Đồ án điện tử công suất Thiết kế bộ nghịch lưu cầu 3 pha dùng PWM và van MOSFET

Đồ Án Điện Tử Công Suất
Lời nói đầu.
Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ
thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện - điện tử thì các thiết bị
điện tử có công suất lớn cũng đƣợc chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng
dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang
đƣợc phát triển hết sức mạnh mẽ. Tuy nhiên để đáp ứng đƣợc nhu cầu ngày càng
nhiều và phức tạp của công nghiệp thì điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để
tìm ra giải pháp tối ƣu nhất. Đặc biệt với chủ trƣơng công nghiệp hoá - hiện đại
hoá của Nhà nƣớc, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đƣa công
nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và
phƣơng pháp điều khiển an toàn, chính xác. Đó là nhiệm vụ của điện tử công suất
cần phải giải quyết.
Để giải quyết đƣợc vấn đề này thì nƣớc ta cần phải có đội ngũ thiết kế điện
tử công suất. Là sinh viên ngành Tự Động Hóa, cần phải tự trang bị cho mình có
một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng. Chính vì vậy đồ án môn học điện tử công
suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên Tự Động Hóa. Đó là điều kiện để
cho sinh viên tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất. Mặc dù
vậy, với sinh viên năm thứ 4 còn đang ngồi trong ghế nhà trƣờng thì kinh nghiệm
thực tế còn chƣa có nhiều, do đó cần phải có sự hƣớng dẫn giúp đỡ của thầy giáo.
Qua đây cho em đƣợc gửi lời cảm ơn tới cô Nguyễn Thị Điệp đã tận tình chỉ dẫn,
giúp chúng em hoàn thành tốt đồ án môn học này.

Sinh viên thực hiện:
Trần Văn Hƣng
Lê Trà Giang
Phạm Văn Lanh
Phạm Thị Trà My

Trang 1

Đồ Án Điện Tử Công Suất
Mục Lục
Chƣơng 1 : Giới thiệu chung về nghịch lƣu .............................................................3
1.1

Khái niệm , phân loại , ứng dụng của nghịch lƣu .........................................3

1.2.GIỚI THIỆU VỀ VAN MOSFET ....................................................................3
1.3. Nghịch lƣu độc lập nguồn áp 3 pha sơ đồ cầu ...............................................11
CHƢƠNG 2:Tính toán và thiết kế mạch lực. ..........................................................21
2.1.Thiết kế mạch lực............................................................................................21
2.2.Tính chọn các phần tử trong mạch: ................................................................22
CHƢƠNG 3.THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN .....................................................26
3.1.Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển.........................................................26
3.2.Tính chọn các khâu trong mạch ......................................................................27
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG MẠCH VÀ KẾT LUẬN. ............................................36
4.1.Khâu phát xung hình sin và khâu đồng bộ .....................................................36
4.2.Khâu răng cƣa .................................................................................................36
4.3.Khâu so sánh ...................................................................................................37
4.4.Khâu chia xung ...............................................................................................37
4.5.Khâu khuếch đại .............................................................................................37
4.6.Kết quả mô phỏng ...........................................................................................38

Trang 2


Đồ Án Điện Tử Công Suất
Chƣơng 1 : Giới thiệu chung về nghịch lƣu
1.1

a.

Khái niệm , phân loại , ứng dụng của nghịch lƣu
Khái niệm

Nghịch lƣu là thiết bị điện biến đổi dòng điện một chiều sang năng lƣợng điện
xoay chiều.
Nghịch lƣu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện
xoay chiều với tần số ra có thể thay đổi đƣợc và làm việc với phụ tải độc lập.
Nguồn một chiều thông thƣờng là điện áp chỉnh lƣu, ác quy và các nguồn một
chiều độc lập khác.
b.

