THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN – BM TỰ ĐỘNG HÓA XNCN Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH Hà Nội – Năm 2014 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 11 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 12 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất 12 1.2 Một số vấn đề đóng/ngắt cho Tiristor 13 1.2.1 Quá trình mở Tiristor 14 1.2.2 Quá trình khóa tiristor 15 1.2.3 Các yêu cầu tín hiệu điều khiển tiristor 15 1.2.4 Mạch khuếch đại xung mở Tiristor 16 1.3 Một số vấn đề điều khiển cho MOSFET, IGBT 17 1.3.1 Phân tích trình mở/ khóa MOSFET 17 1.3.2 Phân tích trình mở/ khóa IGBT 19 1.3.3 Mạch driver cho MOSFET IGBT 20 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘCEquation Chapter (Next) Section 24 2.1 Driver cho hệ thống điều khiển biến đổi phụ thuộc 24 2.1.1 Khối đồng pha tạo điện áp tựa 25 2.1.2 Khâu so sánh 27 2.1.3 Khâu tạo xung 28 2.1.3.1 Khâu tạo xung kép 28 2.1.3.2 Khâu tạo xung chùm 29 2.1.4 Khâu khuếch đại xung 30 2.1.5 Ví dụ mạch driver cho hệ thống điều khiển nhiều kênh 30 2.1.6 Sử dụng IC chuyên dụng làm driver cho chỉnh lưu phụ thuộc 32 2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển vòng kín cho chỉnh lưu tiristor 35 2.2.1 Mô hình hóa khối điều chế độ rộng xung 35 2.3 Kết mô 38 2.3.1 Chỉnh lưu cầu pha 38 2.3.2 Chỉnh lưu cầu ba pha 39 2.3.2.1 Điều khiển vòng hở 39 2.3.2.2 Điều khiển vòng kín 40 2.4 Bài tập 41 3Equation Chapter Section HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC 44 3.1 Phương pháp mô hình hóa biến đổi kiểu DC/DC 44 3.1.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái 44 3.1.2 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt 46 3.2 Mô hình toán học biến đổi kiểu buck 49 3.2.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái 49 3.2.2 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt 52 3.3 Mô hình toán học biến đổi kiểu boost 53 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 3.3.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái 53 3.3.2 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt 55 3.4 Mô hình toán học biến đổi kiểu buck – boost 57 3.4.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái 57 3.4.2 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt 59 3.5 Mô hình biến đổi DC/DC làm việc chế độ dòng điện gián đoạn (DCM) 59 3.5.1 Mô hình trung bình 59 3.6 Phương pháp điều khiển tuyến tính cho biến đổi DC/DC 63 3.6.1 Nguyên lý điều khiển điện áp (Voltage mode) 63 3.6.2 Nguyên lý điều khiển dòng điện (Current mode) 63 3.6.2.1 Mô hình biến đổi DC/DC điều khiển theo nguyên lý dòng điện 64 3.6.3 Nhắc lại số kiến thức lý thuyết điều khiển tự động 66 3.6.4 Một số bù sử dụng cấu trúc điều khiển DC/DC converter 68 3.6.5 Tuyến tính hóa khâu điều chế độ rộng xung 73 3.7 Cấu trúc điều khiển tuyến tính cho biến đổi kiểu buck 74 3.7.1 Điều khiển trực tiếp 74 3.7.2 Điều khiển gián tiếp 80 3.7.2.1 Điều khiển theo nguyên lý dòng điện trung bình 80 3.7.2.2 Điều khiển theo nguyên lý dòng điện đỉnh 83 3.8 Bộ biến đổi kiểu boost 83 3.8.1 Điều khiển trực tiếp 83 3.8.2 Điều khiển gián tiếp 86 3.9 Bài tập 89 3.10 Bộ biến đổi PFC 90 3.10.1 Sơ đồ mạch lực 90 3.10.2 Cấu trúc điều khiển biến đổi PFC 91 3.10.2.