Một biến tần ba pha chạy êm ở không tải nhưng làm động cơ rung và nóng khi mang tải thường không hỏng ở phần mềm điều khiển. Nguyên nhân hay nằm ở những chi tiết nano giây của tín hiệu đóng cắt: thời gian chết đặt sai, sườn xung bị kéo dài, hoặc một cặp khoá cùng nhánh dẫn chồng lên nhau. Phân tích PWM biến tần trên máy hiện sóng là cách nhìn thấy các chi tiết đó cùng lúc với dòng pha mà chúng gây ra. Bài viết trình bày nguyên lý PWM sin-tam giác, cách đo thời gian chết, yêu cầu với đầu dò khi điểm đo nổi ở điện áp cao, cách đo dòng pha và căn chỉnh trễ, rồi đến phân tích điều chế và cấu hình thiết bị Keysight.
Phân tích PWM biến tần: ba đại lượng trên cùng một màn hình
Ba đại lượng cần xem đồng thời là độ rộng xung (chu kỳ nhiệm vụ) của từng khoá, khoảng thời gian chết giữa hai khoá bổ sung cùng nhánh, và dòng pha đi ra động cơ. Nếu chỉ đo riêng từng đại lượng, người kỹ sư thấy được xung đúng thiết kế nhưng không thấy vì sao dòng bị méo tại điểm đi qua không. Đặt cả ba lên cùng trục thời gian mới cho thấy quan hệ nhân quả.
Khó khăn nằm ở dải động thời gian. Tần số chuyển mạch ở mức chục kHz, thời gian chết ở mức trăm nano giây, còn tần số cơ bản của dòng pha chỉ vài chục Hz. Một lần thu phải đủ dài để chứa vài chu kỳ dòng, nhưng vẫn đủ phân giải để đo sườn xung. Đó là lý do bộ nhớ sâu và các công cụ phân tích theo thời gian quan trọng hơn băng thông cực lớn trong bài toán này.
Nguyên lý PWM sin-tam giác và tần số chuyển mạch
Trong biến tần nguồn áp ba pha hai mức, ba sóng sin tham chiếu lệch nhau 120° được so sánh liên tục với một sóng mang tam giác. Chỉ số điều chế được định nghĩa MI = Vm/Vc, với Vm là biên độ sin tham chiếu và Vc là đỉnh sóng mang. Hai khoá trên cùng một nhánh hoạt động bổ sung: khoá trên đóng thì khoá dưới mở và ngược lại. Mạch một pha mở rộng thành ba pha bằng cách thêm một nhánh cầu.
Tần số chuyển mạch phụ thuộc linh kiện. Theo tạp chí ứng dụng SLYT648 của Texas Instruments, tần số 10–20 kHz phổ biến với IGBT, còn hệ dùng SiC và GaN có thể chạy 50–200 kHz; biến tần IGBT điển hình nằm trong khoảng 8–16 kHz. Tài liệu SLYY169 của TI xếp IGBT silic ở mức 5–20 kHz và MOSFET SiC ở mức trên 50 kHz. IGBT bị giới hạn chủ yếu do tổn hao khi tắt gây ra bởi đuôi dòng kéo dài. Tần số càng cao thì sườn xung phải càng nhanh: cũng theo SLYT648, biến tần SiC chạy 64 kHz cần thời gian lên và xuống 50 ns để giữ tổn hao chuyển mạch ở mức 1%.
Thời gian chết: đo ở đâu và vì sao nó làm méo dòng pha
Thời gian chết là khoảng không dẫn ngắn chèn vào giữa hai tín hiệu PWM bổ sung để tránh dòng xuyên (shoot-through) phá huỷ nhánh cầu. TI nhấn mạnh rằng nếu thời gian chết nhỏ hơn độ trễ lan truyền của mạch lái, hai khoá sẽ dẫn cùng lúc. Ngược lại, trong suốt thời gian chết dòng phải đi qua điốt thân của IGBT hoặc MOSFET, nên thời gian chết càng dài thì tổn hao càng lớn.
Giá trị thực tế khác nhau nhiều. Bảng khuyến nghị của imperix cho các mô-đun IGBT là 235 ns, 285 ns và 495 ns tuỳ mô-đun; cho mô-đun SiC là 100 ns và 115 ns. Mạch lái MOSFET tích hợp DRV8316 của TI có thời gian chết điển hình 500 ns và độ trễ lan truyền 700 ns. Việc chọn thời gian chết là đánh đổi: đủ dài để bao được biến động động học chuyển mạch theo điện áp DC, dòng và nhiệt độ, nhưng đủ ngắn để không làm méo dòng ra và không gây tổn hao thừa.
