Đồ án nghịch lưu 1 pha

1

M c l c
 2
1.1.  2
1.1.1 Định nghĩa về nghịch lưu 2
1.1.2 Phân loại 2
1.1.3 Các mức áp cổng ra tiêu chuẩn 2
1.1.4 Ứng dụng 2
1.2. B 3
 MOSFET 4
2.1 GII THIU V MOSFET 4
2.2 PHN LOI V CU TO C BN CA VAN MOSFET 4
2.2.1 Phân loại 4
2.2.2 Cấu tạo cơ bản của MOSFET 6
2.3NGUYN TC LM VIC V C TNH NG CT CA VAN MOSFET 7
2.3.1 Nguyên tắc hoạt động 7
2.3.2 Đặc tính đóng cắt của MOSFET 9
2.4 CC THNG S THC T CA MOSFET. 11
: PHN TCH MCH NGHCH LU P MT PHA V IU CH
IN P U RA VI B LC 14
3.1 NGHCH LU P CU M PHA 14
3.2 IU CHA VBL 15
: THIT K MCH NGHCH LU DNG MOSFET 16
4.1 MT S LINH KIN S DNG TRONG MCH 16
4.1.1 Ic ổn áp nguồn 78xx 16
4.1.2 CD4047 17
4.1.3 IR2103 18
4.1.4 MOSFET IRFz44 20
4.2 S  NGUYN L VKHI TRONG M 21
4.2.1 Khối nguồn 21

4.2.2 Khối tạo xung 22
4.3.2 IR2103 và cầu nghịch lưu MOSFET 23
4.2.4 Sơ đồ mạch tổng thể và đi dây mạch in 24





2

 
1.1
1.1.1 
Nghịch lưu là việc biến đổi năng lượng điện từ nguồn điện một chiều thành năng lượng điện
xoay chiều. Ở trong đồ án này chúng ta chỉ xét đến nghịch lưu độc lập là việc nghịch lưu từ
các nguồn một chiều độc lập như ắc quy .
1.1.2 
a. Theo tham số điều khiển ngõ ra :
 Bộ nghịch lưu áp : điều khiển áp ra
 Bộ nghịch lưu dòng: điều khiển dòng ra
b. Theo tính chất nguồn :
 Bộ nghịch lưu áp nguồn áp
 Bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng
 Bộ nghịch lưu dòng nguồn áp
 Bộ nghịch lưu áp nguồn dòng
c. Theo quá trình chuyển mạch :
Bộ nghịch lưu với:
 QTCM cưỡng bức : linh kiện có khả năng kích đóng và ngắt (MOSFET, BJT, IGBT,
GTO)
 QTCM phụ thuộc : linh kiện chỉ kích đóng, quá trình ngắt phụ thuộc áp nguồn hoặc

tải
(Thyristor)
1.1.3 :
1 pha 120V / 60 Hz 220V/50Hz 115V/400 Hz
3 pha 120/208/60 Hz 220/380/50Hz 115/200/400 Hz
1.1.4 
 Bộ biến tần ( truyền động động cơ điện xoay chiều )
 Lò cảm ứng trung tần , hàn trung tần
3

 Nguồn xoay chiều trong gia đình , nguồn lưu điện (UPS), chiếu sáng (đèn huỳnh
quang cao tần)
 Bù nhuyễn công suất phản kháng
 Truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC)
:
Nguồn điện áp 1 chiều : có thể là acquy ( bình ) , pin điện hoặc từ nguồn điện áp xoay chiều
được chỉnh lưu và lọc phẳng.
Linh kiện bộ nghịch lưu : có khả năng kích đóng và kích ngắt nếu quá trình chuyển mạch là
cưỡng bức, hoặc Thyristor nếu quá trình chuyển mạch là phụ thuộc :
 Công suất nhỏ và vừa : sử dụng các khoá BJT , MOSFET, IGBT
 Công suất lớn : IGBT, GTO, Thyristor + Bộ chuyển mạch (chuyển mạch cưỡng
bức) hoặc Thyristor thường nếu quá trình chuyển mạch phụ thuộc.
 Diode mắc đối song: Tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều
dẫn ngược lại, cho phép trao đổi công suất ảo giữa tải xoay chiều với nguồn một
chiều và hạn chế quá áp khi kích ngắt các công tắc (chức năng bảo vệ linh kiện).
Điện áp ra có thể giữ không đổi hoặc thay đổi được ở tần số giữ cố định hoặc thay đổi được.
Điện áp ra được điều khiển bởi việc điều chỉnh giá trị điện áp nguồn DC nếu giữ độ lợi (gain)
bộ nghịch lưu không đổi. Nếu nguồn DC có trị số cố định không đổi thì điện áp ra thay đổi
bằng cách thay đổi độ lợi của bộ nghịch lưu ( ví dụ bằng phương pháp điều biến độ rộng
xung) . Độ lợi được định nghĩa là tỷ số giữa điện áp ra AC và điện áp vào DC. Điện áp ở ngõ

