Thiết kế bộ băm xung áp một chiều nối tiếp cấp điện cho phần ứng của động cơ một chiều kích từ độc lậpĐH Điện Lực

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kĩ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện điện tử thì các thiết bị điện tử có công 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 công nghiệp thì điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối.

Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kĩ thuậttrong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện - điện tử thì các thiết bị điện tử

có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều Và đặc biệt các ứng dụng của nóvào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hếtsức mạnh mẽ

Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của côngnghiệp thì điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất Đặcbiệt với chủ trương công nghiệp hóa – hiện đại hóa của Nhà nước, các nhà máy, xínghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sảnxuất Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp an toàn chính xác Đó là nhiệm vụcủa điện tử công suất cần phải giải quyết

Để hiểu rõ được vai trò của thiết bi băm xung áp xoay chiều, qua đồ án mônhọc này, em được phân công làm đề tài:

Thiết kế bộ băm xung áp một chiều nối tiếp cấp điện cho phần ứng của động

Nguyễn

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Giới thiệu chung về động cơ 1 chiều kích từ độc lập 1

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập 1

1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập 4

1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 4

1.1.4 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 7

1.2 Giới thiệu chung về băm xung áp một chiều có đảo chiều 14

1.2.1 Nguyên lý chung của băm xung một chiều 14

1.2.2 Van IGBT 16

1.2.3 Phân tích sơ đồ băm xung một chiều có đảo chiều, tải động cơ một chiều, phương pháp điều khiển đối xứng 24

1.3 Kết luận 26

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 28

2.1 Tính toán thiết kế mạch lực 28

2.2 Tính toán lựa chọn các phần tử trong mạch 28

2.2.1 Tính toán lựa chọn van 30

2.2.2 Tính toán lựa chọn Lk để đảm bảo chế độ dòng liên tục 31

2.3 Tính toán mạch bảo vệ van R-C 31

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 33

3.1 Xây dựng mạch điều khiển băm xung một chiều phương pháp điều khiển đối xứng 33

3.2 Thiết kế mạch điều khiển 34

3.2.1 Phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa 34

3.2.2 Khâu so sánh 36

3.2.3 Khâu tạo trễ 38

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG 41

4.1 Sơ đồ mô phỏng 41

4.2 Kết quả mô phỏng 42

KẾT LUẬN 44

Hình 1.1: Cấu túc động cơ một chiều 1

Hình 1.2: Stator 1

Hình 1.3: Rotor 3

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập 4

Hình 1.5: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 6

Hình 1.6: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ Rf 8

Hình 1.7: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông Φ 9

Hình 1.8: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng 11

Hình 1.9: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng 11

Hình 1.10: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng Uu 12

Hình 1.11: Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC) 14

Hình 1.12: IGBT (a) Cấu trúc bán dẫn; (b) Cấu trúc tương đương với n-p-n và một MOSFET 16

Hình 1.13: Ký hiệu IGBT 16

Hình 1.14: Sơ đồ thử nghiệm khoá IGBT 17

Hình 1.15: Đồ thị dạng tín hiệu khi điều khiển mở một IGBT 18

Hình 1.16: Đồ thị dạng tín hiệu khi điều khiển khoá một IGBT 19

Hình 1.17: Vùng làm việc an toàn khi van dẫn 20

Hình 1.18: Vùng làm việc an toàn khi van khóa 21

Hình 1.19: Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển 22

Hình 1.20: Sơ đồ sử dụng IC chuyên dụng HCPL-316J, tích hợp khả năng bảo vệ chống bão hoà cho IGBT 23

Hình 1.21: Đáp ứng tốc độ, dòng điện, momen 24

Hình 1.22: Băm xung một chiều đảo chiều điều khiển đối xứng 25

Hình 1.23: Băm xung một chiều đảo chiều điều khiển đối xứng 26

Hình 2.1: Sơ đồ mạch lực băm xung 1 chiều có đảo chiều sử dụng van IGBT 28 Hình 2.2: Thông số động cơ 28