Phân loại
Ngƣời ta thƣờng phân loại nghịch lƣu theo sơ đồ nhƣ :

+ Nghịch lƣu 1 pha : cầu 1 pha, sơ đồ hình tia…
+ Nghịch lƣu 3 pha : sơ đồ hình tia 3 pha, sơ đồ hình cầu 3 pha…
Cũng có thể phân loại chúng theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lƣu nhƣ
:
+ Nghịch lƣu dòng : cho phép biến nguồn dòng 1 chiều thành nguồn dòng xoay
chiều.
+ Nghịch lƣu độc lập nguồn áp : cho phép biến đổi nguồn áp một chiều E thành
nguồn điện áp xoay chiều có tính chất nhƣ điện áp lƣới: trạng thái không tải là cho
phép còn trạng thái ngắn mạch tải là sự cố.
+ Nghịch lƣu cộng hƣởng song song : có đặc điểm là khi hoạt động luôn hình
thành một mạch vòng dao động cộng hƣởng RLC.
c.

Ứng dụng của nghịch lƣu

Ƣng dụng của nghịch lƣu khá rộng rãi trong công nghiệp hay trong điều khiển
hệ thống điện hiện nay nhƣ cung cấp điện, các hệ truyền động xoay chiều , truyền
tải điện năng, hay luyện kim….
1.2.GIỚI THIỆU VỀ VAN MOSFET
(Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor)
Trang 3


Đồ Án Điện Tử Công Suất
a.

Cấu tạo, ký hiệu

Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng
điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ. Hình 1.1 thể hiện cấu trúc bán dẫn và ký
hiệu của một MOSFET kênh dẫn kiểu n. Trong đó G là cực điều khiển đƣợc cách
ly hoàn toán với cấu trúc bán dẫn còn lại bở lớp điện môi cực mỏng nhƣng có độ
cách điện cực lớn đioxit-silic (SiO2). Hai cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng
(D). Cực máng là cực đón các hạt mang điện. Nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang
điện sẽ là các điện tử (electron), do đó cực tính điện áp của cực máng sẽ là dƣơng
so với cực gốc. Trên ký hiệu phần tử, phần chấm gạch giữa D và S chỉ ra rằng
trong điều kiện bình thƣờng không có một kênh dẫn thực sự nối giữa D và S. Cấu
trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng tƣơng tự nhƣng các lớp bán dẫn
sẽ có kiểu dẫn điện ngƣợc lại. Tuy nhiên đa số các MOSFET công suất là loại có
kênh dẫn kiểu n.

Hình1.1 MOSFET (kênh dẫn n):
a)

Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu
Trang 4


Đồ Án Điện Tử Công Suất
b.

Nguyên lý làm việc:
Hình 1.2 mô tả sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET.

Trong chế độ làm việc bình thƣờng UDS > 0. Giả sử điện áp giữa cực điều khiển và
cực gốc bằng không, UDS = 0, khi đó kênh dẫn sẽ hoàn toàn không xuất hiện. Giữa
cực gốc và cực máng là tiếp giáp p-n- phân cực ngƣợc. Điện áp UDS sẽ hoàn toàn
rơi trên vùng nghèo của tiếp giáp này (hình 1.2a).
Nếu điện áp điều khiển âm, UGS < 0, thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển sẽ
tích tụ các lỗ (p), do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng sẽ không thể xuất
hiện. Khi điện áp điều khiển dƣơng, UGS > 0, và đủ lớn, bề mặt tiếp giáp cực điều
khiển sẽ tích tụ các điện tử, và một kênh dẫn thực sự đã hình thành (hình 1.2b).
Nhƣ vậy trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, các phần tử mang điện là các điện
tử, giống nhƣ của lớp n tạo nên cực máng, nên MOSFET đƣợc gọi là phần tử với
các hạt mang điện cơ bản, khác với cấu trúc của BJT, IGBT, thyristor là các phần
tử với các hạt mang điện phi cơ bản. Dòng điện giữa cực gốc và cực máng bây giờ
sẽ phụ thuộc và cực máng bây giờ sẽ phụ thuộc vào điện áp UDS.
Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET (hình 1.2c), có thể thấy rằng giữa cực máng và
cực gốc tồn tại một tiếp giáp p-n-, tƣơng đƣơng với một điôt ngƣợc nối giữa D và
S. Trong các sơ đồ bộ biến đổi, để trao đổi năng lƣợng giữa tải và nguồn thƣờng
cần
có các điôt ngƣợc mắc song song với các van bán dẫn. Nhƣ vậy ƣu điểm của
MOSFET là đã có sẵn một điôt nội tại nhƣ vậy.
Mạch Driver thì quá trình mở Mosfet đƣợc thể hiện trong đồ thị sau:

