Bài tập lớn Điện tử công suất: Mạch Driver Snubber MOSFET và Thyristor ĐHBK Hà Nội

Tổng hợp hướng dẫn làm bài tập lớn điện tử công suất nhóm 2 chi tiết. Phân tích nguyên lý hoạt động, tính toán thiết kế và mô phỏng mạch điện hiệu quả.

• Người hướng dẫn: TS. Vũ Hoàng Phương
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện tử công suất
• Đề tài: Thiết kế mạch Driver, Snubber MOSFET và Chỉnh lưu Thyristor
• Loại tài liệu: Bài tập
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan mạch Driver Snubber MOSFET và chỉnh lưu Thyristor

Thiết kế mạch Driver và Snubber cho MOSFET kết hợp với bộ chỉnh lưu Thyristor là nền tảng cốt lõi trong kỹ thuật điện tử công suất hiện đại. Mạch Driver đảm bảo khả năng đóng cắt tối ưu của van bán dẫn thông qua việc kiểm soát điện áp cực cổng Vgs và dòng nạp cực đại Ion. Mạch dập xung Snubber RCD có nhiệm vụ hấp thụ các đỉnh xung quá áp Vds sinh ra do điện cảm ký sinh trong quá trình ngắt mạch. Song song với đó, cấu trúc chỉnh lưu Thyristor 1 pha và 3 pha cung cấp giải pháp biến đổi năng lượng AC-DC linh hoạt với khả năng điều khiển góc mở alpha chính xác. Hệ thống này có thể vận hành ở cả chế độ chỉnh lưu lẫn chế độ nghịch lưu phụ thuộc khi có nguồn sức điện động một chiều Ed. Sự phối hợp đồng bộ giữa khối kích mở bán dẫn chủ động và khối bảo vệ dập xung giúp nâng cao hiệu suất biến đổi, giảm thiểu tổn hao công suất đóng cắt và bảo vệ an toàn cho thiết bị trong các ứng dụng công nghiệp nặng.

1.1. Vai trò của mạch Driver và Snubber trong điều khiển MOSFET

Mạch Driver cung cấp dòng điện nạp xả cực cổng Ion và Ioff đủ lớn để đóng cắt nhanh tụ ký sinh Ciss và Crss của MOSFET STW56N60M2. Việc này giúp rút ngắn thời gian chuyển mạch tr và tf, giảm trực tiếp tổn hao đóng cắt Psw. Mạch Snubber RCD mắc song song cực máng - cực nguồn D-S có nhiệm vụ hấp thụ năng lượng tích lũy trong điện cảm tản khi van khóa đột ngột. Quá trình này triệt tiêu gai áp Vds, truyền năng lượng phát nhiệt ra điện trở ngoài và giữ điểm làm việc của van luôn nằm trong vùng an toàn SOA.

1.2. Đặc tính chuyển đổi năng lượng của bộ chỉnh lưu Thyristor

Bộ chỉnh lưu Thyristor cho phép điều chỉnh liên tục điện áp một chiều ngõ ra Ud thông qua góc kích mở alpha. Khi góc alpha nhỏ hơn 90 độ, mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu và cấp năng lượng cho tải Rd-La. Khi góc alpha lớn hơn 90 độ cùng với sự xuất hiện của nguồn âm Ed, mạch chuyển sang chế độ nghịch lưu phụ thuộc để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều. Phương pháp điều khiển phát xung chùm đảm bảo kích mở dứt khoát và duy trì trạng thái dẫn ổn định cho Thyristor.

