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 "MetalOxide Semiconductor FieldEffect 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:
+ NMOSFET: 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.
+ PMOSFET: các electron sẽ bị cutoff cho đến khi gia tăng nguồn điện thế
vào ngỏ Gate
● Cấu tạo và kí hiệu
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
2
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 pn 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.
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.
3
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 traMosfet
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.
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.
4
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
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.
5
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 pnpn 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:
6
● 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 VoltAmpere 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
7
● 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 PN ghép xen kẽ và được nối ra ba chân:
A : Anode : cực dương
K : Cathode : cực âm
G : Gate : cực khiển (cực cổng)
8
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 anodecathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận
lớn nhất,Uth,max.Điện trở tương đương trong mạch anodecathode 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.
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 anodecathode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anodecathode 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
9
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 T1 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
IA = 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 T1 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 VAK giảm rất nhỏ
(≈ 0,7V) và dòng điện qua Thyristor là:
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
10
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
Đặc tính VoltAmpere 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
11
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 anodecathode 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 anodecathode 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
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.
12
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
IGmin là trị số dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristor dẫn điện và dòng
IGmin 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 VAK 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.
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.
13
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 Crossquá 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.
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.
14
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.
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 12v220v 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
15
1.2.2. Các sơ đồ nghịch lưu độc lập một pha
● Thiết bị biến đổi dòng điện một pha
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 bi ến 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
16
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.
● Nghịch lưu điện áp 1 pha
Sơ đồ không điều chế
17
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.
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).
18
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.
19
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.
20
21
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 220V500W.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.
22
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
23
Linh kiện sử dụng
Biến trở 1kΩ; Tụ 4.7 µF; IC4047; IC LM324; Điện trở 4.7k
Các Connector đầu vào và đầu ra của mạch
● Mạch lực
Mạch này thực hiện nhiệm vụ đóng mở cho dòng điện qua máy biến
áp tạo dòng xoay chiều.
Hình 2.3 : Mạch lực sử dụng BJT 2N3055
Linh kiện sử dụng
2 transistor công suất tầm trung
H1061 6 transistor công suất 2N3055
Các Connector đầu vào và đầu ra của mạch
2.2.2. Phương án 2, sử dụng IC SG3525 và MOSFET IRF3205
24
Trong bài đồ án này chúng ta sẽ thiết kế mạc nghịch lưu theo phương án
này. Ta sử dụng ic SG3525,với nhiều tính năng ưu việt hơn, lấy nguồn trực tiếp
12V mà không cần bộ biến đổi nguồn nuôi cho ic. Dễ điều chỉnh độ rộng của
xung ra, khoảng deal time vừa đủ để tạo ra chu kỳ xung âm mà không xảy ra
hiện tượng trùng dẫn. SG 3525 đưa ra xung trên 2 chân 11và 14 là dạng xung lấy
từ emitơ của 2 transistor, bên trong SG3525. Khi có xung tạo ra do dao động của
mạch RC tại chân 6 va7 tạo ra với f=50hz, qua mạch lật trạng thái đưa 2 xung
trên emitơ lệch nhau 180 độ.
Điện áp ra từ chân 1114 đưa vào cực G và kích mở cho mosfet IRF3205,
với hai xung đưa ra liên tục kích mở và đóng với tần số f=50hz. Do máy biến áp
điểm giữa sẽ tạo ra 2 sđđ lệch pha nhau 180 độ trên cuộn sơ cấp máy biến áp.
2.3. Mạch nghịch lưu sử dụng IC SG3525 và MOSFET IRF3205
2.3.1. Sơ đồ nguyên lí
● Sơ đồ nguyên lí:
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý sử dụng IC SG3525 và MOSFET IRF3205
● Các linh kiện sử dụng trong mạch
ST Loại
1
Điện trở
2
3
4
25
Kí hiệu
R
1
R
2
R ,R ,R ,R
3 5 7 8
R ,R
4 6
Giá trị
470 Ω
100 kΩ
10 kΩ
100 Ω 1W
Miêu tả cách đóng gói
RES 40
RES40
RES 40
RES 40