CHƯƠNG 3 THIẾT kế MẠCH lực

Các loại linh kiện bán dẫn có thể đáp ứng được yêu cầu ởtần số này là: + Transistor lưỡng cực BJT – Bipolar Junction Transistor + Transistor hiệu ứng trường MOSFET- metal Oxide Semicoduc

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH LỰC

3.1 Chọn thiết bị bán dẫn đóng cắt và dạng động lực

3.1.1 Chọn thiết kế bán dẫn đóng cắt

Tần số điện áp ra – tần số cơ bản – có giá trị khá lớn, từ 100 đến 500 Hz Đây

là một tần số khá lớn đối với một bộ nghịch lưu Trong bộ nghịch lưu sử dụngnguyên lý PWM thì tần số chuyển mạch cồn lớn hơn nhiều lần tần số cơ bản.Chính vì vậy ta phải chọn linh kiện bán dẫn làm khóa chuyển mạch phải có tốc độchuyển mạch khá lớn Các loại linh kiện bán dẫn có thể đáp ứng được yêu cầu ởtần số này là:

+ Transistor lưỡng cực BJT – Bipolar Junction Transistor

+ Transistor hiệu ứng trường MOSFET- metal Oxide Semicoducter FieldEffect Transistor

+ IGBT là sự kết hợp của BJT và MOFET

Để tiến hành lựa chọn được van bán dẫn thích hợp, ta tiến hành phân tích ưunhược điểm các van bán dẫn trên

Dải công suất của BJT:

Ngày nay với kĩ thuật tiên tiến thì các BJT có thể có công suất khá lớn, các vanBJT có thể có điện áp chịu được hàng chục kilôvôn và có dòng cho phếp cỡ vàinghìn Ampe Tần số chuyển mạch của BJT cho phép khá lớn, tần số cho phép vàokhoảng 10Kz Tần số này càng giảm khi công suất van tăng Độ tuyến tính xungđiện áp của BJT khá lớn, nguyên nhân chính do tụ ký sinh trên van nhỏ nên chophép van chuyển mạch nhanh

Nhược điểm chủ yếu của BJT là công suất mạch điều khiển Các BJT công suấtlớn thường có hệ số khuếch đại nhỏ,cỡ trên dưới 10 lần.Điều này đồng nghĩa với

công suất mạch điều khiển bằng 1/10 công suất mạch động lực nếu ta sử dụngkhuếch đại trực tiếp Công suất mạch điều khiển có thể giảm được nếu ta sử dụngmạch Dalington cho tầng khuếch đại cuối cùng,tuy vậy sẽ gây ra một số vấn đề đó

là trễ điều khiển khi chuyển mạch tần số lớn

Tổn hao và làm mát BJT

Như ta đã phân tích,tổn hao trong BJT khá lớn do nó được điều khiển bằngdòng áp Do tổn hao khá lớn nên các mạch dùng BJT thường có công suất nhỏ,cỡvài trăm oát.Việc sử dụng ở tần số cao hơn có thể làm được song không kinh tếtrong điều khiển và làm mát van

Những vấn đề cơ bản về MOSFET

Dải công suất của MOSFET

Công nghệ MOSFET ra đời đã cải tiến được những nhược điểm trong điềukhiển BJT Điều khiển đóng mở MOSFET là điều khiển bằng điện áp đặt lên haicực,cực cổng (G – Gate) và cực nguồn (S – Source).Việc điều khiển bằng điện áp

đã làm giảm được kích thước và tổn hao trong mạch điều khiển và dẫn tới khảnăng tích hợp thành vi mạch

Do sử dụng hiệu trường nên MOSFET cho phép tần số chuyển mạch khá lớn,

có thể đến 100kHz Độ tuyến tính của điện áp cao do tụ kí sinh trên van nhỏ Tuy vậy công suất của MOSFET không cao,khả năng làm việc ở điện áp caokhông bằng được BJT Các MOSFET công suất lớn thường có điện áp làm việcdưới 1kV và dòng điện cỡ vài chục Ampe

Tổn hao và làm mát MOSFET

MOSFET là van bán dẫn có tổn hao nhỏ nhất trong tất cả các van bán dẫn cóthể sử dụng ở chế độ đóng cắt Do sử dụng chuyển mạch bằng hiệu ứng trườngnên quá trình chuyển mạch gây ra tổn hao nhỏ Đi liền với đó là việc làm mát choMOSFET tương đối đơn giản,có thể sử dụng hiệu suất dòng cao mà vẫn có thểđảm bảo điều kiện làm mát Do vậy khi dải công suất cỡ vài trăm oát thì ta nên sửdụng MOSFET làm phần tử đóng cắt

