thiết kế mạch công suất biến tần dùng module igbt stk5c4u332j e

15123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu

Trang 1

BỘ CÔNG THƯƠNG

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

62Thursday, June 13, 20249:12:53 PM9:12:53 PM62Thursday, June 13, 20249:12:53 PM9:12:53 PM62Thursday, June 13, 20249:12:53 PM9:12:53 PM

hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhue

hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhue

hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhue

62hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhueThursday, June 13, 2024

Trang 2

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG 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

Trang 3

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài

Lê Hải Nhân, MSSV: 14132681

4 Kết quả

Hoàn thành board công suất biến tần

Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày tháng năm 2018

Trang 4

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Trang 5

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG ix

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Phương hướng thực hiện đề tài 1

1.3 Ý nghĩa của đề tài 1

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU MODULE IGBT STK5C4U332J-E 2

2.1 Khái niệm IGBT 2

2.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động 2

2.3 Đặc tính đóng cắt của IGBT 3

2.4 Vùng làm việc an toàn của IGBT 4

2.5 Vấn đề bảo vệ IGBT 4

2.6 MODULE IGBT STK5C4U332J-E 5

2.7 Thông số module IGBT STK5C4U332J-E 6

2.8 Các chức năng bảo vệ 7

2.8.1 Bảo vệ quá dòng 7

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

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhuehghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah ih uhue yeh vihh uhue622413069:12:52 PM9:12:52 PM622413069:12:52 PM9:12:52 PM622413069:12:52 PM9:12:52 PM

Trang 6

2.10 Chức năng các chân IGBT 17

2.11 Định nghĩa chi tiết chức năng các chân quan trọng 18

2.12 Tản nhiệt cho module IGBT 22

2.13 Sơ đồ kết nối khuyến nghị của hãng sản xuất 24

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG TRONG BIẾN TẦN 25

3.1 Biến tần là gì? 25

3.2 Lợi ích của việc sử dụng biến tần 25

3.3 Các loại biến tần trên thị trường 26

3.4 Hoạt động của khối công suất trong biến tần 28

3.4.1 Bộ nguồn chuyển đổi điện áp xoay chiều về một chiều (AC-DC) 31

3.4.2 Lựa chọn giá trị diode zener và tụ lọc 31

3.4.3 Mạch nghịch lưu IGBT 33

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH TRÊN PHẦN MỀM ALTIUM DESIGNER 34

4.1 Sơ lược về phần mềm Altium Designer 34

4.2 Tạo thư viện linh kiện của 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 và tải 38

4.3.2 Khối điều khiển đóng ngắt IGBT (6 chân PWM) 38

4.3.3 Khối bảo vệ ngắn mạch, quá 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 trong mạch (BOM linh kiện) 40

4.4 Thiết kế mạch in PCB 40

4.4.1 Các đường dây nguồn 40

4.4.2 Các đường dây tín hiệu 42

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

4.4.3 Chống sụt áp trên đường dây 43

4.4.4 Chống nhiễu cho IGBT 43

4.4.5 Sơ đồ khối vị trí linh kiện trên board mạch biến tần 44

4.4.6 Bảng vẽ hai lớp của board mạch 44

4.5 Thiết kế 3D mô phỏng thực tế 45

4.6 Xuất file cho các cơ sở sản xuất gia công mạch 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

Trang 8

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 2 1 Kí hiệu IGBT 2

Hình 2 2 Cấu trúc IGBT điển hình 3

Hình 2 3 Mạch tương đương của IGBT 3

Hình 2 4 Đặc trưng tĩnh của IGBT 4

Hình 2 5 Module IGBT STK5C4U332J-E 5

Hình 2 6 Sơ đồ khối bên trong module IGBT STK5C4U332J-E 7

Hình 2 7 Sơ đồ mạch bảo vệ quá dòng của module IGBT STK5C4U332J-E 8

Hình 2 8 Biểu đồ thời gian lọc của IGBT STK5C4U332J-E 9

Hình 2 9 Biểu đồ thời gian bảo vệ quá dòng 9

Hình 2 10 Biểu đồ thời gian bảo vệ thấp áp ở mức thấp của module IGBT STK5C4U332J-E 13

Hình 2 11 Biểu đồ thời gian bảo vệ thấp áp ở mức cao của IGBT STK5C4U332J-E 14Hình 2 12 Khối thực hiện logic ngăn truyền dẫn đồng thời 15

Hình 2 13 Biểu đồ thời gian thể hiện sự ngăn dẫn truyền đồng thời IGBT STK5C4U332J-E 15

