Cùng một MOSFET công suất cao, việc sử dụng các mạch điều khiển khác nhau sẽ có đặc tính chuyển mạch khác nhau. Việc sử dụng hiệu suất tốt của mạch truyền động có thể làm cho thiết bị chuyển mạch nguồn hoạt động ở trạng thái chuyển mạch tương đối lý tưởng, đồng thời rút ngắn thời gian chuyển mạch, giảm tổn thất chuyển mạch, việc lắp đặt hiệu quả vận hành, độ tin cậy và an toàn có ý nghĩa rất lớn. Vì vậy, ưu điểm và nhược điểm của mạch truyền động ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của mạch chính, việc hợp lý hóa thiết kế mạch truyền động ngày càng quan trọng. Thyristor kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, hiệu suất cao, tuổi thọ cao, dễ sử dụng, có thể dễ dàng dừng bộ chỉnh lưu và biến tần và không thể thay đổi cấu trúc mạch dưới tiền đề thay đổi kích thước của bộ chỉnh lưu hoặc dòng biến tần.IGBT là một hỗn hợp thiết bị củaMOSFETvà GTR, có đặc điểm là tốc độ chuyển mạch nhanh, ổn định nhiệt tốt, công suất truyền động nhỏ và mạch truyền động đơn giản, đồng thời có ưu điểm là giảm điện áp ở trạng thái nhỏ, điện áp chịu được cao và dòng điện chấp nhận cao. IGBT với tư cách là thiết bị đầu ra nguồn điện chủ đạo, đặc biệt ở những nơi có nguồn điện cao, đã được sử dụng phổ biến trong nhiều hạng mục khác nhau.
Mạch điều khiển lý tưởng cho các thiết bị chuyển mạch MOSFET công suất cao phải đáp ứng các yêu cầu sau:
(1) Khi bật ống chuyển nguồn, mạch điều khiển có thể cung cấp dòng điện cơ bản tăng nhanh, để có đủ công suất điều khiển khi bật, do đó giảm tổn thất khi bật.
(2) Trong quá trình dẫn truyền ống chuyển mạch, dòng điện cơ bản do mạch điều khiển MOSFET cung cấp có thể đảm bảo rằng ống nguồn ở trạng thái dẫn bão hòa trong bất kỳ điều kiện tải nào, đảm bảo tổn thất dẫn tương đối thấp. Để giảm thời gian lưu trữ, thiết bị phải ở trạng thái bão hòa tới hạn trước khi tắt máy.
(3) tắt máy, mạch điều khiển phải cung cấp đủ cơ sở điều khiển ngược để nhanh chóng rút ra các sóng mang còn lại trong vùng cơ sở để giảm thời gian lưu trữ; và thêm điện áp cắt phân cực ngược, để dòng thu giảm nhanh để giảm thời gian hạ cánh. Tất nhiên, việc tắt thyristor vẫn chủ yếu là do giảm điện áp cực dương ngược để tắt hoàn toàn.
Hiện tại, bộ điều khiển thyristor có số lượng tương đương chỉ thông qua máy biến áp hoặc bộ ghép quang để tách đầu điện áp thấp và đầu điện áp cao, sau đó thông qua mạch chuyển đổi để điều khiển dẫn truyền thyristor. IGBT hiện đang sử dụng nhiều mô-đun ổ đĩa IGBT hơn, nhưng cũng tích hợp IGBT, hệ thống tự bảo trì, tự chẩn đoán và các mô-đun chức năng khác của IPM.
Trong bài báo này, đối với thyristor chúng tôi sử dụng, thiết kế mạch điều khiển thử nghiệm và dừng thử nghiệm thực tế để chứng minh mạch điều khiển có thể điều khiển thyristor. Đối với ổ IGBT, bài viết này chủ yếu giới thiệu các loại ổ IGBT chính hiện nay, cũng như mạch truyền động tương ứng của chúng và ổ cách ly bộ ghép quang được sử dụng phổ biến nhất để dừng thử nghiệm mô phỏng.
2. Nghiên cứu mạch điều khiển thyristor nói chung các điều kiện hoạt động của thyristor là:
(1) thyristor chấp nhận điện áp cực dương ngược, bất kể cổng chấp nhận loại điện áp nào, thyristor ở trạng thái tắt.
(2) Thyristor nhận điện áp anode thuận, chỉ trong trường hợp cổng nhận điện áp dương thì thyristor mới bật.