ra của một bộ nghịch lưu lý tưởng phải có dạng sin. Tuy nhiên dạng sóng của các bộ nghịch
lưu trên thực tế là không có dạng sin chuẩn (do linh kiện nghịch lưu là các khoá làm việc ở
chế độ đóng cắt) và chứa các sóng hài bậc cao. Các sóng hài này có thể gây ra nhiễu dưới
dạng lan truyền trong cáp dẫn hoặc dạng tia do bức xạ sóng điện từ, gây các ảnh hưởng không
tốt đến tải, nguồn và mạng viễn thông. Vì vậy các biện pháp sử dụng để chống nhiễu là cần
thiết : ví dụ các bộ lọc nguồn, thiết bị nghịch lưu được đặt trong tủ kim loại, sử dụng cáp
bọc. Với sự ứng dụng các linh kiện điện tử công suất tần số đóng ngắt cao, thành phần hài bậc
cao của áp ra có thể bị loại bỏ hoặc giảm bớt đáng kể bằng kỹ thuật đóng ngắt. Các thuật toán
PWM tối ưu được đề xuất phần lớn đều xét đến khía cạnh sóng hài.






4

 : 
2.1 
Mosfet là Transistor hiệu ứng trường ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor )
là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta đã
biết, Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh
kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợn cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu, Mosfet
được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn Monitor, nguồn máy tính .

Hình 2.1 Transistor hiệu ứng trường Mosfet
2.2 

Transistor trường MOS có hai loại:
1. transistor MOSFET có kênh sẵn

2. transistor MOSFET kênh cảm ứng.
Trong mỗi loại MOSFET này lại có hai loại là kênh dẫn loại P và kênh loại N .
 MOSFET kênh sẵn
Transistor trường MOSFET kênh sẵn còn gọi là MOSFET-chế độ nghèo (Depletion-Mode
MOSFET viết tắt là DE-MOSFET).Transistor trường loại MOS có kênh sẵn là loại transistor
mà khi chế tạo người ta đã chế tạo sẵn kênh dẫn

5


Hình 2.2 : Cấu tạo và kí hiệu của DE-MOSFET
 MOSFET kênh cảm ứng
Transistor trường loại MOS kênh cảm ứng còn gọi là MOSFET chế độ giàu (Enhancement-
Mode MOSFET viết tắt là E-MOSFET). Khi chế tạo MOSFET kênh cảm ứng người ta không
chế tạo kênh dẫn. Do công nghệ chế tạo đơn giản nên MOSFET kênh cảm ứng được sản xuất
và sử dụng nhiều hơn.

Hình 2.3 : Cấu tạo và kí hiệu của E-MOSFET




6

2.2.2 

Cấu tạo cơ bản và ký hiệu
mạch của MOSFET kênh
n được cho ở hình 2.4.
Phần chính của một

MOSFET có cấu trúc như
hai bản cực của một tụ
điện: một bản kim loại ở
phía trên được nối với
chân ra gọi là chân Cổng
[Gate] G, bản cực phía
dưới là phiến đế làm bằng
vật liệu bán dẫn Si tạp
dạng p, đôi khi đế được
nối với cực nguồn ở bên
trong MOS (MOS ba
chân), nhưng phần lớn,
cực đế được lấy ra bằng
một chân thứ tư có tên là
chân Đế [Bode] B, (có khi
còn gọi là cực SS
[Substrate]) để có thể cho
phép điều khiển bởi mức
điện thể của nó từ bên
ngoài. Lớp điện môi của
tụ chính là lớp cách điện
rất mỏng di ôxit Silicon
(SiO2), do cấu trúc như
vậy nên Cổng - Đế được
gọi là cấu trúc của tụ MOS
[Metal-Oxide-
Semiconductor]. Các chân
Nguồn [Source] S và
Máng [Drain] D, là các
chân được nối với các

vùng bán dẫn tạp dạng n+
đặt bên trong phiến đế, gọi là vùng Nguồn và vùng Máng tương ứng. Đối với một dụng cụ
bán dẫn kênh n, thì dòng điện được hình thành bằng các điện tử và vùng Nguồn và Máng
được cấu tạo bởi các vùng pha tạp đậm n+(vào khoảng 1020 cm
-3
) để có thể tiếp xúc tốt với
kênh dẫn. Người ta dùng phương pháp cấy ion để tạo ra vùng Nguồn và Máng sau khi cấu
trúcCổng đã được xác lập sao cho hai vùng này thẳng hàng với vùng Cổng, và để sự hình
thànhkênh dẫn được liên tục cần phải có sự chồng lấn giữa vùng Cổng với vùng Nguồn và
Cổng với Máng ở hai đầu kênh dẫn. Do cấu tạo của dụng cụ có tính đối xứng nên Nguồn và
Máng có thể thay thế lẫn nhau. Vùng bán dẫn giữa hai vùng Nguồn và Máng ngay phía dưới
Cổng được gọi là vùng kênh. Khoảng cách giữa hai tiếp giáp pn (vùng Nguồn-Đế và vùng
Máng-Đế) là chiều dài hiệu dụng của kênh L. và W là chiều rộng của kênh. Vùng đế là một
7

