Thiết kế mạch công suất biến tần dùng module IGBT STK5C4U332J e

BỘ CÔNG THƢƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN BÁO CÁO TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN TẦN DÙNG MODULE IGBT STK5C4U332J E SINH VIÊN LÊ HẢI NHÂN MSSV 14132681 LỚP DHDKDTD10C GVHD PHẠM QUỐC KHANH TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN BÁO CÁO TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN TẦN DÙNG MODULE IGBT STK5C4U332J E SINH VIÊN LÊ HẢI NHÂN MSSV 14132681 LỚP DHDKDTD10C GVHD PHẠM QUỐC KHANH TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 Khóa luận.

BỘ CÔNG THƢƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN BÁO CÁO TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN TẦN DÙNG MODULE IGBT STK5C4U332J-E SINH VIÊN : LÊ HẢI NHÂN MSSV : 14132681 LỚP : DHDKDTD10C GVHD : PHẠM QUỐC KHANH TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN BÁO CÁO TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN TẦN DÙNG MODULE IGBT STK5C4U332J-E SINH VIÊN : LÊ HẢI NHÂN MSSV : 14132681 LỚP : DHDKDTD10C GVHD : PHẠM QUỐC KHANH TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên/ nhóm sinh viên đƣợc giao đề tài Lê Hải Nhân, MSSV: 14132681 Tên đề tài THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN TẦN DÙNG MODULE IGBT STK5C4U332J-E Nội dung Tính tốn thơng số để thiết kế mạch Thiết kế mạch nguyên lí Schematic Thiết kế mạch in PCB Kết Hoàn thành board công suất biến tần Giảng viên hƣớng dẫn Tp HCM, ngày tháng Sinh viên i năm 2018 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN ii Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân MỤC LỤC PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ vi DANH SÁCH CÁC BẢNG ix CHƢƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết đề tài .1 1.2 Phƣơng hƣớng thực đề tài 1.3 Ý nghĩa đề tài CHƢƠNG GIỚI THIỆU MODULE IGBT STK5C4U332J-E 2.1 Khái niệm IGBT .2 2.2 Cấu tạo nguyên lí hoạt động 2.3 Đặc tính đóng cắt IGBT .3 2.4 Vùng làm việc an toàn IGBT .4 2.5 Vấn đề bảo vệ IGBT 2.6 MODULE IGBT STK5C4U332J-E 2.7 Thông số module IGBT STK5C4U332J-E 2.8 Các chức bảo vệ .7 2.8.1 Bảo vệ dòng 2.8.2 Bảo vệ ngắn mạch 12 2.8.3 Bảo vệ thấp áp 12 2.8.4 Ngăn chặn truyền dẫn đồng thời .15 2.9 Sơ đồ chân module IGBT STK5CU332J-E 16 iii Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân 2.10 Chức chân IGBT .17 2.11 Định nghĩa chi tiết chức chân quan trọng 18 2.12 Tản nhiệt cho module IGBT 22 2.13 Sơ đồ kết nối khuyến nghị hãng sản xuất 24 CHƢƠNG ỨNG DỤNG TRONG BIẾN TẦN 25 3.1 Biến tần gì? 25 3.2 Lợi ích việc sử dụng biến tần 25 3.3 Các loại biến tần thị trƣờng .26 3.4 Hoạt động khối công suất biến tần 28 3.4.1 Bộ nguồn chuyển đổi điện áp xoay chiều chiều (AC-DC) 31 3.4.2 Lựa chọn giá trị diode zener tụ lọc .31 3.4.3 Mạch nghịch lƣu IGBT 33 CHƢƠNG THIẾT KẾ MẠCH TRÊN PHẦN MỀM ALTIUM DESIGNER 34 4.1 Sơ lƣợc phần mềm Altium Designer 34 4.2 Tạo thƣ viện linh kiện Altium designer 35 4.2.1 Tạo linh kiện nguyên lí Schematic 37 4.2.2 Tạo linh kiện PCB 37 4.3 Vẽ mạch nguyên lí Schematic 38 4.3.1 Khối nguồn công suất tải 38 4.3.2 Khối điều khiển đóng ngắt IGBT (6 chân PWM) 38 4.3.3 Khối bảo vệ ngắn mạch, dòng, thấp áp cho module IGBT 39 4.3.4 Sơ đồ mạch nguyên lý tổng quát board mạch 39 4.3.5 Danh sách linh kiện sử dụng mạch (BOM linh kiện) 40 4.4 Thiết