Chương III BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU KHIỂN PHA
CHƯƠNG 4 BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU
IV.4 MẠCH PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN BBĐ ÁP MỘT CHIỀU
1.Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi:
Có hai nguyên lý thường dùng: Điều chế độ rộng xung và so sánh có trễ.
a. Nguyên lý điều rộng xung:
Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) hay gọi tắt điều rộng là phương pháp biểu diễn thông tin bằng độ rộng xung. Tín hiệu tương tự Uđk được biến đổi thành độ rộng xung tương đối α = tON/ T của súng mang xung vuụng cú tần số khụng đổi fC = 1/ T. Khi sử dụng độọ rộng xung α để điều khiển BBĐ áp một chiều, trung bình áp ngỏ ra của BBĐ là tín hiệu được giải điều chế: Uo = α.U sẽ tỉ lệ với Uđk ở đầu vào.
Uủk
Dao động tam giácuc
Hình IV.4.1.a. Nguyên lý điều rộng xung Thực vậy, hình IV.4.1.a trình bày nguyên lý và IV.4.1.b cho ta các dạng sóng mạch PWM.
Hai tam giác Obd và Oca đồng dạng cho ta
max
ON ủk
c
t U
T U
α = =
Theo <IV.1.8>, trung bình áp ra:
O . ủk
CMax
U U U U
α U
= = , tỉ lệ với Uđk. Như vậy thông tin điều chế đã được phục hồi.
t U
cmax
U c
on b
t a
U ủk
d
Uo 0
0 T
Hình IV.4.1.b. Các dạng sóng
Sơ đồ truyền tín hiệu của BBĐ sửụng điều chế độ rộng xung:
Uđk --> Điều rộng xung --> α --> BBĐ áp MC --> lấy trung bình (giải điều chế) --> UO Trong điện tử công suất, quá trình giải điều chế thực hiện do quán tính của tải, vì tải thường chỉ tác động bởi giá trị trung bình của áp cung cấp. Ví dụ quán tính của động cơ làm cho tốc độ chỉ phụ thuộc vào trị trung bình điện áp, tự cảm cuộn dây làm dòng điện khá phẳng…
Nếu ta muốn lấy ra điện áp Uo tỉ lệ với Uđk ở ngỏ ra BBĐ cần có bộ lọc thông thấp (cho qua tần số thấp) để loại ra thành phần có tần số sóng mang và các sóng hài. Nếu Uđk thay đổi, tần số điều rộng xung f = 1/T phải đủ cao để mạch lọc có thể cho qua các thành phần tần số của Uđk. Đây chính là nguyên lý của mạch khuếch đại lớp D, sử dụng BBĐ áp một chiều để khuếch đại với hiệu suất rất cao.
Hình IV.4.1b cũng cho thấy sự tương đương của điều rộng xung (diện tích tON.U ) và điều khiển biên độ (diện tích T.UO) khi thời gian T đủ nhỏ so với thời hằng tải.
b. Điều khiển dùng bộ so sánh có trễ:
Khi sử dụng bộ so sánh có trễ (so sánh Smit), ta đã kết hợp mạch thay đổi độ rộng α và việc điều khiển hệ thống. Bộ so sánh có nhiệm vụ so sánh đặc tính ngỏ ra (phản hồi) và tín hiệu đặt để đóng ngắt ngắt điện:
Khi Đặt > Phản hồi + Δ : HT tác động ngắt điện để tăng ngỏ ra.
Đặt < Phản hồi – Δ : HT tác động ngắt điện để giảm ngỏ ra.
+ Đặt S1
C
+ i
uo D1 o
U
Phản hồi L
_ _
Hình IV.4.2 So sánh có trễ (Smit trigger)
vùng trễ Δ xác định thời gian đóng – ngắt, được thêm vào để giảm tần số làm việc của ngắt điện. Hệ thống ĐK này đơn giản, chất lượng ngỏ ra được đảm bảo nhưng không thể rất cao vì ngỏ ra luôn còn sai số, tần số đóng ngắt thay đổi theo tải. Nguyên lý này còn có các tên: điều khiển dùng rơ le có trể, điều khiển theo áp (dòng) ngỏ ra.
Sơ đồ điều khiển vòng kín BBĐ xung áp một chiều hoàn toàn giống với chỉnh lưu điều khiển pha, cũng có vòng phản hồi dòng điện và vòng phản hồi điện áp (hay tốc độ khi đối tượng điều khiển là động cơ). Nhưng khi có sử dụng các sơ đồ hạn dòng cực đại, khóa tức thời các ngắt điện khi dòng vượt quá giá trị giới hạn, ta có thể bỏ qua vòng dòng điện. Trường hợp này hay gặp khi công suất tải bé.
2. Mạch điều rộng xung loại dòng điện:
Sơ đồ này cho phép cùng lúc thay đổi độ rộng xung α và kiểm soát biên độ dòng qua ngắt điện, rất thích hợp với các bộ biến đổi áp một chiều dạng flyback. Khi đó, ta luôn khống chế được giá trị dòng nạp cuộn dây, tránh quá dòng qua ngắt điện khi có quá tải hay ngắn mạch tải.
