2. Thiết kết ầng nghịch lưu và tầng mạch kích
2.1. Giới thiệu về module công suất IRAMX16UP60A
Các module công suất tích hợp điều khiển động cơđang là một xu thế phát triển hiện tại bởi những ưu điểm mà nó mang lại như tiết kiệm không gian mạch in và dễ
dàng lắp ráp. Tuy nhiên việc sử dụng rộng rãi các module này bị hạn chế bởi giá thành cũng như là khả năng thiếu mềm dẻo trong thiết kế. Một seri module công suất thông minh (IPM: intelligent power module) giá thành thấp mới đã được phát triển cho các ứng dụng điều khiển động cơ, nhằm giải quyết những yếu tố trên. Đặc tính của các module công suất thông minh mới này cho phép tổn thất công suất chung thấp hơn so với các công nghệ cạnh tranh hiện tại. Một sự cải tiến đáng kể
nữa là khả năng giảm nhiễu điện từ (EMI) của hệ thống mặc dù tần số chuyển mạch có thể rất cao nhờ vào công nghệđóng vỏđặc biệt.
Module công suất IRAMX16UP60A của International Rectifier làm một module công suất tích hợp được phát triển và tối ưu cho các ứng dụng điều khiển động cơ
như máy giặt, các bộ truyền động máy nén điều chỉnh tốc độ trong các hệ thống
điều hòa không khí trong nhà và các tủ lạnh thương mại. Công nghệ PlugNDrive
đưa ra một bộ điều khiển động cơ xoay chiều hiệu suất cao, kết cấu siêu gọn trong một vỏ cách ly đơn cho một thiết kếđơn giản.
Cấu hình hở emitter ở IGBT phía thấp cho phép dễ dàng phản hồi dòng, theo dõi quá dòng để có thểđiều khiển với độ an toàn và chính xác cao.
Chức năng bảo vệ quá dòng và theo dõi nhiệt độ dựng sẵn, cùng với chức năng ngắt khi thấp áp tích hợp bên trong cho phép hoạt động an toàn và bảo vệ ở mức cao.
Việc kết hợp diode boostrap cho mạch lái phía cao và chỉ cần nguồn cấp đơn cực cho mạch phía trong làm đơn giản hóa việc sử dụng module và đưa ra sự thuận lợi cho việc giảm giá thành hơn nữa.
Đặc tính của module IRAMX16UP60A: - Tích hợp mạch kích và diode boostrap - Chức năng theo dõi nhiệt độ
- Cắt khi quá dòng hoặc quá nhiệt độ
- Đóng vỏđơn hoàn toàn
- Công nghệ IGBT Non Punch Through, điện áp VCE (on ) thấp - Chức năng khóa khi điện áp thấp cho tất cả các kênh
- Trễ lan truyền như nhau cho tất cả các kênh
- Chân emiter của IGBT phía thấp để hở cho việc điều khiển dòng điện - Đầu vào logic Schmit-triggered
- di/dt thấp làm cho việc chống nhiễu tốt hơn - Giải công suất 0,75kW~2kW/85~253Vac - Điện áp cách ly thấp nhất 2000Vrms
Ưu điểm của giải pháp sử dụng module công suất tích hợp IRAMX16UP60A
Bên cạnh những ưu điểm như nhỏ gọn hơn, tin cậy hơn, đơn chíp so với việc sử
dụng linh kiện rời, module IPM còn giúp cho các kỹ sư thiết kế tránh khỏi những lỗi thường gặp khi thiết kế bộ nghịch lưu dùng IGBT:
- Độ tự cảm của mạch thấp hơn so với linh kiện rời làm giảm xung điện áp kim và khả năng hoạt động ở tần sốđóng cắt cao với tổn hao ít hơn.
- Kết nối công suất đơn giản, bao gồm chân V+, Le1, Le2, Le3 và các chân nối với động cơ gồm U,V, W.
- Mạch kích tích hợp bên trong yêu cầu 6 đầu vào logic (cả mức 3,3V) và 3 tụ
boostrap được chọn theo tần sốđóng cắt.