Hình 2 14 Sơ đồ kích thước tổng thể module IGBT STK5C4U332J-E 16

Hình 2 15 Sơ đồ kích thước chân cấm module IGBT STK5C4U332J-E 16

Hình 2 16 Sơ đồ chân module IGBT STK5C4U332J-E 17

Hình 2 17 Chức năng các chân module IGBT STK5C4U332J-E 17

Hình 2 18 Các chân đóng ngắt của IGBT kết nối với tụ lọc 19

Hình 2 19 Biểu đồ thể hiện khả năng chịu nhiệt độ của nhiệt điệ trở 20

Hình 2 20 Gắn kết module IGBT với tản nhiệt và kích thước lỗ khoan 23

Hình 2 21 Phần bôi mỡ tản nhiệt trên bề mặt IPM 23

Hình 2 22 Sơ đồ kết nối module IGBT khuyến nghị của nhà sản xuất 24

Trang 9

Hình 3 10 Chỉnh lưu cầu 1 pha 31

Hình 3 11 Chỉnh lưu cầu 3 pha 31

Hình 3 12 Lựa chọn diode zener và tụ lọc 32

Hình 3 13 Lựa chọn tụ lọc 32

Hình 3 14 Chọn tụ lọc 33

Hình 4 1 Giao diện khởi động của phần mềm Altium Designer 18.0 34

Hình 4 2 Datasheet sơ đồ chân của module IGBT STK5C4U332J-E 35

Hình 4 3 Datasheet sơ đồ chân của module IGBT STK5C4U332J-E 36

Hình 4 4 Thư viện nguyên lí Schematic IGBT STK5C4U332J-E 37

Hình 4 5 Thư viện PCB IGBT STK5C4U332J-E 37

Hình 4 6 Sơ đồ khối nguồn công suất và tải của board biến tần 38

Hình 4 7 Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển đóng ngắt của IGBT 38

Hình 4 8 Sơ đồ nguyên lí khối bảo vệ ngắn mạch, quá dòng, thấp áp của module IGBT 39

Hình 4 9 Sơ đồ mạch nguyên lý tổng quát board mạch 39

Hình 4 10 BOM linh kiện 40

Hình 4 11 Các đường dây nguồn của board công suất 40

Hình 4 12 Các đường dây nguồn của board công suất 41

Hình 4 13 Các đường dây tín hiệu của board công suất 42

Hình 4 14 Các đường dây tín hiệu của board công suất 42

Hình 4 15 Chống sụt áp trên đường dây 43

Hình 4 16 Chống sụt áp trên đường dây 43

Hình 4 17 Chống nhiễu trên đường dây 43

Hình 4 18 Sơ đồ khối vị trí linh kiện trên board mạch 44

Trang 10

Hình 4 20 PCB Layout mặt dưới của board mạch 45

Hình 4 26 Bảng thông số tiêu chuẩn in mạch ở một số công ty Việt Nam 48

Trang 11

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Bảng phạm vi hoạt động của IGBT ở các mức điện áp 12

Bảng 2 2 Bảng đặc điểm kỹ thuật của nhiệt điện trở 20

Bảng 2 3 Bảng giá trị nhiệt điện trở 21

Bảng 2 4 Điều kiện tản nhiệt cho module IGBT 23

Trang 12

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, Việt Nam đang có nền công nghiệp rất phát triển Với xu hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đặt ra vấn đề cấp thiết là phải đẩy nhanh tốc độ sản xuất nhưng vẫn đảm bảo tiết kiệm năng lượng ở mức tối thiểu Vì vậy, động cơ, máy móc cần được điều khiển một cách tối ưu nhất để giải quyết vấn đề này Do đó, biến tần là thiết bị không thể thiếu hiện nay Nhưng để chế tạo ra một biến tần hoàn chỉnh phải cần đến nhiều yếu tố khác nhau, cần phải tính toán, lập trình, thiết kế rất phức tạp Ở khóa luận tốt nghiệp này em xin trình bày công việc thiết kế mạch công suất cho biến tần dùng module IGBT STK5C4U332J-E

1.2 Phương hướng thực hiện đề tài

Tham khảo datasheet của nhà sản xuất và đựa vào đó để tính toán các thông số cho việc thiết kế mạch nguyên lí Từ đó thiết kế mạch in PCB