II. Phân tích quá độ MOSFET và hiện tượng trùng dẫn chỉnh lưu Thyristor

Quá trình chuyển mạch của MOSFET công suất chịu ảnh hưởng trực tiếp từ các điện dung ký sinh nội tại như CGD và CGS. Khi van khóa ở tốc độ cao, tốc độ biến thiên dòng điện di/dt lớn kết hợp với điện cảm tản của đường mạch tạo ra các xung quá áp Vds nghiêm trọng lên đến hàng trăm volt. Hiện tượng này dễ gây đánh thủng tiếp giáp bán dẫn và sinh ra dòng điện ngược qua van. Trong khi đó, mạch chỉnh lưu Thyristor phải đối mặt với ảnh hưởng của điện cảm nguồn xoay chiều La. Do dòng điện qua điện cảm không thể biến thiên đột ngột, quá trình chuyển mạch giữa hai van diễn ra trong một khoảng thời gian nhất định gọi là hiện tượng trùng dẫn. Góc trùng dẫn gamma làm sụt giảm điện áp một chiều trung bình Ud và gây méo dạng sóng dòng điện đầu vào máy biến áp. Sự méo dạng này làm phát sinh các thành phần sóng hài bậc cao, làm giảm hệ số công suất và gây tổn hao phụ trên toàn bộ hệ thống cấp điện.

2.1. Quá điện áp chuyển mạch và tổn hao đóng cắt trên van MOSFET

Trong quá trình ngắt van STW56N60M2 không có mạch bảo vệ, điện áp đỉnh Vds có thể vọt lên tới 645V do năng lượng điện cảm tản giải phóng tức thời. Đồng thời, dòng điện ngược qua van có thể đạt đỉnh 5A trước khi tắt hẳn. Sự chồng lấn giữa điện áp cao và dòng điện dư trong khoảng thời gian toff kéo dài làm tăng vọt tổn hao công suất chuyển mạch Psw. Lượng nhiệt sinh ra cục bộ đe dọa phá hủy cấu trúc tinh thể bán dẫn nếu không được kiểm soát kịp thời.

2.2. Ảnh hưởng của điện cảm nguồn và hiện tượng trùng dẫn Thyristor

Điện cảm nguồn La tạo ra hiện tượng trùng dẫn khiến hai Thyristor cùng dẫn đồng thời trong một khoảng góc dẫn gamma. Quá trình này làm giảm điện áp trung bình ngõ ra một lượng tỷ lệ thuận với dòng tải Id và điện kháng chuyển mạch Xa. Thêm vào đó, dòng điện sơ cấp máy biến áp bị méo dạng nghiêm trọng khỏi sóng sin chuẩn. Phổ Fourier cho thấy sự xuất hiện rõ rệt của các sóng hài bậc 3, 5, 7 làm suy giảm chất lượng điện năng.

III. Phương pháp tính toán mạch Driver Snubber và kích mở Thyristor

Thiết kế mạch Driver cho MOSFET STW56N60M2 bắt đầu bằng việc chọn điện áp điều khiển Vgs trong dải 0 đến 10V tương ứng với điện tích cổng Qg bằng 90nC. Dựa trên thời gian tr 75ns và tf 60ns, dòng điện đỉnh nạp xả cực G được xác định với Ion bằng 1.2A và Ioff bằng 1.5A. Điện trở cổng ngoài Rg_on và Rg_off được tính toán phối hợp với điện trở nội Rg_int bằng 4.3 Ohm để tối ưu hóa tổn hao đóng cắt. Đối với mạch Snubber RCD, giá trị tụ điện C và điện trở R được xác định chính xác từ dòng Id 10A, điện áp Vds 200V, thời gian khóa Ts 400ns và thời gian mở Ton 100ns, cho ra giá trị C bằng 10nF và R bằng 10 Ohm. Đối với mạch chỉnh lưu Thyristor, điện áp điều khiển Udk được tính toán đồng bộ theo góc mở alpha. Khi chuyển sang chế độ nghịch lưu phụ thuộc với alpha bằng 120 độ và Ed bằng -100V, việc áp dụng công thức giải tích cho phép xác định chính xác điểm làm việc Ud âm 56.09V và dòng Id 4.39A.

3.1. Kỹ thuật tính chọn linh kiện Driver và Snubber RCD cho MOSFET

Mạch Driver sử dụng cấu hình điện trở đóng cắt on-off độc lập nhằm khống chế chính xác tốc độ nạp xả cổng cực G. Công suất tiêu tán trên điện trở cổng Rg được tính toán theo tần số đóng cắt fsw để đảm bảo độ bền nhiệt. Mạch Snubber RCD gồm tụ C bằng 10nF mắc nối tiếp diode xung chịu áp cao và điện trở xả R bằng 10 Ohm. Tụ C hấp thụ xung quá áp khi khóa van, sau đó xả năng lượng qua điện trở R trong chu kỳ dẫn tiếp theo.