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện 91 3.10.2.2 Thiết kề mạch vòng điện áp 92 3.10.3 Bài tập 92 4Equation Chapter (Next) Section HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP 94 4.1 Sơ đồ mạch lực biến đổi nghịch lưu độc lập 94 4.2 Mô tả toán học nghịch lưu áp 94 4.2.1 Mô tả toán học nghịch lưu nguồn áp pha 94 4.2.2 Mô tả toán học nghịch lưu nguồn áp ba pha 96 4.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu pha 98 4.3.1 Phương pháp điều chế hai cực 98 4.3.2 Phương pháp điều chế đơn cực 99 4.3.3 Kết mô phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu pha 102 4.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha 104 4.4.1 Phương pháp Sin PWM 104 4.4.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) 105 4.4.2.1 Khái niệm vector không gian 105 4.4.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian 106 4.4.3 Kết mô phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha 114 4.5 Bù thơi gian chết deadtime nghịch lưu nguồn áp 116 4.6 Xây dựng mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp pha 116 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất Thiết kế điều chỉnh dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp pha 116 Ví dụ thiết kế mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp pha 118 4.7 Xây dựng mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp ba pha 118 4.7.1 Thiết kế điều chỉnh dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp ba pha 118 4.7.1.1 Thiết kề điều chỉnh dòng điện hệ tọa độ tĩnh αβ 119 4.7.1.2 Thiết kề điều chỉnh dòng điện hệ tọa độ quay dq 119 4.8 Bài tập 121 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤTEquation Chapter (Next) Section 123 5.1 Nhắc lại kiến thức điều khiển số 123 5.1.1 Mô hình đối tượng miền gián đoạn z 123 5.2 Hệ thống điều khiển số cho biến đổi điện tử công suất 125 5.3 Yêu cầu độ phân giải A/D khâu điều chế độ rộng xung 126 5.3.1 Độ phân giải A/D 126 5.3.2 Yêu cầu độ phân giải DPWM 127 5.3.3 Đồng thời điểm trích mẫu ADC khung thời gian điều chế độ rộng xung 128 5.4 Mô hình hóa khâu điều chế độ rộng xung 129 5.5 Thiết kế mạch vòng điều chỉnh số 130 5.5.1 Phương pháp thiết kế gián tiếp 130 5.5.1.1 Bộ biến đổi kiểu Buck 131 5.5.1.2 Nghịch lưu nguồn áp pha 132 5.5.2 Phương pháp thiết kế trực tiếp 133 5.5.2.1 Bộ biến đổi kiểu Buck 133 5.5.2.2 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện nghịch lưu nguồn áp pha 135 5.5.2.3 Bộ điều chỉnh dòng điện nghịch lưu nguồn áp pha kiểu deadbeat 136 5.6 Chuẩn hóa điều chỉnh 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO 140 PHỤ LỤC 141 4.6.1 4.6.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt Chữ viết tắt PWM ĐCX Các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị V uo, Uo * V uo uin, Uin V uC, UC V iL, IL V * A iL d, D A iˆ V uˆ ˆ A d s Tx T s s p α Rad L H C F ud V udk V Ý nghĩa Điều chế xung cho chỉnh lưu Tisitor Ý nghĩa Điện áp trung bình xác lập đầu biến đổi DC/DC Lượng đặt điện áp đầu biến đổi DC/DC Điện áp trung bình xác lập đầu vào biến đổi DC/DC Điện áp trung bình xác lập tụ C Dòng điện trung bình xác lập chảy qua cuộn cảm L Lượng đặt dòng điện qua cuộn cảm biến đổi DC/DC Hệ số điều chế giá trị xác lập Biến thiên tín hiệu nhỏ dòng điện quanh điểm làm việc xác lập Biến thiên tín hiệu nhỏ điện áp quanh điểm làm việc xác lập Biến thiên tín hiệu nhỏ hệ số