bán dẫn tạp kiểu ngược lại với hai vùng Nguồn và Máng (thường ở mức pha tạp loãng hơn)
để đảm bảo cách ly giữa hai vùng. Lớp ôxit (SiO2) được tạo ra bằng cách gia nhiệt ở nhiệt
độ cao để có các đặc tính bề mặt chung tốt nhất. Vật liệu làm Cổng thông dụng nhất là kim
loại hoặc polysilicon. Khi chiều dài kênh dẫn bằng 0,3µm, thì các thông số điển hình là: chiều
dày của lớp ôxit ≈ 10µm, mức pha tạp của vùng đế là ≈ 3x10
17
cm
-3
,độ dày tiếp giáp pn
giữa Máng-Đế và Nguồn-Đế là ≈ 0,2µm. Đối với mỗi loại kênh dẫn, thì mức ngưỡng của
điện áp cổng phải thích hợp để có thể làm biến đổi kênh dẫn. Nếu kênh dẫn biến mất tại điện
áp cổng bằng 0 (tức là kênh dẫn thường hở - normally OFF) thì MOSFET được gọi là dụng
cụ tăng cường kênh do điện áp cổng cần phải có cho sự “tăng cường” [enhance] hay làm giàu
kênh dẫn, (hình 3.1a, b). Nếu kênh là có sẵn tại điện áp cổng bằng 0 (tức thường kín - ON),
thì MOSFET được gọi là dụng cụ nghèo kênh vì điện áp cổng cần cho việc “làm suy kiệt”

[deplete] hay làm nghèo kênh dẫn, (hình 3.1b). Các điện áp và dòng điện của MOSFET kênh
n cũng đã được xác định rõ trên hình 3.1b.
Dòng Máng iD, dòng Nguồn iS, dòng Cổng iG, và dòng đế iB được xác định với chiều dương
của dòng được chỉ rõ cho một transistor MOSFET kênh n. Các điện áp giữa các cực quan
trọng là điện áp Cổng-Nguồn: vGS = vG - vS , điện áp Máng-Nguồn: vDS = vD - vS , và
điện áp Nguồn-Đế: vSB = vS - vB . Tất cả các điện áp này đều có giá trị ≥ 0 trong chế độ hoạt
động thông thường của N MOSFET.
Chú ý rằng: các vùng Nguồn và Máng tạo thành tiếp giáp pn với vùng Đế. Hai tiếp giáp này
luôn luôn được giữ ở điều kiện phân cực ngược để có sự cách ly giữa các tiếp giáp của
transistor MOS. Vì vậy, điện áp Đế phải nhỏ hơn hoặc bằng với điện áp ở các cực Nguồn và
Máng để đảm bảo cho các tiếp giáp pn được phân cực ngược một cách thích hơp, tức: iB ≈
0. Ngoài ra, Cổng phải là một bản cực kim loại để có tiếp xúc mặt nhưng vẫn được cách
điện với vùng kênh qua lớp SiO2, hay nói cách khác là không có kết nối điện trực tiếp giữa
cực Cổng và kênh dẫn ở MOSFET, nên MOSFET là một dụng cụ có trở kháng vào rất cao,
bởi vì dòng Cổng rất nhỏ, iG ≈ 0 ở cấu hình phân cực dc. Vì lý do này mà đôi khi
MOSFET còn có tên gọi là FET có cổng cách ly hay IGFET [Insulated-Gate FET].
2.3 

Nguyên tắc hoạt động của MOSFET kênh loại P và MOSFET kênh loại N giống nhau nhưng
cực tính nguồn cung cấp ngược nhau. MOSFET kênh có sẵn (loại N). Khi transistor làm việc
thông thường cực nguồn S được nối với đế của linh kiện và nối đất nên US = 0. Các điện áp
đặt vào các chân cực cửa G và cực máng D là so với chân cực S. Các chân cực đ-ợc cấp
nguồn sao cho dòng điện chạy từ cực S tới cực D, điện áp trên cực cửa sẽ quyết định
MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hay nghèo hạt dẫn. Khi UGS = 0 trong mạch vẫn có
dòng điện cực máng (dòng các hạt điện tử) nối giữa cực S và cực D. Khi UGS > 0 điện tử bị
hút vào vùng kênh đối diện với cực cửa làm giàu hạt dẫn cho kênh, tức là làm giảm điện trở
của kênh do đó tăng dòng cực máng ID. Chế độ làm việc này gọi là chế độ giàu của
MOSFET. Khi UGS < 0 qúa trình xảy ra ngược lại, tức là điện tử bị đẩy ra xa kênh dẫn làm
điện trở của kênh tăng lên, do vậy dòng cực máng ID giảm. Chế độ này gọi là chế độ nghèo
hạt dẫn của MOSFET.