3.2. Thuật toán điều khiển góc mở và phát xung chùm cho Thyristor

Mạch điều khiển Thyristor so sánh điện áp điều khiển Udk với điện áp răng cưa đồng bộ để phát xung kích chính xác tại góc alpha mong muốn. Phương pháp phát xung chùm tần số cao được áp dụng để đảm bảo van mở tin cậy khi tải có điện cảm lớn như La bằng 15mH. Ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, góc alpha được thiết lập ở mức 120 độ kết hợp với việc kiểm soát góc khóa an toàn delta nhằm ngăn ngừa hiện tượng mất điều khiển.

IV. Đánh giá thực nghiệm mô phỏng Driver MOSFET và chỉnh lưu Thyristor

Quá trình mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm LTspice và Matlab Simulink chứng minh tính hiệu quả vượt trội của các giải pháp thiết kế. Khi tích hợp mạch Snubber RCD, điện áp đỉnh Vds đặt lên MOSFET giảm mạnh từ 645V xuống ngưỡng danh định 200V. Đồng thời, dòng điện ngược chạy qua van được triệt tiêu hoàn toàn từ 5A về 0A, đưa điểm làm việc của linh kiện về vùng an toàn tuyệt đối SOA. Thời gian đóng cắt thực tế đo được với Ton bằng 79ns và Toff bằng 490ns hoàn toàn phù hợp với lý thuyết tính toán. Đối với mạch chỉnh lưu Thyristor 1 pha và 3 pha, sai số giữa tính toán giải tích và mô phỏng thực nghiệm chỉ dưới 1%. Ở chế độ chỉnh lưu với góc alpha 30 độ, điện áp Ud mô phỏng đạt 73.97V so với 74.55V lý thuyết. Ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc với góc alpha 120 độ, dòng Id duy trì ổn định ở mức 4.62A so với 4.39A lý thuyết, khẳng định độ tin cậy của mô hình thiết kế trong thực tiễn.

4.1. Hiệu quả dập xung và bảo vệ vùng làm việc an toàn của Snubber

Kết quả mô phỏng LTspice xác nhận mạch Snubber RCD đã ghim chặt xung điện áp đỉnh Vds về mức 200V, thấp hơn nhiều so với giới hạn đánh thủng 600V của linh kiện STW56N60M2. Dòng điện ngược qua van bị triệt tiêu hoàn toàn, loại bỏ nguy cơ quá nhiệt cục bộ. Sự chuyển dịch năng lượng tiêu tán từ bán dẫn sang điện trở ngoài giúp nâng cao độ tin cậy và kéo dài tuổi thọ của bộ biến đổi nguồn xung.

4.2. Khả năng ứng dụng của bộ chỉnh lưu Thyristor trong công nghiệp

Mô hình chỉnh lưu Thyristor 1 pha và 3 pha với chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu phụ thuộc đáp ứng hoàn hảo yêu cầu truyền động động cơ DC và hệ thống hãm tái sinh. Dòng điện tải Id được san phẳng liên tục nhờ cuộn cảm Ld, duy trì hoạt động ổn định của hệ thống. Độ chính xác cao giữa mô phỏng Matlab và giải tích tạo nền tảng vững chắc để ứng dụng trong các trạm nạp ắc quy và nguồn hàn công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BÀI TẬP ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NHÓM THỰC HIỆN:NHÓM 2 Mã lớp: 129028 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: T.S Vũ Hoàng Phương Phần 1:Thiết kế mạch Driver và Snubber cho Mosfet Yêu cầu: Thiết kế mạch driver , snubber cho MOSFET STW56N60M2. 3 Các bước cơ bản để thiết kế • Xác định các thông số thể hiện khả năng đóng cắt của MOSFET • Xác định điện áp điều khiển Vgs • Tính toán dòng điện peak cực G • Chọn điện trở cổng 4 Thông số kĩ thuật trên datasheet MOSFET STW56N60M2 https://pdf1.com/datasheet- pdf/view/932971/STMICROELECTRONICS/STW56N60M2.html 5 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 1. Các thông số thể hiện khả năng đóng cắt của MOSFET STW56N60M2. Giá trị các tụ ký sinh: • 𝐶𝐺𝐷 = 𝐶𝑅𝑆𝑆 = 6.4𝑝𝐹 -Công suất của driver : Pdrv = VGS max.

