ồ ỗ

+ M c dù là ph n tặ ầ ử điều khi n b ng ể ằ điện áp nh ng các t ký sinh yêu c u dòng phóng, ư ụ ầnạp khi thay i m c đổ ứ điện áp, và dòng điện này ph i do m ch driver m b o Do ó i ả ạ đả ả đ đốvới van IGBT công su t l n thì bên cấ ớ ạnh việ ửc s driver truy n thề ống c n ph i có thêm t ng ầ ả ầkhuếch i dòng điđạ ệ đần u ra tr c khi a vào cực đ ều khiển c a IGBT ướ đư i ủ

Hình 1.13 Sơ đồ m ch nguyên lý s d ng driver HCPL 316J và b ạ ử ụ ộ khu ch ế đại dòng điện thêm

1.3 Một s v n v ố ấ đề ề điề u khi n cho MOSFET, IGBT ể 23

Hình 1.14 Ví d s ụ ơ đồ ử ụng driver HCPL316J m IGBT công su t l n s d ở ấ ớ

2 H TH NG Ệ Ố ĐIỀU KHIỂ N CÁC B BI N Ộ Ế ĐỔ I PH Ụ THUỘC

Các b bi n i ph thu c là l p các b bi n i trong ó các van chuy n m ch d i ộ ế đổ ụ ộ ớ ộ ế đổ đ ể ạ ướtác d ng c a ụ ủ điện áp l i, bao g m các b ch nh l u, các b bi n i xung áp xoay chi u ướ ồ ộ ỉ ư ộ ế đổ ề

và bi n t n tr c ti p Nguyên lý xây d ng h th ng ế ầ ự ế ự ệ ố điều khiển cho các b bi n i này là ộ ế đổgiống nhau

2.1 Driver cho h th ệ ống điề u khi n các b ể ộ bi n ế đổ i ph thuộc ụ

Sơ đồ c u trúc c a h th ng driver ấ ủ ệ ố điều khiển cho các b bi n ộ ế đổi ph thu c theo ụ ộnguyên t c ắ điều khiển d c ch trên ọ ỉ Hình 2.1 Trong các b bi n i ph thu c các tiristo ộ ế đổ ụ ộđược đi u khi n mở bởi các xung t i các thời điểm, ch m pha so với đi m chuyển m ch tự ề ể ạ ậ ể ạnhiên m t góc ộ , g i là góc ọ điều khiể Điển m chuy n m ch t nhiên có th là các ể ạ ự ể điểm

điện áp ngu n qua không (chỉnh lưu m t pha) hoặc các iểm iện áp ngu n cắt nhau ồ ộ đ đ ồ(chinh l u ba pha) Vì v y khâu u tiên trong h th ng ư ậ đầ ệ ố điều khiển là khâu ng pha, khâu đồ

đồng pha có nhi m vụ tạo ra h thống đi n áp tựa, ng bộ với đi n áp l i, nghĩa là cho ệ ệ ệ đồ ệ ướphép xác nh giá trđị ị đầu c a góc ủ điều khiển .

Hình 2.1 Cấu trúc c a h th ng driver cho các b ủ ệ ố ộ biến i ph đổ ụ thu c ộ

Đối với các chỉnh l u có đi u khi n th ng yêu c u góc đi u khi n thay i trong ư ề ể ườ ầ ề ể α đổtoàn b d i 0÷180º Tuy v y do các chộ ả ậ ế độ làm vi c h n ch s thay i góc ệ ạ ế ự đổ điều khiển, s ơ

đồ ph i có kh n ng áp t ph m vi đi u chỉnh của góc ả ả ă đặ ạ ề trong ph m vi cho phép, ạ

αmin÷αmax , không ph thu c s thay i c a ụ ộ ự đổ ủ điện áp l i ướ Điều này minh ho trên ạ Hình 2.2

