Prototype Power IGBT Driver board for 3-Phase Induction Motor

โครงงานนี้เป็นการสร้างบอร์ดขับมอเตอร์ 3 เฟส แบบอินดักชั่นต้นแบบ โดยใช้ไอจีบีที (IGBT) เบอร์ RGTH60TS65 ที่สามารถรองรับแรงดันได้ถึง 650V กระแส 30A ที่ 100 องศาเซลเซียส (Tc) จำนวน 6 ตัว และต่อร่วมกับไอซี IR2111 สำหรับเป็นวงจรขับสัญญาณให้กับไอจีบีที นอกจากนี้ยังมีออปโต้ไอโซเลตชั่น (Opto-isolation) เบอร์ TLP250 ทำหน้าที่แยกสัญญาณจากบอร์ดควบคุมและบอร์ดขับกำลังไอจีบีที

Power IGBT Driver board for 3-phase induction motor
รูปที่ 1 แสดงบอร์ดขับกำลังและบอร์ดขับสัญญาณให้กับไอจีบีที

รูปที่ 1 เป็นลักษณะของการต่อร่วมกันระหว่างบอร์ดขับกำลังและบอร์ดขับสัญญาณให้กับไอจีบีที โดยในวงจรต้นแบบนี้จะยังใช้สายไฟในการต่อร่วมกันเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งจะมีด้วยกัน 2 คือส่วนของการส่งสัญญาณขับขาเกตให้กับไอจีบีที (Gate driver) และส่วนของการรับสัญญาณค่ากระแสจากวงจรตรวจจับ (Current sensing circuit) ที่เกิดขึ้นจากการขับมอเตอร์

Power IGBT Driver board for 3-phase induction motor
รูปที่ 2 ลักษณะการต่อร่วมกันระหว่างบอร์ดขับสัญญาณและบอร์ด Arduino UNO

รูปที่ 2 แสดงการต่อร่วมกันระหว่างบอร์ดขับสัญญาณและบอร์ด Arduino UNO โดยบอร์ด Arduino UNO จะทำหน้าที่สร้างสัญญาณไซน์พัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น (SPWM) 3 เฟส ให้กับบอร์ดขับสัญญาณ ซึ่งบอร์ดขับสัญญาณนั้นจะทำหน้าที่แยกเฟสออกเป็น 6 ช่องอีกครั้งเพื่อสร้างสัญญาณทั้ง 6 ส่วนให้กับเพาเวอร์ไอจีบีทีแต่ละตัว

Power IGBT Driver board for 3-phase induction motor
รูปที่ 3 การใช้วาริแอกสำหรับปรับค่าแรงดันไฟอินพุตกระแสสลับ

รูปที่ 3 แสดงการใช้งานวาริแอกสำหรับปรับค่าแรงดันอินพุตกระแสสลับ จากเพาเวอร์ไลน์ 220Aac/50Hz เพื่อใช้ในการทดลองที่แรงดัน 250Vdc และลดอันตรายที่อาจเกิดขึ้นจากการทดลอง

Power IGBT Driver board for 3-phase induction motor
รูปที่ 4 การต่อระหว่างบอร์ดขับสัญญาณให้กับไอจีบีทีและมอเตอร์ 3 เฟส

รูปที่ 4 เป็นการต่อใช้งานระหว่างบอร์ดขับสัญญาณให้กับไอจีบีทีและมอเตอร์ 3 เฟส โดยมอเตอร์ที่ใช้งานจะมีขนาด 0.5 แรงม้า 3 เฟส และบอร์ดขับสัญญาณให้กับไอจีบีทีสามารถขับมอเตอร์ได้ประมาณ 2 แรงม้า

Power IGBT Driver board for 3-phase induction motor
รูปที่ 5 แสดงการลักษณะของการทดลองโครงงาน

รูปที่ 5 แสดงลักษณะของการทดลองโครงงานต้นแบบบอร์ดขับกำลังมอเตอร์ 3 เฟสด้วยไอจีบีทีทั้งหมด ซึ่งจะใช้เครื่องมือในการทดลองพื้นฐานทั่วไป เช่น ดิจิตอลออสซิลโลสโคป, ดิจิตอลมัลติมิเตอร์, แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแรงดันต่ำที่ 15V/2A, แหล่งจ่ายแรงดันสูงที่ 250VDC/10A และบอร์ด Arduino UNO สร้างสัญญาณไซน์พัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น

Power IGBT Driver board for 3-phase induction motor
รูปที่ 6 บล็อกไดอะแกรมการทำงานของวงจรทั้งหมด

ในรูปที่ 6 แสดงบล็อกไดอะแกรมการทำงานของวงจรทั้งหมด เพื่อให้เข้าใจโครงสร้างของวงจรทั้งหมดได้ง่ายขึ้น โดยในส่วนของ Block Circuit power IGBT จะมีรายละเอียดเพิ่มเติมตามรูปที่ 7

Power IGBT Driver board for 3-phase induction motor
รูปที่ 7 วงจรสำหรับบอร์ดขับกำลังและบอร์ดขับสัญญาณให้กับไอจีบีที

รูปที่ 7 เป็นลักษณะของส่วนวงจรขับกำลังไอจีบีที ซึ่งเราสามารถเชื่อมต่อเข้ากับบอร์ด Arduino UNO และตัวมอเตอร์ 3 เฟสได้เลย ซึ่งในวงจรนี้จะมีส่วนของสวิตช์ควบคุมการทำงาน (S1) เพื่อให้เราสามารถเชื่อมต่อกับสัญญาณควบคุมภายนอกได้

สำหรับโครงงานนี้เป็นการออกแบบวงจรขับกำลังให้กับมอเตอร์ 3 เฟส อีกรูปแบบหนึ่งครับ ซึ่งทั้งนี้เพื่อต้องใช้อุปกรณ์แบบทั่วไป โดยให้สามารถขับกำลังมอเตอร์ได้มากกว่าเพาเวอร์โมดูลไอจีบีทีขนาดเล็กทั่วไป (Intelligent Power Modules : IPM) ทั้งนี้เพราะต้องการทดแทนการใช้เพาเวอรโมดูลไอจีบีทีขนาดใหญ่กว่าที่มีราคาค่อนข้างสูง รวมทั้งเป็นการแยกส่วนของบอร์ดควบคุมและส่วนของบอร์ดขับกำลังออกจากกันนั้นเองครับ.

Reference

  1. https://toshiba.semicon-storage.com/info/docget.jsp?did=61546
  2. https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/datasheet/discrete/igbt/rgth60ts65gc13-e.pdf
  3. https://toshiba.semicon-storage.com/info/docget.jsp?did=16821
  4. https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IR2111-DS-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462533600a4015355c810e51682
  5. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd4081b.pdf?ts=1621440926133&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FCD4081B