Trang 5


Đồ Án Điện Tử Công Suất

Hình 1.2: sự tạo thành kênh dẫn
c.Quá trình mở van
Khi cấp vào cực G (Gate) của Mosfet một điện áp thông qua

Hình 1.3 :quá trình mở Mosfet
Giai đoạn thứ nhất: Điện dung đầu vào của Mosfet đƣợc nạp từ điện áp 0V
đến giá trị UTH, trong suốt quá trình đó hầu hết dòng điện vào cực G đƣợc nạp cho
tụ CGS, một lƣợng nhỏ nạp cho tụ CGD. Quá trình này đƣợc gọi là quá trình mở trễ
bởi vì cả dòng ID và điện áp trên cực D (Drain) đều không đổi.. Sau khi cực G
Trang 6


Đồ Án Điện Tử Công Suất
đƣợc nạp tới giá trị điện áp giữ mẫu UTH, mosfet sẵn sàng để dẫn dòng điện.
Giai đoạn thứ hai: Điện áp cực G tiếp tục tăng từ UTH đến giá trị UMiiier đây
là quá trình tăng một cách tuyến tính; dòng điện ID tăng tỉ lệ với điện áp của cực G
trong khi đó điện áp giữa hai cực UDS vẫn giữ nguyên giá trị.
Giai đoạn thứ ba: Điện áp cực G giữ nguyên ở mức điện áp Miller V GSMiller
trong khi đó điện áp trên cực D bắt đầu giảm. Dòng điện ID trên Mosfet giữ nguyên
ở một giá trị nhất định.
Giai đoạn thứ tƣ: Đây là giai đoạn Mosfet dẫn bão hòa khi cấp một điện áp
cao UDRV (giá trị của UDVR nằm trong khoảng 10 : 20V ) vào cực G của Mosfet.
Giá trị cuối cùng của VGS sẽ quyết định điện trở trong RDS(ON) của van trong
quá trình mở. Do đó trong giai đoạn thứ tƣ điện áp trên cực Gate tăng từ giá trị

UMiller đến giá trị của mạch Driver UDRV. Trong khi đó điện áp giữa cực D, S (UDS)
giảm mạnh gần về giá trị 0V, dòng điện ID giữ không đổi.
c.

Quá trình khóa van

Hình 1.4 : Quá trình khóa Mosfet

Trang 7


Đồ Án Điện Tử Công Suất
Quá trình khóa của mosfet cũng đƣợc chia làm bốn giai đoạn :
Giai đoạn thứ nhất: Là quá trình xả điện tích trên tụ CGS DS từ giá trị ban đầu
đến giá trị miller, điện áp trên cực D của Mosfet bắt đầu tăng dần nhƣng rất nhỏ,
dòng điện trên cực D ( ID) không đổi.
Giai đoạn thứ hai: Điện áp giữa hai cực D - S của Mosfet sẽ tăng từ giá trị UDS
= iD.RDS(on) tới giá trị cuối ƢDS(off). Trong suốt giai đoạn này dòng điện trên
cực D vẫn giữ không đổi. Dòng điện của cực G hoàn toàn là dòng xả của tụ trên
các cực của Mosfet.
Giai đoạn thứ ba: Điện áp cực G giảm từ giá trị Miller đến giá trị giữ mẫu UTH.
Phần lớn dòng điện xả trên cực G là phóng trên tụ CGS. Giai đoạn này điện áp UGS
và dòng điện ID đều giảm tuyến tính. Trong khi đó điện áp UDS vẫn giữ nguyên giá
trị UDS(OFF).
Giai đoạn thứ tƣ: Giai đoạn này là quá trình phóng điện hoàn toàn của tụ điện
trên các cực của Mosfet, UGS giảm đến giá trị 0V. Dòng điện trên cực D giảm về
giá trị 0 và không đổi.
Tóm lại quá trình mở - khóa của Mosfet là quá trình chuyển mạch giữa trạng
thái trở kháng cao và trạng thái trở kháng thấp đƣợc thực hiện trong bốn giai đoạn.
Độ dài khoảng thời gian của các giai đoạn đƣợc quyết định bởi giá trị điện