Hình 2.2 Giới hạn góc điều khi n ể

2.1 Driver cho h th ng ệ ố điề u khi n các b bi n i ph thu ể ộ ế đổ ụ ộc 25Khâu t o xung và khuy ch i xung s t o ra xung có biên , r ng ạ ế đạ ẽ ạ đủ độ độ ộ để đư đếa n các tiristo trong m ch l c Xung truy n n c c ạ ự ề đế ự điều khiển c a tiristo qua các m ch cách ly ủ ạdùng biến áp xung ho c các ph n t photocoupler ặ ầ ử

2.1.1 Kh i ố đồ ng pha và t o ạ điệ n áp t a ự

Khối đồng pha có chức năng đảm bảo quan hệ về góc pha cố định v i ớ điện áp c a mủ ạch lực nh m xác ằ định điểm g c tính góc ố để điều khiển và hình thành điện áp có d ng phù ạhợp làm xung nh p cho ho t ng c a khâu t o ị ạ độ ủ ạ điện áp t a phía sau nó ự

Thực t khâu này có quan hế ệ ảnh hưởng qua lại chặt ch v i khâu tẽ ớ ạo điện áp t a, nên ựtrong m t s tr ng h p n gi n, hai ch c n ng trên ộ ố ườ ợ đơ ả ứ ă được g m trong m t m ch duy nh t, ộ ộ ạ ấ

mà thông th ng m ch ng pha là luôn ch c n ng ng b ườ ạ đồ ứ ă đồ ộ

Để ự th c hi n chức n ng ng bộ thông th ng ng i ta s dụng máy bi n áp (tùy thu c ệ ă đồ ườ ườ ử ế ộvào lo i ch nh l u m t pha hay ba pha s có khâu ng b là máy bi n áp m t pha hay ba ạ ỉ ư ộ ẽ đồ ộ ế ộpha) ho c các ph n t cách ly quang ặ ầ ử

Một điều c n chú ý là khi s d ng MBA ng b cho ch nh l u 3 pha là: cách u các ầ ử ụ đồ ộ ỉ ư đấcuộn dây s cơ ấp ảnh hưởng rõ rệt t i pham vớ ị điều ch nh góc ỉ αmin÷αmax, vì van không m ởngay được khi điện áp l i b t u d ng mà ch m h n th i ướ ắ đầ ươ ậ ơ ờ điểm này 300 (th i ờ điểm chuyển mạch t nhiên) V i cách ự ớ đấu máy bi n áp ế ∆/Y ta sẽ có ph m vi ạ điều chỉnh α=00÷1800 và điện áp ng bđồ ộ u dpA l y theo tấ ỷ lệ điện áp dây u AC, do ó đ điểm qua 0 c a ủ

điện áp này vào úng giao iểđ đ m c t nhau c a hai iện áp pha A và C, mà iểm này t ng ắ ủ đ đ ươđương với góc α=00 c a van l c pha A (ngh a là s dủ ự ĩ ử ụng điện áp dây u AC là điện áp ng đồpha cho V1, trong sơ đồ ch nh l u hình tia ho c hình c u ba pha) ỉ ư ặ ầ

Khi MBA u Y/Y, đấ điện áp ng pha s là đồ ẽ điện áp pha A c a l i, do ó ủ ướ đ điểm qua 0 của điện áp này s m pha h n 30ớ ơ 0 so v i ớ điểm t ng ng góc ươ ứ α=00 Nh v y ph m vi ư ậ ạ điều

chỉnh góc mở α=00÷1500

Hình 2.3 Biến áp đồng pha cho ch nh l ỉ ưu ba pha (a) Đấu /Y, (a) ∆ Đấ u Y/Y

Đ ệi n áp đi u khi n ề ể được bi n i thành góc đi u khi n t i khâu so sánh nh so sánh ế đổ ề ể ạ ờvới điện áp t a Có hai d ng ự ạ điện áp t a là d ng hình ự ạ cosin và d ng r ng c a (s n xu ng ạ ă ư ườ ốhoặc sườn lên)

a Điện áp t a d ng r ng c a s n xuự ạ ă ư ườ ống

Đ ệi n áp t a r ng cưa ự ă u t r s mô t theo (2.1), góc m ẽ ả ở được xác nh là giao đi m đị ểgiữa điện áp u dk t u t r