8


Hình 2.5 Họ đặc tuyến ra của Mosfet kênh có sẵn loại n
MOSFET kênh cảm ứng (loại N).Loại MOSFET này kênh dẫn chỉ xuất hiện trong quá trình
làm việc. Khi UGS = 0, kênh dẫn không tồn tại, dòng ID = 0. Khi UGS > 0 tại vùng đế đối
diện cực cửa xuất hiện các điện tử tự do và hình thành kênh dẫn nối giữa nguồn và máng. Độ
dẫn điện của kênh phụ thuộc vào UGS. Như vậy, MOSFET kênh cảm ứng chỉ làm việc với
một loại cực tính của UGS và chỉ ở chế độ giàu. Dưới đây là hình minh hoạ cho các trường
hợp trên với từng loại EMOSFET.

Hình 2.6 Kênh dẫn trong EMOSFET
9


Hình 2.7 họ đặc tuyến ra MOSFET kênh cảm ứng loại N
2.3.2 
Trong tranzito MOSFET có các tụ điện dung kí sinh làm giảm tốc độ chuyển mạch do cần
thời gian nạp và phóng chúng. Ta có thể phân ra :
Điện dung cổng-nguồn C
GS
có điện môi là lớp oxit cách điện của cổng. Điện dung này ít
nhạy với điện áp V
DS
Điện dung cổng –máng C
GD
tính đến vùng điện tích không gian hình thành trong vùng P
dưới cổng. Điện dung này thay đổi nhiều với điện áp V
DS
từ một giá trị so sánh được với C

GS

khi V
DS
nhỏ ( MOSFET khóa ) sang giá trị nhỏ có thể bỏ qua khi MOSFET bị khóa với V
DS

lớn như trên hình
Điện dung máng nguồn C
DS
ảnh hưởng ít quan trọng.
Điện dung vào : C
i
= C
GS
+ C
GS


Hình 2.8 Điện dung kí sinh của MOSFET
10

Trên hình 2.9 cho quan hệ của điện áp V
GS
theo điện tích của Q
G
ở cổng do dòng I
G
khi mồi.
Bắt đầu ở trạng thái khóa V

GS
bằng không , V
DS
có giá trị E là nguồn nuôi. Trên biểu đồ này
ta có thể phân biệt ba đoạn:
Đoạn OA ứng với điện tích của điện dung vào với điện áp V
DS
. Điện dung C
i
hơi khác với
C
GS
. Điện tích cần cung cấp cho dòng điện máng I có thể chạy qua kênh phụ thuộc vào dòng
điện này.
Đoạn AB ứng với việc giảm V
DS
từ E đến V
DSON
. Điện áp V
GS
không thay đổi. Điện tích
cung cấp dùng để làm thay đổi điện áp trên các cực của C
GD
. Điện áp này càng lớn khi trị số
ban đầu E của V
DS
đã lớn.
Đoạn BC ứng với điện tích của điện dung vào, tranzito đang dẫn. Điện dung này bằng C
Gs
+

C
GDON
độc lập với E và I. Đường nét đứt OA’B’C’ ứng với dòng điện I’ > I, đường nét chấm
gạch OAB’’C” ứng với điện áp E’ > E.
Để dập tắt một tranzito như hình 2.10 cho thấy , phải thoát các điện tích thừa dư (đoạn CF),
sự phóng của C
GD
trong khi điện áp giảm (đoạn FH) và sự hóng điện của C
GS
trong khi dòng
điện giảm (đoạn HJ). Lượng điện tích Q’
3
phải thoát bằng cổng trong thời gian dập tắt.
Ta nhận thấy trong khi giảm chiều dày của lớp oxit bao quanh lưới , ta được tranzito có điện
áp ngưỡng tương đối thấp để có thể điều khiển trực tiếp băng các mạch logic nguồn nuôi 5V .
Đó là các 

FET (Logic Level Gate FET ), điện dung C
GD
của chúng cao hơn.
 Chuyển mạch đóng
Ta xét trường hợp MOSFET được mắc nối tiếp vào một tải điện cảm, D là diot thoát, điện áp
đặt vào là E. Giả thiết dòng điện I không đổi trong quá trình chuyển mạch.
Ở t = 0, điện á điểu khiển V
i
chuyển từ 0 sang E’ (hình 2.11 b). Điện dung vào của tranzito bị
khóa được nạp qua điện trở R
i
. Điện áp V
GS

đạt tới ngưỡng ở t = t
1
.
11

Bắt đầu từ t = t
1
, dòng i
D
tăng. Khi chưa đạt đến giá trị I, diot tiếp tục dẫn và điện áp V
DS
= E.
Dòng điện trong diot giảm ở t = t
2
.

