NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Hà Nội, ngày 28 tháng 12 năm 2012
Giáo viên hướng dẫn
i
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn, các thiết bị biến đổi điện năng dùng các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng
ngày càng nhiều trong công nghiệp và đời sống, đáp ứng được nhu cầu cao của xã
hội.Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp,các
bộ biến tần đáp ứng rất tốt về vấn đề này, và được sử dụng trong các hệ truyền
động điện…Bộ nghịch lưu là bộ biến tần gián tiếp biến đổi từ điện một chiều sang
xoay chiều nó được ứng rất nhiều trong các hệ truyền động điện.
Trong thời gian học tập và nghiên cứu chúng em được học môn điện tử công
suất và ứng dụng trong sản xuất và đời sống. Vì vậy để nắm vững lý thuyết và vẫn
dụng kiến thức đã học vào thực tế chúng em đã nhận đồ án môn học với đề tài
“thiết kế bộ nghịch lưu áp một pha”
Trong thời gian thực hiện đồ án chúng em xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô trong bộ môn Thiết Bị Điện - Điện Tử đặc biệt là thầy Nguyễn Thành Khang đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo chúng em.Tuy nhiên do thời gian và kiến thức có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót khi thực hiện đồ án này.Vì vậy chúng em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
ii
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT...................................................................... 1
1.1 Nghịch lưu ..................................................................................................... 1
1.1.1 Nghịch lưu phụ thuộc .............................................................................. 1
1.1.2 Nghịch lưu độc lập .................................................................................. 1
1.1.3 Nghịch lưu độc lập điện áp ...................................................................... 1
1.2 Cải thiện điện áp ra cho nghịch lưu độc lập điện áp ....................................... 3
1.3 Điều chế PWM cho nghịch lưu độc lập điện áp một pha ................................ 4
1.3.1 PWM (Pulse Width Modulation) ............................................................. 4
1.3.2 Phương pháp SINPWM ........................................................................... 5
CHƯƠNG II: MẠCH ĐIỀU KHIỂN ................................................................... 8
2.1 Giới thiệu về dsPIC33FJ12MC202 ................................................................ 8
2.2 Cấu hình dao động dùng PLL cho dsPIC33F ............................................... 10
2.2.1. Bộ dao động ......................................................................................... 10
2.2.2. Cấu hình: .............................................................................................. 10
2.3 Module PWM .............................................................................................. 13
2.3.1 Các chế độ vận hành .............................................................................. 13
2.3.2 PWM Period .......................................................................................... 13
2.3.3 PWM duty cycle .................................................................................... 14
2.3.4 Bộ tạo thời gian dead time ..................................................................... 15
2.3.5 Các chế độ PWM Output ....................................................................... 15
2.4 Code ............................................................................................................ 16
CHƯƠNG III: MẠCH LÁI ................................................................................ 18
3.1 Sơ đồ mạch lái ............................................................................................. 18
3.2 Nguyên lý bootstrap ..................................................................................... 19
CHƯƠNG IV: MẠCH ĐỘNG LỰC................................................................... 20
CHƯƠNG V: BỘ LỌC ĐẦU RA ....................................................................... 23
5.1.Tổng quát về các bộ lọc ............................................................................... 23
5.2 Lựa chọn phương án lọc .............................................................................. 24
5.3 Tính toán bộ lọc LC: .................................................................................... 25
CHƯƠNG VI: SƠ ĐỒ ......................................................................................... 26
6.1 Sơ đồ khối: .................................................................................................. 26
iii
6.2 Sơ đồ mạch tạo nguồn .................................................................................. 26
6.3 Sơ đồ khối điều khiển .................................................................................. 26
6.4.Sơ đồ mạch lái mosfet .................................................................................. 27
6.5 Sơ đồ mạch động lực ................................................................................... 27
CHƯƠNG VII: KẾT QUẢ.................................................................................. 28
7.1 Mạch mô phỏng sử dụng Proteus : ............................................................... 28
7.2 Tín hiệu điều khiển đo được......................................................................... 29
7.3 Mạch thật .................................................................................................... 30
Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 31
Website tham khảo: ............................................................................................. 31
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các sơ đồ nghịch lưu độc lập điện áp một pha ......................................... 2
Hình 1.2: Sơ đồ nghịch lưu áp một pha .................................................................... 2
Hình 1.3: Các sóng hài bậc cao ................................................................................ 3
Hình 1.4: Phương pháp PWM .................................................................................. 4
Hình 1.5: Điện áp ra bộ nghịch lưu PWM đơn cực .................................................. 5
Hình 1.6: Đồ thị xác định thời điểm kích mở van công suất ..................................... 6
Hình 1.7: Điều chế độ rộng xung lưỡng cực ............................................................ 7
Hình 2.1: Các họ vi điều khiển PIC và dsPIC .......................................................... 8
Hình 2.2: Sơ đồ khối của dsPIC33FJ12MC202........................................................ 9
Hình 2.3: Sơ đồ chân của dsPIC33FJ12MC202 ..................................................... 10
Hình 2.4: Cấu hình PLL cho dsPIC dòng MC ........................................................ 11
Hình 2.5: Chế độ Continous Up/Down Counting ................................................... 13
Hình 2.6: Thay đổi giá trị PTPER .......................................................................... 14
Hình 2.7: Thay đổi giá trị duty cycle ..................................................................... 14
Hình 2.8: Sơ đồ khối chế độ hoạt động hỗ trợ ........................................................ 15
Hình 2.9 : Ví dụ đầu ra PWM chế độ hoạt động hỗ trợ .......................................... 15
Hình 3.1: Khóa MOSFET tầng trên ....................................................................... 18
Hình 3.2: IR2110 ................................................................................................... 19
Hình 3.3: Sơ đồ mạch nguyên lý bootstrap ............................................................ 19
iv
Hình 3.4: Sơ đồ lắp mạch IR2110 .......................................................................... 19
Hình 4.1: BJT, MOSFET và IGBT ........................................................................ 20
Hình 4.2: IRFP460 ................................................................................................ 22
Hình 5.1: Lọc 2 mắt cộng hưởng ........................................................................... 24
Hình 5.2: bộ lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp ....................................................... 24
Hình 5.3:Bộ lọc LC đơn giản ................................................................................. 24
Hình 5.4: Bộ lọc LC .............................................................................................. 25
Hình 5.5: Cuộn cảm lọc ......................................................................................... 25
Hình 6.1: Sơ đồ khối.............................................................................................. 26
Hình 6.2: Mạch tạo nguồn ..................................................................................... 26
Hình 6.3: Mạch điều khiển .................................................................................... 26
Hình 6.4: Mạch lái mosfet ..................................................................................... 27
Hình 6.5: Mạch động lực ....................................................................................... 27
Hình 7.1: Sơ đồ mô phỏng trong proteus ............................................................... 28
Hình 7.2: Kết quả mô phỏng trong proteus ............................................................ 28
Hình 7.3: Tín hiệu điều khiển ................................................................................ 29
Hình 7.4: Mạch thật ............................................................................................... 30
v
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Nghịch lưu
Nghịch lưu là thiết bị để biến đổi năng lượng dòng điện một chiều thành năng lượng
dòng xoay chiều với tần số cố định hoặc thay đổi.