, ,

b Điện áp t a d ng r ng c a s n lên (2.2) ự ạ ă ư ườ

,

,

c m r

dk

c m

U

u t u U

(2.2)

2Hình 2.5 Đ iện áp t a d ng răng c a s n lên ự ạ ư ườ

Nhận xét: Trong mạch đi u khi n chỉnh l u dùng d ng r ng cưa đi lên s cho quan hệ ề ể ư ạ ă ẽgiữa điện áp răng c a và góc ư điều khiển t l thu n (ngh a là ỉ ệ ậ ĩ điện áp điều khi n l n thì ể ớgóc m ở l n) M t khác ta c ng bi t r ng quan h gi a góc ớ ặ ũ ế ằ ệ ữ điều khi n ể và điện áp u đầ

ra ch nh l u nh n ỉ ư ậ đượ ạc l i tuân theo qui lu t t l ngh ch ậ ỉ ệ ị U d U docos (ngh a là ĩ tăng thì U dgiảm) Như v y tậ ương ứng v i viớ ệc tăng điện áp điều khiển sẽ dẫn đến giảm điện áp chỉnh lưu, điều này nhiều khi không thuận l i cho hợ ệ th ng ố điều khiển vòng kín Để quan

hệ này thu n, ta có th s d ng d ng r ng c a s n xu ng ậ ể ử ụ ạ ă ư ườ ố

c Với điện áp t a hình côsin nh trên ự ư Hình 2.6, góc được xác nh b ng: đị ằ

2.1 Driver cho h th ng ệ ố điề u khi n các b bi n i ph thu ể ộ ế đổ ụ ộc 27

và s thay i c a ự đổ ủ điện áp l i Trong th c t ng i ta dùng ch yướ ự ế ườ ủ ếu là d ng đi n áp t a ạ ệ ựrăng c a ư

Chú ý: Trong nhi u m ch ề ạ điều khiển ch nh l u, ỉ ư điện áp t a ự đượ ạc t o ra trong c hai n a ả ửchu k b ng m t m ch duy nh t Lúc này khâu so sánh s xác nh góc ỳ ằ ộ ạ ấ ẽ đị điều khiển cho c ảhai van thu c cùng m t pha c a m ch l c (m t van n m chu k d ng, m t van n m ộ ộ ủ ạ ự ộ ằ ở ỳ ươ ộ ằ ởchu k âm c a ỳ ủ điện áp xoay chi u m ch l c) Do ó, c n thi t b sung thêm m t ph n g i ề ạ ự đ ầ ế ổ ộ ầ ọ

là m ch tách xung ạ để đảm b o van c a m ch l c ch nh n tín hi u ả ủ ạ ự ỉ ậ ệ điều khiển khi điện áp anot-katot là d ng (ươ u AK > 0)

2.1.2 Khâu so sánh

Khâu này có ch c n ng so sánh ứ ă điện áp điều khiển v i ớ điện áp t a (d ng r ng c a ho c ự ạ ă ư ặdạng cosin) để định góc m ở Khâu so sánh có th th c hi n b ng các ph n t nh ể ự ệ ằ ầ ử ưtransitor ho c khu ch i thu t toán (hay ặ ế đạ ậ được dùng h n c ) ơ ả

Có các IC chuyên d ng dùng cho vi c so sánh các tín hi u nh ng nguyên lý làm vi c ụ ệ ệ ư ệđược gi i thích nhờ khuyếch i thu t toán M ch so sánh s dụng tính ch t có h s ả đạ ậ ạ ử ấ ệ ốkhuyếch đại h mở ạch vô cùng l n c a OP ớ ủ

Hình 2.7 Mạch so sánh (a) M t c ng; (b) Hai c ng ộ ổ ổ

Mạch so sánh m t c ng, sộ ổ ơ đồ Hình 2.7a, dùng so sánh hai tín hi u khác d u Do để ệ ấdòng đầu vào OP không áng k nên ta có: đ ể