1.3 Ý nghĩa của đề tài

Việc thiết kế thành công mạch công suất cho biến tần sẽ góp phần lớn cho việc hoàn thiện bộ biến tần để điều khiển động cơ Mạch công suất được kết nối với vi điều khiển và chương trình nạp sẽ tạo nên bộ biến tần hoàn chỉnh Từ đó có thể điều khiển động cơ một cách dễ dàng Điều đó giúp hoạt động của máy móc đạt năng suất cao, tiết kiệm năng lượng lớn, đáp ứng nhu cầu công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước như hiện nay

Trang 13

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU MODULE IGBT STK5C4U332J-E

2.1 Khái niệm IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): Transistor có cực điều khiển cách ly

là một linh kiện bán dẫn công suất ba cực được phát minh bởi Hans W Beck và Carl F Wheatley vào năm 1982 IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của mosfet và khả năng chịu tải lớn của transistor thường Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ

Hình 2 1 Kí hiệu IGBT [1]

2.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với mosfet, điểm khác nhau là có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p

Emiter (tương tự cực gốc) với collector (tương tự với cực máng), mà không phải là n-n như ở mosfet Vì thế có thể coi IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi một mosfet Dưới tác dụng của áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc mosfet.Các điện tử di chuyển về phía collector vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa base và collector ở transistor thường, tạo nên dòng collector

Trang 14

Hình 2 3 Mạch tương đương của IGBT [3] 2.3 Đặc tính đóng cắt của IGBT

Do cấu trúc n-p-n mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT thấp hơn hẳn so với mosfet Tuy nhiên do cấu trúc này làm cho thời gian đóng cắt của IGBT chậm hơn so với Mosfet, đặc biệt là khi khóa lại Trên hình 2.3 thể hiện cấu trúc tương đương của IGBT với mosfet và một tranzitor p-n-p Ký hiệu dòng qua IGBT gồm hai thành phần: i1 dòng qua mosfet, i2 dòng qua tranzitor Phần mosfet trong IGBT có thể khóa lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E, do đó dòng i1= 0, tuy nhiên i2 sẽ không suy giảm nhanh chóng được do lượng điện tích lũy trong (tương đương với bazơ của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích Điều này xuất hiện vùng dòng điện kéo dài khi khóa IGBT

Hình 2 2 Cấu trúc IGBT điển hình [2]

Trang 15

2.4 Vùng làm việc an toàn của IGBT

Vùng làm việc an toàn được thể hiện dưới dạng đồ thị quan hệ giữa điện áp và giá trị dòng điện lớn nhất mà phần tử có thể hoạt động được trong mọi chế độ, khi dẫn, khi khóa, cũng như trong các quá trình đóng cắt SOA của IGBT được biểu diễn ở hình bên đưới:

Hình 2 4 Đặc trưng tĩnh của IGBT [4]

Giá trị lớn nhất của dòng cho phép collector cho phép Icm được chọn sao cho tránh được hiện tượng chốt giữ dòng, không khóa lại được, giống như ở thyristor Hơn nữa, điện áp điều khiển lớn nhất Uge cũng phài được chọn để có thể giới hạn được dòng điện Ice trong giới hạn lớn nhất cho phép này trong điều kiện sự có ngắn mạch bằng cách chuyển đổi bắt buộc từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính Khi đó dòng Ice được giới hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp Uce lúc đó Tiếp theo IGBT phải được khóa lại trong điều kiện đó, càng nhanh càng tốt để tránh phát nhiệt quá mạnh Tránh được hiện tượng chốt giữ dòng bằng cách liên tục theo dõi dòng collector là điều cần thiết khi thiết kế IGBT

Trang 16

Thông thường IGBT được sử dụng trong những mạch đóng cắt tần số cao, từ 2 đến hàng chục KHz Ở tần số đóng cắt cao như vậy, những sự cố có thể phá hủy phần tử rất nhanh và dẫn đến phá hỏng toàn bộ thiết bị Sự cố thường xảy ra nhất là quá dòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc từ các phần tử có lỗi do chế tạo hoặc lắp ráp

Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm Tuy nhiên quá tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt Mặt khác khi khóa IGBT lại trong một thời gian rất ngắn khi dòng điện rất lớn dấn đến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áp trên collector, emiter, lập tức đánh thủng phần tử Trong sự cố quá dòng, không thể tiếp tục điều khiển IGBT bằng những xung ngắn theo quy luật như cũ, cũng không đơn giản là ngắt xung điều khiển để dập tắt dòng điện được