điều chế quanh điểm làm việc xác lập Chu kỳ điều chế Chu kỳ điện áp lưới Toán tử Laplace Hệ số đập mạch điện áp chỉnh lưu Góc mở Tiristor Giá trị cuộn cảm Giá trị tụ điện Giá trị trung bình điện áp đầu chỉnh lưu Tiristor Điện áp điều khiển chỉnh lưu Tiristor 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất DANH MỤC BẢNG B ng 5.1 Các phương pháp gián đoạn 131 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống điều khiển điện tử công suất tiêu biểu 12 Hình 1.2 So sánh tương đối phần tử van bán dẫn 13 Hình 1.3 Đặc tính von-ampe tiristor 13 Hình 1.4 Dạng điện áp dòng điện Tiristor trình đóng cắt 15 Hình 1.5 Sơ đồ mạch nguyên lý tiêu biểu mở Tiristor, (a) dùng biến áp xung, (b) Dùng IC cách ly 16 Hình 1.6 Mạch điều khiển mở MOSFET 17 Hình 1.7 Đồ thị dạng xung dòng điện, điện áp MOSFET (a) Quá trình điều khiển mở, (b) Quá trình điều khiển khóa 18 Hình 1.8 Sơ đồ thử nghiệm đặc tính đóng/mở IGBT 19 Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống driver cho biến đổi phụ thuộc 24 Hình 2.2 Giới hạn góc điều khiển α 24 Hình 2.3 Điện áp tựa dạng cưa sườn xuống 26 Hình 2.4 Điện áp tựa dạng cưa sườn lên 26 Hình 2.5 Điện áp tựa dạng cosin 27 Hình 3.1 Mô tả biến đổi DC/DC, a) mạch lực biến đổi DC/DC, b) Mô hình biến đổi DC/DC điểm xác lập, c) Mô hình trung bình biến đổi DC/DC 47 Hình 3.2 Mạng điện hai cửa, a) tín hiệu trung bình, b) Mạch điện điện tương đương tuyến tính điểm làm việc cân 48 Hình 3.3 Boost Mô hình trung bình biến đổi DC/DC, a)Bộ biến đổi Buck, b)Bộ biến đổi 49 Hình 3.4 Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu buck (a), Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu buck thái 1(b), Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu buck thái (c) 49 Hình 3.5 Mạch điện mô tả biến đổi Buck với tín hiệu nhỏ 52 Hình 3.6 Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu boost (a), Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu boost thái 1(b), Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu boost thái (c) 53 Hình 3.7 Mạch điện mô tả biến đổi Boost với tín hiệu nhỏ 56 Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu buck - boost (a), Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu buck - boost thái 1(b), Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu buck - boost thái (c) 57 Hình 3.9 Sơ đồ mạch lực biến đổi Buck 60 Hình 3.10 Dạng điện áp dòng điện biến đổi Buck chế độ DCM 60 Hình 3.11 Mạch điện tương đương biến đổi Buck (DCM) với tín hiệu trung bình 62 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất Hình 3.12 Mạch điện tương đương biến đổi Buck (DCM) trạng thái xác lập 62 Hình 3.13 Cấu trúc điều khiển tuyến tính cho biến đổi DC/DC, a) điều khiển trực tiếp (direct mode), b) điều khiển gián tiếp (indirect mode) 64 Hình 3.14 Minh họa đồ thị Bode G ( jω ) [6] 67 Hình 3.15 Đồ thị bode bù Lead có cấu trúc (3.94) 69 Hình 3.16 Đồ thị bode bù có cấu trúc (3.105) 71 Hình 3.17 Đồ thị bode hàm bù (3.108) 72 Hình 3.18 Cấu trúc điều khiển trực tiếp biến đổi kiểu buck 74 Hình 3.19 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (3.118) 75 Hình 3.20 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (3.118) bù (3.94) 76 Hình 3.21 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (3.118) bù (3.124) 77 Hình 3.22 Cấu trúc để đánh giá ảnh hưởng