Báo cáo bài tập lớn môn Điện tử công suất - Nguyễn Văn Phú

GVHD: Huỳnh Văn Kiểm.
 Lớp: DD09KSTD.
Thành viên nhóm:
Nguyễn Văn Phú 	 40901978.
Phạm Hoàng Hải Quân 40902144.
Đỗ Hiếu Tâm 	 40902335.
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
Môn : Điện Tử Công Suất
	MỤC LỤC
PHẦN 1:
	Giới Thiệu.	Trang 3
PHẦN 2: 
	Các Khối Trong Mạch Và Chức Năng.	Trang 4 
PHẦN 3:	
Kết Quả Đáp Ứng Của Hệ Thống	Trang 9
PHẦN 4:
	Các Chú Ý Khi Thiết Kế Mạch	Trang 14
PHẦN 1: Giới Thiệu.
Mạch Cầu H là một mạch công suất có tác dụng đảo chiều dòng điện qua động cơ và giúp mạch điều khiển có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ.  Nhưng tại sao lại gọi là mạch cầu H, đơn giản là vì mạch này có hình chữ cái H, đây là 1 hình minh hoạ.
Hình 1. Mạch Cầu H.
Các khoá L1, L2, R1, R2 chúng ta có thể dung Role, BJT công suất, nhưng trong bài này ta chúng ta dùng MosFet. Cụ thể tôi dùng Mosfet kênh N - IRF540, Mosfet loại này chịu được dòng khá cao ( lên đến 30A danh nghĩa ), điện áp chịu đựng cao và tần số đóng ngắt khá cao.
PHẦN 2: CÁC KHỐI TRONG MẠCH VÀ CHỨC NĂNG
Khối Cách Ly:
Tại sao chúng ta lại cần tới mạch cách ly. Mạch cầu H này là phần công suất,giữa phần điều khiển và phần công suất người ta dùng opto để cách ly,giữa hai phần lúc này chỉ liên lạc với nhau bằng ánh sáng,tại sao phải dùng opto bởi vì khi chúng ta điều khiển động cơ phải liên tục thay đổi tốc độ, đảo chiều động cơ,hãm động cơ,khi đó cuộn dây động cơ sẽ sinh ra các suất điện động là các xung dirac,các xung này có biên độ rất lớn,các xung này sẽ đánh lên mạch điều khiển theo đường nguồn hay max,kết quả là vi điều khiển sẽ hay bị treo,hoặc có thể ra đi mãi mãi.
Vì lý do đó trong mạch này chúng ta dùng tới Opto cách ly và vì mạch chúng ta dùng tới 2 xung PWM nên ta dùng con Opto Dual Channel ( hình 2).
Hình 2: Cấu tạo bên trong của Opto HCPL 2631.
Cấu tạo của nó gồm một led và một con transitor quang. Khi có tín hiệu mức 1 cấp vào opto làm con led phát quang => con transistor dẫn và đưa mức 0 ra output. Khi có xung từ công suất dội về tới transistor của opto thì không qua được, không làm ảnh hưởng tới vi điều khiển. 
Mạch cụ thể ( hình 3).
Hình 3: Mạch cách ly.
Vì ngỏ ra của Opto là dạng cực thu để hở nên ta phải dùng thêm 2 điện trở R14 và R15 làm điện trở kéo lên. Kết hợp giữa mạch trên (hình 3) và cấu tạo bên trong của Opto (Hình 2) ta có thể thấy khi Q3 hoặc Q4 được kích đẫn thì ngỏ vào của Opto bằng 0 và do đó led trong con Opto không được kích => Ouput là 1. Vậy là tín hiệu đưa vào mạch và tín hiệu ra ngỏ ra của chúng ta không bị đảo.
Khối tạo Dead Time và làm phẳng xung tín hiệu ( trigger ).
Khi kích Mosfet chúng ta cần chú ý rằng thời gian nó chuyển từ on -> off dài hơn là chuyển trạng thái từ off - > on do vậy nếu ta không để ý khi kích sẽ xuất hiện hiện tượng trùng dẫn ( tức là cả con trên và con dưới đều dẫn do con này chưa tắt mà con kia đã được kích làm ngắn mạch gây xuất hiện dòng lớn gây hư hỏng linh kiện). Chi tiết ta có thể xem hình 4, hình 5.
Hình 4. Thời gian chuyển trạng thái.
Hình 5: Dạng Xung Khi Đóng Ngắt MosFet.
Để tránh trường hợp này ta phải thêm vào mạch của chúng ta 1 khối tạo Dead Time ( có thể hiểu đơn giản là làm tăng thời gian chuyển từ off -> on của Mosfet). 
Hình 6: Mạch tạo Dead Time và Trigger.
Trong mạch này ta dùng Diode xung để khi nạp tụ thì nhanh cụ thể khi đầu + của diode là 5v thì dòng sẽ đi qua diode để nạp cho tụ ( ko qua điện trở) nhưng khi đầu + của diode là 0v thì tụ xả qua trở tạo thời gian trể. Thời gian trể ở đây ta nên tính toán để không quá lớn vì có thể làm ảnh hưởng tới tần số đáp ứng của mạch. Đồng thời trên mạch ta dùng các con 74HC14 là các cổng not có phần smith trigger để làm vuông tín hiệu của chúng ta ( tín hiệu sau phần này sẽ được đưa vào phần mạch cầu H).
Mạch cầu H và mạch kích.
Mạch cầu H này chúng tôi thiết kế dùng cả 4 con Mosfet kênh N để có thể chịu được dòng và áp cao ( cao hơn là dùng 2 kênh N và 2 kênh P), nhưng vì vậy thì phần kích cho 2 con Mosfet ở phía trên khá phức tạp chúng ta phải dùng kỹ thuật boottrap để kích cho 2 con phía trên này.