Sơ đồ này cũng bảo vệ được trường hợp bộ điều khiển làm việc sai, dòng qua ngắt điện tăng lên rất cao vì điện trở cuộn dây rất bé.
set set
phản hồi dòng reset
Đặt dòng reset
Dao động
lái MosFET
Nguyên lý điều khiển được trình bày trên hình IV.4.3. Mạch dao động (thường là nạp xả) xác định độ rộng xung tối đa của BBĐ, tác động vào ngỏ
Dao động
Set Reset
Đặt dòng
Phản hồi dòng
ẹieàu khiển áp
R-S F F
Q
S
Shunt
Hình IV.4.3: Bộ điều rộng xung loại dòng điện
SET của RS FF để đóng ngắt điện S ở đầu chu kỳ, tác động vào RESET để khóa S khi độ rộng xung tương đối đạt giá trị tối đa. Điều này thực hiện được nhờ SET và RESET tác động bằng cạnh lên và xuống. Một mạch so sánh có thể khóa ngắt điện S khi dòng qua nó vuợt qua giá trị đặt dòng là ngỏ ra của bộ điều khiển áp. Bộ điều khiển áp sẽ tăng tín hiệu đặt dòng qua S để có được áp ra cao hơn. Để ý dòng điện này có quán tính, không thay đổi tức thời vì là dòng qua cuộn dây. Trong hình IV.4.3, cổng OR để RESET Flip Flop từ hai nguồn.
Vi mạch họ 38xx trong phần phụ lục cho ta sơ đồ thực tế của bộ điều rộng xung loại dòng ủieọn.
GHi NHỚ - Điều rộng xung loại dòng điện là nguyên lý chủ yếu của các vi mạch điều khiển bộ nguồn xung loại Flyback.
3. Mạch lái nửa cầu transistor:
Bộ biến đổi làm việc hai phần tư hình còn gọi là nửa cầu (half bridge) khi xem nó là một nửa của sơ đồ cầu hình . Hai ngắt điện S1, S2 có thể là BJT, mosFET, IGBT thuộc họ transistor khi công suất không quá lớn hay linh kiện họ thyristor khi dòng tải đủ lớn. Trong mục này, ta chỉ xét mạch lái các linh kiện họ transistor, giới thiệu chi tiết hơn mạch lái mosFET, IGBT là những ngắt ủieọn thoõng duùng hieọn nay.
Phương án chính quy nhất là sử dụng hai mạch lái hình II.4.2.e cho từng transistor(hình IV.3.5). Các optron dùng để ghép nối và cách ly mạch điều khiển và các transistor ở các mức điện áp khác nhau. Tín hiệu sau khi truyền qua optron được khuếch đại để điều khiển ngắt điện. Mạch khuếch đại có sơ đồ thay đổi theo loại transistor.
Yêu cầu quan trọng của sự phối hợp hai tín hiệu điều khiển ngắt điện là đãm bảo chống trùng dẫn. Đây là hiện tượng hai ngắt điện nối tiếp cùng dẫn điện làm ngắn mạch nguồn. Hiện tượng này xảy ra khi một transistor được lệnh ngắt không kịp ngắt thì transistor nối tiếp có lệnh đóng. Nguyên nhân là do thời gian tắt toff của transistor luôn lớn hơn thời gian mở ton. Để chống lãi, ta cần có thời gian chết (dead time) xen kẻ giữa hai tín hiệu điều khiển đóng hai ngắt điện.
+ - + -V
Vn
Khueách đại
Q2 mosFET N Khueách
đại OPTO2
12 43
Q1 mosFET N
V
OPTO1
12 43
V1
OUT
V2
Hình IV.3.5 Mạch lái nửa cầu điều khiển độc lập các transistor
Q1
Q2 (c)
Q1 Q1
Q1 Q2 Q1
thời gian chết
Q2 (a)
Q2
Q1 (b)
Hình IV.3.6 Tín hiệu điều khiển nửa cầu có chống truứng daón
(a) tớn hieọu ủieàu khieồn lyự thuyeỏn
(b), (c) tín hiệu điều khiển thực tế ngắt điện với thời gian chết từ 1 đến vài chục micro giây
Ở một số trường hợp cần mạch đơn giản và ở áp thấp, các transistor được điều khiển từ một mạch chung. Mạch này phải giải quyết luôn yêu cầu thời gian chết. Khi đó các transistor là loại bổ phụ (complementary). Hình IV.3.7 là một ví dụ.
Q3 bảo hòa làm tắt Q1, phân cực cho Q2 dẫn điện, và ngược lại Q4 là tắt Q2, phân cực Q1. Q5 vừa làm nhiệm vụ đổi mức logic, vừa điều khiển đảo pha Q3, Q4. Nhiệm vụ chống trùng dẫn do R5 phụ trách. R4, R3 có trị số rất bé làm cho Q1 (Q2) tắt nhanh khi Q3 (Q4) bảo hòa trong khi R5 có trị số khá lớn (hàng chục kohm) làm cho các mosFET mở chậm. Chính vì vậy mà tần số làm việc của mạch không cao và việc áp cực cổng thay đổi chậm cũng làm tăng toồn hao treõn ngaột ủieọn.