điện áp đầu vào đầu biên đổi kiểu Buck 77 Hình 3.23 Kết mô Buck converter sử dụng bù (3.94) 78 Hình 3.24 Kết mô Buck converter sử dụng bù (3.124) điện áp nguồn có đập mạch với biên độ 1V, tần số 100Hz 78 Hình 3.25 Kết mô Buck converter sử dụng bù (3.124) 79 Hình 3.26 Kết mô Buck converter sử dụng bù (3.124) điện áp nguồn có đập mạch với biên độ 1V, tần số 100Hz 79 Hình 3.27 Cấu trúc điều khiển gián nguyên lý dòng điện trung bình biến đổi kiểu buck 80 Hình 3.28 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (3.129) 81 Hình 3.29 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (3.131) 82 Hình 3.30 Kết mô Buck converter theo nguyên lý điều khiển dòng điện trung bình 82 Hình 3.31 Cấu trúc điều khiển gián nguyên lý dòng điện đỉnh biến đổi kiểu buck 83 Hình 3.32 Kết mô Buck converter theo nguyên lý điều khiển dòng điện đỉnh` 83 Hình 3.33 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (3.138) 84 Hình 3.34 Đồ thị Bode hàm truyền đạt vòng hở (Gvd.Gc) 85 Hình 3.35 Kết mô Boost theo nguyên lý điều khiển điện áp 86 Hình 3.36 Cấu trúc điều khiển gián nguyên lý dòng điện đỉnh biến đổi kiểu Boost 86 Hình 3.37 Đồ thị bode hàm truyền đạt Gui ( s ) biến đổi kiểu Boost 87 Hình 3.38 Đồ thị bode hàm truyền đạt Gui ( s ) bù (3.103) biến đổi kiểu Boost 88 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 3.39 Kết mô biến đổi Boost theo nguyên lý điều khiển dòng điện đỉnh` 88 Hình 4.1 Sơ đồ mạch lực nghịch lưu độc lập kiểu nguồn áp, a) Một pha, b) Ba pha 94 Hình 4.2 Mô hình nghịch lưu nguồn áp pha mô tả khóa chuyển mạch 95 Hình 4.3 Mô hình nghịch lưu nguồn áp ba pha mô tả khóa chuyển mạch 96 Hình 4.4 Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu pha, a) Điều chế lưỡng cực, b) Điều chế đơn cực 98 Hình 4.5 Dạng sóng điện áp theo phương pháp điều chế hai cực, a) Sóng mang tín hiệu điều khiển, b) Điện áp đầu mạch nghịch lưu 99 Hình 4.6 Trạng thái mạch nghịch lưu theo phương pháp điều chế hai cưc 99 Hình 4.7 Dạng sóng điện áp theo phương pháp điều chế đơn cực, a) Sóng mang tín hiệu điều khiển, b) Điện áp đầu mạch nghịch lưu 100 Hình 4.8 Trạng thái mạch nghịch lưu phương pháp điều chế đơn cực 100 Hình 4.9 Biểu đồ vector kỹ thuật điều chế vector đơn cực 101 Hình 4.10 Mẫu xung chuẩn đưa nghịch lưu pha, a) nửa chu kỳ dương, b) nưa chu kỳ âm 102 Hình 4.11 Kết mô với phương pháp điều chế lưỡng cực 103 Hình 4.12 Kết mô với phương pháp điều chế đơn cực 104 Hình 4.13 Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha 104 Hình 4.14 Quỹ đạo vector không gian mặt phẳng αβ 106 Hình 4.15 Trạng thái mạch nghịch lưu nguồn áp tương ứng vector chuẩn 108 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất Hình 4.16 Vị trí vector chuẩn hệ tọa độ tĩnh αβ 109 Hình 4.17 Mối quan hệ sector điện áp tức thời usa, usb, usc 109 Hình 4.18 Thuật toán xác định vector điện áp đặt sector 110 Hình 4.19 Vector điện áp điều chế Sector 110 Hình 4.20 Trạng thái logic vector chuẩn Sector 111 Hình 4.21 Mẫu xung chuẩn Sector 112 Hình 4.22 Các mẫu xung chuẩn đưa sector 113 Hình 4.23 Quĩ đạo vector điện áp theo phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha nguồn áp 114 Hình 4.24 Kết mô với phương pháp điều chế sinPWM 115 Hình 4.25 Kết mô với phương pháp điều chế vector không gian 115 Hình Hình 4.26 Sơ đồ mạch điện thay mạch vòng dòng