1.1.1 Nghịch lưu phụ thuộc
Nghịch lưu phụ thuộc có tần số điện áp của dòng điện xoay chiều chính là tần
số không thể thay đổi của lưới điện. Sự hoạt động của nghịch lưu này phải phụ
thuộc vào điện áp lưới vì tham số điều chỉnh duy nhất là góc điều khiển α được xác
định theo tần số và pha của lưới xoay chiều.
1.1.2 Nghịch lưu độc lập
Nghịch lưu độc lập hoạt động với tần số ra do mạch điều khiển quyết định và
có thể thay đổi tùy ý, tức là độc lập với lưới điện.
Nghịch lưu độc lập được chia làm 3 loại:
Nghịch lưu độc lập điện áp, cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành nguồn điện áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới: trạng thái không tải là cho phép còn trạng thái ngắn mạch tải là sự cố. Van bán dẫn trong nghịch lưu độc lập điện áp hoạt động dưới tác động của sức điện động một chiều E, vì vậy thích hợp là van điều khiển hoàn toàn: các loại transistor BJT, MOSFET, IGBT hay GTO
Nghịch lưu độc lập dòng điện: cho phép biến nguồn dòng một chiều thành
nguồn xoay chiều.
Nghịch lưu độc lập cộng hưởng: có đặc điểm khi hoạt động luôn hình thành một mạch vòng dao động cộng hưởng RLC. Với nghịch lưu độc lập dòng điện và nghịch lưu độc lập cộng hưởng, do tính chất mạch cho phép ứng dụng tốt van bán điều khiển thyristor nên chúng thường được dùng.
Trong phạm vi đồ án ta chỉ xét nghịch lưu độc lập điện áp.
1.1.3 Nghịch lưu độc lập điện áp
a. Đặc điểm cấu tạo
Do nguồn đầu vào của mạch nghịch lưu là nguồn áp nên mạch nghịch lưu áp
có tụ C (C→ ∞) được mắc song song với điện trở nguồn.
Trong hình 1.1 là một số sơ đồ nghịch lưu áp một pha trong đó sơ đồ cầu hình
1.1a, bán cầu hình 1.1b và sơ đồ hình tia 1.1c tuy nhiên dạng điện áp ra và các tham
số của chúng giống như nhau, vì vậy chúng ta chỉ xét trên cơ sở sơ đồ cầu hình 1.1a. Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả trên hình 1.1a gồm 4 van động lực
T1, T2, T3, T4 và điôt D1, D2, D3, D4 để trả công suất phản kháng của tải về lưới.
1
1.1a 1.1b 1.1c
Hình 1.1: Các sơ đồ nghịch lưu độc lập điện áp một pha
b. Nguyên lý làm việc
Ở nửa chu kỳ đầu tiên, cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải được đấu với nguồn.
Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải bằng E, sau một khoản thời gian T1, T2
bị khóa đồng thời T3, T4 mở ra. Tải sẽ được đấu vào nguồn một chiều theo chiều
ngược lại. Sau một khoảng thời gian t quá trình được lập lại. Điện áp nghịch lưu có dạng xung vuông, có tần số fN tạo ra nhờ đóng mở các cặp van T1, T2 và T3, T4 một cách có chu kỳ: fN=fđk Do đó khi thay đổi tần số điều khiển fđk có thể thay đổi tần số nghịch lưu fN tuỳ ý.
Hình 1.2: Sơ đồ nghịch lưu áp một pha
2
c. Ưu nhược điểm
Ưu điểm:
o Điều chỉnh được tần số fN o Điện áp ra của nghịch lưu có thể dùng các phương pháp khác nhau để giảm
sóng hài bậc cao
o Các van được sử dụng là các van điều khiển hoàn toàn do đó dễ dàng điều
khiển đóng cắt các van
o Công suất bộ biến đổi phụ thuộc vào công suất của van,mà công suất của van
động lực ngày càng lớn với kích thước ngày càng nhỏ gọn
Nhược điểm:
o Số lượng van sử dụng khá nhiều o Điện áp ra có sóng hài bậc cao ảnh hưởng tới thiết bị điện
Hình 1.3: Các sóng hài bậc cao
1.2 Cải thiện điện áp ra cho nghịch lưu độc lập điện áp
Nếu tải không có đòi hỏi về dạng áp ra hình sin sẽ không cần quan tâm đến bộ
lọc. Tuy nhiên với các tải xoay chiều được thiết kế chế tạo để làm việc với nguồn
điện áp hình sin (như động cơ điện, máy biến áp lực) cần phải cải thiện dạng điện
áp ra theo yêu cầu của tải. Có một số phương pháp sau được sử dụng:
Dùng bộ lọc tần số thụ động: với dòng tải lớn và điện áp cao bộ lọc phải thực hiện bằng các phần tử thụ động L và C, điều này dẫn đến tổn thất công suất không
thể tránh khỏi làm giảm hiệu suất hệ thống, mặt khác làm tăng đáng kể kích thước
thiết bị. Hơn nữa hiệu quả lọc tần của bộ lọc thụ động không cao.
3
Phương pháp cộng điện áp nhiều nghịch lưu độc lập với góc pha lệch nhau hoặc tần số khác nhau: phương pháp này thực hiện khá đơn giản, các van hoạt động
nhẹ nhàng vì tần số chuyển mạch thấp, nhưng mạch lực và mạch điều khiển phức
tạp, vì vậy cũng ít được dùng.
Phương pháp điều chế PWM: trong một khoảng dẫn của van, transistor không
dẫn liên tục mà đóng cắt rất nhiều lần với độ rộng xung dẫn thay đổi.
Điều chế hình sin (SPWM)
Điều chế vector (VPWM)
Phương pháp băm xung chọn lọc trong khoảng van dẫn: các van không đóng mở nhiều lần như trong phương pháp điều chế PWM mà thường chỉ dưới 10 lần.
Phương pháp này sẽ phù hợp khi sử dụng các van không có khả năng làm việc ở tần
số cao như GTO, IGBT hay thyristor (có kèm chuyển mạch cưỡng bức).
Ta sử dụng phương pháp điều chế SINPWM kết hợp với bộ lọc LC.
1.3 Điều chế PWM cho nghịch lưu độc lập điện áp một pha
1.3.1 PWM (Pulse Width Modulation)
PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay
đổi điện áp ra. Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay hoặc là sườn âm
Hình 1.4: Phương pháp PWM
Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả
sườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải.