dung giữa các cực, điện áp đặt vào cực điều khiển, và dòng điện nạp xả của các tụ
điện trên cực G. Đây là thông số quan trọng để thiết kế mạch điều khiển Mosfet
trong các ứng dụng có tần số đóng cắt lớn.
e. Các thông số cơ bản của van
Khi ứng dụng Mosfet trong các thiết bị điện tử công suất thì thông số quan trọng
nhất mà ta quan tâm đến đó là thời gian đóng cắt của Mosfet, thông thƣờng thời
gian đóng cắt của Mosfet từ 10ns – 60ns.
Bảng 1.1 Các thông số thực dụng của MOSFET
Trang 8


Đồ Án Điện Tử Công Suất
TT

1

2

3

4

5

6

Tham số

Điện áp

Dòng
điện

Điều
khiển

Khuếch
đại

Công suất

Chế
động

độ

Tên gọi

Ký hiệu

Điện áp đánh thủng DS

U(BR)DSS

Điện áp đánh thủng GS

U(BR)DGR

Chế độ đo

Khi ngắn mạch GS

Điện áp tối đa cho phép giữa
UDS
các cực DS

Khi có điện trở nối
giữa các cực G và S

Dòng cực máng tối đa cho phép

ở nhiệt độ qui định
của vỏ

iD

Dòng cực máng dạng xung tối
iDM
đa cho phép

Với độ rộng xung
qui định

Điện áp GS cực đại cho phép

UGSS

Khi ngắn mạch DS

Điện áp GS ngƣỡng

UGS(th)

Khi UDS > 0

Độ hỗ dẫn

gFS

Điện trở DS khi dẫn

RDS(on)

Công suất phát nhiệt tối đa

PD

Tổn thất năng lƣợng khi mở

EON

Tổn thất năng lƣợng khi khóa

EOFF

Thời gian trễ khi mở

tD(ON)

Thời gian trễ khi khóa

tD(OFF)

Thời gian tăng dòng cực máng

tR

Theo chế độ qui định
Với nhiệt độ vỏ qui
định

Theo chế độ qui định

Thời gian giảm dòng cực máng tF
Điện dung cổng vào

CISS

CISS = CGS + CGD

Trang 9


Đồ Án Điện Tử Công Suất
Điện dung ra

COSS

COSS = CGD + CDS

Điện dung chuyển đổi

CRSS

CRSS = CGD

Điện tích tổng ở mạch cực QG
Gate

7

Nhiệt

Theo chế độ qui định

Nhiệt trở xác lập giữa quá độ
RThj.C
pn – vỏ

Có tản nhiệt chuẩn

Nhiệt trở xác lập giữa quá độ
RThj.A
pn – môi trƣờng

Không có tản nhiệt

Nhiệt trở xác lập vỏ - tản nhiệt

RThj.S

Nhiệt trở quá độ giữa quá độ
ZThj.C
pn – vỏ

Với xung dòng có
thời gian qui định

Nhiệt độ tối đa cho phép ở quá
Tj(max)
độ pn

Cả nhiệt độ âm và
dƣơng

*Đặc tuyến Vôn – Ampe:
Trong đó:
a. Họ đặc tuyến điều khiển ID = f(UGS) khi UDS không đổi
b. Họ đặc tuyến ra ID = f(UDS) khi UGS không đổi

Hình 1.2.3b: Đặc tính vôn – ampe của transistor Mosfet
Trang 10


Đồ Án Điện Tử Công Suất
1.3. Nghịch lƣu độc lập nguồn áp 3 pha sơ đồ cầu
1.3.1. Phân tích sơ đồ mạch nghịch lƣu độc lập nguồn áp 3 pha sơ đồ cầu
Để tạo ra hệ điện áp xoay chiều 3 pha cần sử dụng 3 nhóm van đấu theo mạch cầu
nhƣ hình 1.3.1a, điểm giữa mỗi nhánh van thẳng hàng là điểm nối với phụ tải 3 pha
đấu sao hoặc tam giác.