Có thể ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột bằng cách sử dụng các mạch dập RC (snubber circuit), mắc song song với các phần tử Tuy nhiên các mạch dập có thể làm tăng kích thước và giảm độ tin cậy của thiết bị Giải pháp tối ưu được đưa ra là làm chậm lại quá trình khóa của IGBT, hay còn gọi là khóa mềm (soft

turn-off) khi phát hiện có sự cố dòng tăng quá mức cho phép 2.6 MODULE IGBT STK5C4U332J-E

Đây là dòng module IGBT (IPM) của hãng ON Semiconductor Được ứng dụng vào việc thiết kế mạch công suất cho biến tần 3 pha Đây là dòng module thông minh, được tích hợp rất nhiều tính năng:

Hình 2 5 Module IGBT STK5C4U332J-E [5]

Trang 17

• Các chốt riêng biệt cho mỗi thiết bị đầu cuối emitter ba pha phía thấp • Thermistor để đo nhiệt độ bề mặt

• Tất cả đầu vào điều khiển và đầu ra trạng thái có mức điện áp tương thích với vi điều khiển

• Nguồn điện VDD đơn cho mạch khởi động nội bộ, cho mạch điều khiển cổng cao • Gắn lỗ để lắp ráp, tản nhiệt dễ dàng bằng vít

2.7 Thông số module IGBT STK5C4U332J-E

Trang 18

+ Mức cao bao gồm ba IGBT, điốt tự do, và IC điều khiển cho mỗi IGBT + Mức biến tần bao gồm ba IGBT, điốt tự do, và IC điều khiển cho mỗi IGBT + Điện trở nhiệt đo kiểm soát nhiệt độ IGBT đã đƣợc tích hợp sẵn bên trong mdule IGBT

+ Các IC logic tích hợp điều khiển đóng cắt IGBT nên các chân PWM từ vi xử lý cấp trực tiếp nối thẳng vào IGBT không cần phải cách ly đễ chống nhiễu

2.8 Các chức năng bảo vệ 2.8.1 Bảo vệ quá dòng

Mô-đun nhỏ gọn sử dụng điện trở shunt bên ngoài cho chức năng OCP Nhƣ trong Hình 2.7, các bộ phát của tất cả ba IGBT bên thấp đƣợc đƣa ra các chân mô-đun Mạch OCP bên ngoài bao gồm điện trở shunt và mạng lọc RC Nếu sử dụng ba shunt riêng biệt, mạch op-amp đƣợc sử dụng để giám sát ba shunt riêng biệt và cung cấp tín hiệu quá dòng

Hình 2 6 Sơ đồ khối bên trong module IGBT STK5C4U332J-E [6]

Trang 19

Hình 2 7 Sơ đồ mạch bảo vệ quá dòng của module IGBT STK5C4U332J-E [7]

Chức năng OCP được thực hiện bằng cách so sánh điện áp đầu vào ITRIP với điện áp tham chiếu bên trong là 0,49V (typ) Nếu điện áp trên thiết bị đầu cuối này vượt quá mức, lỗi OCP sẽ được kích hoạt Điện áp này cũng giống như điện áp trên điện trở shunt

Lưu ý: Giá trị hiện tại của OCP cần phải được thiết lập bằng cách định cỡ chính xác điện trở shunt bên ngoài nhỏ hơn giá trị hiện tại tối đa của mô-đun

Khi phát hiện lỗi OCP, tất cả tín hiệu cho IGBT trở nên không hoạt động và đầu ra tín hiệu lỗi được kích hoạt Tín hiệu FAULT mở, vì vậy khi có lỗi, đầu ra sẽ bị kéo xuống

Một bộ lọc RC được sử dụng trên đầu vào ITRIP để ngăn chặn phát hiện lỗi OCP do nhiễu chuyển đổi bình thường hoặc dòng diode khôi phục Hằng số thời gian của bộ lọc RC đó phải được đặt thành giá trị trong khoảng từ 1,5μs đến 2μs Trong bất kỳ trường hợp nào, hằng số thời gian phải nhỏ hơn vùng hoạt động an toàn bảo vệ quá dòng của IGBT (SCSOA) Bảng dữ liệu cho SCSOA tham khảo Mức OCP kết quả do hằng số thời gian lọc được biểu diễn bên dưới – Hình 2.8

Trang 20

Hình 2 8 Biểu đồ thời gian lọc của IGBT STK5C4U332J-E [8]

Để có hiệu suất tối ưu, các đường dây xung quanh điện trở shunt cần được giữ càng ngắn càng tốt khi thiết kế