- Trễ lan truyền thấp cho cả IGBT phía thấp và phía cao được làm cho phù hợp với việc ngăn chặn DC core flux tác động vào động cơ.
- Bộđiều khiển deadtime bên trong ngăn trùng dẫn
- Chế độ an toàn sự cố được bảo đảm bởi tính năng tự ngắt dựng sẵn khi quá dòng hoặc quá nhiệt.
- Có các chân cho phép theo dõi nhiệt độ và dòng điện pha.
Ưu điểm chính khi sử dụng module IPM là dễ dàng thiết kế một hệ điều khiển
động cơ tối ưu, tin cậy. Kỹ sư thiết kế có thể được giải phóng khỏi những vấn đề
khó khăn sau:
- Làm sao có thể tạo ra một khoảng thời gian trễ hợp lý (deadtime) để tránh trùng dẫn.
- Làm sao để thiết kế mạch bảo vệ quá dòng cho các van công suất IGBT. - Làm sao để thiết kế mạch kiểm tra quá nhiệt độ mà thực tế là theo dõi nhiệt
độ của IGBT.
- Làm sao để làm cho thời gian trễ lan truyền phù hợp trong mạch kích để
ngăn không cho dòng một chiều chạy vào cuộn dây của stato động cơ.
- Làm sao để lựa chọn thời gian chuyển mạch tối ưu để hạn chế nhiễu điện từ đạt được hiệu suất cao nhất.
- Làm sao để giảm kích thước cuộn lọc để giảm quá điện áp khóa IGBT.
Hình (1-2): Sơ đồ cấu trúc bên trong của IRAMX16UP60A
Module IRAM 600V bao gồm 6 khóa IGBT cùng với mỗi điện trở cực cửa cho mỗi khóa, ba diode liên lạc cho mỗi pha, mạch kích dịch mức (level shifting), ba diode boostrap cùng với điện trở hạn chế dòng và cặp nhiệt điện trở, điện trở cho việc cắt khi quá nhiệt độ. Mạch cắt khi quá dòng đáp ứng với điện áp đầu được tạo ra từ một cảm biến bên ngoài như biến áp dòng hay nhiệt điện trở. Chân đầu vào cho mạch cắt thực hiện chức năng đôi sau:
- Đầu vào cho tín hiệu quá dòng
- Đầu ra analog cho module theo dõi dõi nhiệt độ.
Vì đảm bảo hai chức năng trên nên phải có một mạch bên ngoài tương tự như sơ đồ sau:
Hình (1-3): Sơ đồ mạch ITRIP
Điều quan trọng là tụ lọc giữa chân Vcc và chân GND phải đặt gần module IRAM để ngăn nhiễu truyền vào mạch Itrip circuit gây ra việc cắt sai. Transitor hở
collector, điều khiển quá dòng luôn ở trạng thái mở và cấm chức năng khóa dòng. Mạch bảo vệ quá nhiệt luôn đuợc kích hoạt và được xếp chồng bởi mạch bảo vệ quá dòng.
Tín hiệu vào
Một hệ điều khiển động cơ vòng hở, đầy đủ gồm nguồn tạo tín hiệu điều khiển, tầng mạch kích và tầng công suất. Động cơ ba pha ở đây có thể là động cơ không
đồng bộ hoặc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Module IRAM tích hợp tầng công suất và tầng mạch kích. Nhưng bộ não của hệ thống phải tạo được tín hiệu
điều khiển PWM hoặc thông tin PFM để hoàn chỉnh chức năng của một hệ điều khiển.
Hệ thống điều khiển ở mức logic 5V được sử dụng thông dụng hơn theo quan
điểm chống nhiễu nhưng tín hiệu điều khiển cấp cho module này có thể là 3,3V mức hoặc bất kỳ mức nào từ 3,3V tới Vcc (+15V).
Tín hiệu điều khiển vào mạch kích yêu cầu tích cực mức thấp đểđiều khiển đầu ra. Tín hiệu đầu vào Itrip là 4,3V và điện áp ngắt khi xảy ra thấp áp là 11V.
Miêu tả chân IRAMS10UP60A
Hình (1-4): Bảng miều tả chân IRAMX16UP60A