T1

E

D1

T3

D3

T6

D6

T5

D5

C

T4

D4

Za

T2

D2

Zb

Zc

Hình 1.3.1a: Sơ đồ mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha sơ đồ cầu.

Sơ đồ có thể điều khiển bằng 2 luật dẫn van khác nhau:
Để tạo ra điện áp 3 pha đối xứng trên trở, ta điều khiển van T1÷ T6 tuân theo định
luật:
 T1 và T4 đấu lệch nhau 1 góc 180o →Tạo điện áp pha A
 T3 và T6 đấu lệch nhau 1 góc 180o →Tạo điện áp pha B
 T5 và T2 đấu lệch nhau 1 góc 180o →Tạo điện áp pha C
Trang 11


Đồ Án Điện Tử Công Suất
 Mỗi pha lệch nhau 120o
 Nếu 𝛌 =120othì độ lệch các van giống x=180o (lệch 120o nhƣng kết thúc sớm
hơn 60o )
a.Trƣờng hợp 1: Góc dẫn van 𝛌= 180o, luật điều khiển này giống trong NLĐL 1
pha khi 2 van 1 nhánh thay nhau dẫn trong chu kỳ.
Đồ thị điện áp dòng điện:
0

60

120

180

240 300

360

Hình 1.3.2: Sơ đồ chuyển mạch khi hoạt động.
Phân tích:

Trang 12


Đồ Án Điện Tử Công Suất
 Xét θ= (0÷ 60) T1,T5, T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng nhƣ hình 1.3.2a.

hình 1.3.2a.
I=

→Ua = Uc =

I=

Ub= -z.I =
 Xét θ= (60÷120) T1,T2, T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng nhƣ hình 1.3.2b.

hình 1.3.2b.

{
 Xét θ=(120÷180) T1, T2, T3 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng nhƣ hình 1.3.2c.

hình 1.3.2c.

Trang 13


Đồ Án Điện Tử Công Suất

{
 Xét θ= (180÷240) T2, T3, T4 dẫn
{

 Xét θ= (240÷ 300) T3, T4, T5 dẫn
{
 Xét θ= (300÷360) T4, T5, T6 dẫn
{
Giá trị hiệu dụng của điện áp pha là:
√

∫

=

√

Suy ra :

Trang 14


Đồ Án Điện Tử Công Suất
b. Trƣờng hợp 2: Góc dẫn van 𝛌= 120o , trong luật này 2 van không thay nhau dẫn

mà có 1 đoạn nghỉ 60o giữa chúng
Đồ thị điện áp dòng điện:

Phân tích :
 Xét θ= (0÷ 60), T1, T6 dẫn.

Trang 15


Đồ Án Điện Tử Công Suất
 Xét θ= (60÷120), T1, T2 dẫn.

 Xét θ= (120÷180), T2, T3 dẫn.

 Xét θ= (180÷240), T3, T4 dẫn.

 Xét θ= (240÷300), T4, T5 dẫn.

 Xét θ= (300÷360), T5, T6 dẫn.

-Các biểu thức tính toán:
+ Khai triển Furier cho phổ sóng hài điện áp pha a:
∑

√

+ Dòng trung bình qua các van:
Trang 16

Đồ Án Điện Tử Công Suất

+ Điện áp các van phải chịu khi hoạt động bằng nguồn E. Dòng tiêu thụ từ nguồn
E có trị số:
(

)

(

)

1.3.2. Nguyên lý làm việc của nghịch lƣu áp 3 pha PWM.
Trong nghịch lƣu sử dụng phƣơng pháp PWM ta có 2 phƣơng pháp nghịch lƣu:
+ Nghịch lƣu PWM đơn cực.
+ Nghịch lƣu PWM lƣỡng cực.
Hai phƣơng trên có những ƣu điểm và nhƣợc điểm nhất định, để lựa chọn đƣợc 1
phƣơng pháp PWM thích hợp ta phải tiến hành phân tích ƣu nhƣợc điểm từng loại.
a.Phương pháp nghịch lưu PWM đơn cực.