đầu ra, nên th c ch t điện áp ra có giá trị bão hoà, nhỏ hơn nguồn nuôi 1,5 2 V Trong ự ấtrường h p này u ra bão hoà m c ợ đầ ở ứ +1,5 V - Un

Nếu U1 > U 2 thì Uo = +1,5 V - U n

Nếu U1 < U 2 thì Uo = -1,5 V + U n

Một IC điển hình th c hi n ch c n ng so sánh là LM339, trong ó có ch a 4 ph n t ự ệ ứ ă đ ứ ầ ửkhuếch i thu t toán đạ ậ

Hình 2.8 Chỉnh lưu cầu ba pha sử d ng tiristor ụ

2.1 Driver cho h th ng ệ ố điề u khi n các b bi n i ph thu ể ộ ế đổ ụ ộc 29

Hình 2.9 Biểu đồ phát xung kép cho ch nh l u c ỉ ư ầu ba pha

Để ự th c hi n ệ được các m u xung theo ẫ Hình 2.9, trước tiên ta t o ạ được các xung chính (thực chất là các xung đơn), sau ó tiđ ến hành ghép xung đơn thành các xung kép sử d ng ụcác phép toán logic nh sau: ư

2.1.3.2 Khâu t o xung chùm ạ

Dạng xung chùm là dạng thông d ng nhụ ất vì cho phép m t t van lở ố ực trong m i trọ ường hợp, v i mớ ọi d ng t i và nhi u sạ ả ề ơ đồ ch nh l u khác nhau Xung chùm th c ch t là mỉ ư ự ấ ột chùm các xung có t n s cao gầ ố ấp nhiề ầ ầu l n t n s l i (ố ướ fx = 6÷12kHz) Độ ộ r ng xung c a ủmột chùm xung có thể được h n ch trong khoạ ế ảng (100÷130) độ điện, v nguyên t c nó ề ắphải kết thúc khi điện áp trên van lực mà nó điều khiển đối dấu sang âm

Hình 2.11Biểu đồ phát xung chùm cho ch nh l u c u ba pha ỉ ư ầ

≥

So sánh

Tạo xung chùm

2.1.5 Ví d v m ch driver cho h th ng ụ ề ạ ệ ố điề u khi n nhi u kênh ể ề

Sơ đồ m t m ch ộ ạ điều khiển ch nh l u c u ba pha cho trên ỉ ư ầ Hình 2.13 H th ng g m ba ệ ố ồkênh, m i kênh ch u trách nhi m ỗ ị ệ điều khiển hai tiristo trên m t pha c a sộ ủ ơ đồ ầ c u D ng ạxung điện áp t i các ạ điểm trên sơ đồ cho trên Hình 2.14

Đ ệi n áp ng pha lấy t th c p máy bi n áp ng pha, qua mạch lọc RC a n u đồ ừ ứ ấ ế đồ đư đế đầvào c a OP U1A U1A làm vi c nh m t khâu so sánh nên u ra s cho ra ủ ệ ư ộ đầ ẽ điện áp d ng ạxung ch nh t i xữ ậ đố ứng iệĐ n áp d ng xung ch nh t a n m ch vi phân g m C2, R5, ạ ữ ậ đư đế ạ ồtạo nên d ng xung nh n v i biên b ng hai l n xung ch nh t Xung vi phân ạ ọ ớ độ ằ ầ ữ ậ đư đếa n khâu t o xung U1B ạ Đầu vào (-) c a U1B t d i ủ đặ ướ điện áp âm do phân áp R6, R7 và –Untạo nên Khi điện áp t i ạ điểm C b ng 0V, các iôt D1, D2 s thông làm u vào (-) c a ằ đ ẽ đầ ủU1B âm h n u vào (+), do ó u ra U1B s bão hoà m c +Uơ đầ đ đầ ẽ ở ứ n Khi xung nh n ọ ở điểm

C có giá tr d ng, D2 khoá, D1 thông làm u vào (-) d ng h n u vào (+), u ra U1B ị ươ đầ ươ ơ đầ đầlật xu ng m c bão hoà –Uố ứ n Khi điểm C có xung nh n âm, D1 b khoá, D2 thông d n n ọ ị ẫ đế

