Thiết kế mạch nghịch lưu

PHỤ LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại ngày nay điện tử công suất đóng một vai trò hết sức quan
trọng trong đời sống. Việc biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác nhờ các
mạch công suất được ứng dụng rộng rãi. Đặc biệt nhờ có sự phát triển của van bán
dẫn công suất mà lĩnh vực này ngày càng phát triển mạnh mẽ.Ta có thể phân loại
thành một số dạng biến đổi sau: AC→DC (Chỉnh lưu) ; DC→AC (Nghịch lưu)
AC→AC (Điều chỉnh điện áp xoay chiều); DC→DC (Điều chỉnh điện áp một
chiều). Mỗi nhóm trên đều có những ứng dụng riêng của nó trong từng lĩnh vực cụ
thể
Quá trình thực hiện đồ án này dưới sự hướng dẫn của thầy Tạ Hùng Cường
chúng em đi sâu tìm hiểu mảng biến đổi năng lượng một chiều ra năng lượng xoay
chiều mà cụ thể là mạch kích điện áp 12V một chiều lên điện áp 220V xoay chiều
công suất 300W. Mạch này được ứng dụng nhiều trong đời sống sinh hoạt. Mạch
có nhiêm vụ cung cấp nguồn năng lượng cho tải khi xảy ra sự cố mất điện.Do thời
gian thực hiện không nhiều nên còn nhiều hạn chế.Chúng em sẽ tiếp tục tìm hiểu và
phát triển mở rộng hơn nữa các ứng dụng của mạch sau này.
Trong thời gian thực hiện đồ án vừa qua em xin chân thành cảm ơn sự hướng
dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy Tạ Hùng Cường. Thầy đã giúp chúng em có được
thêm nhiều những kiến thức và kinh nghiệm quý báu để phục vụ cho việc học tập
cũng như cho công việc trong tương lai. Sau đây chúng em xin trình bày về những
kiến thức chúng em đã tìm hiểu được trong thời gian vừa qua. Vì kiến thức còn hạn
chế và thời gian tìm hiểu cũng chưa nhiều nên đồ án của em không thể tránh khỏi
sai sót. Vậy em rất mong sự góp ý từ thầy để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

1


CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Các linh kiện bán dẫn công suất
1.1.1. Mosfet
● Giới thiệu về Mosfet

Hình 1.1: Transistor hiệu ứng trừơng Mosfet
Mosfet, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor"
trong tiếng Anh, có nghĩa là "transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn",
là một thuật ngữ chỉ các transistor hiệu ứng trường được sử dụng rất phổ biến trong
cácmạch số và các mạch tương tự.
Transistor MOSFET được xây dựng dựa trên lớp chuyển tiếp Oxit Kim loại
và bán dẫn (ví dụ Oxit Bạc và bán dẫn Silic) [1]
MOSFET có hai loại:
+ N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bên
trong vẫn tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input.
+ P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế
vào ngỏ Gate
● Cấu tạo và kí hiệu

2


Hình 1.2: Cấu tạo và kí hiệu

G: Gate gọi là cực cổng
S: Source gọi là cực nguồn
D: Drain gọi là cực máng
Trong đó : G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn
còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic
(Sio2). Hai cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đón các

hạt mang điện.
Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng
lớn, còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G
và cực S ( UGS ) Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS >
0 => do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì
điện trở RDS càng nhỏ.
● Nguyên lý hoạt động
Xét loại kênh dẫn n.
- Để JFET làm việc ta phân cực cho nó bởi 2 nguồn điện áp: UDS > 0 và UGS <
0.
- Giữa cực D và cực S có một điện trường mạnh do nguồn điện cực máng UDS
cung cấp, nguồn này có tác dụng đẩy các hạt điện tích đa số (điện tử) từ cực nguồn
S tới cực máng D, hình thành nên dòng điện cực máng ID
- Điện áp điều khiển UGS < 0 luôn làm cho tiếp giáp p-n bị phân cực ngược, do
đó bề rộng vùng nghèo tăng dần khi UGS < 0 tăng dần. Khi đó tiết diện dẫn điện
giảm dần, điện trở R kênh dẫn tăng lên làm dòng ID giảm xuống và ngược lại.
3