Hình 1.3.3: Nguyên lý và các dạng điện áp của PWM đơn cực
Trang 17


Đồ Án Điện Tử Công Suất

Ud

a

b

c

Hình 1.3.4: Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu đơn cực
Trong phƣơng pháp này các kênh (ta định nghĩa kênh tƣơng đƣơng với 1
pha) hoạt động độc lập với nhau. Quá trình đóng cắt vãn bán dẫn đƣợc xác định
trƣớc do quá trình so sánh điện áp của sóng hình sin chuẩn và sóng tam giác.
Khi điện áp hình vuông đặt lên động cơ thì dòng điện trong động cơ tăng lên
hàm số mũ, khi không có điện áp đặt lên động cơ sẽ xảy ra quá trình xả năng lƣợng
của cảm kháng của động cơ, quá trình xả này qua diode về nguồn 1 chiều. Quá
trình tăng ta có thể điều khiển đƣợc còn quá trình xả là tự nhiên, không có điều
khiển.

Hình1.3.5: Sơ đồ điện áp và dòng điện pha thực tế.
Trang 18


Đồ Án Điện Tử Công Suất
b.Phương pháp nghịch lưu PWM lưỡng cực

Hình1.3.6: Nguyên lý và các dạng điện áp của PWM lưỡng cực.
Quá trình tạo điện áp điều biến trên 1 pha là sự phối hợp chuyển mạch của 1
số van đóng cắt trên các kênh khác nhau. Điện áp ra là sự tổng hợp điện áp của 2
pha. Quá trình đóng cắt thì biên độ điện áp pha bằng ½ Ud.
Điện áp pha bao gồm cả phần âm và phần dƣơng có biên độ bằng nhau, điện
áp dây có biên độ bằng Ud trong phƣơng pháp điều khiển này không có phần điện
áp bằng không của tải trong quá trình hoạt động, hay nói cách khác điện áp nguồn
điện 1 chiều luôn đƣợc đặt lên tải. Quá trình suy giảm của dòng tải có thể điều
khiển bằng xung âm.

Trang 19


Đồ Án Điện Tử Công Suất
c. So sánh 2 phương pháp nghịch lưu
Hai phƣơng pháp trên là hai phƣơng pháp nghịch lƣu cơ bản.Về cấu trúc mạch
động lực của 2 phƣơng pháp không có gì khác nhau,mà chỉ khác nhau về nguyên
tắc điều khiển mạch các van bán dẩn.Hai phƣơng pháp trên có chƣa nhửng ƣu điểm
và nhƣợc điểm nhất định.
d. Phương pháp PWM đơn cực
Ƣu điểm:
+ Mạch điều khiển đơn giản do không có phần điện áp âm trong thành phần điện
áp các pha .
+ số lƣợng chuyển mạch của transistor ít, do vậy tổn hao chuyển mạch thấp.
Nhƣợc điểm:
+ Điện áp có biên độ không cao,biên độ của điện áp điều biến là
.Khi tải có
yêu cầu điện áp lớn hơn
thì phƣơng pháp này không đpá ứng đƣợc.
+ Khi điện áp gia yêu cầu giá trị cận không thì khó có thể đáp ứng đƣợc do khả
năng chuyển mạch của van bán dẫn.
e.Phương pháp PWM lưỡng cực
Ƣu điểm:
+ Điện áp ra có biên độ lớn,biên độ của điện áp điều biến là
+ Có khả năng điều khiển điện áp nhỏ,do có phần điện áp xung âm trong thành
phần điện áp pha nên có thể điều khiển điện áp pha về không mà vẩn đảm bảo điều
kiện chuyển mạch của van bán dẫn.
+ Khả năng đáp ứng đƣợc yêu cầu cao về ổn định dòng điện củng nhƣ tần số.Do có
phần điện áp âm trong điều biến điện áp pha nên có khả năng khống chế dòng điện
tốt hơn.