Bắt đầu từ t = t
2
dòng điện phục hồi của diot bổ sung vào I tạo ra một điểm của dòng i
D
. Đồng
thời điện áp V
DS
giảm và đạt giá trị V
DCON.I
ở t = t
3
, sự chuyển mạch kết thúc.
Điện áp điều khiển ít nhất là phải bằng V
GS

trong khoảng t
2
và t
3
, tuy nhiên để an toàn phải
chọn lớn hơn và sau thời điểm t
3
, và sau thời điểm t
3
, điện dung vào của MOSFET đang dẫn
tiếp tục nạp và V
GS
tăng đến E’.
Thời gian chuyển mạch bằng tổng thời gian trễ do điện áp ngưỡng, thời gian tăng trưởng của
dòng điện và thời gian giảm điện áp. Để giảm thời gian này, với một MOSFET đã cho cần
giảm điện trở R
i
của mạch điều khiển và sử dụng diot nhanh có thời gian phục hồi rất ngắn.
 Chuyển mạch khóa
Giả thiết MOSFET nằm trong mạch trên hình 2.11a như trước. Hình 4.39c cho các dạng điện
áp V
GS
, V
DS
và dòng điện i
D
, bắt đầu từ thời điểm t = 0, ở đó điện áp điều khiển V
i
’ từ E’ đến
0 . Điện dung vào phóng qua tải.

Từ t = 0 đến t = t’, cổng thoát điện áp V
DS
tăng nhưng dòng i
D
vẫn bằng I bởi vì điện áp trên
cực điot vẫn còn âm. Từ t = t
2
’ đến t = t
3
, dòng điện I được chuyển từ tranzito qua diot.
Tranzito bị khóa ở t =t
3
’, điện dung vào tiếp tục phóng để đưa V
GS
= 0.
Khi giảm R
i
có thể giảm hằng số thời gian của mạch phóng của điện dung vào và giảm thời
gian dập tắt t
off
.
 Nhận xét
Các điện dung kí sinh có trị số vài trăm pF, do đó có thể nên chuyển mạch rất ngắn và tần số
giới hạn khoảng vài trăm kilohec.
Biến thiên nhanh của dòng i
D
trong các chuyển mạch, nếu có điện cảm kí sinh trọng mạch gây
nên biến thiên rất lớn của điện áp V
DS
. Điện áp này giảm trong khoảng t

1
t
2
và tăng trong
khoảng t
1
’ t
3
’. Cần phải bảo vệ MOSFET chống quá áp khi dập tắt.
2.4  .
1. Drain-to-Source Breakdown Voltage: đây là điện áp một chiều lớn nhất cho phép trên
cực Drain và Source. Khi tính toán thường lấy hệ số an toàn về điện áp là 1.5 trở lên.
2. Continuous Drain Current dòng điện một chiều liên tục lớn nhất chảy qua mosfet,
giới hạn bởi tổn hao dẫn , thường cho ở 25°C và 100°C .
3. Pulsed Drain Current: Dòng điện xung lớn nhất chảy qua mosfet, phụ thuộc vào độ
rộng xung,giới hạn bởi diện tích an toàn(Safe Operating Area-SOA).Trong quá trình
quá độ , van hay phải làm việc ở vùng dòng điện trên định mức này trong thời gian
ngắn, nếu SOA bị vi phạm thì phải áp dụng khởi động mềm.
12

4. Gate-to-Source Voltage: Điện áp điều khiển giữa cực Gate và Souce, thường lớn nhất
là 20V,thực tế hay đặt khoảng 10V,khi mosfet hoạt động xảy ra hiện tượng điện áp
điều khiển bị tăng cao do ảnh hưởng của điện dung ký sinh giữa cực Drain và
Gate,khi tính toán nếu thấy điện áp này tăng cao cần thêm một diode zener mắc giữa
cực Gate và Souce.
5. Max. Power Dissipation:Công suất tiêu tán lớn nhất trong điều kiện làm mát tốt nhất
và ở một nhiệt độ nhất định, thường cho ở 25°C , dựa vào Linear Derating Factor có
thể tính ra công suất tiêu tán nhiệt ở các nhiệt độ khác.Công suất tiêu tán trên thực tế
phụ thuộc chủ yếu vào dạng đóng vỏ và điều kiện làm mát, và bé hơn nhiều giá trị
định mức.Vd: Loại IRF-540N, dạng vỏ TO-220, datasheet cho Max. Power