Những vấn đề cơ bản về IGBT

Kết hợp những ưu điểm của BJT về mặt công suất và của MOSFET về mặt điềukhiển,IGBT ra đời Sự ra đời của IGBT đã giải quyết cho BJT về tổn hao trongđiều khiển và tăng công suất đóng cắt

Dải công suất của IGBT

Dải công suất của IGBT có thể nói là lớn nhất trong các van sử dụng nguyên lýchuyển mạch bằng dòng xung điều khiển Do không bị hán chế về điều khiển nên

có thể chế tạo IGBT với công suất khá lớn với giá thành không quá cao Ngày nayIGBT với công suất khá lớn với giá thành không quá cao.Ngày nay IGBT có thểchế tạo điện áp cỡ 6kV và dòng điện cỡ 3kA,trong khi yêu cầu điện áp mạch điềukhiển chỉ khoảng 20V và không cần dòng điều khiển do điều khiển IGBT là bằngđiện áp như MOSFET

Tần số chuyển mạch của IGBT cũng khá lớn, thông thường các IGBT công suất

có tần số làm việc khoảng 20kHz

Tổn hao và làm mát cho IGBT

Trong quá trình vận hành IGBT có tổn hao thấp hơn BJT song lại cao hơnMOSFET Do vậy quá trình làm mát của IGBT phải đặc biệt được chú ý khi dảicông suất tăng cao

Qua phân tích ở trên cộng với đối chiếu công suất thiết kế của bộ nghịch lưu tachọn IGBT làm phần tử chuyển mạch

Những điều quan trọng về IGBT

Cũng giống như MOSFET,ta có hai loại IGBT là IGBT loại N và IGBT loại P.Hình vẽ 2.5 trình bày cấu tạo bên trong của IGBT loại N, trong tất cả các vấn đềđược nói đến sau này ta chỉ lấy IGBT loại này làm ví dụ Nguyên nhân chính là dophần lớn IGBT là loại N và loại P hoàn toàn có thể phân tích tương tự

Hình 3.1: Cấu trúc bên trong vủa IGBT loại N

Ta thấy rằng trong IGBT có ba lớp tiếp giáp đó là J1, J2 và J3 như hình 2.5

Quá trình điện chỉ xảy ra trên ba lớp này Vì vậy ta tiến hành phân tích hoạtđộng của IGBT dựa trên cấu trúc của ba lớp tiếp giáp này

Trạng thái đóng mở của van được điều khiển,giống như MOSFET,bằng điện áptrên cực cổng VG Khi có điện áp đặt lên cực G và cực E nhở hơn điện áp cần thiết

mở van bán dẫn thì sẽ không có sự biến đổi trong lớp MOSFET và do đó van ởtrạng thái khóa Khí được nối với nguồn điện áp sẽ được đặt trên lớp tiếp giáp J2,điện áp này gây nên một dòng trôi trên trong bán dẫn,dòng điện này có giá trị khánhỏ và được định ngĩa là dòng điện rò của van Điện áp chọc thủng theo chiềuthuận chính là điện áp chọc thủng lớp tiếp giáp này Đây là một loại đại lượngquan trọng cho van bán dẫn, phần tử bán dẫn có thể bị pha hủy do điện áp và dòngđiện khi lớp tiếp giáp này bị đánh thủng

Ngày nay, do công nghệ bán dẫn phát triển nên có thể chế tạo IGBT ở điện ápcao và dòng điện lớn Các IGBT công suất có thể chế tạo đến điện áp khoảng6.3kV và dòng điện cỡ vài nghìn Ampe Bên cạnh đó có thể tích hợp 6 IGBT trongmột khối thành một cầu ba pha tạo điều kiện thuận lợi cho việc làm mát tập trung

Hình 3.2: Cấu trúc bên trong khi IGBT dẫn

đồ cầu có ưu điểm cho ra điện áp một chiều Sau chỉnh lưu chất lượng caovaf khảnăng cho ra điện áp lớn khi dùng cùng một loại van như các chỉnh lưu khác

 Phần mạch nghịch lưu :

Mạch nghịch lưu ta dùng sơ đồ nghịch lưu cầu ba pha sử dụng phần tử đóngcắt là MOSFET công suất Đầu ra tải được đầu hình Y

Ngoài các phần tử trên còn các mạch lọc, các mạch lọc này có tác dụng bảo vệ

bộ nghịch lưu và bộ chỉnh lưu diode, lọc xung điện tần số lớn cho nguồn cung cấp.Các mạch lọc bao gồm:

+ Mạch lọc của bộ nghịch lưu: Bao gồm mạch lọc trước và sau chỉnh lưu.Các mạch này có tác dụng lọc ra thành phần điên áp cơ bản cung cấp cho tải vàngăn ko cho thành phần sóng hài sang phần điện áp một chiều.