Như vậy: điện áp điều khiển UGS có tác dụng điều khiển đối với dòng điện cực
máng ID.
- Trường hợp: UDS > 0, UGS = 0 trong kênh dẫn xuất hiện dòng điện ID có giá
trị phụ thuộc vào UDS.
- UDS > 0, UGS < 0 tăng dần, bề rộng vùng nghèo mở rộng về phía cực D vì
với cách mắc như hình vẽ thì điện thế tại D lớn hơn điện thế tại S do đó mức độ
phân cực ngược tăng dần từ S tới D → tiết diện kênh dẫn giảm dần làm cho dòng
ID giảm dần.
* Thí nghiệm về nguyên lý hoạt động của Mosfet
Cấp nguồn một chiều UD qua một bóng đèn D vào hai cực D và S của
Mosfet Q (Phân cực thuận cho Mosfet ngược) ta thấy bóng đèn không sáng nghĩa là

không có dòng điện đi qua cực DS khi chân G không được cấp điện.
Khi công tắc K đóng, nguồn UG cấp vào hai cực GS làm điện áp UGS > 0V => đèn
Q1 dẫn => bóng đèn D sáng.
Khi công tắc K ngắt, Nguồn cấp vào hai cực GS = 0V nên. Q1 khóa ==>Bóng đèn
tắt.
Từ thực nghiệm trên ta thấy rằng : điện áp đặt vào chân G không tạo ra dòng
GS như trong Transistor thông thường mà điện áp này chỉ tạo ra từ trường => làm
cho điện trở RDS giảm xuống.
* Các thông số thể hiện khả năng đóng cắt của Mosfet
Thời gian trễ khi đóng/mở khóa phụ thuộc giá trị các tụ kí sinh Cgs.Cgd,Cds.
Tuy nhiên các thông số này thường được cho dưới dạng trị số tụ Ciss, Crss,Coss.
Nhưng dưới điều kiện nhất đinh như là điện áp Ugs và Uds. Ta có thể tính được giá
trị các tụ đó.
● Xác định chân, kiểm tra-Mosfet
Thông thường thì chân của Mosfet có quy định chung không như Transitor.
Chân của Mosfet được quy định: chân G ở bên trái, chân S ở bên phải còn chân D
ở giữa.
* Kiểm tra Mosfet
Mosfet có thể được kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng . Do có cấu tạo hơi khác
so với Transitor nên cách kiểm tra Mosfet cũng không giống với Transitor.
- Mosfet còn tốt.
4


Là khi đo trở kháng giữa G với S và giữa G với D có điện trở bằng vô cùng
( kim không lên cả hai chiều đo) và khi G đã được thoát điện thì trở kháng giữa D
và S phải là vô cùng.
Bước 1 : Chuẩn bị để thang x1KW
Bước 2 : Nạp cho G một điện tích ( để que đen vào G que đỏ vào S hoặc D )
Bước 3 : Sau khi nạp cho G một điện tích ta đo giữa D và S ( que đen vào D

que đỏ vào S ) => kim sẽ lên.
Bước 4 : Chập G vào D hoặc G vào S để thoát điện chân G.
Bước 5 : Sau khi đã thoát điện chân G đo lại DS như bước 3 kim không lên.
=> Kết quả như vậy là Mosfet tốt.
- Mosfet chết hay chập
Bước 1 : Để đồng hồ thang x 1KW.
Đo giữa G và S hoặc giữa G và D nếu kim lên = 0 W là chập.
Đo giữa D và S mà cả hai chiều đo kim lên = 0 W là chập D S.
- Đo kiểm tra Mosfet trong mạch
Khi kiểm tra Mosfet trong mạch , ta chỉ cần để thang x1W và đo giữa D và
S. Nếu 1 chiều kim lên đảo chiều đo kim không lên => là Mosfet bình thường, Nếu
cả hai chiều kim lên = 0 W là Mosfet bị chập DS
● Ứng dung của Mosfet trong thực tế.
Mosfet trong nguồn xung của Monitor

5


Hình 1.3: Mosfet trong nguồn xung
Trong bộ nguồn xung của Monitor hoặc máy vi tính, người ta thường dùng
cặp linh kiện là IC tạo dao động và đèn Mosfet, dao động tạo ra từ IC có dạng xung
vuông được đưa đến chân G của Mosfet, tại thời điểm xung có điện áp > 0V => đèn
Mosfet dẫn, khi xung dao động = 0V Mosfet ngắt => như vậy dao động tạo ra sẽ
điều khiển cho Mosfet liên tục đóng ngắt tạo thành dòng điện biến thiên liên tục
chạy qua cuộn sơ cấp => sinh ra từ trường biến thiên cảm ứng lên các cuộn thứ cấp
=> cho ta điện áp ra.

6

1.1.2. Triac
TRIAC (viết tắt của TRIode for Alternating Current) là phần tử bán dẫn gồm
năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như ởthyristor theo cả hai chiều giữa các
cực T1 và T2, do đó có thể dẫn dòng theo cả hai chiều giữa T1 và T2. TRIAC có
thể coi tương đương với hai thyristor đấu song song song ngược.để điều khiển
Triac ta chỉ cần cấp xung cho chân G của Triac.
● Cấu tạo
Triac là một linh kiện bán dẫn có ba cực năm lớp, làm việc như 2 Thyristor
mắc song song ngược chiều, có thể dẫn điện theo hai chiều.