Hình 2 9 Biểu đồ thời gian bảo vệ quá dòng [9]  Lựa chọn giá trị điện trở Shunt:

Giá trị điện trở Shunt sẽ được tính thông qua hàng loạ những công thức sau đây:

Trang 21

+ Dòng điện ngắn mạch tối đa:

+ Điện áp ngƣỡng:

+ Điện trở Shunt min:

Trang 22

+ Công suất của điện trở Shunt được tính theo công thức sau:

Với:

RSHUNT: Gíá trị trung bình của điện trở Shunt ở TC = 25°C

Derating Ratio: Tỉ lệ giảm tải của điện trở Shunt khi TSHUNT = 100°C Margin: ngưỡng an toàn (xác định bởi người thiết kế)

Điện áp tham chiếu SC: VSC(min) = 0.45V

VSC(typ) = 0.5V VSC(max) = 0.55V

Dòng tải lớn nhất của biến tần (IRMS): 2ArmsDòng tải đỉnh lớn nhất của biến tần (IC(max)): 3A Chỉ số thiết kế (MI): 0.9

Điện áp nguồn DC (Vbus): 300V

Gía trị điện trở Shunt tại TC = 25°C : 25mΩ

Tỉ lệ giảm tải của trở Shunt tại TSHUNT = 100°C: 70% Tính toán:

+Dòng điện ngắn mạch tối đa:

Trang 23

+ Công suất ngõ ra bộ nghịch lưu:

√

√ √

2.8.3 Bảo vệ thấp áp

Chức năng bảo vệ thấp áp để ngăn ngừa các chế độ làm việc không mong muốn IGBT mức cao và mức thấp đều được tích hợp chức năng này Tuy nhiên tín hiệu ngõ ra báo lỗi chỉ được tích cực cho nhóm IGBT mức thấp

16,5V – 20V IGBT có thể làm việc, tốc độ đóng ngắt rất nhanh, dòng điện bão hòa cao làm tăng nguy cơ ngắn mạch

>20V Mạch điều khiển bị phá hủy

Trang 24

Hình 2 10 Biểu đồ thời gian bảo vệ thấp áp ở mức thấp của module IGBT STK5C4U332J-E [11]

 Bảo vệ thấp áp với IGBT mức thấp:

IC điều khiển cổng có chức năng bảo vệ khóa giảm áp (UVLO) để bảo vệ các IGBT mức thấp không hoạt động khi điện áp điều khiển cổng không đủ Biểu đồ thời gian cho bảo vệ này được hiển thị trong Hình 2.10

Ban đầu mạch được cung cấp nguồn nhưng mạch chỉ bắt đầu hoạt động khi giá trị điện áp đạt tới điện áp đặt UVDDR (13V ) Trong quá trình hoạt động, nếu điện áp nguồn giảm tới mức điện áp phát hiện UVDDD (10V(min)) thì chế độ bảo vệ thấp sẽ tự thiết lập và làm tắt IGBT mặc dù tín hiệu ngõ vào vẫn còn Đồng thời tín hiệu lỗi ngõ ra sẽ được tích cực và truyền tín hiệu cho người điều khiển Mạch chỉ được thiết lập lại khi điện áp nguồn (VDD) phục hồi đến giá trị UVDDR

Trang 25

 Bảo vệ thấp áp với IGBT mức cao:

IC điều khiển cổng có chức năng khóa giảm áp để bảo vệ IGBT mức cao không hoạt động khi điện áp điều khiển cổng không đủ Biểu đồ thời gian cho sự bảo vệ này đƣợc hiển thị trong Hình 2.11

Ban đầu mạch đƣợc cung cấp nguồn Mạch bắt đầu hoạt động khi giá trị điện áp đạt tới điện áp đặt lại UVBSR (15) Trong quá trình hoạt động, nếu điện áp nguồn giảm tới mức điện áp phát hiện UVBSD (9.5V(min)) thì chức năng bảo vệ giảm áp đƣợc bật làm tắt IGBT mặc dù tín hiệu ngõ vào vẫn còn.Tuy nhiên đối với IGBT mức cao thì tín hiệu ra lỗi (Fault) không đƣợc tích cƣc Mạch chỉ đƣợc thiết lập lại khi điện áp nguồn phục hồi đến giá trị UVBSR

Hình 2 11 Biểu đồ thời gian bảo vệ thấp áp ở mức cao của IGBT STK5C4U332J-E [12]