Hình 7. Mạch Cầu H và mạch kích.
Boottrap là gì và tại sao chúng ta lại phải dùng tới chúng?... Muốn kích Mosfet thì Vgs >0 ( nhưng thực tế là chúng ta phải kích lên tới 12v-15v thì mới đáp ứng nhanh được). Đối với 2 con Q2 và Q4 thì việc kích chúng là quá đơn giản vì chân S của chúng được nối xuống GND, còn đối với 2 con ở trên thì áp chân S của chúng không ổn định. Ví dụ với con Q1, nếu con Q2 đẫn thì Vs1=0 còn nếu con Q1 dẫn và còn Q2 tắt thì Vs1=24v.. vì vậy muốn kích ta phải có nguồn độc lập kích cho chân G và chân S vậy 4 con là 3 nguồn như vậy là quá rườm rà và quá phức tạp. Kỹ thuật boottrap giúp cho chúng ta chỉ sữ dụng 1 nguồn để kích cho 4 Mosfet. Trên mạch trên tụ C1 và C9 là 2 tụ boottrap làm nhiệm vụ là nguồn kích cho 2 con Mosfet Q1 và Q3, khi Q2 (Q4) dẫn thì tụ C1 (C9) sẽ được nạp khi Q2 ( Q4) tắt thì tụ này nối vào chân S và chân G của Mosfet và làm nguồn kích. 
Và trong mạch này ta kết hợp thêm 1 con IC chuyên kích Fet đó là IR2110. Mạch này thích hợp với điện áp cao, mạch điều chế công suất, mạch băm xung
Ưu điểm khi dùng IR2110 là: 
- Trể sườn xung thấp nên có thể điều chế công suất với tần số cao cỡ vài trăm KHz.
- Công suất tiêu thụ nhỏ.
- Kích dòng lớn (1A).
Nhược điểm :
Không có cách ly.
Không điều chế được 100% vì phải có 1 khoảng thời gian kích Q2 (Q4) để nạp tụ boottrap.
Khi sữ dụng ta chỉ cần 1 xung PWM, xung còn lại cho bằng 0. Ví dụ khi dùng PWMA thì cho PWMB =0% khi đó con Q3 luôn tắt còn Q4 luôn dẫn và ta chỉ cần điều chế xung kích con Q1 và Q2 là được, chú ý là khi đó con Q4 sẽ nóng do phải chịu dòng liên tục. Muốn đảo chiều động cơ thì tắt xung PWMA và kích PWMB.
 	Khi kích Fet ta cần chú ý là trong thời gian quá độ Fet cần 1 dòng kích lớn để giảm thời gian quá độ. Vì vậy ta thêm điện trở Rg (10 ohm) để kéo dòng kích lên, và có thêm 1 diode xả để giúp tụ Cgs xả nhanh khi Fet được ngắt.
	Các Diode D5 và D11 là diode tránh tụ boottrap xả ngược lên nguồn và chúng phải có đáp ứng kịp thời với xung kích ( chú ý tới Reverse Recovery Time của chúng) ở đây chúng tôi dùng diode xung FR107 chịu được dòng 1A thời gian phục hồi tối đa là 500ns. 
PHẦN 3: KẾT QUẢ ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG
	Trong phần này chúng tôi sẽ đưa ra các kết quả mà chúng tôi đo đạc được trên chính mạch mà chúng tôi đã thiết kế.
Tín hiệu vào 5Khz và duty cycle 90%. (Hình 8)
Hình 8. Tín hiệu vào chưa qua trigger.
	Có thể thấy đây là tín hiệu vào chưa được trigger nên vẫn còn các xung gai.
Còn đây là tín hiệu inverter của tín hiệu trên và đã được qua trigger, chúng ta thấy các xung gai đã được giảm bớt. 
Hình 9. Tín hiệu đảo đã qua trigger.
Dạng điện áp ra trên Động Cơ. ( Hình 10).
Hình 10. Dạng áp ra trên động cơ.
Chúng ta có thể thấy có xuất hiện gai điện áp trên động cơ khi động cơ chuyển trạng thái on-off nhưng khá bé, có thể bỏ qua.
Tiếp theo là tín hiệu ở 200Hz duty cycle là 50% đã qua trigger (hình 11).
Hình 11. Tín hiệu 200Hz đã qua trigger.
Dạng điện áp ngỏ ra trên động cơ.
Hình 12. Dạng áp ngỏ ra ở 200Hz và duty cycle 50%.
Đáp ứng khá tốt. 
PHẦN 4: CÁC CHÚ Ý KHI LÀM MẠCH NÀY.
Khi chọn Fet nên chú ý tới các thông số Ids, Vds và nhất là Rds. Rds lớn sẽ gây sụt áp và mất công suất, làm Fet nóng. Nếu Rds nhỏ thì dạng xung đo được trên 2 đầu động cơ sẽ không thay đổi nhiều so với dạng xung chúng ta đưa vào.
Trong phần tạo DeadTime bình thường chúng ta có thể tạo trể 1us là tốt rồi nhưng nếu Fet không biết rõ nguồn gốc thì nên tạo 5us là tốt.
Kỹ thuật boottrap có nhược điểm là không thể kích 100% vì chúng ta phải đẫn Q2 (Q4) để nạp cho tụ boot C1(C9).
Các tụ kí sinh Cgs và Cgd xuất hiện ở tầng số cao cũng có thể gây ảnh hưởng đến dạng tín hiệu: làm tín hiệu bị trễ và không vuông vì phải mất thời gian nạp cho tụ này.