THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA NHÁNH SỬ DỤNG MODUL CÔNG SUẤT THÔNG MINH CHUYÊN DỤNG PS22A76 DESIGN THE THREE-PHASE THREE-LEG INVERTER BASED ON APPLICATION SPECIFIC INTELLIGENT POWER MODULES PS22A76 ThS PHẠM VĂN TOÀN Khoa Điện - Điện tử, Trường ĐHHH Việt Nam Tóm tắt Bài báo nêu lên hạn chế việc thực nghịch lưu ba pha ba nhánh sử dụng modul công suất thông minh thông thường (Conventional Intelligent Power Modules) áp dụng cho hệ truyền động công suất nhỏ Từ đó, giải pháp thay đem lại nhiều ưu điểm việc thực nghịch lưu sử dụng modul công suất thông minh chuyên dụng (Application Specific Intelligent Power Modules) Mô hình thực nghiệm hệ Biến tần - Động không đồng xây dựng để kiểm chứng ưu điểm phương pháp thiết kế Abstract This paper pointed out some drawbacks of the implementation of three-phase three-leg inverter with application Conventional Intelligent Power Modules (Conventional IPM) Since then, an alternative solution is showed to bring out many advantages in the realization of the three-phase three-leg inverter with Application Specific IPM (ASIPM) An experimental model of the inverter - induction motor system is constructed to verify these strong points of this design method Key words: Intelligent power modules (IPM), three-phase inverter, Digital Signal Processor (DSP) Đặt vấn đề Các nghịch lưu ba pha ba nhánh sử dụng Conventional IPM hệ truyền động biến tần - động không đồng (ĐCKĐB) trở nên phổ biến với dải công suất từ 200W tới 150kW [1], [2], [3] Hình sơ đồ khối cấu tạo Conventional IPM Theo đó, Conventional IPM tích hợp van công suất với mạch tích hợp chuyên dụng phía thấp áp (LV ASIC - Low voltage Application Specific Integrated Circuit) để kích mở van cung cấp số chức bảo vệ sử dụng rộng rãi hệ truyền động xoay chiều Modul loại có vài ưu điểm [4]: Giảm thời gian thiết kế, nâng cao độ tin cậy; giảm tổn hao công suất việc tối ưu hóa đồng thời van công suất chức bảo vệ modul; cải thiện khả chế tạo giảm số lượng linh kiện phụ trợ Tuy nhiên Conventional IPM có hạn chế định Theo đó, để ghép nối C / DSP (vi điều khiển/vi xử lý tín hiệu số) Convention IPM cần có tầng kết nối trung gian (hình 1) bao gồm mạch cách ly quang đảm bảo cách ly C / DSP với phía cao áp (các van trên) Điều dẫn tới số lượng nguồn điều khiển sử dụng để kích mở van tăng lên Đối với hệ truyền động công suất nhỏ, hạn chế nêu làm gia tăng thêm chi phí kích thước thiết bị LV ASIC HVIC LV ASIC LV ASIC Hình Sơ đồ khối IPM thông thường [4] Hình Sơ đồ khối ASIPM [4] Việc modul ASIPM (Application Specific IPM) đời khắc phục mặt hạn chế Convention IPM Hình sơ đồ khối cấu tạo ASIPM Bằng việc tích hợp thêm công nghệ HVIC (High Voltage Integrated Circuit) có chức dịch mức điều khiển kích mở van, ASIPM cho phép kết nối trực tiếp