Nhƣợc điểm
Nhƣợc điểm lớn nhất của nghịch lƣu PWM lƣỡng cực là sự phức tạp của mạch
điều khiển do phải phối hợp đóng cắt các van bán dẫn.
f.Chọn phương án nghịch lưu
Yêu cầu bộ nghịch lƣu PWM cần thiết kế:
Trang 20


Đồ Án Điện Tử Công Suất
+ Gía trị hiệu dụng của điện áp pha tải :220 V
+ Tần số ra : f=50 Hz
Ta thấy yêu cầu ổn định tần số ra là khá cao,vì vậy ta thiết kế mạch nghịch lƣu
theo nguyên tắc của nghịch lƣu PWM lƣỡng cực.

CHƢƠNG 2:Tính toán và thiết kế mạch lực.
2.1.Thiết kế mạch lực.
2.1.1.Sơ đồ mạch lực đầy đủ:

2.1.2.Chức năng của các phần tử trong sơ đồ
Mạch động lực bao gồm các phần chính sau đây:
+ Phần nguồn
+ Phần lọc
+ Phần nghịch lƣu
a.Phần mạch lọc:
- Mạch lọc ta dùng tụ hóa có điện dung và điện áp lớn.Mục đích dùng tụ là để có
đƣợc nguồn áp gần lý tƣởng và có đƣợc điểm trung tính giả,thuận lợi cho việc tính
toán bộ nghịch lƣu về sau.
b.Phần mạch nghịch lƣu:
Trang 21

Đồ Án Điện Tử Công Suất
- Mạch nghịch lƣu ta dùng sơ đồ cầu ba pha sử dụng phần tử đóng cắt là MOSFET
công suất.Đầu ra tải đƣợc đấu hình Y .
Ngoài các phần trên còn có các mạch lọc ,các mạch lọc này có tác dụng bảo vệ bộ
nghịch lƣu và bộ chỉnh lƣu diode ,lọc xung điện tần số lớn cho nguồn cung
cấp.Các mạch lọc bao gồm :
+ Mạch lọc tránh xung điện áp cao từ lƣới :đó là mạch lọc RC đƣợc mắc ngay sau
máy biến áp lực , mạch này có tác dụng lọc nhửng xung điện áp cao từ lƣới sau khi
đi qua máy biến áp.Nhờ có mạch này mà xung điện áp đƣợc giảm đáng kể trƣớc
khi đi vào mạch chỉnh lƣu.
+ Mạch lọc bộ nghịch lƣu :Bao gồm mạch lọc trƣớc và sau chỉnh lƣu .Các mạch
này có tác dụng lọc ra thành phần điện áp cơ bản cung cấp cho tải và ngăn không
cho thành phần sóng hài sang phần điện áp một chiều.
Thiết bị bảo vệ và đóng cắt mạch là Aptomat bên sơ cấp và cầu chì bên thứ cấp .
2.2.Tính chọn các phần tử trong mạch:
2.2.1. Chọn van MOSFET
Lựa chọn MOSFET vì có những ƣu điểm sau:
 Tốc độ chuyển mạch cao và tổn hao chuyển mạch thấp
 Làm việc với điện áp cao
 Mạch biến đổi sử dụng MOSFET điều khiển đơn giản
Dòng làm việc qua van bằng dòng làm việc của cuộn dây sơ cấp máy biến áp có I
= 14,6A
(ta chọn phƣơng thức làm mát bằng tản nhiệt)
Vậy chọn MOSFET có dòng làm việc là:

Điện áp ngƣợc đặt lên van
Kdc thƣờng đƣợc chọn >1,6
Vậy chọn van có điện áp làm việc >24V
Từ các điều kiện trên ta chọn van IRFZ44N với các thông số sau:

Trang 22


Đồ Án Điện Tử Công Suất

 Tính toán tản nhiệt
Theo datasheet của hang chế tạo IRFZ44V ta biết nhiệt độ Tjmax=115 ,
Rjc=0,63
. Với giả thiết nhiệt độ môi trƣờng làm việc tối đa là
. Nhƣ vậy
nhiệt độ trên cánh tản nhiệt đƣợc xác định là:
Tr = Tj – Rjc.
Trong đó datasheet IRFZ44V có
Tr = Tj – Rjc.