4
==> Ud = Umax.( t1/T) (V) hay Ud = Umax.D
Với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng %
Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trung
bình trên tải sẽ là :
Ud = 12.30% = 3,6V ( với D = 30%)
Ud = 12.60% = 7,2V (Vói D = 60%)
Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%)
1.3.2 Phương pháp SINPWM
a. Phương pháp điều khiển PWM đơn cực:
Hai đại lượng cần phải quan tâm khi xem xét về PWM là: sóng mang và song
điều biến:
Sóng mang: Sóng mang là sóng tam giác có tần số rất lớn, có thể đến hàng
chục thậm chí hàng trăm kHz.
Sóng điều biến: Sóng điều biến là sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng cơ bản đầu ra của bộ nghịch lưu. Sóng điều biến chính là sóng mong muốn ở đầu ra của mạch nghịch lưu.
Hình 1.5: Điện áp ra bộ nghịch lưu PWM đơn cực
Nhận thấy rằng diện tích của mỗi xung tương ứng gần với diện tích dưới dạng sóng hình sin mong muốn giữa hai khoảng mở liên tiếp. Các điều hòa của
sóng điều chế theo phương pháp PWM giảm rõ rệt theo phương pháp này.
Để xác định thời điểm kích mở cần thiết để tổng hợp đúng dạng sóng đầu ra theo phương pháp PWM (đơn cực) trong mạch điều khiển người ta tạo ra một sóng sin chuẩn mong muốn và so sánh nó với một dãy xung tam giác được biểu diễn trên hình 1.6.Giao điểm của hai sóng xác định thời điểm kích mở van bán dẫn.
5
Hình 1.6: Đồ thị xác định thời điểm kích mở van công suất
Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu dùng phương pháp PWM cực đại khi ở chế độ
xung vuông,có nghĩa là khi đó đầu ra của PWM giống như bộ nghịch lưu nguồn
áp.Khi điện áp điều khiển càng giảm thì bề rộng của xung càng giảm và độ trống xung càng tăng, do vậy điện áp ra giảm.Vì vậy có thể điều khiển điện áp đầu ra bằng điện áp điều khiển.
Quá trình đưa xung có tần số cao vào sẽ tạo ra đóng cắt tần số lớn do vậy sẽ làm tăng các điều hòa bậc cao. Nhưng có thể dễ dàng lọc ra điều hòa bậc thấp và tần số cơ bản sin hơn. Bên cạnh đó động cơ là tải điện cảm nên dễ dàng làm suy giảm các điều hòa bậc cao cả điện áp và dòng điện.
b. Phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực
Thay cho phương pháp điều khiển PWM đơn cực để nâng cao chất lượng điều khiển ta có phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực.Các MOSFET được kích mở theo từng cặp nhằm tránh khoảng điện áp về không (lưỡng cực). Giản đồ điện áp điều biến PWM lưỡng cực được biểu diễn trên hình 1.7. Phần điện áp ngược trong
nửa chu kì đầu ra rất ngắn. Để xác định thời điểm van bán dẫn người ta điều chế
sóng tam giác tần số cao bằng sóng sin chuẩn vì vậy không tạo độ lệch pha giữa
sóng tam giác và sóng hình sin cần điều biến
6
Hình 1.7: Điều chế độ rộng xung lưỡng cực
c. So sánh hai phương pháp
Hai phương pháp trên là hai phương pháp nghịch lưu PWM cơ bản.Về cấu trúc mạch động lực không có gì khác nhau mà chỉ khác nhau về nguyên tắc điều khiển chuyển mạch các van bán dẫn. Hai phương pháp trên có chứa những yêu điểm và nhược điểm nhất định:
Phương pháp PWM đơn cực:
o Ưu điểm: Mạch điều khiển đơn giản do không có phần tử điện áp âm trong thành phần điện áp pha. Số lượng chuyển mạch của van bán dẫn ít do vậy tổn hao chuyển mạch thấp.
o Nhược điểm: Điện áp ra có biên độ không cao khi điện áp ra yêu cầu giá trị cận không thì khó đáp ứng do khả năng chuyển mạch của các van bán dẫn.
Phương pháp PWM lưỡng cực:
o Ưu điểm: Điện áp ra có biên độ lớn,có khả năng điều khiển điện áp nhỏ cũng như tần số. Khả năng đáp ứng yêu cầu cao về ổn định dòng. o Nhược điểm: Nhược điểm lớn nhất của nghịch lưu PWM lưỡng cực là sự phức tạp của mạch điều khiển do phải phối hợp đóng cắt của các
van bán dẫn. Phổ sóng hài của điều chế đơn cực tốt hơn điều chế
lưỡng cực.
Ở đây ta sử dụng phương pháp pwm lưỡng cực.
7
CHƯƠNG II: MẠCH ĐIỀU KHIỂN
2.1 Giới thiệu về dsPIC33FJ12MC202
Họ vi điều khiển PIC và dsPIC do hãng Microchip chế tạo và sản xuất với công nghệ hiện đại, phù hợp cho các ứng dụng đơn giản đến phức tạp. Đặc biệt
ngoài ngôn ngữ lập trịnh assembler như các MCU khác, người dùng có thể lập trình
trên ngôn ngữ quen thuộc như C (C18, C30,CCSC, MIKO_C,HI-TECH PICC),
Pascal ( MIKO_PASCAL) thông qua các phần mềm hỗ trợ.
Hình 2.1: Các họ vi điều khiển PIC và dsPIC
Tùy theo các ứng dụng cụ thể người ta chọn các chíp vi điều khiển khác nhau(theo hướng dẫn của nhà sản xuất).Ở đây ta chọn chip thuộc họ dsPIC33 cụ thể là dsPIC33FJ12MC202 có một số đặc điểm chính sau:
MCU dsPic được thiết kế dựa trên kiến trúc RISC, hoạt động ở tầm điện áp rộng từ 2.5-5.5V,công suất thấp ,có tốc độ xử lý cao do sử dụng công nghệ
CMOS ,đáp ứng được yêu cầu tính toán lớn,đáp ứng nhanh và yêu cầu độ
chính xác cao
Có bộ nhớ RAM là 1k, ba bộ timer 16-bit
Bốn kênh Input Capture,hai kênh Output Compare, tám kênh 16 bit Motor PWM, một giao tiếp Quandrature Encoder, một giao tiếp UART, ba External Interrupts, một ADC 10 bit 6 kênh, 21 chân I/O
dsPIC33 có 4 nguồn dao động,có bộ chia PLL,chu kỳ máy của dsPIC33 không giống với PIC.Dao động vào của PIC sử dụng 4 dao động để thực hiện 1 lệnh,trong khi đó bộ dao động vào của dsPIC33 thông qua bộ chia (nhân tần
8
số) PLL,sau đó dùng 2 chu kỳ để thực hiện 1 lệnh.Thông thường PIC cho phép
dùng thạch anh 20MHz và chạy ở 5MIPS, trong khi đó dsPIC33 cho phép dao
động FOSC tới 80MHz và chạy ở tối đa 40MIPS.