Hình 1.4: Cấu tạo Triac
Triac có bốn tổ hợp điện thế có thể mở cho dòng chảy qua:

7


8


● Đặc tuyến
Đặc tuyến Volt – Ampe gồm hai phần đối xứng nhau qua gốc O, mỗi phần
tương tự đặc tuyến thuận của Thyristor.
Đặc tính Volt-Ampere của TRIAC bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư
thứ nhất và thứ ba (hệ trục Descartes), mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của
một thyristor.
TRIAC có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào
cực điều khiển) lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển).Tuy nhiên xung dòng
điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là để mở được TRIAC sẽ cần một dòng
điều khiển âm lớn hơn so với dòng điều khiển dương.Vì vậy trong thực tế để đảm
bảo tính đối xứng của dòng điện qua TRIAC thì sử dụng dòng điện dương là tốt

hơn cả.

Hình 1.5: Đặc tuyến của TRIAC

9


● Ứng dụng

Hình 1.6: Mạch điều khiển dòng điện qua tải dùng triac
Triac kết hợp với quang trở Cds để tác động theo ánh sáng. Khi Cds được
chiếu sáng sẽ có trị số điện trở nhỏ làm điện thế nạp được trên tụ C thấp và
diac không dẫn điện, triac không được kích nên không có dòng qua tải. Khi Cds bị
che tối sẽ có trị số điện trở lớn làm điện thế trên tụ C tăng đến mức đủ để triac dẫn
điện và triac được kích dẫn điện cho dòng điện qua tải. Tải ở đây có thể là các loại
đèn chiếu sáng lối đi hay chiếu sáng bảo vệ, khi trời tối thì đèn tự động sáng.
Chú ý khi sử dụng: Những dụng cụ điện tải thuần trở làm việc tốt với các giá
trị trung bình nhờ tác dụng san làm đồng đều. Nhưng các dụng cụ điện tải điện
kháng sẽ bị ảnh hưởng đáng kể, ví dụ động cơ sẽ bị phát nóng hơn mức bình
thường, tiêu tốn năng lượng cao hơn.
Kết luận: Triac có ưu điểm trong mọi vấn đề như gọn nhẹ, rẻ tiền … Dùng
Triac làm biến dạng sin là nhược điểm chính trong sử dụng.
1.1.3. Thyristor
● Cấu tạo
Thyristor gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ và được nối ra ba chân:

10


A : Anode : cực dương

K : Cathode : cực âm
G : Gate : cực khiển (cực cổng)
Thyristor có thể xem như tương đương hai BJT gồm một BJT loại NPN và
một BJT loại PNP ghép lại như hình vẽ sau:

Hình 1.7: Cấu tạo Thyristor

● Nguyên lý hoạt động
* Mở thyristor
Khi được phân cực thuận, Uak>0, thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất,
có thể tăng điện áp anode-cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn
nhất,Uth,max.Điện trở tương đương trong mạch anode-cathode sẽ giảm đột ngột và
dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trong thực
tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào
cũng tăng được điện áp đến giá trị Uth,max. Hơn nữa như vậy xảy ra trường hợp
thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên,
không định trước.

11


Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong thực tế, là đưa một xung dòng điện
có giá trị nhất định vào các cực điều khiển và cathode. Xung dòng điện điều khiển sẽ
chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện
áp anode-cathode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anode-cathode lớn hơn một giá trị nhất
định gọi là dòng duy trì (Idt) thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà
không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển, nghĩa là có thể điều khiển mở các
thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch
điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà thyristor là một phần
tử đóng cắt, khống chế dòng điện.

* Trường hợp cực G để hở hay VG = OV
Khi cực G và VG = OV có nghĩa là transistor T 1 không có phân cực ở cực B
nên T1ngưng dẫn. Khi T1 ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn. Như vậy
trường hợp này Thyristor không dẫn điện được, dòng điện qua Thyristor là I A = 0
và VAK ≈ VCC.
Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn VCC lên mức đủ lớn là điện áp VAK tăng
theo đến điện thế ngập VBO (Beak over) thì điện áp VAK giảm xuống như diode và
dòng điện IAtăng nhanh. Lúc này Thyristor chuyển sang trạng thái dẫn điện, dòng
điện ứng với lúc điện áp VAK giảm nhanh gọi là dòng điện duy trì IH (Holding). Sau
đó đặc tính của Thyristor giống như một diode nắn điện.
Trường hợp đóng khóa K: VG = VDC – IGRG, lúc này Thyristor dễ chuyển
sang trạng thai dẫn điện. Lúc này transistor T 1 được phân cực ở cực B1 nên dòng
điện IG chính là IB1 làm T1 dẫn điện, cho ra IC1 chính là dòng điện IB2 nên lúc đó
I2 dẫn điện, cho ra dòng điện IC2 lại cung cấp ngược lại cho T1 và IC2 = IB1. Nhờ đó
mà Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn mà không cần có dòng IG liên tục.
IC1 = IB2

