MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN…………………………………………….... LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI ........................................................................ 1.1. Phân tích yêu cầu của đề tài ................................................................................ 1.2. Mục tiêu của đề tài ............................................................................................... 1.3. Ý nghĩa của đề tài ................................................................................................ 1.4. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ............................................................... 1.4.1. Cấu trúc và ký hiệu .................................................................................. 1.4.2. Nguyên lý làm việc. .................................................................................. 1.4.3. Vùng làm việc an toàn ............................................................................. 1.5. IC SG3525 ............................................................................................................. 1.5.1. Sơ đồ chân .............................................................................................. 1.5.2 Chức năng ................................................................................................ 1.6. Nghịch lưu ............................................................................................................. 1.6.1. Giới thiệu về nghịch lưu ........................................................................... 1.6.2. Mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng dùng máy biến áp có điểm giữa .................................................................................. 1.6.3. Nghịch lưu nguồn áp một pha .................................................................. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP MỘT PHA 2.1. Thiết kế sơ đồ khối toàn mạch ......................................................................... 2.2. Tính toán, thiết kế mạch động lực ......................................................................... 2.2.1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực ................................................ 2.2.2. Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch MOSFET .............................. 2.3. Tính toán, thiết kế mạch điều khiển ....................................................................... 2.3.1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển ........................................ 2.3.2. Tính toán tần số đầu ra của mạch điều khiển .......................................... 2.4. Thiết kế sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động của toàn mạch ......................... 2.4.1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch ........................................................ 2.4.2. Nguyên lý hoạt động toàn mạch .............................................................. CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 3.1. Khảo sát tín hiệu ra của mạch điều khiển .............................................................. 3.2. Mô hình thực tế ...................................................................................................... 3.3. Kết luận ..................................................................................................................
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN…………………………………………… LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI 1.1 Phân tích yêu cầu đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Ý nghĩa đề tài 1.4 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 1.4.1 Cấu trúc ký hiệu 1.4.2 Nguyên lý làm việc 1.4.3 Vùng làm việc an toàn 1.5 IC SG3525 1.5.1 Sơ đồ chân 1.5.2 Chức 1.6 Nghịch lưu 1.6.1 Giới thiệu nghịch lưu 1.6.2 Mạch nghịch lưu pha nguồn dịng dùng máy biến áp có điểm 1.6.3 Nghịch lưu nguồn áp pha CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP MỘT PHA 2.1 Thiết kế sơ đồ khối toàn mạch 2.2 Tính tốn, thiết kế mạch động lực 2.2.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực 2.2.2 Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch MOSFET 2.3 Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển 2.3.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 2.3.2 Tính tốn tần số đầu mạch điều khiển 2.4 Thiết kế sơ đồ nguyên lý nguyên lý hoạt động toàn mạch 2.4.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch 2.4.2 Nguyên lý hoạt động toàn mạch CHƯƠNG KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 3.1 Khảo sát tín hiệu mạch điều khiển 3.2 Mơ hình thực tế 3.3 Kết luận LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đề tài mặc dù gặp phải nhiều vấn đề khó khăn, song với hướng dẫn với chỉ bảo thầy cô giáo Khoa Điện – Điện Tử lỗ lực khơng ngừng nhóm, đến chúng em đã hoàn thành đề tài Tuy nhiên, kiến thức thân cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì chúng em mong nhận ý kiến đóng góp chân thành từ phía thầy Nguyễn Đình Hùng, thầy giáo Khoa Điện – Điện Tử bạn đọc để đề tài chúng em ngày hoàn thiện phát triển Sau thời gian thực đề tài khoa, chúng em đã học hỏi nhiều kinh nghiệm kiến thức Các thầy gióa khoa đã nhiệt tình chỉ bảo Đặc biệt hướng dẫn nhiệt tình thầy Nguyễn Đình Hùng đã giúp chúng em hoàn thành đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn! NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển nhanh chóng kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, thiết bị biến