Hình 2.3: Mạch bảo vệ RC 31

pháp điều khiển đối xứng 33

Hình 3.2: Đồ thị các khâu 33

Hình 3.3: Sơ đồ tạo xung tam giác hai cực tính 34

Hình 3.4: Đồ thị khâu răng cưa 35

Hình 3.5: Khâu so sánh 37

Hình 3.6: Tín hiêu xung sau khâu so sánh 37

Hình 3.7: Khâu tạo trễ mở 38

Hình 3.8: Đồ thị khâu tạo trễ mở 38

Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng toàn mạch 41

Hình 4.2: Đồ thị răng cưa hai cực tính 42

Hình 4.3: Điện áp khâu so sánh 42

Hình 4.4: Tín hiệu trên van 1 42

Hình 4.5: Tín hiệu trên van 2 42

Hình 4.6: Tín hiệu trên van 3 43

Hình 4.7: Tín hiệu trên van 4 43

Hình 4.8: Đồ thị điện áp qua tải 43

Hình 4.9: Đồ thị dòng điện qua tải 43

Bảng 2.1: Thông số Diode 30

Bảng 2.2: Thông số IGBT 31

Bảng 2.3: Bảng liệt kê thiết bị mạch lưc 32

Bảng 3.1: Bảng lựa chọn thiết bị 36

Bảng 3.2: Bản lựa chọn thiết bị 37

Bảng 3.3: Bảng lựa chọn thiết bị 39

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung về động cơ 1 chiều kích từ độc lập

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Hình 1.1: Cấu túc động cơ một chiều

Giống như những máy điện quay khác nó cũng gồm phần đứng im (stato) vàphần 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 máyđiện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở roto Trên hình1.2 biểu diễn cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm các bộ phận chính

1.1.1.1 Stato

Stato máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thông chính của máy Statogồm các chi tiết sau:

Hình 1.2: Stator

 Cực từ chính

Một cực từ chính gồm: Lõi cực được làm bằng các lá thép điện kỹ thuật ghéplại, mặt cực có nhiệm vụ làm cho từ thông dễ đi qua khe khí Cuộn dây kích từ đặt trênlõi cực cách điện với thân cực bằng một khuôn cuộn dây cách điện Cuộn dây kích từlàm bằng dây đồng có tiết diện tròn, cuộn dây được tẩm sơn cách điện nhằm chốngthấm nước và tăng độ dẫn nhiệt

Để tản nhiệt tốt cuộn dây được tách ra thành những lớp, đặt cách nhau một rãnhlàm mát

 Cực từ phụ

Cực từ phụ nằm giữa các cực từ chính, thông thường số cực phụ bằng ½ số cựcchính Lõi thép cực phụ thường là bột thép ghép lại, ở những máy có tải thay đổi thì lõithép cực phụ cũng được ghép bằng các lá thép Cuộn dây đặt trên lõi thép Khe khí ởcực từ phụ lớn hơn khe khí ở cực từ chính

 Gông từ

Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trongđộng cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớnthường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

 Cơ cấu chổi than

Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than bao gồm có chổithan đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cốđịnh trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để điềuchỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

1.1.1.2 Rôto

Rôto của máy điện một chiều là phần ứng Ngày nay người ta dùng chủ yếu làloại rôto hình trống có răng được ghép lại bằng các lá thép điện kỹ thuật Ở những máycông suất lớn người ta còn làm các rãnh làm mát theo bán kính (các lá thép được ghéplại từng tệp, các tệp cách nhau một rãnh làm mát)

Hình 1.3: Rotor

 Lõi sắt phần ứng

Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủcách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên.Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào Trong nhữngđộng cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõisắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục Trong những động cơ điện lớn hơn thìlõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi làkhe hở thông gió Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõisắt Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto có thể tiếtkiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto

 Cổ góp

Cuộn dây rôto là cuộn dây khép kín, mỗi cạnh của nó được nối với phiến góp.Các phiến góp được ghép cách điện với nhau và với trục hình thành một cổ góp Phiếngóp được làm bằng đồng, vừa có độ dẫn điện tốt vừa có độ bền cơ học, chống mài mòn(hình 1.3)