Sơ đồ khối của dsPIC33FJ12MC202:
Hình 2.2: Sơ đồ khối của dsPIC33FJ12MC202
9
Sơ đồ chân của dsPIC33FJ12MC202:
Hình 2.3: Sơ đồ chân của dsPIC33FJ12MC202
2.2 Cấu hình dao động dùng PLL cho dsPIC33F
2.2.1. Bộ dao động
Chu kỳ máy của dsPIC33F không giống với PIC. Dao động vào của PIC sử dụng 4 dao động để thực hiện 1 lệnh, trong khi đó bộ dao động vào của dsPIC33F thông qua bộ chia (nhân tần số) PLL, sau đó dùng 2 chu kỳ để thực hiện 1 lệnh.
Thông thường PIC cho phép dùng thạch anh 20MHz và chạy ở 5MIPS, trong
khi đó dsPIC33F cho phép dao động FOSC tới 80MHz và chạy ở tối đa 40MIPS.
2.2.2. Cấu hình: Việc cấu hình cho dsPIC33F tuân thủ các nguyên tắc sau:
Tần số mã lệnh:
=
2 FCY tương đương trực tiếp với MIPS (Million Instructions Per Second). Nghĩa là nếu FCY = 40MHz thì tương đương dsPIC33 chạy ở 40MIPS. Đây là tần
số cho phép tối đa của dsPIC33.
Tần số dao động:
= ∗ 1 ∗ 2
Trong đó: N1 = PLLPRE + 2
N2 = 2 x (PLLPOST + 1)
M= PLLDIV + 2
Tần số này đạt giá trị lớn nhất là 80MHz, dù cấu hình PLL hay sử dụng nguồn
dao động kiểu gì đi nữa cũng không được phép vượt quá tần số này.
10
Việc cấu hình PLL được cụ thể cho từng dòng dsPIC khác nhau, ở đây chúng
ta lấy ví dụ dòng MC - Motor Control:
Hình 2.4: Cấu hình PLL cho dsPIC dòng MC
Nguồn dao động vào có thể là thạch anh hoặc bộ dao động (thường các bạn
gọi là thạch anh 4 chân) hoặc là lấy nguồn dao động được tạo ra từ con chip khác. Bộ PLL là phần ở giữa của hình. PLL được cấu hình bởi các thanh ghi PLLPRE, PLLPOST và PLLDIV như trên hình. Tần số dao động có thể được viết lại cụ thể như sau:
Giả sử chúng ta muốn tạo tần số dao động FOSC là 80MHz (tần số tối đa) với thạch anh sử dụng là 10MHz, ta phải tính toán và cân đối các hệ số M, N1, N2. Khi đó chỉ việc thay thế nó và đặt vào các giá trị của PLLDIV, PLLPRE và PLLPOST.
Nếu dùng thạch anh hoặc dao động ngoại, ta không được phép sử dụng tần số nằm ngoài khoảng 1.6MHz đến 16MHz. Qua bộ chia PLLPRE, tần số không được vượt quá 0.8MHz đến 8MHz. Ở trước bộ chia PLLPOST không được nằm ngoài
khoảng 100MHz đến 200MHz. N2 chỉ có thể là 2, 4, 8 sao cho giá trị trước khi qua
bộ chia PLLPOST nằm trong khoảng 100MHz đến 200Mhz => ta có hệ số N2. Bộ
chia với hệ số M rất rộng, nằm từ 2 đến 513. N1 nằm từ 2 đến 33. Vậy chúng ta sẽ
chọn N1 sao cho tần số dao động từ thạch anh vào sau PLLPRE nằm trong khoảng
0.8MHz tới 8MHz và cuối cùng thì chúng ta chọn M.
Với yêu cầu trong bài: để đạt được Fcy=40MHz,tương ứng với Fosc=80MHz
được tiến hành như sau:
Chọn M=40;N1=N2=2(tương ứng PLLPRE=38, PLLPOST=0, PLLDIV=0); FIN=8MHz
11
Ta chọn P1TMRPrescaler=4.Với cách chọn như trên Fcy=40MHz,tần số sóng mang 10khz (tần số đóng cắt của mosfet) ta tính được giá trị cần nạp vào thanh ghi
P1PTER được tính như sau:
P1PTER=40M/(Fpwm * 4 * 2) – 1=499
Sóng điều khiển (Udk) được tạo bởi bằng cách tạo bảng sin có giá trị từ 0 tới
2π tượng trưng cho một chu kì của sóng điều khiển sin.Như đã biết sóng điều khiển mang thông tin về biên độ và tần số sóng hài cơ bản ở ngõ ra của nghịch lưu.Như
vậy để thay đổi biên độ và tần số của sóng đầu ra nghịch lưu ta thay đổi biên độ và
tần số của sóng điều khiển.Ngoài ra biên độ của sóng ra cũng phụ thuộc vào hệ số điều biến ma. Ở đây ta chọn ma<1 cụ thể là ma=0.95 để giảm hiện tượng vạt đầu ở dạng sóng đầu ra.
Tần số của sóng điều khiển thay đổi tùy thuộc vào sự thay đổi của con trỏ trong bảng sin.Tần số của sóng điều biến càng lớn thì số bước nhày của con trỏ
trong bảng sin càng nhỏ và ngược lại.Với tần số sóng mang 10KHz và tần số sóng điều biến 50Hz. Ta có được bảng sin có 200 giá trị:
515, 530, 546, 562, 577, 592, 608, 623, 638, 653, 668, 683, 697, 711, 725, 739, 753, 766, 779, 792, 805, 817, 829, 840, 852, 863, 873, 883, 893, 903, 912, 920, 928, 936, 943, 950, 957, 963, 968, 973, 978, 982, 986, 989, 992, 994, 996, 997, 998, 998, 998, 997, 996, 994, 992, 989, 986, 982, 978, 974, 969, 963, 957, 951, 944, 937, 929, 921, 912, 903, 894, 884, 874, 863, 852, 841, 829, 818, 805, 793, 780, 767, 754, 740, 726, 712, 698, 683, 669, 654, 639, 624, 609, 593, 578, 562, 547, 531, 515, 500, 484, 468, 453, 437, 422, 406, 391, 376, 361, 346, 331, 316, 302, 287, 273, 259, 246, 232, 219, 206, 194, 182, 170, 158, 147, 136, 125, 115, 105, 96, 87, 78, 70, 62, 55, 48, 41, 35, 30, 25, 20, 16, 12, 9, 6, 4, 2, 1, 0, 0, 0, 1, 2, 4, 6, 9, 12, 15, 19, 24, 29, 35, 41, 47, 54, 61, 69, 77, 86, 95, 104, 114, 124, 134, 145, 156, 168, 180, 1 92, 205, 217, 230, 244,
257, 271, 285, 299, 314, 329, 343, 358, 373, 389, 404, 419, 435, 450, 466, 482, 497
12
2.3 Module PWM
Module PWM được sử dụng để tạo ra các tín hiệu xung đồng bộ có khả năng
điều chỉnh được độ rộng ( Synchronized Pulse Width Modulated) . Được ứng dụng
trong các mục đích điều khiển chuyển động về điều khiển công suất
dsPIC33FJ12MC202 cung cấp 2 module Pulse Width Modulation (PWM).