Dissipation =130W tại 25°C,nhưng trong điều kiện làm mát cánh tản nhiệt và quạt
cưỡng bức tốt nhất thì thường chỉ nên lấy tối đa 50W. Tất cả các loại van khác có
cùng dạng đóng vỏ này cũng không được chọn quá 50W.
6. Linear Derating Factor: Hệ số suy giảm công suất toả nhiệt theo nhiệt độ, khoảng
0.7-2.5W/°C.
7. Operating Junction and Storage Temperature Range: giới hạn nhiệt độ của lớp tiếp
giáp,thường là -55 đến +175°C. Quá thang nhiệt độ này van sẽ hỏng.
8. Peak Diode Recovery dv/dt: Giới hạn tốc độ tăng điện áp trên diot mắc giữa cực
Drain và Souce,thường <5V/ns, khi quá giá trị này van sẽ hỏng. Sở dĩ có thông số
này là vì trong van tồn tại các giá trị điện dung và điện cảm ký sinh. Khi có biến thiên
điện áp ,các yếu tố này sẽ tương tác, tạo ra một sđđ đủ lớn để phá hỏng các lớp tiếp
giáp trong van.
9. Static Drain-to-Source On-Resistance: Điện trở biểu kiến ở trạng thái dẫn, đây là
thông quyết định đến tổn hao dẫn, thông số này phụ thuộc nhiều vào điện áp chịu
đựng của van và nhiệt độ lớp tiếp giáp ,tăng khi nhiệt độ lớp tiếp giáp tăng , và tăng
nhanh khi điện áp định mức tăng. Có lẽ đây là lý do tại sao mosfet ít được chế tạo ở
cấp điện áp trên 1000V.
10. Rise Time và Fall Time: thời gian chuyển mạch của van tương ứng từ trạng thái khoá
sang trạng thái dẫn và ngược lại , được trình bày trong giản đồ dưới đây.Đây là thông
số quyết định đến tổn hao chuyển mạch , là thông số quan trọng khi đánh giá chất
lượng của van, khi tính toán mạch điều khiển thì Rise Time và Fall Time của xung
điều khiển phải bé hơn các thông số này của van.
11. Total Gate Charge: Điện tích tổng cộng của các tụ điện ký sinh trên cực Gate tại một
giá trị Uđk nhất định, thường cho ở 10V, đây chính là điện tích mà mạch điều
khiển(gate driver) phải nạp hoặc xả cho các tụ này trong quá trình đóng hay mở
van.Bởi vậy mà mạch điều khiển đôi khi còn được gọi là Gate charge.Thông số này
quyết định đến giá trị Ipgeak của mạch điều khiển, điện tích này càng lớn thì Ipgeak
càng phải lớn để đảm bảo các tụ này được nạp trong thời gian xác định. Thường
Ipgeak trong khoảng 0.5-2A
13

Hình 2.12 : Thông số trong datasheet của IRF Z44

14

 : ch ngh u ch 
u ra vi b lc

3.1 Nghch  cu mt pha

Hình 3.1 Sơ đồ ngịch lưu cầu
Sơ đồ gồm 4 van động lực chủ yếu là T1 , T2 , T3, T4 và các điôt D1, D2, D3, D4 dùng để trả
công suất phản kháng của tải về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn.
Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn 2 chiều (nguồn
một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo một chiều). Như vậy tụ C
thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn
đầu vào là nguồn áp (giá trị C càng lớn nội trở càng nhỏ , và điện áp đầu vào được san
phẳng).
Ở nửa chu kì đầu cặp van T1, T2 dẫn điện , phụ tải được đấu vào nguồn. Do nguồn là nguồn áp
nên điện áp trên tải U1 = E . Tại thời điểm , T1 và T2 bị khóa , đồng thời T3 và T4 mở ra . tải sẽ
được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại , tức là dấu điện áp trên tải sẽ ngược lại và U1 = -E tại
thời điểm . Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ , T1, T2 bị khóa nên
dòng phải khép mạch qua D3 , D4 . Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng
lượng thông qua D2, D4 về tụ C.
Tương tự như vậy khi khóa cặp T3, T4 dòng tải sẽ khép mạch qua D1, D2.


15

Hình 3.2 Đồ thị nghịch lưu cầu một pha
3.2 u ch u ra vi b lc
Bộ lọc LC được dùng để lọc các thành phần sóng hài bậc cao . Mạch lọc LC
là mạch lọc có khả năng lọc tốt nhất, có khả năng lọc được nhiều tần số theo ý
muốn. Nhược điểm lớn nhất của mạch lọc là giá thành và sự vận hành của mạch .Chúng
ta biết rằng cuộn cảm có trở kháng tỷ lệ với tần số (Z
L
= ω L) còn tụ điện có trở
kháng tỷ lệ nghịch với tần số nguồn điện (Z
C
= 1/ ω C), vì vậy kết hợp hai phần tử
này ta sẽ có bộ lọc . Cuộn cảm L mắc nối tiếp với tải sẽ chặn lại những thành
phần tần số cao, tụ điện C mắc song song với tải sẽ cho qua (nối mat) những thành
phần tần số cao mà cuộn cảm
không chặn lại được.