Xác định điện áp điều khiển - Dựa vào đồ thị Vgs-Qg trong datasheet chọn điện áp điều khiển : 𝑉𝐺𝑆 = 0/10𝑉 => 𝑄𝐺 = 90𝑛𝐶 => 𝑃𝑑𝑟𝑣 = 10. Tính toán dòng điện peak cực G • Rise/fall time là thời gian để van bán dẫn chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn và ngược lại. 8 Tính toán dòng điện peak cực G - Dựa vào datasheet, chọn rise/fall time: t r = 75ns ; t f =60ns - Tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt trên van được tính bằng: 1 Psw =. (t on + t off ) 2 - Dòng điện peak cực G: QG Q Ion = ; Ioff = G tr tf - Áp dụng tính: Ion =1.

Lựa chọn điện trở cổng - Để tối ưu hiệu suất driver, chọn cấu hình on – off VGS max R g_on = − R g_int Ion VGS max R g_off = − R g_int Ioff 10 - Công suất tiêu tán trên R g : VGS_max 2 PRg_on =. fsw Rg_on VGS_max 2 PRg_off =. fsw R g_off - Theo datasheet : R g_int = 4. - Áp dụng tính : R g_on = 3.32W 11 Mạch Driver (Ltspice) 12 Kết quả mô phỏng LTspice Vgs 13 Kết quả mô phỏng LTspice Vds 14 Kết quả mô phỏng LTspice Id 15 Kết quả định lượng mô phỏng Theo tính toán dòng điện peak cực G Ion =1.21A Theo tính toán dòng điện peak cực G Ioff = 1.52A Mô phỏng đo được 16 Kết quả mô phỏng định lượng Ton=76ns Toff=480ns 17 Thiết kế mạch Snubber cho Mosfet • Ta thiết kế mạch snubber loại RCD • Giá trị điện dung của tụ và điện trở của mạch được tình theo công thức: • Với Ts là thời gian khóa van, Ton là khoảng thời gian mởvan • Ta có các giá trị Id = 10 A, Vds = 200V, Chọn Ts = 400 ns, Ton = 100 ns  C = 10nC  R = 10Ω Nguồn: Giáo trình Điện tử công suất Trần Trọng Minh Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam 18 Mạch Driver-Snubber 19 So sánh kết quả mô phỏng trước và sau khi có Snubber Vgs Không có snubber Có snubber RCD 20 So sánh kết quả mô phỏng trước và sau khi có Snubber Vds Không có snubber Có snubber RCD 21 So sánh kết quả mô phỏng trước và sau khi có Snubber Điện áp đỉnh Vd đặt lên van giảm từ 645V xuống 200V 22 So sánh kết quả mô phỏng trước và sau khi có Snubber Id Không có snubber Có snubber RCD 23 So sánh kết quả mô phỏng trước và sau khi có Snubber Dòng điện ngược chạy qua van giảm từ 5A về 0A 24 So sánh kết quả mô phỏng trước và sau khi có Snubber Ton(snubber)=79ns Toff(snubber)=490ns 25 V.