(3) Thyristor ở trạng thái dẫn điện, chỉ có một điện áp cực dương nhất định, bất kể điện áp cổng, thyristor nhất quyết dẫn điện, nghĩa là sau khi dẫn thyristor, cổng bị mất. (4) Thyristor ở trạng thái dẫn điện, khi điện áp (hoặc dòng điện) mạch chính giảm xuống gần bằng 0 thì thyristor sẽ tắt. Chúng tôi chọn thyristor là TYN1025, điện áp chịu được của nó là 600V đến 1000V, dòng điện lên tới 25A. nó yêu cầu điện áp ổ đĩa cổng là 10V đến 20V, dòng điện ổ đĩa là 4mA đến 40mA. và dòng điện duy trì của nó là 50mA, dòng điện động cơ là 90mA. biên độ tín hiệu kích hoạt DSP hoặc CPLD miễn là 5V. Trước hết, miễn là biên độ 5V thành 24V, sau đó thông qua biến áp cách ly 2: 1 để chuyển đổi tín hiệu kích hoạt 24V thành tín hiệu kích hoạt 12V, đồng thời hoàn thành chức năng cách ly điện áp trên và dưới.
Thiết kế và phân tích mạch thí nghiệm
Trước hết là mạch tăng áp do mạch biến áp cách ly ở tầng sau củaMOSFETThiết bị cần tín hiệu kích hoạt 15V, do đó, trước tiên cần chuyển tín hiệu kích hoạt biên độ 5V thành tín hiệu kích hoạt 15V, thông qua tín hiệu MC14504 5V, chuyển đổi thành tín hiệu 15V, sau đó qua CD4050 trên đầu ra của tín hiệu điều khiển 15V, kênh 2 được kết nối với tín hiệu đầu vào 5V, kênh 1 được kết nối với đầu ra Kênh 2 được kết nối với tín hiệu đầu vào 5V, kênh 1 được kết nối với đầu ra của tín hiệu kích hoạt 15V.
Phần thứ hai là mạch biến áp cách ly, chức năng chính của mạch là: tín hiệu kích hoạt 15V, chuyển thành tín hiệu kích hoạt 12V để kích hoạt mặt sau dẫn truyền thyristor, đồng thời làm tín hiệu kích hoạt 15V và khoảng cách giữa mặt sau sân khấu.
Nguyên lý hoạt động của mạch là: nhờMOSFETĐiện áp điều khiển IRF640 là 15V, do đó, trước hết, ở J1 truy cập vào tín hiệu sóng vuông 15V, thông qua điện trở R4 nối với bộ điều chỉnh 1N4746, để điện áp kích hoạt ổn định, nhưng cũng để làm cho điện áp kích hoạt không quá cao , đốt MOSFET, sau đó đến MOSFET IRF640 (thực chất đây là ống chuyển mạch, điều khiển đầu sau đóng mở. Điều khiển đầu sau bật tắt), sau khi điều khiển chu kỳ làm việc của tín hiệu điều khiển, để có thể điều khiển thời gian bật và tắt của MOSFET. Khi MOSFET mở tương đương với cực D của nó nối đất, khi mở thì mạch back-end tương đương với 24 V. Và máy biến áp thông qua việc thay đổi điện áp để tạo ra đầu bên phải của tín hiệu đầu ra 12 V. . Đầu bên phải của máy biến áp được nối với cầu chỉnh lưu, sau đó tín hiệu 12V được xuất ra từ đầu nối X1.
Các vấn đề gặp phải trong quá trình thử nghiệm
Đầu tiên, khi bật nguồn, cầu chì đột ngột nổ, sau này khi kiểm tra mạch điện thì phát hiện thiết kế mạch ban đầu có vấn đề. Ban đầu, để phát huy tác dụng tốt hơn của đầu ra ống chuyển mạch, việc tách mặt đất 24V và 15V, làm cho cực G của cổng MOSFET tương đương với mặt sau của cực S bị treo, dẫn đến kích hoạt sai. Cách xử lý là nối đất 24V và 15V với nhau, dừng thí nghiệm lại thì mạch hoạt động bình thường. Kết nối mạch là bình thường, nhưng khi tham gia vào tín hiệu ổ đĩa, MOSFET nóng, cộng với tín hiệu ổ đĩa trong một khoảng thời gian, cầu chì bị nổ, sau đó thêm tín hiệu ổ đĩa, cầu chì bị đứt trực tiếp. Kiểm tra mạch thấy rằng chu kỳ hoạt động ở mức cao của tín hiệu ổ đĩa quá lớn, dẫn đến thời gian bật MOSFET quá dài. Thiết kế của mạch này giúp khi MOSFET mở, 24V được bổ sung trực tiếp vào các đầu của MOSFET và không thêm điện trở giới hạn dòng điện, nếu thời gian bật quá lâu khiến dòng điện quá lớn, MOSFET sẽ bị hỏng, nhu cầu điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ của tín hiệu không thể quá lớn, thường ở mức 10% đến 20% hoặc hơn.