16


Hình 3.3 Mạch lọc LC
IV : Thit k mch nghMOSFET
4.1 Mt s linh kin s dng trong mch
4.1.1 Ic n 78xx
Ic ổn áp là là ic được dùng trong mạch nguồn sau nhằm cố định điện áp . Dòng ic tạo điện áp
dương thông dụng là 78xx với xx là điện áp đầu ra .
Đặc điểm :

 Dòng cực đại có thể duy trì 1A.
 Dòng đỉnh 2.2A.
 Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W

 Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W
Công suất tiêu tán trên ổn áp nối tiếp được tính như sau:
P
d
= (U
i
– U
o
) * I
Trong đó:
U
i
- áp lối vào
U
o
- áp lối ra
I - dòng sử dụng

Nếu đặt Ui quá cao làm công suất tiêu tán trên IC lớn sẽ làm giảm hiệu suất
Tuy nhiên lưu ý cần giữ áp vào lớn hơn áp ra khoảng 2V cho IC hoạt động bình thường. Ví
dụ dùng 7805 thì cần có lối vào ít nhất là 7V.
Chênh lệch áp vào ra tối thiểu 2V (U
i
– U
o
) =



= 2 V

17



Hình 4.1 Hình dạng và sơ đồ chân của 7805 dạng chân cắm TO-220AB
4.1.2 CD4047
Chức năng: tạo sóng vuông hai nửa chu kỳ.

Hình 4.2 Sơ đồ chân CD4047

Đây là ic gồm 14 chân đóng gói dạng dip 100T. Điện áp hoạt động trongkhoảng từ 3V đến
15V. Chúng ta cần quan tâm tới chức năng của các chân sau:
 1 đầu vào tụ C
 2 đầu vào điện trở R
 3 đầu vào R-C tạo dao động với tần số định sẵn
 10 đầu ra xung vuông bán chu kỳ dương
 11 đầu ra xung vuông bán chu kỳ âm
 7 cấp nguồn âm
 14 cấp nguồn dương
Tần số của xung vuông ra được tính theo công thức: T = 2.48RC
:
18


Hình 4.3 Sơ đồ khối bên trong IC4047

Hình 4.4 Các kiểu đóng gói chân của 4047
4.1.3 IR2103

IR2103 là ic chuyên dụng được thiết kế để điều khiển nửa cầu MOSFET hoặc IGBT kênh N.
 Sử dụng kĩ thuật “ bootstrap”.
 Có thể điều khiển mạch lực lên tới 600V.
 Nguồn cấp từ 10 V đến 20 V.
 Bảo vệ thiếu áp.
 Tương thích 3.3v , 5v, 15v logic.
 Tích hợp “deadtime” trong ic .

19


Hình 4.5 Sơ đồ khối bên trong IR2103

Hình 4.6 Các kiểu đóng gói chân của IR2103


Hình 4.5 Sơ đồ kết nối IR2103 và FET điều khiển nửa cầu



4.1.4 MOSFET IRFz44
Có hai lựa chọn chính cho việc sử dụng khoá đóng cắt công suất trong điều khiển đông cơ đó là
MOSFET và IGBT. Cả hai loại MOSFET và IGBT đều là linh kiện được điều khiển bằng điện
áp, nghĩa là việc dẫn và ngưng dẫn của linh kiện được điều khiển bằng một nguồn điện áp nối
với cực gate của linh kiện thay vì là dòng điện trong các bộ nghịch lưu sử dụng transitor như
trước đây. Vì vậy cách sử dụng loại linh kiện này làm cho việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn.

Thông thường MOSFET được sử dụng với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao, tuy nhiên MOSFET
không có khả năng chịu dòng điện cao. Trong khi đó IGBT thích hợp với các ứng dụng ở tốc độ
thấp, tuy nhiên IGBT có khả năng chịu được dòng điện cao. Với yêu cầu của đồ án ta chọn
MOSFET.
Các yêu cầu chính đặt ra cho linh kiện sử dụng làm bộ nghịch lưu :
 Điện áp V
DS
> V
dc
= 24V
 Dòng điện qua MOSFET > dòng định mức của tải .
 R
ds
nhỏ
 Chịu được tần số đóng ngắt cao.
Với yêu cầu đó ta chọn MOSFET kênh N IRFz44
 V
ds
max = 60V
 R
ds
= 0.024Ω
 I
d
= 50A