Module PWM1 là bộ phát PWM 6 kênh, còn module PWM2 chỉ có 2 kênh
Độ phân giải lên tới 16bit
Có khả năng thay đổi tần số tín hiệu PWM khi module đang hoạt động
Có chế độ canh giữa, canh cạnh (Edge-Aligned and Center-Aligned Output
modes) và chế độ phát xung đơn (Single Pulse Generation mode)
2.3.1 Các chế độ vận hành
Continous Up/Down Counting Mode Free Running Mode
Double Update Mode Single Shot Mode
Bốn chế độ này được lựa chọn bởi bit PTMOD<1:0> trong thanh ghi PTCON
Các sự kiện ngắt được tạo ra bởi bộ đếm thời gian PWM phụthuộc vào bit
(PTMOD<1:0>) và bit Postscaler (PTOPS<3:0>) trong thanh ghi PTCON
Trong chế độ Continous Up/Down Counting bộ đếm thời gian trong module PWM (PWM time base) sẽ đếm lên cho đếm khi bằng với giá trị trong thanh ghi PTPER. Sau đó Timer sẽ bắt đầu đếm xuống trong lần xung clock tiếp theo. Bit PTDIR sẽ được set khi timer bắt đầu đếm xuống. Trong chế độ này một sự kiện ngắt sẽ xảy ra khi giá trị của thanh ghi PTMR bằng 0 và bộ đếm thời gian PWM bắt đầu đếm lên. Bit Postscaler nên được chọn để giảm bớt số lần sự kiện ngắt xảy ra.
Hình 2.5: Chế độ Continous Up/Down Counting
2.3.2 PWM Period
PWM period được định nghĩa bởi cặp thanh ghi PTPER ( PTPERH và PTPERL).
PTPER là cặp thanh ghi double buffered sử dụng để set chế độ đếm của PWM time
base. Ở chế độ Up/down counting mode, nội dung của PTPER buffer được nạp vào
13
thanh ghi PTPER khi PTMR bằng zero. Giá trị được lưu trong PTPER buffer tự
động nạp vào thanh ghi PTPER khi PWM time base được disabled (PTEN=0)
Hình 2.6: Thay đổi giá trị PTPER
2.3.3 PWM duty cycle
PWM duty cycle được xác định bởi các thanh ghi PDCx ( PDCxH và
PDCxL). Có tổng cộng 4 cặp thanh ghi PWM duty cycle cho 4 cặp xung PWM.
PDC0 (PDC0L và PDC0H) PDC2 (PDC2L và PDC2H)
PDC1 (PDC1L và PDC1H) PDC3 (PDC3L và PDC3H)
Giá trị mỗi thanh ghi xác định khoảng thời gian mà ngõ ra PWM tích cực.
Khi PWM time base ở chế độ Up/Down couting, giá trị duty cycle mới sẽ được update khi giá trị thanh ghi PTMR bằng zero và PWM time base bắt đầu đếm lên. Nội dung của duty cycle buffer sẽ tự động cập nhật vào thanh ghi duty cycle khi PWM time base bị disable ( PTEN=0).
Hình 2.7: Thay đổi giá trị duty cycle
14
2.3.4 Bộ tạo thời gian dead time
Trong bộ biến tần , khi các xung PWM ở chế độ đối nghịch để điều khiển các
khóa công suất phía cao; phía thấp trong cùng 1 nhánh, phải chèn 1 khoảng thời
gian dead time. Khoảng thời gian dead time đó làm cho ngõ ra PWM đối nghịch
đều ở trạng thái không tác động trong 1 khoản thời gian ngắn => tránh trùng dẫn khi
khóa này đang ON , khóa kia đang OFF
Mỗi cặp xung PWM đối nghịch đều có một counter 6 bit đếm xuống, để chèn khoảng dead time vào xung PWM. Mỗi bộ tạo dead time có bộ phát hiện cạnh lên
và cạnh xuống được kết nối với bộ so sánh duty cycle. Dead time được nạp vào
timer khi phát hiện PWM ở cạnh lên hay cạnh xuống. Tùy vào xung PWM đang ở
cạnh lên hay cạnh xuống, mà 1 khoảng thời gian chuyển tiếp được làm trễ cho đến
khi timer đếm về zero.