; IC2 = IB1

Theo nguyên lý này dòng điện qua hai transistor sẽ được khuếch đại lớn dần
và hai transistor chạy ở trạng thái bão hòa. Khi đó điện áp V AK giảm rất nhỏ (≈
0,7V) và dòng điện qua Thyristor là:

12


Thực nghiệm cho thấy khi dòng điện cung cấp cho cực G càng lớn thì áp
ngập càng nhỏ tức Thyristor càng dễ dẫn điện.
* Trường hợp phân cực ngược Thyristor.
Phân cực ngược Thyristor là nối A vào cực âm, K vào cực dương của nguồn

VCC. Trường hợp này giống như diode bị phân cự ngược.Thyristor sẽ không dẫn
điện mà chỉ có dòng rỉ rất nhỏ đi qua. Khi tăng điện áp ngược lên đủ lớn thì
Thyristor sẽ bị đánh thủng và dòng điện qua theo chiều ngược. Điện áp ngược đủ
để đánh thủng Thyristor là VBR. Thông thường trị số VBR và VBO bằng nhau và
ngược dấu.
● Đặc tuyến

Hình 1.8: Đặc tuyến của Thyristor

IG = 0
IG2 > IG1 > IG
13


Đặc tính Volt-Ampere của một thyristor gồm hai phần. Phần thứ nhất nằm
trong góc phần tư thứ I của đồ thị Descartes, ứng với trường hợp điện áp Vak > 0,
phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với
trường hợp Vak<0
* Không có dòng điện vào cực điều khiển
Khi dòng điện vào cực điều khiển của thyristor bằng 0, hay khi hở mạch cực
điều khiển, thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp
giữa anode vàcathode. Khi điện áp Uak < 0 theo cấu tạo bán dẫn của thyristor hai tiếp
giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận, như vậy thyristor sẽ
giống như hai điốtmắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua thyristor sẽ chỉ có một dòng
điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi Uak tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn
nhất sẽ xảy ra hiện tượng thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn.
Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điốt quá trình đánh thủng là không thể đảo
ngược được, nghĩa là thyristor đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp anode-cathode theo chiều thuận, Uak > 0, lúc đầu cũng chỉ có
một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch anodecathode vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực

ngược. Cho đến khi Uak tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất sẽ xảy ra hiện
tượng điện trở tương đương mạch anode-cathode đột ngột giảm, dòng điện có thể
chạy qua thyristor và giá trị sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở tải ở mạch ngoài. Nếu khi
đó dòng qua thyristor có giá trị lớn hơn một mực dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì,
Idt, thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc
tính thuận của điốt.
* Có dòng điện vào cực điều khiển (iG > 0)
Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và cathode thì quá trình
chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp
thuận đạt giá trị lớn nhất. Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển
đặc tính làm việc sẽ xảy ra với Uak nhỏ hơn.

● Các thông số kỹ thuật

14


Dòng điện thuận cực đại. Đây là trị số lớn nhất dòng điện qua mà Thyristor
có thể chịu đựng liên tục, quá trị số này Thyristor bị hư. Khi Thyristor đã dẫn điện
VAKkhoảng 0,7V nên dòng điện thuận qua có thể tính theo công thức

Điện áp ngược cực đại. Đây là điện áp ngược lớn nhất có thể đặt giữa A và K
mà Thyristor chưa bị đánh thủng, nếu vượt qua trị số này Thyristor sẽ bị phá hủy.
Điện áp ngược cực đại của Thyristor thường khoảng 100V đến 1000V.
Dòng điện kích cực tiểu.IGmin. Để Thyristor có thể dẫn điện trong trường hợp
điện áp VAK thấp thì phải có dòng điện kích cho cực G của Thyristor. Dòng I Gmin là
trị số dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristor dẫn điện và dòng I Gmin có trị số
lớn hay nhỏ tùy thuộc công suất của Thyristor, nếu Thyristor có công suất càng lớn
thì IGmin phải càng lớn. Thông thường IGmin từ 1mA đến vài chục mA.
Thời gian mở Thyristor.Là thời gian cần thiết hay độ rộng của xung kích để