tín hiệu PWM từ C / DSP tới đầu vào mà không cần cách ly quang, cần nguồn điều khiển để kích mở van Ngoài ra, số ASIPM tích hợp sẵn cảm biến đo dòng bên giúp cho việc thiết kế khâu đo lường trở nên thuận tiện Bài báo việc thực nghịch lưu ba pha ba nhánh sử dụng ASIPM Thực nghịch lưu ba pha ba nhánh Trong ứng dụng này, ASIPM sử dụng modul IGBT PS22A76 Mitsubishi Electric với tính chủ yếu sau [5]: IC  25A,VCES  1200V ; tính cho nhóm van (P-side) bao gồm: Mạch kích mở, dịch mức, bảo vệ thấp áp; tính cho nhóm van (N-side) bao gồm: Mạch kích mở, tín hiệu báo lỗi bảo vệ ngắn mạch - thấp áp, đầu tương tự báo nhiệt độ LVIC; đặc biệt việc cấp nguồn cho modul từ nguồn có giá trị 15VDC Hình 3a, b hình dạng bên mặt cắt ngang cấu trúc bên modul a) b) Hình Modul IGBT PS22A76 a) Hình dạng bên ngoài, b) Mặt cắt ngang cấu trúc bên Bộ nghịch lưu ba pha ba nhánh sử dụng modul PS22A76 bao gồm khối chức năng: Khối phối ghép với C / DSP khối bảo vệ 2.1 Khối phối ghép với C / DSP DBootstrap Vcc (P) R Q S VPC (U,V,W) U, V, W VP1 + CBootstrap +15V P(Vcc) P-side FWDi VP1 VFB +15V N-side IGBT P(Vcc) + U,V,W VFS HVIC VN1 P VFB DBootstrap P-side IGBT P-side IGBT C Bootstrap N-side FWDi P-side FWDi ON VNC LVIC U, V, W N N(GND) (N) VFS VPC U,V,W b) a) Hình Nguyên lý hoạt động mạch bootstrap [6] Hình Mạch dịch mức [5] a) Quá trình nạp, b) Quá trình phóng Mạch dịch mức (hình 4) HVIC PS22A76 cho phép ghép nối trực tiếp tín hiệu PWM từ C / DSP tới đầu vào U P , VP , WP , U N , VN , WN Tuy nhiên, để đảm bảo cách ly mạch điều khiển mạch công suất, sơ đồ thiết kế sử dụng cách ly quang - Phần tử cách ly quang tốc độ cao 6N137 sử dụng để làm việc tần số cao (khoảng vài kHz) Khoảng cách đường tín hiệu thiết kế ngắn nhằm hạn chế nhiễu Ngoài ra, xung nhiễu có độ rộng nhỏ loại bỏ cách lắp mạch lọc RC đường tín hiệu vào - Tín hiệu báo lỗi ngắn mạch, thấp áp từ modul PS22A76 gửi tới đầu vào C / DSP sử dụng cách ly quang PC817 Hình Mạch phối ghép với C /DSP Năng lương sử dụng để kích mở nhóm van cung cấp từ mạch bootstrap với nguyên lý hoạt động sau: Khi van kích mở (ON), tụ bootstrap ( Cbootstrap ) nạp điện tích qua điôt ( Dbootstrap ) theo đường nét đứt (hình 5a); Khi van bị khóa lại, Cbootstrap phóng điện tích để kích mở van (hình 5b) Như vậy, cần sử dụng nguồn cung cấp 15VDC cho modul PS22A76 Hình sơ đồ phối ghép C / DSP với modul PS22A76 2.2 Khối bảo vệ Các chức bảo vệ xây dựng bao gồm: Thấp áp nguồn điều khiển, ngắn mạch nhiệt van 2.2.1 Bảo vệ thấp áp nguồn điều khiển Chức bảo vệ thấp áp giúp ngăn ngừa chế độ làm việc không mong muốn bảng [5] Cả nhóm van nhóm van có chức Tuy nhiên, tín hiệu báo lỗi thấp áp tích cực cho nhóm van Bảng Đáp ứng PS22A76 tương ứng với giá trị điện áp nguồn cung cấp Điện áp nguồn cung cấp Hoạt động  4V (P, N) - Tương đương