kế mạch in PCB 40 4.4.1 Các đƣờng dây nguồn 40 4.4.2 Các đƣờng dây tín hiệu 42 iv Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân 4.4.3 Chống sụt áp đƣờng dây 43 4.4.4 Chống nhiễu cho IGBT 43 4.4.5 Sơ đồ khối vị trí linh kiện board mạch biến tần .44 4.4.6 Bảng vẽ hai lớp board mạch .44 4.5 Thiết kế 3D mô thực tế 45 4.6 Xuất file cho sở sản xuất gia công mạch 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC 50 LỜI CẢM ƠN 51 v Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình Kí hiệu IGBT Hình 2 Cấu trúc IGBT điển hình Hình Mạch tƣơng đƣơng IGBT Hình Đặc trƣng tĩnh IGBT Hình Module IGBT STK5C4U332J-E .5 Hình Sơ đồ khối bên module IGBT STK5C4U332J-E Hình Sơ đồ mạch bảo vệ dịng module IGBT STK5C4U332J-E .8 Hình Biểu đồ thời gian lọc IGBT STK5C4U332J-E Hình Biểu đồ thời gian bảo vệ dòng Hình 10 Biểu đồ thời gian bảo vệ thấp áp mức thấp module IGBT STK5C4U332J-E 13 Hình 11 Biểu đồ thời gian bảo vệ thấp áp mức cao IGBT STK5C4U332J-E 14 Hình 12 Khối thực logic ngăn truyền dẫn đồng thời 15 Hình 13 Biểu đồ thời gian thể ngăn dẫn truyền đồng thời IGBT STK5C4U332J-E 15 Hình 14 Sơ đồ kích thƣớc tổng thể module IGBT STK5C4U332J-E .16 Hình 15 Sơ đồ kích thƣớc chân cấm module IGBT STK5C4U332J-E 16 Hình 16 Sơ đồ chân module IGBT STK5C4U332J-E 17 Hình 17 Chức chân module IGBT STK5C4U332J-E 17 Hình 18 Các chân đóng ngắt IGBT kết nối với tụ lọc 19 Hình 19 Biểu đồ thể khả chịu nhiệt độ nhiệt điệ trở 20 Hình 20 Gắn kết module IGBT với tản nhiệt kích thƣớc lỗ khoan 23 Hình 21 Phần bơi mỡ tản nhiệt bề mặt IPM .23 Hình 22 Sơ đồ kết nối module IGBT khuyến nghị nhà sản xuất 24 Hình Biến tần Siemens 26 Hình Biến tần Schneider 26 Hình 3 Biến tần Panasonic 27 Hình Biến tần Mitsubishi 27 vi Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân Hình Biến tần Micno 28 Hình Sơ đồ cầu diode 29 Hình Tụ lọc làm phẳng điện áp 29 Hình Nghịch lƣu IGBT 30 Hình Ví dụ số dạng sóng đầu đƣợc điều chỉnh phƣơng pháp PWM .30 Hình 10 Chỉnh lƣu cầu pha .31 Hình 11 Chỉnh lƣu cầu pha .31 Hình 12 Lựa chọn diode zener tụ lọc 32 Hình 13 Lựa chọn tụ lọc 32 Hình 14 Chọn tụ lọc 33 Hình Giao diện khởi động phần mềm Altium Designer 18.0 34 Hình Datasheet sơ đồ chân module IGBT STK5C4U332J-E 35 Hình Datasheet sơ đồ chân module IGBT STK5C4U332J-E 36 Hình 4 Thƣ viện nguyên lí Schematic IGBT STK5C4U332J-E 37 Hình Thƣ viện PCB IGBT STK5C4U332J-E 37 Hình Sơ đồ khối nguồn công suất tải board biến tần 38 Hình Sơ đồ ngun lí khối điều khiển đóng ngắt IGBT 38 Hình Sơ đồ nguyên lí khối bảo vệ ngắn mạch, q dịng, thấp áp module IGBT 39 Hình Sơ đồ mạch nguyên lý tổng quát board mạch .39 Hình 10 BOM linh kiện 40 Hình 11 Các đƣờng dây nguồn board công suất 40 Hình 12 Các đƣờng dây nguồn board công suất 41 Hình 13 Các đƣờng dây tín hiệu board công suất .42 Hình 14 Các đƣờng dây tín hiệu board cơng suất .42 Hình 15 Chống sụt áp đƣờng dây .43 Hình 16 Chống sụt áp đƣờng dây .43 Hình 17 Chống nhiễu đƣờng dây .43 Hình 18 Sơ đồ khối vị trí linh kiện board mạch 44 Hình 19 PCB Layout mặt board mạch .44 vii Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân Hình 20 PCB Layout mặt dƣới board mạch .45 Hình 21 Board mạch 3D mặt 45 Hình 22 Board mạch 3D mặt dƣới 46 Hình 23 Board mạch 3D góc nghiêng .46 Hình 24 File mạch khoan board mạch 47 Hình 25 File mạch in 47 Hình 26 Bảng thơng