Hệ quả của thời gian chết lên dòng pha đã được mô tả trong nhiều nghiên cứu. Một bài trên Scientific Reports (2023) nêu rằng thời gian chết đưa các hài bậc thấp 5, 7, 11, 13, 17, 19 vào điện áp ra của biến tần, và vì các hài này, dòng ra bị méo đáng kể. TI còn lưu ý chênh lệch giữa thời gian chết và độ trễ lan truyền của các kênh gây méo chu kỳ nhiệm vụ. Vì vậy phép đo đúng là đo thời gian chết tại chân cổng của linh kiện hoặc tại nút chuyển mạch, không phải tại đầu ra vi điều khiển.
Cách đo trên máy hiện sóng: đưa tín hiệu cổng khoá trên và khoá dưới vào hai kênh, đặt trigger theo sườn xuống của một kênh, dùng phép đo độ trễ giữa hai kênh tại mức ngưỡng dẫn của linh kiện. Lặp lại ở nhiều mức dòng tải, vì dòng thay đổi làm thời gian chuyển mạch thay đổi. Một cơ chế dòng xuyên khác cần để ý là bật nhầm do dv/dt: TI mô tả dv/dt lớn có thể làm khoá dưới tự bật khi khoá trên đang dẫn.
Đo điện áp nổi: đầu dò vi sai cao áp và CMRR
Chân cổng khoá trên không có điểm tham chiếu đất cố định. SLYT648 giải thích mạch lái IGBT phải cách ly vì đất phía ra của mạch lái nhảy theo đầu ra biến tần, còn đất phía vào nối vỏ máy. Ví dụ trong tài liệu: bus DC 1 500 V với thời gian chuyển 100 ns tạo ra ứng suất 15 V/ns. Nối kẹp đất của đầu dò thụ động vào nút này là sai và nguy hiểm.
Giải pháp là đầu dò vi sai cao áp. Keysight N2790A có băng thông ≥ 100 MHz, thời gian lên ≤ 3,5 ns, hai mức suy giảm 50:1 và 500:1. Điểm cần đọc kỹ là điện áp vi sai tối đa phụ thuộc mức suy giảm: ±1 400 V ở 500:1 nhưng chỉ ±140 V ở 50:1. Điện áp chế độ chung tối đa là ±1 000 V (CAT II) hoặc ±600 V (CAT III). CMRR lớn hơn 50 dB tại 1 MHz, −70 dB ở DC (500 VDC) và −80 dB ở 50/60 Hz; nghĩa là khả năng khử chế độ chung giảm dần khi tần số tăng, đúng vùng tần số của sườn chuyển mạch. Đầu dò đạt chuẩn an toàn IEC 61010-031.
Với sườn rất nhanh của GaN và SiC, hoặc khi cần đo tín hiệu cổng nhỏ nằm trên một nút nhảy hàng trăm volt, đầu dò vi sai cách ly quang PS0004A (350 MHz, vi sai tới ±2 500 V) được Keysight hướng đến chính kiến trúc nửa cầu và toàn cầu.
Đo dòng pha và căn chỉnh trễ giữa đầu dò
Để đo dòng pha, đầu dò dòng dạng kẹp đo được cả thành phần DC lẫn AC là lựa chọn tự nhiên. Keysight N7026A có dải DC–150 MHz, hai độ nhạy 1 V/A và 0,2 V/A, nhiễu khoảng 250 µArms, thời gian lên 2,67 ns; hướng dẫn sử dụng liệt kê bộ điều khiển động cơ là ứng dụng mục tiêu. Giới hạn dòng phụ thuộc cách cấp nguồn cho đầu dò: cấp qua giao diện AutoProbe của máy hiện sóng chỉ 5 A liên tục và 15 A đỉnh; dùng bộ nguồn ngoài thì 30 A liên tục và 40 A đỉnh. Trên MXR và EXR, giới hạn 30 A và 40 A áp dụng bất kể cách cấp nguồn. Đầu dò N2893A (DC–100 MHz) và 1147B (DC–50 MHz) có giới hạn 15 A đỉnh, 10 Arms liên tục, 30 A đỉnh không liên tục.