đầu vào (+) s bị âm hơn so với u vào (-), k t qu là u ra cũng bị l t xuống m c bão ẽ đầ ế ả đầ ậ ứhoà –Un Nh v y u ra c a U1B t i ư ậ đầ ủ ạ điểm D có d ng xung ch nh t v i ph n âm r t h p ạ ữ ậ ớ ầ ấ ẹ

Đây là đi n áp ng bộ cho khâu t o xung r ng c a xây d ng t U1C M ch t o r ng cưa ệ đồ ạ ă ư ự ừ ạ ạ ălàm vi c theo nguyên lý ã mô tệ đ ả ở ph n 7.2.8 Khâu so sánh trên U1D so sánh ầ điện áp điều khiển Uđk v i ớ điện áp r ng c a, xác nh góc ă ư đị điều khiển

Tín hi u ệ điều khiể ừ đần t u ra c a U1D, ủ được c t b ph n âm nhắ ỏ ầ ờ điện tr h n ch và ở ạ ế

điôt D5, tín hiệ ạu t i iểđ m F a n m ch chia xung dùng JK trigơ D2A t o nên xung có đư đế ạ ạ

độ rộng 180º cho mỗi n a chu k ử ỳ Đầu ra Q và Q của trigơ kết hợp với tín hiệu tại F qua mạch lôgic AND t o nên xung ạ điều khiển có r ng độ ộ , qua m ch AND th hai tín ạ ứhiệu này tr n v i xung trùm t m ch NAND Smith D3A tr thành tín hi u ã ộ ớ ừ ạ ở ệ đ được b m ra ă

2.1 Driver cho h th ng ệ ố điề u khi n các b bi n i ph thu ể ộ ế đổ ụ ộc 31tần s cao Khâu khu ch i xung cu i cùng dùng tranzito và bi n áp xung a tín hi u n ố ế đạ ố ế đư ệ đếcực điều khiển G và catôt K c a tiristoủ

DZ

J

Q Q

K

SET

CLR D1A

U1C

U1D

D2B D2A

+24V

G4K4

D2D D2C

R8

D1

R9 R10 R11 R12

C3 R13

R19

R20 R21 R22

-U n +U n A

B C

G3K3

G6K6

G5K5

G2K2

Hình 2.13Hệ thống điều khi n Tiristor nhi u kênh ể ề

Sơ đồ trên ây là m t m ch đ ộ ạ điều khi n ch t l ng cao B ng cách b trí bi n áp ng ể ấ ượ ằ ố ế đồpha h p lý, có th dùng ợ ể để điều khiển ch nh l u c u ba pha, b bi n i xung áp ba pha ỉ ư ầ ộ ế đổMạch ch nh l u c u m t pha s ch c n m t kênh c a sỉ ư ầ ộ ẽ ỉ ầ ộ ủ ơ đồ là n u m ch khuy ch i đủ ế ạ ế đạxung cu i cùng b sung thêm hai cu n th c p cho bi n áp xung ố ổ ộ ứ ấ ế

180 360

Q

Hình 2.14Dạng tín hi u t i các ệ ạ điểm trên s h th ng ơ đồ ệ ố điề u khi n ể

2.1.6 S d ng IC chuyên d ng làm driver cho ch nh l u ph thu c ử ụ ụ ỉ ư ụ ộ

Hệ th ng ố điều khiển các b biộ ến đổi ph thu c (ch nh lụ ộ ỉ ưu, biến đổi xung áp xoay chiều) có thể được xây dựng rất thuận tiện nếu s d ng vi mử ụ ạch chuyên d ng TCA785 c a ụ ủ

2.1 Driver cho h th ng ệ ố điề u khi n các b bi n i ph thu ể ộ ế đổ ụ ộc 33Simens Sơ đồ ấ c u trúc c a TCA785 và ký hi u chân ra ủ ệ được cho trên hình 7.25 Có th ểthấy rằng TCA785 tích h p các khâu ợ đồng b , tộ ạo điện áp tựa dạng răng cưa, khâu so sánh

và c vi c t o ra d ng xung ả ệ ạ ạ điều khiển v i r ng thích h p, s n sàng ớ độ ộ ợ ẵ đưa ra để điều khiển các thyristor trong m ch l c ạ ự