2.3.5 Các chế độ PWM Output
Single Event PWM Operation Complementary Mode
Edge-Aligned PWM Independent PWM Output Mode
Center-Aligned PWM
Trong chế độ hoạt động hỗ trợ (Complementary mode) , mỗi cặp tín hiệu PWM thu được từ một tín hiệu PWM hỗ trợ (Complementary PWM signal) . Khoảng thời gian nghỉ (Dead Time) có thể được lựa chọn để đưa vào trong quá trình đóng ngắt các khoá , khi cả hai tín hiệu có cùng trạng thái tích cực trong một
thời gian ngắn
Hình 2.8: Sơ đồ khối chế độ hoạt động hỗ trợ
Hình 2.9 : Ví dụ đầu ra PWM chế độ hoạt động hỗ trợ
15
#include "p33FJ12MC202.h"
#define T 499
_FOSCSEL(FNOSC_PRIPLL&IESO_OFF);
_FOSC(FCKSM_CSDCMD&OSCIOFNC_OFF&POSCMD_XT);
_FWDT(FWDTEN_OFF);
_FPOR(PWMPIN_ON&HPOL_ON&LPOL_ON);
int a=0,b=0;
int const SinValue[200] = {515, 530, 546, 562, 577, 592, 608, 623, 638, 653, 668, 683, 697, 711, 725, 739, 753, 766, 779, 792, 805, 817, 829, 840, 852, 863, 873, 883, 893, 903, 912, 920, 928, 936, 943, 950, 957, 963, 968, 973, 978, 982, 986, 989, 992, 994, 996, 997, 998, 998, 998, 997, 996, 994, 992, 989, 986, 982, 978, 974, 969, 963, 957, 951, 944, 937, 929, 921, 912, 903, 894, 884, 874, 863, 852, 841, 829, 818, 805, 793, 780, 767, 754, 740, 726, 712, 698, 683, 669, 654, 639, 624, 609, 593, 578, 562, 547, 531, 515, 500, 484, 468, 453, 437, 422, 406, 391, 376, 361, 346, 331, 316, 302, 287, 273, 259, 246, 232, 219, 206, 194, 182, 170, 158, 147, 136, 125, 115, 105, 96, 87, 78, 70, 62, 55, 48, 41, 35, 30, 25, 20, 16, 12, 9, 6, 4, 2, 1, 0, 0, 0, 1, 2, 4, 6, 9, 12, 15, 19, 24, 29, 35, 41, 47, 54, 61, 69, 77, 86, 95, 104, 114, 124, 134, 145, 156, 168, 180, 1 92, 205, 217, 230, 244, 257, 271, 285, 299, 314, 329, 343, 358, 373, 389, 404, 419, 435, 450, 466, 482, 497};
int main(void)
{
// Configure PLL prescaler, PLL postscaler, PLL divisor
PLLFBD = 38;
//M=40
CLKDIVbits.PLLPOST=0;
//N1=2
CLKDIVbits.PLLPRE=0;
//N2=2
//FOSC = FIN*(M/(N1*N2)) = 80MHz FCY = FOSC/2 = 40MHz
// Initiate Clock Switch to FRC oscillator with PLL (NOSC=0b001)
// Wait for Clock switch to occur
while (OSCCONbits.COSC != 0b011);
while (_LOCK !=1);//cho PLL bat dau khoa pha
TRISB=0X0000;
LATB=0X0000;
//Continuous up/down cout mode
P1TCONbits.PTMOD = 0b10;
//PWM time base input clock period is 4 TCY(1:4 prescale)
P1TCONbits.PTCKPS = 0b01;
//PWM Time Base Output Postscale 1:1
P1TCONbits.PTOPS = 0b0000;
//F1TPER = Fcy/(Fpwm * P1TMRPrescaler * 2) - 1
//499 = 40M/(Fpwm * 4 * 2) - 1
2.4 Code
16
//Fpwm = 10khz
P1TPER = T;
//Complementary PWM Output Mode
PWM1CON1bits.PMOD1=0;
PWM1CON1bits.PMOD2=0;
//Enable for PWM output
PWM1CON1bits.PEN2H=1;
PWM1CON1bits.PEN1H=1;
PWM1CON1bits.PEN2L=1;
PWM1CON1bits.PEN1L=1;
// Immediate update of PWM enabled
PWM1CON2bits.IUE=0;
//Update from duty cycle and period buffer registers are enabled
PWM2CON2bits.UDIS=0;
//Dead Time Unit A Prescale 1:1
P1DTCON1bits.DTAPS=0b00;
//Deadtime = 1us
P1DTCON1bits.DTA = 40;
P1DTCON2bits.DTS2A=0;
P1DTCON2bits.DTS1A=0;
P1DTCON2bits.DTS1I=1;
P1DTCON2bits.DTS2I=1;
P1OVDCONbits.POVD2H=1; P1OVDCONbits.POVD1H=1;
P1OVDCONbits.POVD2L=1; P1OVDCONbits.POVD1L=1;
// Initialize duty cycle values for PWM1 and PWM2 signals
P1DC1=0;
P1DC2=0;
// Clear PWM Interrupt Flag
_PWM1IF=0;
//Enable the PWM1 interrupt
_PWM1IE=1;
//Enabling PWM Pulse Generation
P1TCONbits.PTEN=1;
while(1);
}
void __attribute__((interrupt,auto_psv)) _MPWM1Interrupt(void)
{// Clear PWM Interrupt Flag
_PWM1IF=0; a++;
if(a==200) {a=0;}
P1DC1= (SinValue[a])*0.95;
b=a+100;
if(b>199) {b=(b-200);}
P1DC2 = (SinValue[b])*0.95; }
17
CHƯƠNG III: MẠCH LÁI
3.1 Sơ đồ mạch lái
Như chúng ta đã biết, việc cấp nguồn cho mạch kích khóa tầng dưới (low- side) như bình thường vì điểm 0V của nguồn trùng với cực S của MOSFET. Tuy
nhiên, vấn đề khó khăn hơn khi cấp nguồn mạch kích khóa tầng trên (high-side):
Điện áp cực gate phải cao điện áp nguồn từ 10 đến 15V. Vì ở tầng trên, điện áp này phải cao hơn điện áp vào +VDC (high voltage rail), là điện áp cao nhất trong hệ thống.
Điện áp cực gate phải điều khiển được từ khối logic, và thường được so sánh với đất. Vì vậy, tín hiệu điều khiển phải thay đổi theo cực S, điện áp này không cố định mà biến đổi liên tục từ +VDC đến –VDC.
Công suất tiêu thụ của bởi mạch lái không được ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất
của toàn bộ hệ thống.
Hình 3.1: Khóa MOSFET tầng trên
Giải quyết vấn đề này có 2 cách. Một là tạo nguồn riêng (cách ly) cho mạch
kích tầng trên; hai là sử dụng kỹ thuật bootstrap.
Ta lựa chọn phương án 2 sử dụng IC IR2110 của International Rectifier, là một trong những Driver dùng cho tầm công suất trung bình với nhiều chức năng:
Hoạt động tới tần số hàng trăm kHz Hoạt động với điện áp lên tới 500V
CMOS Schmitt-triggered inputs Có khả năng chịu điện áp ngược
with pull-down Điện áp lái cực gate từ 10 đến 20V
Cycle by cycle edge-triggered Khóa thấp áp cho cả hai kênh.
shutdown logic
Tạo trễ đồng thời cho cả hai kênh Tương thích với mức logic 3.3V. Nguồn áp cung cấp riêng từ 3.3V
Đầu ra cùng pha với đầu vào đến 20V
18
Hình 3.2: IR2110
3.2 Nguyên lý bootstrap
Hình 3.3: Sơ đồ mạch nguyên lý bootstrap
Điện áp cực G cho MOSFET tầng trên được cung cấp bởi tụ bootstrap. Tụ này được nạp bởi nguồn cấp 12V qua diode bootstrap trong thời gian mà thiết bị không
hoạt động (giả sử rằng điện áp VS hạ xuống đất trong thời gian đó, như trong phần lớn các thiết bị). Bởi tụ được nạp từ nguồn điện áp thấp nên điện năng tiêu thụ để lái cực gate là nhỏ. Nhờ vậy tín hiệu đầu vào cho kênh tầng trên có thể được thay đổi theo mức cổng COM cho đến bất kỳ khả năng nào (có thể cao đến 1200V).