R1, R2, R3, R4 chỉ có tác dụng bảo vệ, R6, R9 cần thiết để làm Q3, Q4 tắt.
R1
R4
R11
Q2
mosFET N Q5
R5
Q1 mosFET P
R9 R6
R8 R10
Q4 Q3
R2
OUT R7
Vn
IN R3
Hình IV.3.7 Mạch lái MosFET áp thấp (24V) và tần số đóng ngắt không cao
Mạch lái dùng vi mạch: Vì các nửa cầu là phần tử cơ sở cho BBĐ áp một chiều, các công ty sản xuất linh kiện điện tử công suất đều có chế tạo vi mạch lái. Đáng chú ý nhất là hãng International Rectifier và họ vi mạch IR21xx. Họ vi mạch này dùng công nghệ đóng ngắt tụ điện để đổi điểm chung của tín hiệu điều khiển mosFET, nhờ đó có thể điểu khiển cả hai ngắt điện cùng là kênh n mà không cần thiết bị phụ nâng mức (hình IV.3.8).
Hình IV.3.8 Mạch lái nủa cầu dùng IR2184
Hình IV.3.8 và IV.3.9 giới thiệu sơ đồ ứng dụng và nguyên lý của IR2184 là mạch tích hợp điều khiển nửa cầu hoạt động đến 600V (dùng cho các hệ thống sử dụng 220VAC một pha) từ một tín hiệu điều khiển chung IN. IR2184 có sẵn bộ tạo thời gian chết (là thời gian cả hai MosFET không có áp cực cổng khi IN thay đổi trạng thái) bằng 0.5 micro giây trong khi IR21844 có thể thay đổi nó bằng một điện trở bên ngoài để chống hai MosFET trùng dẫn. SD (shut down) là tín hiệu cấm (ngắt xung điều khiển) dùng mức thấp. Vi mạch dùng nguồn VCC từ 10 đến 20V nhưng ngỏ vào IN tương thích logic 3 đến 5V. Khối lái mosFET nối nguồn dương Q1 có cấp điện VB, VS
có thể lấy từ nguồn VCC qua diod D1 khi Q2 dẫn điện. Điều này yêu cầu Q2 đóng ngắt thường xuyên và Q1 không thể đóng mạch thời gian dài. Dòng xung cực đại ngỏ ra mỗi kênh là +1.8A/ – 1.4A đủ để nạp xả tụ 0.1 uF trong 1 micro giây đến áp lái định mức.
Trong vi mạch còn có khối bảo vệ áp nguồn thấp (UV detect) để tránh không đủ áp lái mosFET. Trong họ IR21xx có vi mạch IR2101, IR2110 điều khiển nửa cầu bằng hai ngỏ vào độc lập và việc xử lý chống trùng dẫn phải thực hiện trong sơ đồ phát xung.
Hình IV.3.9 Sơ đồ nguyên lý vi mạch IR2184 4. Mạch lái sơ đồ cầu:
Một cách chính quy, sơ đồ cầu có thể lái bằng hai mạch nửa cầu vừa được khảo sát. Ta cũng có các sơ đồ lái phối hợp trong hình IV.3.10. Các mạch này khá đơn giản nên có giới hạn về
công suất, điện áp làm việc, tần số đóng ngắt và phương thức điều khiển. Ý tưởng chính ở đây là dùng một tín hiệu điều khiển cặp ngắt điện chéo để tạo ra một cực tính áp ra.
V
1k
Q3
1k VCC
12V OPTO1
12 43
CHẠY (Nghịch)
OPTO3
12
43
12V
OPTO4
12
43
VCC
OPTO2
12 43
12V
Q4
Q12
(từ 12 đến 24V)
Q2
CHẠY (Thuận)
A -
+
M
3k3 330
Q10
Q1 3k3
3k3
330 1k
3k3
12V
1k
Q4 12V
3k3 1k Q3 (từ 12 đến 24V)
100 3k3 3k3
Q2 3k3
Q1
DK1 100
Q1, Q3: IRF9540 Q2,Q4: IRF540 1k
V
ẹK2 12V
A -
+
M1
(a) (b)
Hình IV.3.10 Mạch lái cầu H đơn giản
Hình (a) sử dụng optron cách ly và đổi mức logic cho mạch lái mosFET. Điều khiển thuận (cấp áp dương) và nghịch (áp âm) cho động cơ bằng cách đóng mạch điện nối tiếp hai LED của optron lái các ngắt điện. Hình (b) sử dụng hai mosFET dưới phân cực cho hai mosFET trên. Các diod ổn áp bảo vệ quá áp có thể xảy ra do mạch lái cấp điện từ nguồn động lực.