số tiêu chuẩn in mạch số công ty Việt Nam 48 viii Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân 4.2.1 Tạo linh kiện ngun lí Schematic Hình 4 Thƣ viện nguyên lí Schematic IGBT STK5C4U332J-E 4.2.2 Tạo linh kiện PCB Hình Thƣ viện PCB IGBT STK5C4U332J-E 37 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân 4.3 Vẽ mạch ngun lí Schematic 4.3.1 Khối nguồn cơng suất tải Hình Sơ đồ khối nguồn công suất tải board biến tần 4.3.2 Khối điều khiển đóng ngắt IGBT (6 chân PWM) Hình Sơ đồ ngun lí khối điều khiển đóng ngắt IGBT 38 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân 4.3.3 Khối bảo vệ ngắn mạch, dòng, thấp áp cho module IGBT Hình Sơ đồ ngun lí khối bảo vệ ngắn mạch, dòng, thấp áp module IGBT 4.3.4 Sơ đồ mạch nguyên lý tổng quát board mạch Hình Sơ đồ mạch nguyên lý tổng quát board mạch 39 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân 4.3.5 Danh sách linh kiện sử dụng mạch (BOM linh kiện) Hình 10 BOM linh kiện 4.4 Thiết kế mạch in PCB 4.4.1 Các đƣờng dây nguồn Do tính chất dây nguồn Vbus có cơng suất lớn nên thiết kế chọn đƣờng kính dây phải lớn > 7mm tốt Dây nguồn Vbus điện áp (0-300V) nên cần phải tránh vòng quanh board mạch cần cách ly khỏi linh kiện khác từ trƣờng lớn dễ gây nhiễu cho linh kiện điện tử gần Hình 11 Các đƣờng dây nguồn board cơng suất 40 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân Tụ 330uF/450V phải đặt phía trƣớc chân 38 (Vbus) IGBT phía sau đầu vao cấp nguồn để tu phát huy tốt cơng dung lọc nhiễu dự trữ điện áp ngn kích cho IGBT Hình 12 Các đƣờng dây nguồn board cơng suất 41 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân 4.4.2 Các đƣờng dây tín hiệu Dây tín hiệu cơng suất nhỏ nên đƣờng kính dây khoảng 10mil-15mil để dễ dàng dây giúp board nhỏ gọn đẹp tín hiệu tốt Hình 13 Các đƣờng dây tín hiệu board cơng suất Hình 14 Các đƣờng dây tín hiệu board cơng suất 42 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân 4.4.3 Chống sụt áp đƣờng dây Trên đƣờng công suất nên để via từ lớp top layer nối với bottom giúp chia điện áp từ lớp top với bottom giúp board không bị tải lớp điện áp đƣờng dây không bị sụt áp Hình 16 Chống sụt áp đƣờng dây Hình 15 Chống sụt áp đƣờng dây 4.4.4 Chống nhiễu cho IGBT Tụ điện snubber nên đƣợc đặt gần với đầu vào Vbus IGBT (khuyến cáo nhà sản xuất) Khi xếp PCB, cần thiết kế để đƣờng tín hiệu có độ dài ngắn nhằm hạn chế nhiễu Ngồi xung nhiễu có độ rộng nhỏ đƣợc loại bỏ thông qua lọc RC đƣợc lắp đƣờng tín hiệu vào Ở khuyến cáo nên chọn R=100Ω, C=1nF Hình 17 Chống nhiễu đƣờng dây 43 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân 4.4.5 Sơ đồ khối vị trí linh kiện board mạch Hình 18 Sơ đồ khối vị trí linh kiện board mạch 4.4.6 Bảng vẽ hai lớp board mạch Hình 19 PCB Layout mặt board mạch 44 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân Hình 20 PCB Layout mặt dƣới board mạch 4.5 Thiết kế 3D mô thực tế Hình 21 Board mạch 3D mặt 45 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân Hình 22 Board mạch 3D mặt dƣới Hình 23 Board mạch 3D góc nghiêng 46 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân 4.6 Xuất file cho sở sản xuất gia cơng mạch  File mạch khoan (CAMtastic1.Cam): Hình 24 File mạch khoan board mạch  File CAMtastic2.Cam: Hình 25 File mạch in 47 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân Hai