Nguyên lý ho t ng c a TCA785 ạ độ ủ được th hi n qua th d ng xung trên các chân ể ệ đồ ị ạnhư được minh h a trên hình 7.26 ọ

Đ ệi n áp ng bộ đồ đượ đưc a tới chân số 5 qua một đi n trở có giá tr l n ệ ị ớ đư đếa n khâu xác định điể điệm n áp ngu n qua không (Zero Detector), u ra c a nó ồ đầ ủ đưa tín hi u n ệ đếthanh ghi đồng b (Synchron Register) xác nh các n a chu k c a ộ để đị ử ỳ ủ điện áp l i ướThanh ghi ng b cđồ ộ ũng điều khiển m ch n p t Cạ ạ ụ 10 b ng dòng không i, xác nh b i ằ đổ đị ởđiện trở R9, t o ra r ng c a m i n a chu k c a ạ ă ư ở ỗ ử ỳ ủ điện áp ng b đồ ộ Điện áp điều khiể đưn a vào chân 11, Vở 11, so sánh v i r ng c a t i khâu so sánh (Control Comparator), th i ớ ă ư ạ ờ điểm hai giá tr này b ng nhau xác nh góc ị ằ đị điều khiển được a n khâu Logic s lý t o đư đế để ử ạ

độ rộng xung Góc thay i đổ đượ ừc t 0 đến 180 tùy thu c giá tr c a Vộ ị ủ 11 so v i biên ớ độcủa răng cưa, về giá tr bị ằng VS-2V

Hình 2.15Sơ đồ cấu trúc của TCA785

10 C 10 tụ điện m ch t ạ ạo răng cưa,

11 V 11 đi ện áp đ ều khi n, i ể

12 C 12 tụ t o r ạ độ ộng xung,

13 Tín hi u t o ệ ạ điề u khiển bằng xung rộng,

14 Q1 đầ u ra 1,

15 Q2 đầ u ra 2,

16 V S ngu n cung c p ồ ấ

180 

V SYNC

V10 V11 0V

V 15 Q2

V 14 Q1

V 15 Q2 (nếu chân 12 nối xuống GND

V 14 Q1 (nếu chân 12 nối xuống GND

V 2 Nếu chân 12 nối xuống GND Q1

V 4 (Nếu chân 12 nối xuống GND )

Hình 2.16 th d ị ạng xung của TCA785

Với m i nỗ ửa chu kỳ, tại góc điều khiển , xuất hiện hai xung có độ r ng khoộ ảng 30 S tại hai u ra Q1 và Q2 đầ Độ ộ r ng này có th làm r ng ra t i 180 b ng t Cể ộ ớ ằ ụ 12 N u chân 12 ếnối t xung đấ điều khiể ẽn s kéo dài từ đến 180 Tín hi u U chân 3 có r ng + 180 ệ ở độ ộ

có thể được dùng vào các m c ích khác T ng t nh v y là tín hi u Z chân 7 có giá ụ đ ươ ự ư ậ ệ ởtrị bằng NOR gi a Q1 và Q2 Dùng chân 13 có thữ ể nhận được tín hiều điều khiển kiểu xung r ng (180ộ - ) Tín hi u c m chân 6 s xóa b tín hi u ra Q1, Q2 và ệ ấ ở ẽ ỏ ệ Q1, Q2

2.2 Thi ết k h th ng ế ệ ố đ ều khi n vòng kín cho ch nh l u tiristor i ể ỉ ư 35

2.2 Thi t k h th ng ế ế ệ ố điề u khi n vòng kín cho ch nh l u tiristor ể ỉ ư

2.2.1 Mô hình hóa kh i ố điề u ch ế độ ộ r ng xung

Theo [11], điện áp trung bình c a u ra ch nh l u Tiristor lo i xung: ủ đầ ỉ ư ạ p