 Thiết bị chổi

Để đưa dòng điện ra ngoài phải dùng thiết bị chổi gồm: chổi than được làmbằng than granit vừa đảm bảo độ dẫn điện tốt vừa có khả năng chống mài mòn, bộ giữchổi được làm bằng kim loại gắn vào stato, có lò so tạo áp lực chổi và các thiết bị phụkhác

 Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạyqua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện

nhỏ có công suất dưới vài kW thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa

và lớn thường dung dây tiết diện chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnhcủa lõi thép Để tránh khi quay bị văng ra lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nệm để đèchặt hoặc đai chặt dây quấn Nệm thường làm bằng tre, gỗ…

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 thanhdẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều củalực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do cóphiếu 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 Eư chiều của suấtđiện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều suất điện động Eưngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động

1.1.3 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 bốtrí ở phần tĩnh có các cuộn dây kích từ sinh ra từ thông Ф, phần ứng là phần quay nốivới điện áp lưới qua vành góp và chổi than Tác động giữa từ thông Ф và dòng điệnphần ứng I ư tạo nên momen quay động cơ Khi động cơ quay các thanh dẫn phần ứngcắt qua từ thông Фtạo nên sức điện động E ư

Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện kích từ độc lập được trình bày trên hình 1.7

-IưIkt

Eư

Hình 1.4: 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:

 r ư: Điện trở cuộn dây phần ứng

 r cf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ

 r b: Điện trở tiếp xúc cuộn bù

 r ct: Điện trở tiếp súc của chổi điện

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

 : Hệ số cấu tạo của động cơ

Từ (1.1) và (1.2) ta có:

u f u

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng

mô men điện từ, ta ký hiệu là M Nghĩa là: M dt = M cơ = M

2 ( )

M

R K

Hình 1.5: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Theo các đồ thị trên, khi I ư = 0 hoặc M = 0 ta có:

0

.

u U K

R I K

 

(1.10)

2.M ( )

 



2

( )

 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: từthông động cơ , điện áp phần ứng U ư, điện trở phần ứng động cơ

1.1.4 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 cácloại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổi tốc độ một cách dễ dàng màcấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời đạt được chất lượng điềuchỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng Từ phương trình tốc độ:

R K

Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

 Nguyên lý điều khiển:

Trong phương pháp này người ta giữ U = U đm,Ф = Ф đm và nối thêm điện trở phụvào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Hình 1.6: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ R f

Ứng với R f= 0 ta có độ cứng tự nhiên β TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tựnhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ Như vậy, khi tathay đổi R f ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên

Đặc điểm của phương pháp:

 Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tụcđược mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ sốmômen tải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = ω max / ω mincàng 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 trởphụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

1.1.4.1 Điều chỉnh từ thông Ф

 Nguyên lý điều khiển:

Giả thiết U = U đm , R ư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòngđiện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vàomạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ

Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa(Ф = Ф đm) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ cóthể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Ф tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc

độ định mức Nên khi giảm Ф thì tốc độ không tải lý tưởng .

dm o

U K

Hình 1.7: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông Φ

Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăngvượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi Vì vậy muốn giữ cho dòng điệnkhông vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm M t

theo cùng tỉ lệ

 Đặc điểm của phương pháp:

 Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng

 Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với địnhmức, việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch

 Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điềukhiển với công suất không đổi

 Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiểnnằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên Dải điều khiển phụ thuộc vàophần cơ của máy Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 : 1

Vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta cóthể điều khiển liên tục với Ф ≈ 1

 Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liêntục và kinh tế (vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ vớidòng kích từ (1÷10)% I đm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp) Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khicần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển

1.1.4.2 Điều chỉnh điện áp phần ứng U ư

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn nhưmáy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bịnguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điệnđộng E b điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển U đk Vì nguồn có công suất hữu hạn so vớiđộng cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong R b và điện cảm L b khác không Đểđưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa

M

LK BBĐ

U đk

~

Hình 1.8: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng

EB(Uđk) Eư(Uđk)