Thyristor có thể chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, thời gian mở
khoảng vài micrô giây.
Thời gian tắt. Theo nguyên lý Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện sau khi
được kích. Muốn Thyristor đang ở trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái ngưng thì
phải cho IG = 0 và cho điện áp VAK = 0. để Thyristor có thể tắt được thì thời gian cho
VAK = OV phải đủ dài, nếu không V AK tăng lên cao lại ngay thì Thyristor sẽ dẫn điện
trở lại. Thời gian tắt của Thyristor khoảng vài chục micrô giây
Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs).
Thiristor là một phần tử bán dẫn có điều khiển, có nghĩa là dù được phân cực thuận
(Uak>0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng chạy qua.
Khi thyristor phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 như hình vẽ.
Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó mở ra, tạo ra vùng
không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có thể
coi như một tụ diện có điện dung Cj2. Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng
điện của tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là
thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G.
15


Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor
tần số cao. Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs còn với các
thyristor tần số cao dU/dt có thể lên tới 500 đến 2000 V/μs.
(tham khảo...)
- Tốc độ tăng dòng cho phép dI/dt (A/μs).
Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó
đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một vài điểm, gần với cực
điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu
tốc độ tăng dòng điện quá lớn có thể dẫn tới mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu
quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá nhanh dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng
toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn.

Tốc độ tăng dòng cho phép ở các thyristor tần số thấp vào khoảng 50÷100A/μs,
với các thyristor tần số cao dI/dt vào khoảng 500÷2000A/μs. Trong các bộ biến đổi
phải luôn có các biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới giá trị cho phép. Điều này
đạt được nhờ mắc nối tiếp các phần tử bán dẫn với các điện kháng nhỏ, lõi không khí
hoặc đơn giản hơn là các xuyến ferit lồng lên nhau. Các xuyến ferit rất phổ biến vì
cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên thanh
dẫn. Xuyến ferit còn có tính chất của cuộn cảm bão hòa, khi dòng qua thanh dẫn còn
nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng. Khi dòng đã lớn ferit bị bão hòa
từ, điện cảm giảm gần như bằng không. Vì vậy cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp
trong chế độ dòng định mức chạy qua dây dẫn.

● Ứng dụng của Thyristor.
Thyristor chủ yếu được sử dụng ở những ứng dụng yêu cầu điện áp và dòng
điện lớn, và thường được sử dụng để điều khiển dòng xoay chiều AC (Alternating
current), vì sự thay đổi cực tính của dòng điện khiến thiết bị có thể đóng một cách tự
động(được biết như là quá trình Zero Cross-quá trình đóng cắt đầu ra tại lân cận điểm
0 của điện áp hình sin).
1.2. Nghịch lưu
1. 2.1. Khái niệm và phân loại sơ đồ nghịch lưu.

16


Khái niệm: Nghịch lưu là quá trình biến đổi điện áp một chiều thành điện áp
xoay chiều một pha hoặc ba pha....
* Sơ đồ khối:

Hình 1.9. Sơ đồ khối
-Khối nguồn.
Nguồn điện được sử dụng ở đây là nguồn điện một chiều lấy từ bình ắc

quy.Thời gian sử dụng phụ thuộc chủ yếu vào dung lượng lưu trữ của ắc quy.Công
thức tính công suất phát:P=U.I.
Ví dụ:ắc quy 12v/100Ah thì công suất phát là:P=12.100=1200w.
Nếu chạy bóng đèn compact 20w sẽ được 60h..
- Khối tạo tần số 50hz.
Nhiệm vụ của khối tạo ra song dao động đưa vào khối công suất với tần số
điện công nghiệp.Sóng ở đây thường là 2 dạng chính là hình sin hoặc
vuông.Thường thì khối công suất trở kháng đầu vào rất nhỏ nên thực tế chúng ta
cần một khối khuyêch đại đệm nhiệm vụ ổn đinh khối phát xung dao động giảm trở
kháng đầu vào cho tầng công suất.
-Khối công suất.
Từ dạng song nhận được từ khối phát công suất sẽ khuyech đại đưa đến biến
áp tạo điện áp xoay chiều.Thường thì khối này sử dụng các linh kiện công suất như
thyristor,transitor chịu dòng lớn như D718,2N3055…yêu cầu cho khối này hoạt
động tốt cần có hệ thống tản nhiệt làm mát.
17


-Biến áp nghịch lưu.Đây là thành phần chính quyết định tới công suất phát của
mạch.Biến áp được sử dụng là biến áp nghịch lưu có tỷ số vòng dây của cuộn thứ
cấp lớn hơn rất nhiều cuộn sơ cấp..Công suất của mạch được tính như
sau:Pmax=U.I.
Với I là dòng điện biến áp chịu được.U là hiệu điện thế đặt vào cuộn sơ cấp.
Ví dụ:Một biến áp nghịch lưu 12v-220v dòng 40A.
Công suất tối đa của mạch sẽ là:P=12.40=480 w chạy được một ti vi,2 quạt và 3
bóng típ 40w.
* Phân loại: Nghịch lưu chia làm 2 loại chính: Nghịch lưu phụ thuộc và
nghịch lưu độc lập .
Trong đó nghịch lưu phụ thuộc là nghịch lưu có điện áp, tần số, góc pha và
thứ tự pha phụ thuộc vào lưới điện mà đầu ra của nó mắc song song vào.