với nguồn cấp 0V - Chức bảo vệ thấp áp, đầu báo lỗi (Fo) không tích cực - Các van IGBT không làm việc Tuy nhiên, nhiễu bên gây mở van Vì vậy, điện áp trung gian chiều cung cấp cho modul sau cấp nguồn điều khiển  Ungưỡng Ungưỡng  13,5V (N), 13,0V (P) Chức bảo vệ thấp áp, Fo tích cực Các van IGBT không làm việc Các van IGBT làm việc Tuy nhiên, tổn thất van tăng, dẫn tới nhiệt độ van tăng 13,5V  16,5V (N); 13,0V  18,5V (P) Chế độ làm việc bình thường 16,5V  20,0V (N); 18,5V  20,0V (P) Các van IGBT làm việc Tuy nhiên, tốc độ chuyển mạch giá trị dòng qua van tăng, làm tăng nguy ngắn mạch > 20V (P, N) Mạch điều khiển bị phá hủy 2.2.2 Bảo vệ ngắn mạch [5] Phương pháp bảo vệ ngắn mạch thực cách giám sát điện áp rơi điện trở RS Dòng điện chảy qua RS có giá trị nhỏ tách từ thành phần dòng điện chảy qua nhóm van (đường nét đứt hình 7) Bằng cách này, tổn thất rơi điện trở giảm đáng kể so với phương pháp sử dụng điện trở shun hệ modul trước Để đảm bảo mạch bảo vệ ngắn mạch hoạt động tin cậy, mạch lọc RC lắp vào trước đầu vào CIN với số thời gian  =1,8 s Khi đó, van bị khóa sau 1,8 s ngắn mạch xảy 2.2.3 Bảo vệ nhiệt cho van Modul PS22A76 tích hợp sẵn mạch đo nhiệt độ LVIC Nhiệt độ van IGBT, diode gián tiếp làm nóng LVIC Do đó, nhiệt độ LVIC phản ánh tức thời nhiệt độ van (ví dụ chế độ ngắn mạch) Vì vậy, mạch áp dụng để bảo vệ nhiệt cho van trường hợp điều kiện làm mát xấu động bị tải Chức giúp cho người sử dụng loại bỏ mạch đo nhiệt độ modul Khi nhiệt độ vượt giá trị cho phép, modul không tự động khóa van IGBT xuất tín hiệu báo lỗi Fo Vì vậy, vi điều khiển phải đưa tín hiệu khóa tất van IGBT xảy nhiệt van Hình sơ đồ mạch thực chức bảo vệ nhiệt van 2.2.4 Mạch snubber IGBT4 Di4 VN1 NU IGBT5 LVIC UN Di5 NV IGBT6 Di6 VN WN NW FO VOT VNC CFO CIN Vsc Hình Mạch bảo vệ ngắn mạch [5] Một tụ điện snubber lắp song song với nguồn trung gian chiều giúp bảo vệ van tăng hiệu làm việc van Tụ điện cần bố trí gần với cọc P cọc NU, NV, NW minh họa hình Tụ snubber lựa chọn có giá trị 0,15uF Hình 10 sơ đồ nguyên lý hoàn thiện nghịch lưu ba pha ba nhánh sử dụng modul PS22A76 Kết thực nghiệm +5V P(40) UP(1) R3 IGBT1 VP1(3) C5 C2 D1 HVIC VUFB(4) D2 VUFS(6) C1 D1 C2 R3 VP(7) IGBT2 VP1(9) C5 C2 + U(39) + D2 HVIC VVFB(10) D2 - R3 C5 C2 D2 Hình Mạch bảo vệ nhiệt van WP(13) IGBT3 VP1(14) VPC(15) D3 HVIC VWFB(16) + W(37) + VWFS(18) IGBT4 C1 D1 C2 P M VVFS(12) C1 D1 C2 V(38) + R3 UN(27) C5 R3 VN(28) C5 R3 WN(29) C3 C8 D4 NU (36) IGBT5 C5 D5 CFO(25) NV (35) Fo(26) LVIC IGBT6 + VOT(23) D6 NW (34) +15V VD C1 NU NV NW VN1(21) + D1 C2 + CIN(24) VSC(19) C4 Vref N1 Hình Mạch snubber VNC(22) R1 N1 Hình 10 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu ba pha ba nhánh Mô hình thực nghiệm hệ biến tần - ĐCKĐB (hình 12) xây dựng theo sơ đồ khối hình 11 để kiểm