Hình 4.6 Sơ đồ chân IRFz449
Trên lí thuyết khi được thông mạch thì I
MOSFET

=


=


= 24 (mA).




 ngui trong mn
4.2.1 Khi ngun
Hình 4.7 Khối nguồn
Hình 4.7 là sơ đồ nguyên lí của khối nguồn trong mạch.
Dòng xoay chiều 220v qua biến áp thành dòng xoay chiều 24v sẽ được đưa vào cầu điôt để chỉnh
lưu cầu 1 pha sau đó đưa qua phía ic ổn áp.
Sơ đồ dùng ic ổn áp 7824,7812,7805 mắc nối tiếp nhau theo sơ đồ cơ bản trong datasheet nhằm
tạo ra mức điện áp dương 24v,12v và 5v.
Các tụ đặt trước và sau ic 78xx có tác dụng lọc , san phẳng điện áp.
Các đèn led D1,D2, D3 báo hiệu nguồn 5v,12v,24v. Vì led chỉ chịu được dòng tối đa vào khoảng
25mA nên cần có các trở R1, R2 , R3 để hạn dòng.
 D1 : I
1
=



= 0.5 (mA)
 D2 : I

1
=



= 1.13 (mA)
 D3 : I
1
=



= 4.3 (mA)



4.2.2 Khi to xung

Hình 4.8 Khối tạo xung
IC 4047 được mắc theo sơ đò trên sẽ phát ra sóng vuông với hai nửa chu kỳ lệch pha nhau 180˚
. Để tần số hoạt động là 50Hz tính toán theo công thức T=2,48RC ta được thông số R,C như
sau: R=47K,C=0,1uF.
Tín hiệu từ 2 chân 10 và 11 sẽ được đưa vào ic 74HC02 là ic tích hợp 4 cổng NOR nhằm tạo ra 4
tín hiệu điều khiển L1, H1, L2 và H2. Sở dĩ phải làm vậy vì mỗi IR2103 điều khiển nửa cầu cần
2 tín hiệu để điều khiển 2 MOSFET.
Q



L1

H1
L2
H2
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0

u nghMOSFET

Hình 4.9 IR2103 điều khiển nửa cầu.
Mạch cầu MOSFET nghịch lưu sử dụng hai IR2103 , mỗi một IR2103 điều khiển 2 MOSFET.
Như trong hình 4.9 là IR2103 điều khiển MOSFET Q1 và Q4, mạch điều khiển 2 MOSFET Q2
và Q3 cũng tương tự . Khi tín hiệu HIN là mức cao thì IR2103 sẽ kích đóng MOSFET Q1, còn
khi 





là mức thấp thì MOSFET Q4 sẽ được kích mở. Tụ C11 là tụ “ boot trap” được IR2103
sử dụng để kích đóng FET Q1. Sở dĩ phải dùng tụ “boot trap” là vì để kích được FET ta cần có
V
GS
> 0 , với Q4 thì rất dễ dàng vì thế của cực S của Q4 là cố định bằng 0 , nhưng với FET Q1
thì thế tại cực S không cố định khi Q1 dẫn thì vì R
DS
nên thế tại S lên gần bằng điện áp nguồn là
24 V . Vì vậy IC dùng tụ (được nạp khi Q4 được kích đóng ) làm nguồn kích Q1 đóng. Sơ dồ
mạch có thể đơn giản hơn khi dùng 2 MOSFET khác nhau là 2 loại N và hai loại P. Tuy nhiên,
một nhược điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DS của nó lớn hơn MOSFET loại N. Vì
thế, dù được thiết kế tốt, MOSFET kênh P trong các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET thường bị
nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại N, công suất mạch cũng bị giảm phần nào. Hơn nữa khi sử
dụng IR2103 để điều khiển 4 MOSFET lại N còn có ưu điểm là có tích hợp sẵn “dead time” là

việc tạo thời khoảng thời gian trễ lúc chuyển mạch nên tránh được hiện tượng trùng dẫn, hơn
nữa nếu tín hiệu đầu vào 





là mức thấp và HIN là mức cao tức là yêu cầu cả 2 MOSFET Q1
và Q4 cùng dẫn là trường hợp không được xảy ra thì IR2103 sẽ không dẫn làm mạch có độ tin
cậy cao hơn.


Như vậy tín hiệu từ khối tạo xung sẽ tạo ra kết quả là :
Q



U
tải
1
0
Q1, Q2 dẫn U
tải
= 24 V
0
1
Q3,Q4 dẫn U
tải
=-24 V
Do đó U

tải
là dòng xoay chiều 24 V có tần số 50Hz dạng sóng vuông .
 mch tng th   mch in

Hình 4.10 Sơ đồ đi dây mạch in.