Trang 26

2.8.4 Ngăn chặn truyền dẫn đồng thời

Khối thực hiện logic ngăn truyền dẫn đồng thời ở trình điều khiển cổng để tránh việc truyền dẫn đồng thời các IGBT ở phía thấp và phía cao như trong hình 2.12

Hình 2 12 Khối thực hiện logic ngăn truyền dẫn đồng thời [13]

Nếu cả hai đầu vào mức cao và mức thấp đều hoạt động ở mức cao, thì sẽ ngăn không cho cả hai cổng được điều khiển như trong Hình 2.13 bên dưới

Hình 2 13 Biểu đồ thời gian thể hiện sự ngăn dẫn truyền đồng thời IGBT STK5C4U332J-E [14]

Trang 27

Hình 2 14 Sơ đồ kích thước tổng thể module IGBT STK5C4U332J-E[15]

Ngay cả khi việc truyền dẫn chéo trên IGBT xảy ra do tín hiệu điều khiển bên ngoài không chính xác sẽ được ngăn chặn bởi mạch điện bảo vệ thiết kế bên trong module IGBT

2.9 Sơ đồ chân module IGBT STK5CU332J-E

Trang 28

2.10 Chức năng các chân IGBT

Hình 2 16 Sơ đồ chân module IGBT STK5C4U332J-E [17]

Hình 2 17 Chức năng các chân module IGBT STK5C4U332J-E [18]

Trang 29

Chân 1: Nối đất GND

 Chân 2: Đầu vào dương 15V

 Chân 3: [IN(UH)] mức logic cao đầu vào cho pha U

 Chân 4: [IN(VH)] mức logic cao đầu vào cho pha V

 Chân 5: [IN(WH)] mức logic cao đầu vào cho pha W

 Chân 6: [IN(UL)] mức logic thấp đầu vào cho pha U

 Chân 7: [IN(VL)] mức logic thấp đầu vào cho pha V

 Chân 8: [IN(WL)] mức logic thấp đầu vào cho pha W

 Chân 9: [VF] đầu ra tín hiệu lỗi để bảo vệ dòng ngắn mạch  Chân 10: ITRIP tín hiệu để shut-down

 Chân 11: ENABLE đầu vào cấp phép bật IGBT hoạt động  Chân 12: RCIN đầu ra báo lỗi cài đặt thời gian đóng ngắt IGBT  Chân 13: TH1 điện trở nhiệt để đo nhiệt độ IGBT

 Chân 14: TH2 điện trở nhiệt để đo nhiệt độ IGBT  Chân 17: [NU] GND pha U

 Chân 18: [NV] GND pha V  Chân 19: [NW] GND pha W  Chân 20: [W] đầu ra pha W

 Chân 22: [VB(W)] điện áp dùng để so sánh với tín hiệu điều khiển pha W  Chân 26: [V] đầu ra pha V

 Chân 28: [VB(V)] điện áp dùng để so sánh với tín hiệu điều khiển pha V  Chân 32: [U] đầu ra pha U

 Chân 34: [VB(U)] điện áp dùng để so sánh với tín hiệu điều khiển pha U  Chân 38: Vbus điện áp đầu vào (0-600V)

2.11 Định nghĩa chi tiết chức năng các chân quan trọng + Chân: VB(U), VB(V), VB(W)

Các mẫu điện áp so sánh dùng để điểu khiển mức cao và thấp cho hoạt động đóng ngắt của IGBT

Chú ý: để ngăn ngừa nhiễu và gợn sóng, một tụ điện bộ lọc được gắn vào các chân này

Trang 30

Các chân này điều khiển hoạt động đóng ngắt của IGBT quá trình đóng ngắt bằng các xung từ chân vi xử lý

Để tránh tín hiệu bị dao động, nhiễu thì cần gắn thêm tụ lọc 100pF vào mỗi chân (khuyến cáo của nhà sản xuất)

+ Chân: NU, NV, NW: Chân nối đất cho các IGBT tích hợp bên trong của mỗi pha U,

Hình 2 18 Các chân đóng ngắt của IGBT kết nối với tụ lọc

Trang 31

Chân này có tác dụng ngắt 6 chân IN(UH), IN(UL), IN(VH), IN(VL), IN(WH), IN(WL) đầu vào nếu IGBT xảy ra lỗi để bảo vệ IGBT

Bảng 2 2 Bảng đặc điểm kỹ thuật của nhiệt điện trở [19]

Hình 2 19 Biểu đồ thể hiện khả năng chịu nhiệt độ của nhiệt điệ trở [20]