2.3 Kiểm tra mạch truyền động
Để kiểm chứng tính khả thi của mạch điều khiển, chúng tôi dùng nó điều khiển các mạch thyristor nối tiếp với nhau, các thyristor nối tiếp với nhau rồi phản song song, đưa vào mạch có điện kháng cảm ứng, cấp nguồn là nguồn điện áp xoay chiều 380V.
MOSFET trong mạch này, thyristor Q2, Q8 kích hoạt tín hiệu thông qua truy cập G11 và G12, trong khi Q5, Q11 kích hoạt tín hiệu thông qua truy cập G21, G22. Trước khi nhận tín hiệu điều khiển đến mức cổng thyristor, để nâng cao khả năng chống nhiễu của thyristor, cổng của thyristor được nối với một điện trở và tụ điện. Mạch này được nối với cuộn cảm rồi đưa vào mạch chính. Sau khi điều khiển góc dẫn của thyristor để điều khiển cuộn cảm lớn vào thời gian mạch chính, mạch trên và mạch dưới của góc pha của tín hiệu kích hoạt chênh lệch nửa chu kỳ, G11 và G12 trên là tín hiệu kích hoạt hoàn toàn thông qua mạch điều khiển tầng trước của máy biến áp cách ly được cách ly với nhau, G21 và G22 phía dưới cũng được cách ly tương tự với tín hiệu. Hai tín hiệu kích hoạt kích hoạt sự dẫn điện dương và âm của mạch thyristor chống song song, phía trên kênh 1 được kết nối với toàn bộ điện áp mạch thyristor, trong sự dẫn truyền của thyristor nó trở thành 0 và kênh 2, 3 được kết nối với mạch lên xuống của thyristor tín hiệu kích hoạt trên đường, 4 kênh được đo bằng dòng điện của toàn bộ dòng thyristor.
2 kênh đo tín hiệu kích hoạt dương, kích hoạt phía trên dẫn thyristor, dòng điện dương; 3 kênh đo tín hiệu kích hoạt ngược, kích hoạt mạch dưới của dẫn thyristor, dòng điện âm.
3.Mạch điều khiển IGBT của hội thảo Mạch điều khiển IGBT có nhiều yêu cầu đặc biệt, tóm tắt như sau:
(1) điều khiển tốc độ tăng giảm của xung điện áp phải đủ lớn. igbt được bật, cạnh đầu của điện áp cổng dốc được thêm vào cổng G và bộ phát E giữa cổng, để nó được bật nhanh chóng để đạt thời gian bật ngắn nhất nhằm giảm tổn thất khi bật. Khi tắt IGBT, mạch truyền động cổng phải cung cấp cho cạnh hạ cánh IGBT có điện áp tắt rất dốc và đến cổng IGBT G và bộ phát E giữa điện áp phân cực ngược thích hợp, để IGBT tắt nhanh, rút ngắn thời gian tắt máy, giảm sự mất mát tắt máy.
(2) Sau khi dẫn IGBT, điện áp và dòng điện do mạch điều khiển cổng cung cấp phải có biên độ đủ cho điện áp và dòng điện của ổ IGBT, để công suất đầu ra của IGBT luôn ở trạng thái bão hòa. Quá tải tạm thời, công suất truyền động do mạch truyền động cổng cung cấp phải đủ để đảm bảo IGBT không thoát ra khỏi vùng bão hòa và bị hỏng.
(3) Mạch điều khiển cổng IGBT cần cung cấp điện áp điều khiển dương IGBT để lấy giá trị phù hợp, đặc biệt trong quá trình vận hành ngắn mạch của thiết bị sử dụng trong IGBT, nên chọn điện áp điều khiển dương ở giá trị tối thiểu yêu cầu. Ứng dụng chuyển mạch của điện áp cổng của IGBT nên ở mức 10V ~ 15V là tốt nhất.