Nghịch lưu độc lập lại được chia ra nghịch lưu độc lập nguồn áp và nguồn
dòng. Trong đó nghịch lưu độc lập nguồn áp thì luôn định ra một điện áp có biên
độ, tần số, góc pha và thứ tự pha không phụ thuộc vào loại tải và chỉ phụ thuộc vào
tín hiều điều khiển, điện áp thường có dạng hình chữnhật còn dòng điện phụthuộc
vào tải có thể là hình chữ nhật, hình răng cưa, hình sin, dạng hàm mũ
Còn nghịch lưu độc lập nguồn dòng thì luôn định ra một dòng điện có biên
độ, tần số, góc pha và thứ tự pha không phụthuộc vào loại tải và chỉ phụ thuộc vào
tín hiều điều khiển, dòng điện thường có dạng hình chữnhật còn điện áp phụ thuộc
vào tải có thể là hình chữ nhật, hình răng cưa, hình sin, dạng hàm mũ
1.2.2. Các sơ đồ nghịch lưu độc lập một pha
● Thiết bị biến đổi dòng điện một pha

18


Hình 1.10: Sơ đồ một pha có điểm trung tính
Sơ đồgồm một máy biến áp có điểm giữa phía sơ cấp, hai Tiristor anôt nối
vào cực dương của nguồn nuôi E thông qua hai nửa cuộn dây sơcấp của máy biến
áp, do đó còn có tên là onduleur song song. Ở đầu vào của onduleur dòng ta đấu
nối tiếp với một điện cảm lớn LK vừa để giữcho dòng điện vào để hạn chế đỉnh cao
của dòng điện Ickhi khởi động. Tụ điện C gọi là tụ điện chuyển mạch.Đặc điểm của
onduleur dòng là có dòng điện tải dạng “Sinus chữnhật” còn dạng điện áp trên tải
thì do thông số mạch tải quyết định.
2n1 là tổng số vòng dây sơ cấp.
n2 là sốvòng dây thứcấp.
i,v là dòng và áp phía thứcấp.
Hoạt động của sơ đồ:Giả thiết cho xung mở T1 điểm A được T1 nối với cực
âm của nguồn E. bấy giờV 0 –VA= u1= E, do hiệu ứng biến áp tự ngẫu nênVB
=Vo = u1= E.như vậy tụ điện C được nạp điện áp bằng 2E, bản cực dương ở bên
phải. Bây giờ nếu cho xung mở T2, Tiristor này mở và đặt điện thế điểm B vào

mạch catôt T 1 khiến T 1 bị khoá lại, tụ điện C sẽ bị nạp ngược lại, sẵn sàng để
khoá T2 khi ta cho xung mở T1 Phía thứ cấp ta nhận được dòng “Sinus chữnhật”
mà tần số của nó phụ thuộc vào nhịp phát xung mởT1,T2

19


Hình 1.11: Sơ đồ cầu một pha
Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi Tiristor T1, T2 lệch pha với tín
hiệu điều khiển đưa vào đôi T3 ,T4 một góc 180o Điện cảm đầu vào nghịch lưu lớn
(Ld= ∞), do đó dòng điện đầu vào id được san phẳng (biểu đồ xung), nguồn cấp
cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện nghịch lưu (i) có dạng xung
vuông. Khi đưa xung vào mở cặp van T1,T2 , dòng điện i = id= Id. Đồng thời dòng
qua tụ C tăng lên đột biến , tụ C bắt đầu nạp điện với cực (+) ở bên trái và cực (-) ở
bên phải.
Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do i = ic = it=Id = hằng số,
nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau một nửa chu kỳ (t
= t1) người ta đưa xung vào mởcặp van T3,T4. Cặp T3,T4 mở tạo ra quá trình
phóng điện của tụ C từcực (+) vềcực (-) .
Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1 và T2 bị
khoá lại.Quá trình chuyển mạch gần như tức thời. Sau đó tụC sẽ được nạp điện theo
chiều ngược lại với cực (+) ở bên phải và cực (-) ởbên trái. Dòng nghịch lưu i =id=Id (đã đổi dấu). Đến thời điểm t = t2 người ta đưa xung vào mởT1,T2 thì T3,T4 sẽ
bị khoá lại và quá trình được lặp lại như trước. Như vậy chức năng cơ bản của tụ C
là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các Tiristor. Tại thời điểm t1 khi mởT3 và T4 thì
T1 và T2 sẽ bị khoá lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt vào. Khoảng thời gian duy
trì diện áp ngược ( t1 -t’1 ) là cần thiết để duy trì qúa trình khoá và phục hồi tính
điều khiển của van và t’1- t01= tk ≥ toff là thời gian khoá của Tiristor hay chính là
thời gian phục hồi tính điều khiển. kt .ω β = là góc khoá của nghịch lưu.