=175-0,63.94=115,8

Suy ra độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trƣờng là: R=116-40=76
Diện tích bề mặt tản nhiệt:
Stn=
 Tính toán chọn cầu chì:
Mạch điện đƣợc tính toán với dòng làm việc tối đa bên mạch thứ cấp máy biến
áp là 2A. Để tránh hiện tƣợng làm việc quá tải hay ngắn mạch gây sự cố phá
hỏng thiết bị, ta nên chọn thiết bị bảo vệ là cầu chì cắt nhanh, với dòng điện làm
việc đƣợc xác định:

Vậy chọn cầu chì có dòng điện làm việc 3A, điện áp 250V, loại cắt nhanh.
2.2.3. Chọn tụ lọc đầu vào
Chỉ tiêu chính để tính chọn tụ lọc đầu vào là chỉ tiêu đập mạch của điện áp
đầu ra, với bộ lọc chất lƣợng cao thì chỉ số đó là 5%.

Trang 23


Đồ Án Điện Tử Công Suất
Điện áp cung cấp cho mạch nguồn nghịch lƣu bằng giá trị của điện áp điện
áp trên tụ. Tiến hành phân tích quá trình hoạt động của tụ ta thấy gồm 2 quá trình
nạp và phóng. Khi điện áp xoay chiều tăng thì song song với nó là quá trình nạp tụ,
khi điện áp xoay chiều giảm thì song song với nó là quá trình phóng điện của tụ.
Để thấy đƣợc quá trình nạp phóng của tụ, ta xét một quá trình nạp phóng của
tụ. Để tính điện dung cần thiết của hệ, ta chỉ xét quá trình phóng điện của tụ. Quá
trình phóng điện của tụ diễn ra trong quá trình t. Điện áp cực đâị trên tụ coi nhƣ
điện áp cực đại trên nguồn cấp. Phƣơng trình điện áp trên tụ trong quá trình phóng
điện:
uC = U0.
Trong công thức trên:
 uC: Điện áp trên 2 bản cực của tụ
 U0: Điện áp cực đại của nguồn ba pha, có giá trị bằng điện áp dây của nguồn
3 pha
 Tp: Hằng số thời gian phóng điện của tụ.
Quá trình phóng điện của tụ kết thúc khi đƣờng đặc tính nạp của tụ giao với
đƣờng điện áp dây tiếp theo trên đồ thị.
Dao động điện áp là 5% nghĩa là chệnh lệch điện áp cực đại và điện áp cực
tiểu là 10%. Điện áp cực đại là U0 là biên độ của điện áp dây. Điện áp cực tiểu
là điện áp trên 2 cực tụ khi kết thúc quá trình phóng. Điện áp sau khi kết thúc
quá trình phóng có giá trị:
Umin = U0.
Trong đó: t là thời gian phóng của tụ.

Trang 24

Đồ Án Điện Tử Công Suất
Hai đƣờng điện áp trong 2 quá trình nạp, phóng liên tiếp của tụ lệch nhau
. Theo trên ta có Umin = 90%.U0 hay U0.

.U0

Từ đó ta có:
Suy ra: Tp.t = 0,105
Tính khoảng thời gian phóng điện của tụ ta có:
(

)

Từ đó ta có:
Khi tụ bắt đầu phóng điện thì điện áp đang xét có giá trị bằng U0, điều đó tƣơng
đƣơng với:
(

)

Từ đó ta có:

Vì vậy ta có:

Hằng số thời gian phóng của tụ:
Tp = 0,105/0,00189 = 55,56
Ta có:

√
Trong đó R là điện trở tƣơng đƣơng của tải:
Trang 25