điện nghịch lưu nguồn áp pha 116 Hình 4.27 Mô tả toán học mạch vòng điều khiển dòng điện 116 Hình 4.28 Sơ đồ mạch điện thay mạch vòng dòng điện nghịch lưu nguồn áp ba pha 118 Hình 4.29 Biểu điện vector điện áp dòng điện hệ trục tọa độ 119 Hình 4.30 Cấu trúc điều khiển dòng điện hệ tọa độ tĩnh αβ 119 Hình 4.31 Cấu trúc điều khiển dòng điện hệ tọa độ quay dq 121 Hình 5.1 Hê thống điều khiển số 126 Hình 5.2 Biểu diễn liệu vào ADC 126 10 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất MỞ ĐẦU 11 12 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Như biết, biến đổi bán dẫn sử dụng phần tử bán dẫn công suất khoá điện tử, dùng để nối tải vào nguồn theo quy luật định, khoảng thời gian định, nhờ mà biến đổi thông số nguồn điện, đáp ứng yêu cầu khác phụ tải yêu cầu điều chỉnh khác Các phần tử công suất đóng cắt dòng điện, lớn, hàng trăm đến hàng nghìn A, điện áp cao, từ vài chục đến vài trăm V, nhiên lại điều khiển dòng điện, điện áp nhỏ, tạo mạch điện tử công suất nhỏ thông thường Ngoài quy luật đóng cắt phần tử công suất biến đổi hoàn toàn mạch điện tử xử lý tín hiệu tạo Gọi xử lý tín hiệu công suất hoàn toàn ý nghĩa gì, có giá trị, mức tín hiệu hình dạng cần thiết mà Vì vậy, hệ thống điều khiển đóng vai trò quan trọng đảm bảo hoạt động biến đổi 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất Một hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất ứng dụng lĩnh vực: biến đổi nối lưới, biến đổi làm việc với tải độc lập Hình 1.1 bao gồm: + Mạch phát xung mở van bán dẫn (driver) + Thực chức điều chế, phân phối xung + Thực điều chỉnh mạch vòng kín + Mạch đo lường bảo vệ + Hệ thống điều khiển cấp trên: Giám sát, đưa lượng đặt điều khiển Hình 1.1 Hệ thống điều khiển điện tử công suất tiêu biểu 1.2 Một số vấn đề đóng/ngắt cho Tiristor 13 Các van bán đẫn sử dụng chia thành loại chính: + Van bán dẫn điều khiển trình đóng mà không điều khiển trình ngắt (Tiristor) + Van bán dẫn điều khiển trình đóng trình ngắt: MOSFET, IGBT Phạm vi ứng dụng van bán dẫn khác phụ thuộc vào khả chịu điện áp dòng điên Hình 1.2 So sánh tương đối phần tử van bán dẫn 1.2 Một số vấn đề đóng/ngắt cho Tiristor Tiristor phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ba tiếp giáp p-n J1, J2, J3 Tiristor có ba cực : anôt A, catôt K, cực điều khiển G Đặc tính vôn-ămpe tiristor gồm hai phần Hình 1.3 Phần thứ nằm góc phần thứ tư thứ I đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK>0, phần thứ hai nằm góc phần tư thứ III, gọi đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp UAK0) Nếu có dòng điều khiển đưa vào cực điều khiển catôt trình chuyển điểm làm việc đường đặc tính thuận xảy sớm hơn, trước điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth.max Điều mô tả Hình 1.3 đường nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3, Nói chung dòng điều khiển lớn điểm chuyển đặc tính làm việc xảy với UAK nhỏ Tình hình xảy đường đặc tính ngược khác so với trường hợp dòng điều khiển Tiristor có đặc tính giống điôt, nghĩa cho phép dòng chạy qua theo chiều, từ anôt đến catôt cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại Tuy nhiên khác với điôt, để tiristor dẫn dòng điều kiện phải có điện áp UAK>0 cần thêm số điều kiện khác Do tiristor coi phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với điôt