+ Mạch lọc từ lưới tránh xung điện áp cao: Đó là mạch lọc RC được mắcngay sau máy biến áp lực, mạch này có tác hững xung điện áp cao từ lưới sau khiqua máy biến áp Nhờ có mạch này mà xung điện áp được giảm đáng kể trước khi

đi vào mạch chỉnh lưu

Thiết bị bảo vệ và đóng cắt mạch là Aptomat bên sơ cấp và cầu chì bên thứ cấp

3.3.Tính toán chon máy biến áp

+ Công suất biểu kiến của máy biến áp:

)(23,518885

,0

4200.05,1

K P K



+ Điện áp pha sơ cấp:Up=220V

+ Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

ba d

V đm

3 6

d u

3

23 , 5188 6 f.



m

S k

3 2 1 4

Hình 3.3: Hình dáng cắt ngang trụ máy biến áp

+Tổng chiều dày các bậc thang của trụ :

+ Chế tạo gông từ có kích bằng chiều rộng của trụ :

Chiều dày của gông : b = d = 6,8 cm

Chiều cao của gông bawbgf chiều cao của lá thép ngoài cùng của trụ máybiến áp : a = 7,5 cm

+ Thiết diện của gông :

= a b = 7,5 6,8 = 51

+ Thiết diện hiệu quả của gông :

= = 0,95 51 = 48,45 cm2

+Số lá thép trong 1 gông :

*Tính toán dây quấn

+ Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp :

+ Chọn sơ bộ mật độ dòng trong máy biến áp :

+ Dây bằng đồng, máy khô, chọnJ1=J2=2,75(A/mm2)

+ Tiết diện dây sơ cấp :

2 1

+ Chọn dây dẫn tiết diên hình vuông, cách điện cấp B

+ Chuẩn hóa tiết diện :S1=7(mm2)

+ Kích thước dây dẫn có kể cách điện

Slcđ=a1.b1=1,5.1,5=2,25(mm2)

+ Tính lại mật độ dòng trong cuộn sơ cấp:

2 1

2 2

+ Chọn dây dẫn tiết diên hình vuông, cách điện cấp B

+ Chuẩn hóa tiết diện :S2=9(mm2)

+ Kích thước dây dẫn có kể cách điện

Slcđ=a2.b2=2.2=4(mmxmm)

+ Tính lại mật độ dòng trong cuộn sơ cấp:

2 2

* Kết cấu dây dẫn sơ cấp :

Thực hiện quấn dây kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục

+ Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp :

hg : khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp

+ Chọn sơ bộ khoảng cách điện gông là 1,5 cm

+ Tính sơ bộ số lớp dây cuốn ở cuộn sơ cấp:

+ Đường kính trong của ống cách điện

Dt = dFe + 2.cd01 – 2.S01 = 7 + 2.1 –2.0,1 = 8,8(cm)

+ Đường kính trong của cuộn sơ cấp

Dt1 = Dt + 2.S01 = 8,8+ 2.0,1= 9 (cm)

+ Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp cd11=0,1(mm)

+ Bề dày cuộn sơ cấp:

Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp : cd12 = 1 (cm)

* Kết cấu dây cuốn thứ cấp:

+ Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp:

h2 = h1 = 12,95(cm)

+ Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp:

w12 = 2

2 2

* Tính các thông số của máy biến áp

+ Điện trở của cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C

+ Điện trở của máy biến áp ở 750C

RBA = R2 + R1

2 2 1

WW

Pn % = 100 594, 24.100 11, 45

5188

n

p s

+ Khi góc mở nhỏ nhất = min thì điện áp trên trên tải là lớn nhất:

Udmax = Udo.cos min =Ud đm và tương ứng tốc độ động cơ là lớn nhất nmax = nđm Khi góc mở lớn nhất = max =thì điện áp trên tải là nhỏ nhất.