20

● Nghịch lưu điện áp 1 pha
Sơ đồ không điều chế

Hình 1.12: Sơ Đồ mạch điện
Trong đó : -T1,T2,T3,T4: Là các thyristor có nhiệm vụ để đóng cắt hoặc điều
chỉnh thay đổi điện áp xoay chiều ra tải.
-R, L: là phụ tải của động cơ điện xoay chiều.
-D1,D2,D3,D4: Là các diôt dẫn dòng khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi.
-is: Là dòng nguồn xoay chiều dạng răng cưa.
Khi is > 0 thì nguồn cung cấp năng lượng cho tải (các thyristor dẫn dòng)
Khi is < 0 thì tải năng lượng về nguồn nuôi (các diôt dẫn dòng).
C: Tụ lọc.
MBA: máy biến áp 1 pha có điện áp sơ cấp đặt lên các van và điện áp thứ cấp đặt
lên tải.
* Nguyên lý làm việc :
Giả sử T2 và T4 đang cho dòng chạy qua (Dòng tải đi từ B→A). Khi t=0 cho
xung mở T1 và T3, T2 và T4 bị khóa lại, dòng tải i=-Im không thể đảo chiều một
cách đột ngột. Nó chảy tiếp theo chiều cũ nhưng theo mạch D1→E→D3→tải→D1
và suy giảm dần, D1 và D3 dẫn dòng khiến T1 và T3 vừa kịp mở đã bị khóa lại.
21


Khi t=t1, i=0, D1 và D3 bị khóa lại, T1 và T3 sẽ mở lại nếu còn xung điều khiển
tác động ở các cực G1, G3 dòng tải i>0 và tăng chảy theo chiều từ A→B.Giai đoạn
từ t=0 cho đến t1 là giai đoạn hoàn năng lượng.
Khi t=T/2 cho xung mở T2 và T4, T1 và T3 bị khóa lại, dòng chảy qua D2 và
D4 khiến cho T2 và T4 vừa kịp mở đã bị khóa lại. Khi t=t3, i=0, T2 và T4 sẽ mở
lại, i<0 chảy theo chiều B→A. Dòng tải i biến thiên theo quy luật hàm mũ giữa hai

giá trị Im và –Im. Các xung điều khiển Thyristor thường là xung chùm.
1.2.3. Phạm vi ứng dụng của mạch nghịch lưu
-Bộ nghịch lưu là bộ phận chủ yếu của các bộ biến tần,được sử dụng rộng rãi
trong các lĩnh vực như cung cấp điện,các hệ điều khiển tốc độ động cơ điện xoay
chiều, truyền tải điện năng HVDC ( high voltage direct curent).
-Truyền tải điện cao áp một chiều,luyện kim,các bộ biến đổi cho các nguồn năng
lượng mới, làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, hệ thống chiếu
sáng,bộ chuyển đổi nguồn ở những nơi không có điện lưới như trên oto phục vụ
cho các thiết bị quạt, ti vi, trong lĩnh vực bù nhiễu công suất phản kháng.
-Nếu sử dụng inverter sóng vuông thì chỉ sử dụng hạn chế cho máytính,TV,
VCD, đèn thắp sáng vì dòng điện nó tạo ra có nhiều sóng hài. Nếu dùng cho quạt
điện, sóng hài tạo ra tiếng kêu và nóng động cơ, lâu dài dẫn đến cháy tụ khởi động
và các cuộn dây. Để dùng cho quạt và các phụ tải động cơ, biến áp cần dùng
Inverter sóng sin.
-Ứng dụng trong các bộ lưu điện UPS đang được phổ biến hiện nay.UPS là 1
nguồn điện dự phòng , cung cấp tạm thời điện năng nhằm duy trì hoạt động của các
thiết bị điện khi xảy ra sự cố, đảm bảo an toàn dữ liệu và an toàn hệ thống.