UI

Hình 1.9: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng

Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:

U dk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để

Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bịchặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từthông cũng được giữ ở giá trị định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạnbởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động Khi mômen tải là định mức thìcác giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

 

0 max

11

Hình 1.10: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng U u

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω 0 max, M đm, K Mlà xác định, vì vậyphạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β Khi điều chỉnhđiện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạchphần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ Do đó có thể tính sơ bộ được:

0 max

110

Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền độngmột chiều kích từ độc lập là tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng

có đặc tính cơ trong toàn dải là như nhau, do đó độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớnnhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh Hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơthấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị sai số cho phép,thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộdải điều chỉnh Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là:

Vì các giá trị M đm, ω 0 min, s cplà xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểu của

độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị cho phép Để làm việc này,trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín

Nhận xét: Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một

chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cáchthay đổi điện áp U ư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất

vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng vàkhông bị tổn hao

1.2 Giới thiệu chung về băm xung áp một chiều

1.2.1 Nguyên lý chung của băm xung một chiều

Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được mô tả trên hình 1.11 Giữanguồn một chiều E và tải Rt là van Tr làm việc như một khóa điện tử, hoạt động củaBXMC 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:

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, còn giữ chu kỳ T không đổi, như vậy ta dùng cáchthay 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 vớiphương pháp trên, độ rộng xung điện áp ra tải được giữ nguyên, mà chỉthay đổi tần số lặp lại của xung này, vì vậy được gọi là phương phápxung - tần Phương pháp này không thuận lợi khi phải điều chỉnh điện áptrong một dải rộng, vì tần số biến thiên nhiều sẽ làm thay đổi mạnh giátrị trở kháng khi mạch có chứa các điện cảm hoặc tụ điện nên khó tínhtoán 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 Tr chỉ làm việc đúng như một van bán dẫn, vì vậy băm xungmột chiều có nhiều ưu điểm :

 Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi là không đáng kể sovới 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 môi trường vì yếu tốđiều chỉnh là thời gian đóng khoá 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 BXMC cũng có những nhược điểm là »

 Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính điều chỉnh

 Tần số đóng cắt lớn sẽ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh

Các bộ băm xung một chiều được phân thành BXMC không đảo chiều vàBXMC có đảo chiều dòng tải

1.2.2 Van MOSFET

1.2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MOSFET

Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằngđiện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ Hình 1.12.a, b thể hiện cấu trúc bán dẫn và

ký hiệu của một MOSFET kênh dẫn kiểu n G là cực điều khiển được cách ly hoàn

toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điệncực lớn dioxit - silic (SiO2) Hai cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D) Cực máng

là cực đón các hạt mang điện Nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang điện sẽ là các điện

tử (electron), do đó cực tính điện áp của cực máng sẽ là dương so với cực gốc Trên kýhiệu phần tử, phần chấm gạch giữa D và S để chỉ ra rằng trong điều kiện bình thườngkhông có một kênh dẫn thực sự nối giữa D và S Cấu trúc bán dẫn của MOSFET kênh

dẫn kiểu p cũng tương tự nhưng các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện ngược lại Tuy nhiên đa số các MOSFET công suất là loại có kênh dẫn kiểu n.

Hình 1.12: MOSFET (a) Cấu trúc bán dẫn; (b) Ký hiệu.

Hình 1.13 mô tả sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET

Trong chế độ làm việc bình thường U DS > 0 Khi điện áp giữa cực điều khiển và cực

gốc bằng không, U GS = 0, kênh dẫn sẽ hoàn toàn không xuất hiện Giữa cực gốc và cực

máng là tiếp giáp p-n - phân cực ngược Điện áp U DS sẽ hoàn toàn rơi trên vùng nghèođiện tích của tiếp giáp này, (xem hình 1.12.a)

Nếu điện áp điều khiển âm, U GS < 0, thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển sẽ tích

tụ các lỗ (p), do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng sẽ không thể xuất hiện Khi điện áp điều khiển dương, U GS > 0, và đủ lớn, bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích

tụ các điện tử, như vậy một kênh dẫn thực sự đã hình thành (xem hình 1.13.b) Dòng