Ud min = Udo.cos max và tương ứng tốc độ động cơ sẽ nhỏ nhất nmin

Ta có:

max = arcos min

0

d d

U U

Trong đó: Ud min được xác định như sau:

U

U = arcos =86o

* Xác định điện cảm cuộn kháng lọc:

Từ phân tích trên ta thấy rằng khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phầnsóng hải bậc cao càng lớn, có nghĩa là đập mạch của điện ấp, dòng điện càng tănglên Sự đập mạch này làm xấu chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây ratổn ha phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ Để hạn chế sự đập mạch này ta phảimắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn để: Im ≤ 0,1 Iư dm

Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng lọc còn cótác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn

Điện kháng lọc được tính khi góc mở = max

3.4.1 Tính toán chọn van IGBT

* Điện áp lớn nhất đặt lên van: UVmax(V)

Xét tại thời điểm van V1 mở, van V4 dẫn:

Cực C của V1 nối với cực dương của nguồn Vg

Hình 3.5

Van V4 thông nối cực E của V1 với cực âm của nguồn Vg

Như vậy điện áp lớn nhất đặt lên các van IGBT là:

* Dòng điện trung bình đi qua van: Biểu thức dòng trung bình qua van động lực trong một chu kỳ điện áp ra:

V A

* Điện áp ngược lớn nhất đặt trên van UDngmax:

Xét thời điểm van V1, D4 khóa và van V4, D1 thông:

Hình 3.6 V4, D1 thông

Cực Anode cua D4 được nối với cực âm của Vg.

Cực Kathode của D4 do van D1 thông nên nối với cực dương của Vg

Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên van UDngmax Vg

* Dòng điện trung bình đi qua Diode: ID ( Hình 9 V4, D1 thông)

Biểu thức dòng điện trung bình đi qua Diode trong một chu kỳ điện áp ra là:

2 0

1

sin( ) 2

1,4.622,25 871,15( )

Ddm u Dng Ddm i Dng

V A

sin

m o

c s

q

C

U

I f

  



Chọn chế độ làm việc nặng nhất với  Uc  0,1 E0  0,1.622,25 62,225( )  V

3.5 Tính toán bộ biến đổi DC-DC

Bộ biến đổi xung áp một chiều DC-DC dùng điều chỉnh điện áp một chiều đầu

vào cho mạch lực của nghịch lưu, đảm bảo cho điện áp ra trên tải có biên độ theoyêu cầu của đề bài

3.5.1 Nguyên lý làm việc

Van có tác dụng nạp năng lượng cho

cuộn cảm L mắc nối tiếp giữa tải với

nguồn

+ Khi van T thông cuộn L nạp năng

lượng bằng dòng điện iv đi từ nguồn qua

L và van T: diL

dt  Hình3.7: DC-DC

+ Khi van khóa dòng qua cuộn cảm tiếp tục được duy trì bằng dòng qua diôt D

và phụ tải: diL g

dt  

Với Vg=const, dòng qua cuộn L có dạng tuyến tính, do đó nếu Iminvà Imaxlà các

giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của dòng qua cuộn cảm, ta có:

Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và đầu vào của bộ biến đổi như sau:

3.6 Tính toán chọn van IGBT

* Điện áp lớn nhất đặt trên van UTmax:

Khi van T khóa thì van D sẽ thông nên điện áp đặt trên van T chính là V g

3.8 Tính toán mạch bảo vệ van bán dẫn

3.8.1 Mạch trợ giúp van (Snubber Circuit)

Quá tải dòng điện đưa IGBT ra khỏi trạng thái bão hòa dẫn đến công suất phátnhiệt tăng lên đột ngột, phá hủy phần tử Khi khóa IGBT lại trong một thời gianrất ngắn khi dòng điện lớn dẫn đến tốc độ tăng giảm dòng dI/dt quá lớn trên C-Elập tức đánh thủng phần tử, nó không chỉ xảy ra trong chế độ sự cố mà còn xảy rakhi tắt nguồn, khi dừng đột ngột hoạt động, nghĩa là trong chế độ vận hành bìnhthường

Ở đây ta sử dụng mạch trợ giúp RC mắc song song với van

+ Van IGBT MG300Q1US51 sử dụng trong bộ nghịch lưu để đóng cắt dòng

điện Io  30 A dưới điện áp Eo 623 V, với tần số chuyển mạch là fs  30 kHz

, tụ ký sinh của bản thân van là Cp  800 pF, ta chọn các thông số mạch RC:

E R I