22


CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU
2.1. Phân tích yêu cầu thiết kế mạch nghịch lưu
Ta đưa ra thông số và yêu cầu bộ nghịch lưu cần thiết kế như sau
Nguồn cấp là Acquy 12VDC.
Công suất 300W.
Điện áp đầu ra 220VAC/50Hz.
Với nguồn cấp là Acquy nên ta sử dụng mạch nghịch lưu độc lập.Như vậy
ta có ba sự chọn lựa : Nghịch lưu độc lập nguồn áp, nguồn dòng và cộng hưởng.

Mạch nghịch lưu độc lập dòng điện được cấp từ nguồn dòng, ở đây ta sử
dụng nguồn cấp là acquy nên không phù hợp.
Mạch nghịch lưu độc lập cộng hưởng có dạng điện áp ra gần sin nhất, tuy
nhiên với tần số lớn từ 300Hz trở lên do vậy không phù hợp để sử dụng cho mạch
mà ta cần thiết kế.
Như vậy ta sử dụng mạch nghịchlưu độc lập nguồn áp, có hai lựa chọn:
Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha.
Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha sau đó lấy một pha để sử dụng. Ghịch
lưu độc lập nguồn áp ba pha có dạng hình sin hơn so với nghịch lưu độc lập
nguồn áp một pha, tuy nhiên với mục đích sử dụng như ban đầu ta đưa ra thì hoàn
toàn không cần thiết phải dùng như vậy, bởi bộ nghịch lưu áp ba pha cho chi phí
cao hơn và tính toán điều khiển cũng phức tạp hơn rất nhiều, trong khi đó ta chỉ
cần sử dụng một pha cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày.
Do vậy ta sẽ chọn mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha với các
thông số và yêu cầu đã đề ra.
Bộ biến đổi DC/AC sẽ gồm hai thành phần chính như sau
Mạch điều khiển : Có nhiệm vụ phát xung vuông dao động với tần số 50 Hz
cấp xung mở cho transitor, transitor dẫn sẽ làm cho mosfet dẫn.
Mạch lực bộ nghịch lưu một pha :có nhiệm vụ đẩy kéo điện áp 12V DC lên
220VAC tần số 50Hz.

23


2.2. Phương pháp
Có 2 phương pháp để biến đổi điện áp 1 chiều 12V lên điện áp xoay chiều
220V
Phương pháp thứ nhất: Điện áp 1 chiều 12V được nghịch lưu thành điện
áp 12V xoay chiều sau đó điện áp 12V xoay chiều này được đưa qua máy biến áp
để đưa lên điện áp 220V-500W.Đây là phương pháp biến đổi gián tiếp.Nhược

điểm của phương pháp này là có sự hao tổn công suất trong quá trình nghịch
lưu.Tuy nhiên với phương pháp này thì điện áp qua 1 số khâu nữa có thể cho dạng
sin hơn ở đầu ra.
Phương pháp thứ hai: Điện áp 1 chiều 12V được đưa thẳng vào biến áp để
đưa lên điện áp 220V xoay chiều.Điện áp 1 chiều này cho qua máy biến áp bằng
cách đóng mở liên tục nhờ các van công suất với tần số của lưới điện 50Hz.Ưu
điểm của phương pháp này là không có sự tổn hao công suất nhiều do có sự biến
đổi trực tiếp và cấu tạo mạch khá đơn giản.Tuy nhiên phương pháp này cũng có
những nhược điểm của nó.Điện áp đầu ra có dạng xung không sin ảnh hưởng lớn
đến tải cảm.
Ở đây em thực hiện quá trình này bằng phương pháp hai tức là biến đổi trực
tiếp. Có 2 phương án lựa chọn cho phương pháp này:

2.2.1.Phương án 1, dùng Transistor công suất, các cổng logic và trigơ
Dùng Transistor công suất : Dùng hai Transistor công suất T và T dao động
đa hài phát ra tín hiệu đóng. Hai Transistor T và T mắc cùng với bốn điện trở, trong
đó có sử dụng trở công suất thành mạch tạo ra xung vuông.
Dùng các cổng logic : Có thể dùng các cổng logic như các cổng NAND,
NOR, cổng đảo…có thể dùng IC 4011 hoặc IC SN7400.
Dùng các con trigơ và vi mạch : Có thể dùng vi mạch 555 hoặc IC 4047B,
SG3525 là những IC phát xung chủ đạo và xung này được qua một IC khuyếch đại
thuật toán.

24


Hình 2.1: Sơ đồ mạch nghịch lưu dung 4047
Phương án này tuy chuyển được nguồn một chiều 12V lên 220V xoay chiều
nhưng có nhược điểm độ ổn định không cao .
● Mạch điều khiển

Nhiệm vụ của mạch này là tạo ra xung để điều khiển sự đóng mở của transistor ở
mạch lực.

Hình 2.2 : Mạch điều khiển sử dụng CD4047 và LM324
25