Khi nhân điện áp với dòng để tính công suất tức thời hoặc tổn hao chuyển mạch, trễ lệch giữa hai đầu dò trở thành nguồn sai số lớn. Tài liệu 5989-7835 của Keysight viết thẳng: phép đo công suất là phép nhân từng điểm của dạng sóng điện áp và dòng, và một độ lệch nhỏ về thời gian giữa hai vết có thể gây sai số lớn cho công suất tức thời. Bản thân N2790A có độ trễ lan truyền 14 ns ở 50:1 và 2,8 ns ở 500:1, nên trễ thay đổi ngay cả khi chỉ đổi mức suy giảm. Đồ gá U1880A cấp cùng một xung cho cả hai đầu dò để căn chỉnh trễ; phần mềm đo công suất lưu lại giá trị căn chỉnh sau một lần bấm.
Phân tích điều chế: xem độ rộng xung theo thời gian
Nhìn từng xung không cho biết bộ điều khiển có tạo đúng hình sin hay không. Tài liệu 5992-3925 về gói phần mềm công suất cho InfiniiVision mô tả phân tích điều chế cho phép xem thông tin thời gian dẫn và thời gian ngắt của tín hiệu PWM, vốn khó nhìn vì băng thông thông tin thấp hơn nhiều so với tần số chuyển mạch. Các dạng hiển thị gồm tần số, chu kỳ, chu kỳ nhiệm vụ, độ rộng xung dương và độ rộng xung âm, đều theo thời gian.
Với biến tần sin-tam giác, đường chu kỳ nhiệm vụ theo thời gian phải là một hình sin sạch. Những vết lõm đều đặn gần điểm dòng đổi chiều thường là dấu vết của thời gian chết; bù thời gian chết trong phần mềm điều khiển có hiệu quả hay không có thể kiểm chứng ngay trên đường này. Tuỳ chọn D4000PWRB còn có đo tổn hao chuyển mạch theo công suất và năng lượng, Rds(on) và Vce(sat), tốc độ sườn dv/dt và di/dt, hài dòng theo IEC 61000-3-2 tới bậc 40, dòng khởi động và hiệu suất. Hiệu suất tổng của biến tần ở mức hệ thống thì phù hợp hơn với máy phân tích công suất; bài đo hiệu suất biến tần trình bày phần đó.
Chọn thiết bị Keysight cho phân tích PWM
- Một nhánh cầu, bốn kênh: máy hiện sóng Keysight MSOX4154G có 1,5 GHz, 4 kênh tương tự và 16 kênh số, 5 GSa/s, bộ nhớ 4 Mpts, tốc độ cập nhật 1 000 000 dạng sóng/s, màn hình cảm ứng 12,1 inch. Kết hợp tuỳ chọn công suất D4000PWRB để có phân tích điều chế và tổn hao chuyển mạch. Kênh số dùng để theo dõi tín hiệu PWM phía vi điều khiển song song với tín hiệu cổng.
- Ba pha đầy đủ: máy hiện sóng Keysight MXR108B có 8 kênh 1 GHz, 16 GSa/s, bộ biến đổi 10 bit, bộ nhớ tối đa 1,6 Gpts, đủ kênh cho ba điện áp và ba dòng. Phần mềm D90103PWA phân tích công suất ba pha phía đầu vào xoay chiều và đầu ra tới động cơ, có lọc PWM tích hợp, tính theo từng pha, giản đồ pha và bảng hài.
- Đầu dò: đầu dò vi sai cao áp Keysight N2790A cho điện áp nổi (lưu ý 500:1 khi vượt 140 V), đầu dò dòng Keysight N7026A cho dòng pha, cộng đồ gá U1880A để căn chỉnh trễ.
Các tiêu chuẩn liên quan tới hệ truyền động là IEC 61800-5-1:2022 cho an toàn và IEC 61800-3:2022 cho tương thích điện từ; bài này chỉ bàn phép đo tín hiệu, không thay cho quy trình thử theo các chuẩn đó.
Kết luận
Phân tích PWM biến tần có ý nghĩa khi đặt độ rộng xung, thời gian chết và dòng pha trên cùng trục thời gian. Thời gian chết phải đo tại chân cổng hoặc nút chuyển mạch, bằng đầu dò vi sai hoặc cách ly quang có CMRR đủ ở tần số sườn xung; dòng pha phải đo bằng đầu dò có dải dòng khớp với cách cấp nguồn; và hai đầu dò phải được căn chỉnh trễ trước khi tính công suất.
Mọi con số nano giây và miliampe ở trên chỉ đáng tin khi máy hiện sóng và đầu dò được hiệu chuẩn định kỳ, đặc biệt là hệ số suy giảm và độ trễ của đầu dò. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy hiện sóng và đầu dò theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo và lịch hiệu chuẩn.