file CAMtastic1.Cam CAMtastic2.Cam hai file đƣa cho sở gia công mạch in, số lý quyền, bảo mật nên gửi file thiết kế sơ đồ nguyên lý Schematic file PCB cho sở gia công board mạch đƣợc Và thiết kế board mạch Việt Nam cần ý phải thiết kế theo tiêu chuẩn sở gia công board mạch để gia cơng board mạch xác, hạn chế lỗi gia công kèm theo vấn đề kinh kế gia công board mạch Các tiêu chuẩn gia công mạch thị trƣờng Việt Nam Tiêu chuẩn lấy từ công ty chuyên gia công board mạch in Việt Nam Và tiêu chuẩn tƣơng đối tốt mà công ty Việt Nam nhận gia cơng Hình 26 Bảng thông số tiêu chuẩn in mạch số cơng ty Việt Nam [40] 48 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] vi.wikipedia.org/wiki/IGBT [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [38] [39] www.onsemi.cn/PowerSolutions/document/AND9390-D.PDF [26] www.google.com.vn/search?tbm=isch&q=biến%20tần%20siemens [27] www.google.com.vn/search?tbm=isch&q=Biến%20tần%20Schneider [28] www.google.com.vn/search?q=bi%E1%BA%BFn+t%E1%BA%A7n+panasonic&sour ce=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjo4qv8cjbAhUPb30KHUDkC38Q_AUICigB&biw=1366&bih=589 [29] www.google.com.vn/search?q=bi%E1%BA%BFn+t%E1%BA%A7n+mitsubishi&sou rce=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwi70LHB8sjbAhWWbisKHfIiC6cQ_AUI CigB&biw=1366&bih=589 [30] www.google.com.vn/search?q=Bi%E1%BA%BFn+t%E1%BA%A7n+MICNO&sourc e=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiK2anc8sjbAhUaT30KHfSkCnUQ_AUICi gB&biw=1366&bih=589 [31] [32] [33] [34] www.hanmyviet.com/tin-tuc/bien-tan-inverter-bien-tan-la-gi.html [40] machinpcb.com/thong-so-mach-in/ 49 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân PHỤ LỤC 50 Khóa luận tốt nghiệp Lê Hải Nhân LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khóa luận tốt nghiệp em xin chân thành cảm ơn hƣớng dẫn tận tình thầy Phạm Quốc Khanh suốt thời gian thực khóa luận Xin chân thành cảm ơn thầy đặc biệt thầy cô thuộc Khoa Công nghệ điện trực tiếp giảng dạy với tất tâm huyết mình, truyền đạt kiến thức chuyên ngành quý giá để em có đƣợc hiểu biết sâu lĩnh vực minh theo học, áp dụng cách hiệu trình thực khóa luận tốt nghiệp tạo tảng vững để em va chạm với môi trƣờng làm việc thực tế sau tốt nghiệp Xin ghi nhận cơng sức hỗ trợ nhiệt tình bạn sinh viên Khoa Công nghệ điện, đặc biệt ngƣời anh em tập thể lớp ĐHĐKTĐ10C đóng góp ý kiến giúp đỡ để tơi hồn thành khóa luận tốt nghiệp cách trọn vẹn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu đậm Với kiến thức thân hạn hẹp nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót khóa luận tốt nghiệp Mong thầy góp ý để em hồn thiện Lời cuối em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất ngƣời! 51 ... tài THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN TẦN DÙNG MODULE IGBT STK5C4U332J- E Nội dung Tính tốn thơng số để thiết kế mạch Thiết kế mạch nguyên lí Schematic Thiết kế mạch in PCB Kết Hoàn thành board công. .. module IGBT STK5C4U332J- E 35 Hình Datasheet sơ đồ chân module IGBT STK5C4U332J- E 36 Hình 4 Thƣ viện nguyên lí Schematic IGBT STK5C4U332J- E 37 Hình Thƣ viện PCB IGBT STK5C4U332J- E ... mức cho phép 2.6 MODULE IGBT STK5C4U332J- E Đây dòng module IGBT (IPM) hãng ON Semiconductor Đƣợc ứng dụng vào việc thiết kế mạch công suất cho biến tần pha Đây dịng module thơng minh, đƣợc tích