Kết luận Thông qua quá trình mô phỏng, chúng ta thấy rõ được các công dụng của mạch Snubber, cụ thể Giảm hoặc triệt tiêu các xung quá áp hoặc quá dòng Đưa điểm làm việc của van về vùng làm việc an toàn Snubber Truyền năng lượng phát nhiệt của van sang điện trở ngoài Giảm tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt 26 Phần 2: Thyristor 1 pha Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha hình tia 𝑈2 = 110V, 𝑅𝑑 = 10Ω, 𝐿𝑎 = 15mH, f=50Hz. Vẽ đồ thị Ud , Id , phân tích phổ dòng điện 𝐼1 máy biến áp và cho nhận xét a.Ed = −100V, 𝛼 = 120° 27 Nguyên lý mở Thyristor • Trong khoảng thời gian từ 0≤𝜽≤𝝅 điện áp u21>0 còn u22<0 thyristor V1 được phân cực thuận tín hiệu điều khiển được đưa tới V1 tại thời điểm 𝜽= α (α gọi là góc điều khiển) điện áp trên Ud có dạng của u21. • Trong khoảng thời gian từ 𝝅≤𝜽≤2𝝅 điện áp u21<0 còn u22>0 thyristor V2 được phân cực thuận tín hiệu điều khiển được đưa tới V2 tại thời điểm 𝜽= 𝝅+α điện áp trên Ud có dạng của u22. 28 Tính toán lý thuyết • Từ các công thức X a Id Ud𝛼 = 0.9U2 cos 𝛼 − π Ud Id = Rd Suy ra: 0.015 = 74,55V 1+𝜋Ra 1+ 𝜋R d d Ud 74,55 Id = = = 7,455𝐴 Rd 10 29 Tính toán lý thuyết Dạng điện áp và dòng điện theo lý thuyết 30 Sơ đồ mô phỏng Matlab 31 Tính toán điện áp Udk với góc mở 𝛼=30° Uc,m Udk t = 𝛼 𝜋 Udk ⇒𝛼=𝜋 Uc,m 𝜋 Với 𝛼 = 30° = 6 Uc,m 10 Suy ra Udk = = v 6 6 32 Mạch Driver 33 Kết quả mô phỏng mạch Driver 34 Đồ thị Id và Ud sau chỉnh lưu Mô phỏng và lý thuyết 35 Đồ thị Id và Vd sau chỉnh lưu Dòng và áp trung bình mô phỏng đo được 36 Bảng so sánh Id, Vd theo lý thuyết và mô phỏng Giá trị Lý thuyết Mô phỏng Ud 74,55V 73,97A Id 7,455V 7,388A 37 Phân tích phổ dòng điện máy biến áp 38 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc Sơ đồ thay thế khi tính toán 39 Tính toán lý thuyết • Từ các công thức X a Id Ud𝛼 = 0.9U2 cos 𝛼 − π Ed − Ud𝛼 Id = Rd Suy ra: X 0.9∗110∗cos 120° −100∗𝜋∗10 𝜋Rd Ud𝛼 = X = 1.5𝜋 1+𝜋Ra 1+ 𝜋∗10 d Ud𝛼 = −56,09V Ed −Ud𝛼 100−56,09 Id = = = 4,391A Rd 10 (Lấy giá trị tuyệt đối của 𝐸𝑑 và 𝑈𝑑𝛼 ) 40 Tính toán lý thuyết Dạng điện áp và dòng điện theo lý thuyết 41 Mạch mô phỏng Matlab 42 Tính toán Udk ứng với góc mở 𝛼 =120° Uc,m • Udk t = 𝜃 𝜋 Udk •⇒𝛼=𝜋 Uc,m 2𝜋 • Với 𝛼 = 120° = 3 2Uc,m 20 • Suy ra Udk = = V 3 3 43 Đồ thị mạch Driver 44 Đồ thị Ud, Id Đồ thị điện áp, dòng điện mô phỏng và lý thuyết 45 Đồ thị Vd, Id Dòng và áp trung bình mô phỏng đo được 46 Bảng so sánh lý thuyết và mô phỏng Giá trị Lý thuyết Mô phỏng Ud -56,09V -53,48V Id 4,391A 4,626A 47 Phân tích phổ dòng điện máy biến áp 48 Phần 3: Thyristor 3 pha 1.

Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha Tiristor hoạt động ở chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu phụ thuộc. Cả 2 chế độ có hiện tượng trùng dẫnMô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab với phương pháp xung chùm. So sánh kết quả mô phỏng và tính toán lý thuyết. Phân tích phổ dòng điện đi xoay chiều đi vào bộ biến đổi và nhận xét.

Bài toán:Cho sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha: U2 = 220V, Rd= 2Ω, Ld = ∞, La =3mH, f = 50 Hz. Vẽ đồ thị Ud và xác định Ud, Id trong 2 trường hợp: a.Ed = -200V, α = 1300 49 Nguyên lý mở Thyristor 50