(4) Quá trình tắt IGBT, điện áp phân cực âm đặt vào giữa cổng - bộ phát có lợi cho việc tắt IGBT nhanh chóng, nhưng không nên lấy quá lớn, thông thường lấy -2V đến -10V.
(5) trong trường hợp tải cảm ứng lớn, chuyển đổi quá nhanh có hại, tải cảm ứng lớn trong IGBT bật và tắt nhanh, sẽ tạo ra tần số cao và biên độ cao và chiều rộng hẹp của điện áp tăng đột biến Ldi / dt , gai không dễ hấp thụ, dễ hình thành hư hỏng thiết bị.
(6) Vì IGBT được sử dụng ở những nơi có điện áp cao, nên mạch điều khiển phải có khả năng cách ly nghiêm trọng với toàn bộ mạch điều khiển, việc sử dụng thông thường là cách ly khớp nối quang tốc độ cao hoặc cách ly khớp nối máy biến áp.
Trạng thái mạch điều khiển
Với sự phát triển của công nghệ tích hợp, mạch điều khiển cổng IGBT hiện nay hầu hết được điều khiển bằng chip tích hợp. Chế độ điều khiển vẫn chủ yếu có ba loại:
(1) loại kích hoạt trực tiếp không cách ly điện giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra.
(2) Ổ đĩa cách ly máy biến áp giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra bằng cách sử dụng máy biến áp xung cách ly, mức điện áp cách ly lên tới 4000V.
Có 3 cách tiếp cận như sau
Cách tiếp cận thụ động: đầu ra của máy biến áp thứ cấp được sử dụng để điều khiển trực tiếp IGBT, do hạn chế của việc cân bằng vôn-giây nên chỉ áp dụng ở những nơi mà chu kỳ làm việc không thay đổi nhiều.
Phương pháp hoạt động: máy biến áp chỉ cung cấp tín hiệu cách ly, trong mạch khuếch đại nhựa thứ cấp để điều khiển IGBT, dạng sóng điều khiển tốt hơn nhưng cần cung cấp nguồn phụ riêng.
Phương pháp tự cung cấp: biến áp xung được sử dụng để truyền cả năng lượng truyền động và công nghệ điều chế, giải điều chế tần số cao để truyền tín hiệu logic, được chia thành phương pháp tự cung cấp kiểu điều chế và công nghệ tự chia sẻ thời gian, trong đó phương pháp điều chế -loại nguồn điện tự cung cấp cho cầu chỉnh lưu để tạo ra nguồn điện cần thiết, công nghệ điều chế và giải điều chế tần số cao để truyền tín hiệu logic.
3. Tiếp xúc và sự khác biệt giữa thyristor và biến tần IGBT
Mạch điều khiển Thyristor và IGBT có sự khác biệt giữa tâm giống nhau. Trước hết, hai mạch điều khiển phải cách ly thiết bị chuyển mạch và mạch điều khiển với nhau, để tránh mạch điện áp cao ảnh hưởng đến mạch điều khiển. Sau đó, cả hai đều được đưa vào tín hiệu truyền động cổng để kích hoạt thiết bị chuyển mạch. Sự khác biệt là điều khiển thyristor yêu cầu tín hiệu dòng điện, trong khi IGBT yêu cầu tín hiệu điện áp. Sau khi thiết bị chuyển mạch dẫn điện, cổng thyristor đã mất quyền kiểm soát việc sử dụng thyristor, nếu muốn tắt thyristor thì phải thêm các cực thyristor vào điện áp ngược; và tắt IGBT chỉ cần thêm vào cổng điện áp điều khiển âm để tắt IGBT.
4. Kết luận
Bài viết này chủ yếu được chia thành hai phần tường thuật, phần đầu tiên là yêu cầu dừng tường thuật của mạch điều khiển thyristor, thiết kế mạch điều khiển tương ứng và thiết kế mạch được áp dụng cho mạch thyristor thực tế, thông qua mô phỏng. và thử nghiệm để chứng minh tính khả thi của mạch truyền động, quá trình thử nghiệm gặp phải trong quá trình phân tích các vấn đề đã dừng và xử lý. Phần thứ hai của cuộc thảo luận chính về IGBT theo yêu cầu của mạch điều khiển và trên cơ sở đó sẽ giới thiệu thêm về mạch điều khiển IGBT thường được sử dụng hiện tại và mạch điều khiển cách ly bộ ghép quang chính để dừng mô phỏng và thử nghiệm, để chứng minh tính khả thi của mạch điều khiển.
Thời gian đăng: 15-04-2024