phần tử không điều khiển 1.2.1 Quá trình mở Tiristor Khi phân cực thuận, UAK>0, tiristor mở hai cách Thứ nhất, tăng điện áp anôt-catôt đạt đến giá trị điện áp thuận lớn , Uth,max Khi điện trở tương đương mạch anôt-catôt giảm đột ngột dòng qua tiristor hoàn toàn mạch xác định Phương pháp thực tế không áp dụng nguyên nhân mở không mong muốn lúc tăng điện áp đến giá trị Uth,max Vả lại xảy trường hợp tiristor tự mở tác dụng xung điện áp thời điểm ngẫu nhiên, không định trước Phương pháp thứ hai, phương pháp áp dụng thực tế, đưa xung dòng điện có giá trị định vào cực điều khiển catôt Xung dòng điện điều khiển chuyển trạng thái tiristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp mức điện áp anôt-catôt nhỏ Khi dòng qua anôt-catôt lớn giá trị định, gọi dòng trì (Idt) tiristor tiếp tục trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến tồn xung dòng điều khiển Điều nghĩa điều khiển mở tiristor xung 1.2 Một số vấn đề đóng/ngắt cho Tiristor 15 dòng có độ rộng xung định, công suất mạch điều khiển nhỏ, so với công suất mạch lực mà tiristor phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện 1.2.2 Quá trình khóa tiristor Một tiristor dẫn dòng trở trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch anôtcatôt tăng cao) dòng điện giảm xuống, nhỏ giá trị dòng trì, Idt Tuy nhiên để tiristor trạng thái khóa, với trở kháng cao, điện áp anôt-catôt lại dương (UAK > 0) cần phải có thời gian định để lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện Khi tiristor dẫn dòng theo chiều thuận, UAK > 0, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, điện tích qua hai lớp dễ dàng lấp đầy tiếp giáp J2 bị phân cực ngược Vì mà dòng điện chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3 Để khóa tiristor lại cần giảm dòng anôt-catôt mức dòng trì (Idt) cách đổi chiều dòng điện áp điện áp ngược lên anôt catôt tiristor Sau dòng đặt điện áp ngược lên anôt-catôt (UAK < 0) khoảng thời gian tối thiểu, gọi thời gian phục hồi (trr), sau tiristor cản trở dòng điện theo hai chiều Trong thời gian phục hồi có dòng điện ngược chạy catôt anôt Dòng điện ngược di tản điện tích khỏi tiếp giáp J2 nạp điện cho tụ điện tương đương hai tiếp giáp J1, J3 phục hồi Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần di tản cấu trúc bán dẫn tiristor nạp điện cho tiếp giáp J1, J3 đến điện áp ngược thời điểm Hình 1.4 1.2.3 Dạng điện áp dòng điện Tiristor trình đóng cắt Các yêu cầu tín hiệu điều khiển tiristor Quan hệ điện áp cực điều khiển catôt (UGK) với dòng điện vào cực điều khiển (IG) xác định yêu cầu tín hiệu điều khiển tiristor Với loại tiristor nhà sản xuất cung cấp họ đặc tính điều khiển, ví dụ Error! Reference source not found., thấy đặc tính giới hạn điện áp dòng điện nhỏ nhất, ứng với nhiệt độ môi trường định mà tín hiệu điều khiển phải đảm bảo để mở chắn tiristor Dòng điều khiển qua tiếp giáp p-n cực 16 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT điều khiển catôt làm phát nóng tiếp giáp Vì tín hiệu điều khiển phải bị hạn chế công suất Công suất giới hạn tín hiệu điều khiển phụ thuộc độ rộng xung điều khiển Nếu tín hiệu điều khiển xung có độ rộng ngắn công suất cho phép lớn Yêu cầu tín hiệu điều khiển tiristor [2]: + Đủ công suất thể biên độ điện áp (UGK), dòng điện (IGK) + Độ rộng xung yêu cầu quan trọng