Chọn lựa các phương pháp:
Để có thể điều khiển động cơ theo phương pháp PWM, ta cần liên tục đóng/ngắt dòng điện qua động cơ ở một tần số nhất định, thường là trên 1kHZ.
Ở hình vẽ trên, khóa K có thể dùng relay, BJT MOSFET hay IGBT. Nếu đóng mở liên tục ở tần số cao thì giải pháp dùng relay khó có thể thực hiện được.
BJT là sự lựa chọn khá tốt cho các ứng dụng công suất nhỏ bởi vì khi BJT được mở với dòng chạy qua khoảng 1A thì sẽ có một điện áp bão hòa giữa cực C và E của nó lên đến 1V. Do vậy BJT tỏa rất nhiều nhiệt trong quá trình hoạt động, điều này khiến cho nó không được chọn khi công suất của mạch cao. Giải pháp được dùng khá phổ biến là MOSFET. Đối với MOSFET thì chúng có một điện trở gọi là RDS (on) giữa D và S khi được mở. Giá trị của điện trở này tương đối nhỏ, ta có thể dễ dàng mua được nhiều loại MOSFET có RDS (on) nhỏ hơn 0.1Ω. Với dòng điện qua mạch là 4A thì mất áp trên MOSFET chỉ khoảng 0.4V/MOSFET. Ngoài ra, so với BJT thì thời gian đóng, mở của MOSFET nhanh hơn nhiều, do vậy chúng được dùng khi tần số hoạt động cao (có thể lên đến trên 1MHz).
Nhược điểm của MOSFET là không chịu được điện áp cao, thông thường với 200V. Những loại đặc biệt có thể dùng với điện áp cao hơn nhưng giá thành của chúng khá cao. Để có thể dùng với điện áp và tần số hoạt động cao, giải pháp đưa ra là IGBT. IGBT là sự kết hợp giữa BJT và MOSFET, chính điều này làm cho nó có đặc tính nổi trội của cả hai loại: Thời gian đóng/mở ngắn (nhở hơn 1μS), điện áp hoạt động cao (lên đến 1000V). Vấn đề trở ngại là giá thành của IGBT rất cao so với BJT hay MOSFET.
Kết luận: Mạch điều khiển động cơ được yêu cầu thiết kế có công suất từ 60W đến 80W, điện áp hoạt động nhỏ hơn 50V, do vậy theo như phân tích ở trên thì giải pháp dùng MOSFET là khả thi nhất. Cụ thể mạch thiết kế dùng MOSFET loại IRF540 (điện áp hoạt động 100V, dòng chịu được 28A, RDS (on) nhỏ hơn 0.1Ω, thời gian đóng ngắt nhỏ hơn 0.3micro giây).
Ưu điển của MOSFET:
- Yêu cầu dòng tín hiệu cực nhỏ. Không có dòng chạy vào cực G sau khi tụ cực G của MOSFET được nạo đầy.
- Tốc độ đóng ngắt nhanh bởi vì electron có thể bắt đầu chạy từ S đến D ngay khi kênh mở. Dòng điện qua DS (IDS(ON)) tỉ lệ với điện áp trên cực G và đóng lại ngay khi áp trên G bị mất, do đó không có hiện tượng trễ như đối với BJT.
Cách chọn lựa chọn sử dụng MOSFET:
Các thông số để lựa chọn sử dụng MOSFET phù hợp với ứng dụng :
- Điện áp mở (turn-on voltage): Hầu hết các loại MOSFET thiết kế dùng làm contact đóng mở nguồn cấp, các ứng dụng điều khiển chuyển động có điện áp mở nằm trong khoảng lớn hơn (8-10)V. Dưới đây là quan hệ giữa điện áp VGS với dòng IDS(ON) của IRF540.
Hình 2.40. Đồ thị quan hệ điện áp cực cửa với dòng qua MOSFET
- Điện áp phá hỏng VDS (Drain-to-Source breakdown voltage): là điện áp tối đa cho phép đặt giữa G và S mà không phá hủy MOSFET. Đối với loại IRF540 thì VGS =+/-20V.
- Điện trở mở RDS(ON): là giá trị điện trở tồn tại giữa D và S kho MOSFET được dẫn hoàn toàn. Đối với IRF540 thì RDS(ON) = 0.06 Ω.
- Dòng điện cực đại qua DS IDS(ON): là dòng điện cho phép lớn nhất chạy qua D và S khi MOSFET mở hoàn toàn. Đối với IRF540 thì IDS(ON) = 28A. Ngoài các thông số trên còn có nhiều thông số quan trọng khác như thời gian trễ (turn-on delay time), thời gian mở (rise time), thời gian đóng (fall time), điện dung ngõ vào CISS, điện dung ngõ ra COS.