chứng ưu điểm thiết kế nghịch lưu ba pha ba nhánh sử dụng modul PS22A76 Trong đó, ĐCKĐB có thông số: P  180W , U N  380V , pc  , nN  945v / p ; mạch điều khiển sử dụng vi xử lý tín hiệu số TMS320F2812 Texas Instruments, van điều khiển theo phương pháp điều chế vector không gian, tần số đặt cho động f = 50Hz Hình 13 đồ thị thời gian đóng ngắt van cho pha U ( tu ) pha V ( t v ) Điện áp dây Uuw ,Uvw nhận từ máy sóng (Oscilloscope) hình 14 Quan sát trục thời gian nhận thấy: Chu kỳ điện áp xấp xỉ 20 ms (tương ứng f = 50 Hz), điện áp Uuw U vw lệch khoảng 3,3 ms (tương ứng 60o ) đảm bảo nguyên lý điện áp biến tần cấp cho ĐCKĐB Hình 11 Sơ đồ khối hệ biến tần - ĐCKĐB Hình 12 Mô hình thực nghiệm 5ms/div Hình 13 Đồ thị thời gian đóng ngắt van tu , t v Hình 14 Điện áp dây Uuw ,Uvw Kết luận Bài báo trình bày cách thiết kế nghịch lưu ba pha ba nhánh sử dụng modul IGBT PS22A76 hãng Mitsubishi Electric Các kết thu từ mô hình thực nghiệm cho thấy nghịch lưu ba pha ba nhánh sử dụng modul hoạt động tốt, giống nghịch lưu ba pha ba nhánh xây dựng từ Conventional IPM phát huy ưu điểm: Rút ngắn thời gian thiết kế, nâng cao độ tin cậy; giảm tổn hao công suất; độ tích hợp cao, số linh kiện thiết bị phụ trợ giảm, kích thước mạch nhỏ gọn Tuy nhiên, modul không tích hợp sẵn cảm biến đo dòng điện Vì vậy, yêu cầu phải sử dụng thêm cảm biến cần xây dựng mạch vòng điều chỉnh dòng điện cho hệ biến tần - ĐCKĐB TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G Majumdar, et al - A New Generation High Performance Intelligent Module - PCIM Europe May, 1992 [2] E Motto, et al - A New Generation of Intelligent Power Devices for Motor Drive Applications - IEEE IAS Conference October, 1993 [3] John Donlon, et al - A New Converter/Inverter System for Windpower Generation Utilizing a New 600 Amp, 1200 Volt Intelligent IGBT Power Module - IEEE IAS Conference October, 1994 [4] Eric R Motto - Application Specific Intelligent Power Modules - A Novel Approach to System Integration in Low Power Drives [5] Mitsubishi Electric - 1200V large dipipm ver series application note PS22A7* - October, 2012 [6] Mitsubishi Electric - DIPIPM APPLICATION NOTE Bootstrap Circuit Design Manual - October, 2012  ... ,Uvw Kết luận Bài báo trình bày cách thiết kế nghịch lưu ba pha ba nhánh sử dụng modul IGBT PS22A76 hãng Mitsubishi Electric Các kết thu từ mô hình thực nghiệm cho thấy nghịch lưu ba pha ba nhánh. .. nguyên lý nghịch lưu ba pha ba nhánh Mô hình thực nghiệm hệ biến tần - ĐCKĐB (hình 12) xây dựng theo sơ đồ khối hình 11 để kiểm chứng ưu điểm thiết kế nghịch lưu ba pha ba nhánh sử dụng modul PS22A76. ..a) b) Hình Modul IGBT PS22A76 a) Hình dạng bên ngoài, b) Mặt cắt ngang cấu trúc bên Bộ nghịch lưu ba pha ba nhánh sử dụng modul PS22A76 bao gồm khối chức năng: Khối phối