2m

U giá trị định c a ủ điện áp dây t vào m ch ch nh l u đặ ạ ỉ ư

Từ (2.1), m i quan h gi a góc m ố ệ ữ ở của Tiristor v i ớ điện áp điều khi n theo (2.6), khi ể

điện áp t a có d ng s n r ng cưa i xu ng ự ạ ườ ă đ ố

,

1 dk

c m

u U

hoạt động ổn định trong toàn dải điều ch nh), ta sỉ ẽ sử d ng giá tr l n nh t c a ụ ị ớ ấ ủ K rđược định nghĩa là K ,r mđược xác nh nh sau: đị ư

T s

Trong đó: T là chu kỳ điện áp l i ướ

Từ m ch ạ điệ ươn t ng ta có m i quan h gi a dòng ố ệ ữ điện và điện áp u ra ch nh l u: đầ ỉ ư

11

d i

L T

K sT

dk

12

r m

K T s p

11

d

i E

d

u

Hình 2.18Mạch vòng điề u khi n dòng ể điệ n c a h ủ ệ chỉnh l u Tiristor ư

Hàm truyền kín của m ạch vòng dòng điện khi có sự tham gia bộ điều chỉnh PI được viết

lại như sau (coi thành phần sức điện động E là nhiễu và sẽ được triệt tiêu nhờ vào thành

phần tích phân của bộ điều chỉnh dòng điên):

,

* 2

,

r m d p d d

k d

s s (2.14)

2.2 Thi ết k h th ng ế ệ ố đ ều khi n vòng kín cho ch nh l u tiristor i ể ỉ ư 37

Từ (2.13), (2.14) hệ s bố ộ điều ch nh PI ỉ được xác định theo (2.15):

2 ,

K T T

Trong h th ng ệ ố điều khiển n i c p (cascade) thì hàm truyố ấ ền kín của m ch vòng dòng ạ

điện s đượẽ c x p xỉ theo (2.18) thu n lợi cho t ng hợp các mạch vòng iều chỉnh phía ấ để ậ ổ đngoài cùng

*

11

d k d

s p

 

 

  (2.18)

Sau khi xác định được tham s cho bố ộ điều chỉnh dòng điện, c n ph i ánh giá nh ầ ả đ ảhưởng nhi u do nguễ ồn s c ứ điện E tác ng lên m ch vòng dòng độ ạ điện v i các tham sớ ố b ộ

điều chỉnh ã đượđ c xác nh đị

p

sT sT

dk

u

,

12

r m

K T s p

11

d

i E

d

u

Hình 2.19Đ ánh giá tác độ ng nguồn sứ c đi n ng E lên mạch vòng dòng điện ệ độ

Từ ta tìm được hàm truyền đạt giữa nguồn sức điện động và dòng điện đầu ra theo (2.19)

12

2

d

d d

2.3 K t qu mô ph ng ế ả ỏ

2.3.1 Ch nh l u c u m t pha ỉ ư ầ ộ

Tham s mô ph ng: ố ỏ Điện áp ngu n ồ 220V/50Hz; T i tr c m ả ở ả R=100Ω, L=20mH

a S ơ đồ mô ph ng ỏ b S ơ đồ ạ m ch l c ự

c Điện áp đầ u ra ch nh l u ỉ ư d Dòng điệ n pha đầ u vào chinh l u ư

e D ng sóng ạ điề u khi n Tiristor1&2 ể f D ạng sóng điề u khi n Tiristor3&4 ể

Hình 2.20 Sơ đồ mô ph ng ch nh l u c u Tiristor ba pha ỏ ỉ ư ầ

c Điện áp đầ u ra ch nh l u ỉ ư d Dòng điệ n pha đầ u vào chinh l u ư

e D ng sóng ạ điề u khi n Tiristor1 ể f D ạng sóng điề u khi n Tiristor4 ể

Hình 2.21Sơ đồ mô phỏng ch nh l u c u Tiristor ba pha ỉ ư ầ