Ta chọn tụ bootstrap 47uF và diode xung 1N4148. Sơ đồ lắp mạch:
Hình 3.4: Sơ đồ lắp mạch IR2110
19
CHƯƠNG IV: MẠCH ĐỘNG LỰC
Trong mạch nghịch lưu sử dụng nguyên lý PWM, tần số chuyển mạch cao gấp
nhiều lần tần số cơ bản. Chính vì vậy ta phải chọn các linh kiện bán dẫn làm khóa
chuyển mạch có tốc độ chuyển mạch khá lớn. Các loại linh kiện bán dẫn có thể đáp
ứng được yêu cầu ở tần số này là:
BJT - Bipolar Junction Transistor
MOSFET - Metal Oxide Semicoducter Field Effect Transistor
IGBT là sự kết hợp của BJT và MOSFET
Hình 4.1: BJT, MOSFET và IGBT
Để tiến hành lựa chọn được van bán dẫn thích hợp, ta tiến hành phân tích ưu
nhược điểm các van bán dẫn trên.
Những vấn đề cơ bản về BJT:
Có thể nói rằng BJT là một phần tử đóng cắt cổ điển nhất và được sử dụng đầu
tiên để cho mục đích đóng cắt sau nhiệm vụ khuyếch đại.
Dải công suất của BJT:
Ngày nay các BJT có thể có công suất khá lớn, các van BJT có thể có điện áp chịu đựng hàng chục kV và có dòng cho phép cỡ vài kA. Tần số chuyển mạch của BJT cho phép khá lớn, tần số cho phép vào khoảng 10kHz. Tần số này càng giảm khi công suất van tăng. Độ tuyến tính xung điện áp ra của BJT khá lớn, nguyên nhân chính do tụ kí sinh trên van nhỏ nên cho phép van chuyển mạch nhanh.
Nhược điểm chủ yếu của BJT là công suất mạch điều khiển. Các BJT công suất lớn thường có hệ số khuyếch đại nhỏ, cỡ trên dưới 10 lần. Điều này đồng nghĩa
với công suất mạch điều khiển bằng 1/10 công suất mạch động lực nếu ta sử dụng
khuyếch đại trực tiếp. Công suất mạch điều khiển có thể giảm được nếu ta sử dụng
mạch Dalington cho tầng khuyếch đại cuối cùng, tuy vậy sẽ gây ra một vấn đề đó là
trễ điều khiển khi chuyển mạch tần số lớn.
Tổn hao và làm mát BJT
Như đã phân tích, tổn hao trong BJT khá lớn do nó được điều khiển bằng dòng-áp. Do tổn hao khá lớn nên các mạch dùng BJT thường có công suất nhỏ, cỡ vài trăm oát. Việc sử dụng ở tần số cao hơn có thể làm được xong không kinh tế
trong điều khiển và làm mát van.
20
Những vấn đề cơ bản về MOSFET
Dải công suất của MOSFET
Công nghệ MOSFET ra đời đã cải tiến được những nhược điểm trong điều khiển BJT. Điểu khiển đóng mở MOSFET là điều khiển bằng điện áp đặt lên hai
cực, cực cổng (G - Gate) và cực nguồn (S - Source). Việc điều khiển bằng điện áp
đã làm giảm được kích thước vàt ổn hao trong mạch điều khiển và dẫn tới khả năng
tích hợp thành vi mạch.
Do sử dụng hiệu ứng trường nên MOSFET cho phép tần số chuyển mạch khá
lớn, có thể đến 100kHz. Độ tuyến tính của điện áp cao do tụ kí sinh trên van nhỏ.
Tuy vậy công suất của MOSFET không cao, khả năng làm việc ở điện áp cao không bằng được BJT. Các MOSFET công suất lớn thường có điện áp làm việc
dưới 1kV và dòng điện cỡ vài chục Ampe.
Tổn hao và làm mát MOSFET
MOSFET là van bán dẫn có tổn hao nhỏ nhất trong tất cả các van bán dẫn có thể sử dụng ở chế độ đóng cắt. Do sử dụng chuyển mạch bằng hiệu ứng trường nên quá trình chuyển mạch gây ra tổn hao nhỏ. Đi liền với đó là việc làm mát cho MOSFET tương đối đơn giản, có thể sử dụng hiệu suất dòng cao mà vẫn có thể đảm bảo điều kiện làm mát. Do vậy khi dải công suất cỡ vài trăm oat thì ta nên sử dụng MOSFET làm phần tử đóng cắt.
Những vấn đề cơ bản về IGBT
Dải công suất của IGBT
Dải công suất của IGBT có thể nói là lớn nhất trong các van sử dụng nguyên lý chuyển mạch bằng dòng xung điều khiển. Do không bị hạn chế về điều khiển nên có thể chế tạo IGBT với công suất khá lớn với giá thành không quá cao. Ngày nay IGBT có thể chế tạo điện điện áp cỡ 6kV và dòng điện cỡ 3kA, trong khi yêu cầu
điện áp mạch điều khiển chỉ khoảng 20V và không cần dòng điều khiển do điều
khiển IGBT là bằng điện áp như MOSFET. Tần số chuyển mạch của IGBT cũng khá lớn, thông thường các IGBT công suất có tần số làm việc khoảng 20kHz.
Tổn hao và làm mát cho IGBT
Trong quá trình vận hành IGBT có tổn hao thấp hơn BJT song lại cao hơn MOSFET. Do vậy quá trình làm mát của IGBT phải đặc biệt được chú ý khi dải
công suất tăng cao.
21
Các yêu cầu chính đặt ra cho linh kiện sử dụng trong bài :
Điện áp VDS (Mosfet) hay VCE ( IGBT) > VDC = 300V
Chịu được tần số đóng ngắt cao (10kHz)
Dòng điện qua linh kiện > dòng định mức của tải ≈3.3A điều kiện hoạt động.
Tổn hao nhỏ, làm mát đơn giản. IRFP460 được lựa chọn : thỏa mãn các yếu tố trên, có thể mua dễ dàng.
Hình 4.2: IRFP460
22
CHƯƠNG V: BỘ LỌC ĐẦU RA
5.1.Tổng quát về các bộ lọc
Yêu cầu chung khi tính toán các bộ lọc cần thỏa mãn các yêu cầu sau:
Hệ số méo nhỏ, tùy theo tải mà hệ số méo có thể yêu cầu khác nhau, thường
THD phải dưới 20%.
). Hệ số sóng hài thấp dưới 5% thì điện áp ra được coi là tốt (HFLOH
Công suất đặt thấp nhất có thể.
Tổn thất công suất của bộ lọc thấp nhất.
Đặc tính tần số dốc.
Tải công suất nên không thể sử dụng các phương pháp lọc tần số dùng khuếch
đại thuật toán OA. Với dòng tải lớn điện áp cao bộ lọc phải được thực hiện bằng các
phần tử thụ động L và C, điều này dẫn đến tổn thất công suất là không thể tránh
khỏi làm giảm hiệu suất hệ thống, mặt khác làm tăng đáng kể kích thước thiết bị.