để đảm bảo dòng IV vượt qua giá trị dòng trì Ih, để ngắt xung van giữ trạng thái dẫn Thực tế, độ rộng xung điều khiển cần cỡ 500µs đảm bảo mở van với dạng tải + Có sườn xung dốc đứng để mở van xác vào thời điểm qui định, thường tốc độ tăng điện áp điều khiển phải đạt 10V/µs, tốc độ tăng dòng điều khiển 0,1A/µs 1.2.4 Mạch khuếch đại xung mở Tiristor Sơ đồ mạch nguyên lý tiêu biểu mở Tiristor, (a) dùng biến áp xung, (b) Dùng IC cách ly Hình 1.5 Sơ đồ tiêu biểu mạch khuếch đại xung điều khiển tiristor cho Hình 1.5 Sơ đồ Hình 1.5a giải thích sau: Khóa transistor T điều khiển xung có độ rộng định, đóng cắt điện áp phía sơ cấp biến áp xung Xung điều khiển đưa đến cực điều khiển tiristor phía bên cuộn thứ cấp Như mạch lực cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển biến áp xung Điện trở R hạn chế dòng qua transistor xác định nội trở nguồn tín hiệu điều khiển Điôt D1 ngắn mạch cuộn sơ cấp biến áp xung transistor T khóa lại để chống áp T Điôt D2 ngăn xung âm vào cực điều khiển Điôt D3 mắc song song với cực điều khiển song song với tụ C có tác dụng giảm áp tiếp giáp G-K tiristor bị phân cực ngược D1 ULN2803 G1 +E T1 R1 1k D3 R2 120R_2W 10 EI_20 Rb Vb Q1 FR107 D2 R3 FR107 1k C1 102_2kV K1 1.3 Một số vấn đề điều khiển cho MOSFET, IGBT Hình 1.6 17 Ví dụ mạch khuếch đại xung thực tế mở Tiristor Bài tập: Tính chọn phần tử mạch KĐX Hình 1.5a cho Tiristor với yêu cầu: IG = 0,2A; UGK = 5V; độ rộng xung 100µs 1.3 Một số vấn đề điều khiển cho MOSFET, IGBT 1.3.1 Phân tích trình mở/ khóa MOSFET Giả sử ta xét trình mở MOSFET, làm việc với tải trở cảm, có điôt không Đây chế độ làm việc tiêu biểu khóa bán dẫn Sơ đồ đồ thị dạng dòng điện, điện áp trình mở MOSFET thể Hình 1.7 Tải cảm sơ đồ thể nguồn dòng nối song song ngược với điôt điện áp chiều VDD MOSFET điều khiển đầu vi mạch DRIVER nguồn nuôi VCC, nối tiếp qua điện trở RGext Cực điều khiển có điện trở nội RGin Khi có xung dương đầu vào DRIVER đầu có xung với biên độ VP đưa đến trở RGext Hình 1.7 Mạch điều khiển mở MOSFET Như UGS tăng với số thời gian xác định T1 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDl), tụ CGD mức thấp CGDl điện áp UDS mức cao Theo đồ thị, khoảng thời gian từ đến t1, tụ (CGS + CDSl) nạp theo quy luật hàm mũ tới giá trị ngưỡng UGS(th) Trong khoảng điện áp UDS lẫn dòng ID chưa thay đổi td(on) = t1 gọi thời gian trễ mở Bắt đầu từ thời điểm t1 UGS vượt qua giá trị ngưỡng, dòng cực máng ID bắt đầu tăng, nhiên điện áp UDS giữ nguyên giá trị điện áp nguồn VDD Trong khoảng t1 đến t2 dòng ID tăng tuyến tính nhanh, đạt đến giá trị dòng tải Từ t2 trở đi, UGS đạt đến mức, gọi mức Miller, điện áp UDS bắt đầu giảm nhanh Trong khoảng từ t2 đến t4 điện áp UGS bị găm mức Miller, dòng IG có giá trị không đổi Khoảng gọi khoảng Miller Trong khoảng thời gian dòng điều khiển dòng phóng cho tụ CGD để giảm nhanh điện áp cực máng cực gốc UDS Sau thời điểm t4 VGS lại tăng tiếp tục với số thời gian T2 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDh) lúc tụ CGD tăng đến giá trị cao CGDh VGS tăng đến giá trị cuối cùng, xác định giá trị thấp điện áp cực gốc cực máng, VDS = IDS.RDS(on) 18 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trên đồ thị Hình 1.8a, A1 đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ (CGS + CGD) khoảng t1 đến t2, A2 đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ CGD khoảng t2 đến t4 Nếu coi điôt không D lý tưởng trình phục hồi điôt ảnh hưởng đến dạng sóng sơ đồ Hình 1.8a, theo dòng ID có đỉnh nhô cao thời điểm t2 tương ứng với dòng ngược trình phục hồi điôt D Dạng sóng trình khóa thể Hình 1.8b Khi đầu vi mạch điều khiển DRIVER xuống đến mức không VGS bắt đầu giảm theo hàm mũ với số thời gian T2 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDh) từ đến t1, nhiên sau thời điểm t3 số thời gian lại T1 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDl) Từ đến t1 thời gian trễ khóa td(off), dòng điều khiển phóng điện cho tụ CGS tụ CGD Sau thời điểm t1 điện áp VSD bắt đầu tăng từ ID.RDS(on) đến giá trị cuối t3, dòng ID giữ nguyên mức cũ Khoảng thời gian từ t2 đến t3 tương ứng với mức Miller, dòng điều khiển điện áp cực điều khiển giữ nguyên giá trị không đổi Sau thời điểm t3 dòng ID bắt đầu giảm đến không thời điểm t4 Từ t4 MOSFET bị khóa hẳn Hình 1.8 Đồ thị dạng xung dòng điện, điện áp MOSFET (a) Quá trình điều khiển mở, (b) Quá trình điều khiển khóa Khi dẫn MOSFET thể tham số RDS(on) (điện trở DS dẫn) 1.3 Một số vấn đề điều khiển cho MOSFET, IGBT 1.3.2 19 Phân tích trình mở/ khóa IGBT Ta khảo sát trình mở khóa IGBT theo sơ đồ thử nghiệm cho hình 1.30 Trên sơ đồ IGBT đóng cắt tải cảm có điôt không D0 mắc song song IGBT điều khiển nguồn tín hiệu với biên độ VG, nối với cực điều khiển G qua điện trở RG Trên sơ đồ Cgc, Cge thể tụ ký sinh giũa cực điều khiển collector, emitter Hình 1.9 Sơ đồ thử nghiệm đặc tính đóng/mở IGBT Quá trình mở IGBT diến giống với trình MOSFET điện áp điều khiển đầu vào tăng từ không đến giá trị VG Trong thời gian trễ mở td(on) tín hiều điều khiển nạp điện cho tụ Cge làm điện áp cực điều khiển emitter tăng theo quy luật hàm mũ, từ không đến giá trị ngưỡng VGE(th) (khoảng – 5V), MOSFET cấu trúc IGBT bắt đầu mở Dòng điện collector-emitter tăng theo quy luật tuyến tính từ không đến dòng tải I0 thời gian tr Trong thời gian tr điện áp gữa cực điều khiển emitter tăng đến giá trị VGE,Io, xác định giá trị dòng I0 qua collector Do điôt D0 dẫn dòng tải I0 nên điện áp VCE bị găm lên mức điện áp nguồn chiều Vdc Tiếp theo trình mở diễn theo hai giai đoạn, tfv1 tfv2 Trong suốt hai giai đoạn điện áp cực điều khiển giữ nguyên mức VGE,Io (mức Miller), để trì dòng I0, dòng điều khiển hoàn toàn dòng phóng tụ Cgc IGBT làm việc chế độ tuyến tính Trong giai đoạn đầu diễn trình khóa phục hồi điôt D0 Dòng phục hồi điôt D0 tạo nên xung dòng mức dòng I0 IGBT Điện áp VCE bắt đầu giảm IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hòa Giai đoạn hai tiếp diễn trình giảm điện trở vùng trở collector, dẫn đến điện trở collector-emitter đến giá trị Ron khóa bão hòa hoàn toàn, VCE,on = I0Ron Sau thời gian mở ton, tụ Cgc phóng điện xong điện áp cực điều khiển emitter tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ, với số thời gian CgeRG, đến giá trị cuối VG Tổn hao lượng mở tính gần V I Qon = dc ton (3.1) Nếu tính thêm ảnh hưởng trình phục hồi điôt D0 tổn hao lượng lớn xung dòng dòng collector Dạng điện áp, dòng điện trình khóa thể hình 1.32 Quá trình khóa bắt đầu điện áp điều khiển giảm từ VG xuống –VG Trong thời gian thời gian trễ khóa td(off), có tụ đầu vào Cge phóng điện qua dòng điều khiển đầu vào với số thời gian