điện giữa cực gốc và cực máng phụ thuộc vào điện áp U DS Trong cấu trúc MOSFET

các phần tử mang điện là các điện tử, giống như của lớp n tạo nên cực máng, nên MOSFET được gọi là phần tử với các hạt mang điện cơ bản, khác với các cấu trúc BJT, IGBT, tiristo là các phần tử với các hạt mang điện phi cơ bản

Hình 1.13.c cho thấy giữa cực máng và cực gốc tồn tại một tiếp giáp p-n -, tươngđương với một điôt ngược nối giữa D và S, gọi là điôt nội

Hình 1.13: Sự tạo thành kênh dẫn trong MOSFET.

Hình 1.14: Đặc tính tĩnh của MOSFET

Hình 1.13 thể hiện đặc tính tĩnh của MOSFET, là mối quan hệ phụ thuộc giữa

dòng cực máng I D và điện áp giữa cực máng và cực gốc U DS, với điện áp điều khiển

U GS là tham số Vùng được bôi đen gọi là vùng tuyến tính vì trong vùng này sự thay

đổi của U DS tỷ lệ với sự thay đổi của I D Nói cách khác, trong vùng này kênh dẫn của

MOSFET giống như một điện trở thuần, với điện trở tương đương bằng R tđ =U DS /

I Trong chế độ khoá khi dẫn dòng MOSFET làm việc ở đúng vùng này Có thể thấy

rằng nhược điểm của MOSFET so với BJT là sụt áp trên van khi dẫn dòng khá lớn, vìvậy MOSFET chỉ phù hợp với công suất nhỏ Phía bên phải của vùng tuyến tính gọi là

vùng bão hoà vì khi đó dòng I D hầu như không phụ thuộc vào điện áp U DS Trong chế

độ khoá, điểm làm việc (U DS , I D) chỉ chạy qua vùng này trong quá trình quá độ, chuyển

từ dẫn sang khoá và ngược lại

1.2.2.2 Đặc tính đóng cắt của MOSFET

Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản, MOSFET có thể đóng cắt với

tần số rất cao Cơ chế ảnh hưởng đến thời gian đóng cắt của MOSFET là các tụ điện

ký sinh giữa các cực Hình 1.15.a thể hiện các thành phần tụ điện ký sinh tạo ra giữacác phần trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET Tụ điện giữa cực điều khiển và cực gốc

C GS phải được nạp đến điện áp U GS(th) trước khi dòng cực máng có thể xuất hiện Tụ

giữa cực điều khiển và cực máng C GD có ảnh hưởng mạnh đến giới hạn tốc độ đóng cắtcủa MOSFET Hình 1.15.b chỉ ra sơ đồ tương đương của một MOSFET và các tụ ký

sinh tương ứng Các tụ này thực ra có giá trị thay đổi tùy theo mức điện áp, ví dụ C GD thay đổi theo điện áp U DS giữa giá trị thấp C GDl và giá trị cao C GDh như được chỉ ra trênhình 1.15

Hình 1.15: Mô hình của một khoá MOSFET (a) Các thành phần tụ ký sinh trong cấu trúc

bán dẫn; (b) Mạch điện tương đương

Xét quá trình điều khiển một khoá MOSFET, làm việc với tải trở cảm, có điôtkhông Đây là chế độ làm việc tiêu biểu của các khoá bán dẫn Sơ đồ mạch điều khiểncho trên hình 1.16 Tải cảm trong sơ đồ thể hiện bằng nguồn dòng nối song song

ngược với điôt dưới điện áp một chiều U DD MOSFET được điều khiển bởi đầu ra của

vi mạch DRIVER dưới nguồn nuôi U CC , nối tiếp qua điện trở R Gext Cực điều khiển có

điện trở nội R Gin Đồ thị dạng dòng điện, điện áp của quá trình mở, khoá được thể hiệntrên hình 1.18.(a) và (b)