Hơn nữa hiệu quả lọc của bộ lọc thụ động không cao
Bộ lọc thụ động chỉ có thể là các phần tử đấu nối tiếp hoặc song song với tải:
Phần tử mắc nối tiếp với tải hình thành một bộ chia áp theo tỉ lệ tương quan tổng trở giữa chúng, tổng trở nào lớn thì điện áp đặt lên nó cũng lớn, bởi vậy: o Với tần số sóng hài cơ bản mong muốn thì Znt<< Ztải và tốt nhất khi cộng hưởng tức Znt = 0, lúc đó toàn bộ sóng hài cơ bản được đưa ra tải mà không tổn hao trên lọc.
o Với các thành phần bậc cao mong muốn thì Znt<< Ztải để điện áp và các tần
số bậc cao rơi chủ yếu trên lọc.
Phần tử mắc song song với tải hình thành một bộ chia dòng theo tỉ lệ tương quan tổng trở giữa chúng, tổng trở nào lớn thì dòng chảy qua nó cũng lớn, vì vậy cần:
o Với tần số sóng hài cơ bản mong muốn thì Zss>> Ztải, và tốt nhất là Zss = ∞ (cộng hưởng tần số cơ bản), lúc đó toàn bộ dòng sóng hài cơ bản được đưa ra tải.
o Với tần số sóng hài bậc cao thì Zss<< Ztải, và lúc đó toàn bộ dòng sóng hài
bậc cao được rẽ nhánh vào lọc.
Về nguyên tắc lọc đơn giản nhưng mạch lọc hình thành phần tử LC nên có thể
gây dao động tần số này khó biết trước vì không cố định do có sự tham gia của các
thành phần LC có trong tải, dây dẫn, nguồn. Có ba mạch lọc thụ động thường dùng:
Bộ lọc hai mắt cộng hưởng nối tiếp cả hai bộ đều tham gia cộng hưởng ở tần số sóng hài cơ bản L1C1 công hưởng nối tiếp, L2C2 cộng hưởng song song. Nhược điểm là công suất đặt lớn.
23
Hình 5.1: Lọc 2 mắt cộng hưởng
Bộ lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp chỉ có mắt lọc nối tiếp L1C1 được tính toán để cộng hưởng tần số cơ bản còn tụ C2 dùng để rẽ nhánh dòng sóng hài cao tần.
Hình 5.2: bộ lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp
Bộ lọc LC đơn giản:
Hình 5.3:Bộ lọc LC đơn giản
5.2 Lựa chọn phương án lọc
Dùng phương pháp SPWM cho phép loại bỏ được nhiều các sóng hài bậc thấp vì sóng hài bậc thấp có bậc sát với tần số sóng mang , do đó càng tăng tần số sóng mang thì điện áp ra càng gần sin hơn. Nếu tải có điện cảm thì dòng tải đã rất gần
hình sin mặc dù không có bộ lọc, tuy nhiên biên độ của sóng hài có tần số bằng
chính sóng mang lại khá cao. Vì vây bộ lọc phải đạt được hai mục tiêu chính là:
Lọc lấy sóng hài cơ bản, song giá trị các phần tử không cần lớn do phương
pháp đã cho phép giảm hệ số méo đi nhiều.
Chặn sóng hài với tần số bằng sóng mang, đặc biệt với phụ tải như động cơ điện vì tần số sóng này thường khá cao dễ gây ra các xung áp lớn làm hỏng
thiết bị.
Vì vậy chọn bộ lọc thụ động LC.
24
5.3 Tính toán bộ lọc LC:
Hình 5.4: Bộ lọc LC
Với tham số tải Pt = 1000W, điện áp ra Ura = 300Vac, f = 50Hz
Thiết kế bộ lọc LC lọc sóng hài bậc 31 với tần số cắt f = 31 x 50 = 1550Hz
1 = = 1550 ↔ √ = 1, 03. 10 ↔ = 1,05. 10 2 √
Tính sụt áp cho phép trên điện cảm ở tần số cơ bản UL = 1%Ura = 0,01.300 =
3V. Chọn sụt áp bằng 1V
Dòng tải It = Pt/Ut = 1000/300 = 3, 33A
= = 0, 3Ω → = = ≈ 1,05 = = 1 3, 33 2 . 50 0, 3 2 . 50
Chọn L = 1,05mH, C=10µF
Thiết kế cuộn cảm có trị số 1mH với các thông số:
Vật liệu: MPP Powder Core
Độ thẩm từ: µm = 300
Mật độ từ thông: B = 0,7 tesla AL = 145 nH/N2
=> Số vòng dây:
= = = 85 ò 1.05 145
Chọn mật độ dòng J = 500A/cm2
→ = = = 6, 66. 10 3, 33 500
=> Chọn loại dây AWG19 có tiết diện 6, 531 cm2, đường kính 0,0948 cm.
Hình 5.5: Cuộn cảm lọc
25
CHƯƠNG VI: SƠ ĐỒ
MẠCH LÁI
6.1 Sơ đồ khối:
MẠCH ĐỘNG LỰC
BỘ LỌC ĐẦU RA
ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU
MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Hình 6.1: Sơ đồ khối
6.2 Sơ đồ mạch tạo nguồn
Hình 6.2: Mạch tạo nguồn
6.3 Sơ đồ khối điều khiển
Hình 6.3: Mạch điều khiển
26
6.4.Sơ đồ mạch lái mosfet
Hình 6.4: Mạch lái mosfet
6.5 Sơ đồ mạch động lực
Hình 6.5: Mạch động lực
27
CHƯƠNG VII: KẾT QUẢ
7.1 Mạch mô phỏng sử dụng Proteus :
Hình 7.1: Sơ đồ mô phỏng trong proteus
Kết quả mô phỏng:
Hình 7.2: Kết quả mô phỏng trong proteus
28
7.2 Tín hiệu điều khiển đo được
Hình 7.3: Tín hiệu điều khiển
29
7.3 Mạch thật
Hình 7.4: Mạch thật
30
Tài liệu tham khảo
[1] Phạm Quốc Hải. Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. Hà Nội. 2009
[2] Colonel Wm. T. McLyman. Transformer and Inductor Design Handbook.
Marcel Dekker, Inc. 2004
[3] dsPIC33FJ12MC201/202 Data Sheet High-Performance, 16-bit Digital Signal Controllers. Microchip Techology Inc. 2008
[4] MPLAB® C30 _ C Compiler User’s Guide. Microchip Techology Inc. 2007
[5] dsPIC33F Family Reference Manual. Microchip Techology Inc. 2006
[6] Application Note AN-978 HV Floating MOS-Gate Driver Ics. International Rectifier. 2007
[7] Data Sheet No. PD60147 rev.U IR2110(-1-2)(S)PbF/IR2113(-1-2)(S)PbF.
International Rectifier. 2005
Website tham khảo:
1. http://www.dientuvietnam.net/forums/forum.php
2. http://www.picvietnam.com/forum/
3. http://www.microchip.com/
4. http://www.irf.com/indexsw.html
31