đổi điện dùng linh kiện bán dẫn công suất đã sử dụng nhiều công nghiệp đời sống nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao xã hội Trong thực tế sử dụng điện ta cần thay đổi tần số nguồn cung cấp, biến tần sử dụng rộng rãi truyền động điện, thiết bị đốt nóng cảm ứng, thiết bị chiếu sáng, Bộ nghịch lưu biến tần gián tiếp biến đổi chiều thành xoay chiều có ứng dụng lớn thực tế hệ truyền động máy bay, tàu thuỷ, xe lửa, Trong thời gian học tập nghiên cứu, học tập nghiên cứu môn Điện tử cơng suất ứng dụng lĩnh vực hệ thống sản xuất đại Vì để nắm vững phần lý thuyết áp dụng kiến thức vào thực tế, chúng em nhận đồ án môn học với đề tài: “Tính tốn, thiết kế chế tạo mạch nghịch lưu nguồn áp pha biến đổi từ 220VDC- 220VAC” Với đề tài giao, chúng em đã vận dụng kiến thức để tìm hiểu nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính tốn thiết kế phục vụ cho việc hồn thiện sản phẩm Dưới hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình thầy Nguyễn Đình Hùng với cố gắng nỡ lực thành viên nhóm chúng em đã hồn thành xong đồ án Tuy nhiên thời gian kiến thức hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót thực đồ án Vì chúng em mong nhận nhiều ý kiến đánh giá, góp ý thầy giáo, bạn bè để đề tài hoàn thiện CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI 1.1 Phân tích yêu cầu đề tài Với yêu cầu đề tài phải thiết kế nghịch lưu cho điện áp xoay chiều 220V từ nguồn 220VDC, tần số mạch đo 50Hz, công suất nghịch lưu 100W Biến áp sử dụng cách ly, điện áp đầu với đầu vào Mạch mạch cơng suất linh kiện sử dụng phần lớn linh kiện công suất Mạch sử dụng van bán dẫn công suất Transistor, MOSFET, IGBT… Trong trình chạy mạch xung tạo xung vuông khuếch đại lên van bán dẫn Transistor, IGBT… 1.2 Mục tiêu đề tài Nắm cách tổng quan phần tử bán dẫn công suất Nghiên cứu mạch nghịch lưu cầu H, hiểu nguyên lý làm việc mạch, phương pháp biến đổi từ lựa chọn phương án tối ưu để áp dụng đồ án ngồi thực tiễn 1.3 Ý nghĩa đề tài Để giúp sinh viên có thể củng cố kiến thức, tổng hợp nâng cao kiến thức chuyên ngành kiến thức thực tế Đề tài cịn thiết kế chế tạo thiết bị, mơ hình để sinh viên trường đặc biệt sinh viên khoa Điện – Điện tử tham khảo, học hỏi tạo tiền đề nguồn tài liệu cho học sinh, sinh viên khố sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu học tập Những kết thu sau hoàn thành đề tài trước tiên giúp chúng em hiểu sâu nghịch lưu, phương pháp biến đổi điện áp Từ tích lũy kiến thức cho năm học sau thực tế 1.4 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 1.4.1 Cấu trúc ký hiệu Về cấu trúc bán dẫn, IGBT giống với MOSFET, điểm khác có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p emitter với collector, mà n-n MOSFET Vì coi IGBT tương đương với transistor p-n-p với dòng base điều khiển MOSFET Dưới tác dụng áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với hạt mang điện điện tử hình thành, giống cấu trúc MOSFET Các điện tử di chuyển phía collector vượt qua lớp tiếp giáp n-p cấu trúc base collector transistor thường, tạo nên dòng collector a) b) Hình 1.1: a) Cấu trúc IGBT b) Sơ đồ tương đương IGBT 1.4.2 Nguyên lý làm việc Phân cực cho IGBT UCE >0, sau vào cực G điện áp điều khiển Uge>0 với giá trị đủ lớn Khi hình thành kênh dẫn với hạt điện từ giống MOSFET hạt điện tử di chuyển phía cực C, vượt qua lớp tiếp giáp P-N tạo nên dòng Collector Thời gian đóng cắt IGBT nhanh transistor thường, trễ mở khoảng 0,15ms, trễ khóa khoảng 1ms Cơng suất điều khiển IGBT nhỏ thường mở dạng điện áp điều khiển ±15V Để mở thường cấp tín hiệu +15V,khóa cấp tín hiệu -15V 1.4.3 Vùng làm việc an toàn (Safe Operating Area) Vùng làm việc an toàn thể dạng đồ thị quan hệ điện áp giá trị dòng điện lớn mà phần tử hoạt động chế độ, dẫn, khóa, q trình đóng cắt Khi điện áp đặt lên cực điều khiển emitor dương hình thứ hai điện áp âm Khi điện áp điều khiển dương, SOA có dạng hình chữ nhật với góc hạn chế phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện điện áp lớn Điều có nghĩa chu kỳ đóng cắt ngắn, ứng với tần số làm việc cao khả đóng cắt cơng suất suy giảm Khi đặt điện áp điều khiển âm lên cực điều khiển emitor, SOA lại bị giới hạn vùng công suất lớn tốc độ tăng điện áp lớn dẫn đến xuất dòng điện lớn đưa vào vùng p cực điều khiển, tác dụng giống dòng điều khiển làm IGBT mở trở lại tác dụng cấu trúc thyristor Tuy nhiên khả chịu đựng tốc độ tăng áp IGBT lớn nhiều so với phần tử bán dẫn công suất khác Giá trị lớn dòng cho phép collector cho phép Icm chọn cho tránh tượng chốt giữ dịng, khơng khóa lại được, giống thyristor Hơn nữa, điện áp điều khiển lớn Uge phải chọn để giới hạn dòng điện Ice giới hạn lớn cho phép điều kiện cố ngắn mạch cách chuyển đổi bắt buộc từ chế độ bão hịa sang chế độ tuyến tính Khi dịng Ice giới hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp Uce lúc Tiếp theo IGBT phải khóa lại điều kiện đó, nhanh tốt để tránh phát nhiệt mạnh Tránh tượng chốt giữ dòng cách liên tục theo dõi dòng collector điều cần thiết thiết kế IGBT 1.5 IC SG3525 1.5.1 Sơ đồ chân Hình 1.2: Sơ đồ chân IC SG3525 - Điện áp hoạt động đến 35VDC - Dải tần số dao động từ 100HZ tới 400 KHz IC SG3525 có tính ưu việt so với IC 4047 IC TL494: - Lấy nguồn mà không cần biến đổi nguồn nuôi cho IC - Dễ điều chỉnh độ rộng xung - Khoảng deal time vừa đủ để tạo chu kỳ âm mà khơng gây tượng trùng dẫn Hình 1.3: Sơ đồ khối IC SG3525 Chức chân: Chân 1: Đầu vào đảo Chân 2: Đầu vào không đảo Chân 3: Chân đồng hóa, cho phép đồng xung với dao động gắn Chân 4: Đầu xung dao động Chân 5: Mắc với tụ điện CT=0.1uF- 1nF Chân 6: Gắn với điện trở RT=2kΩ - 150kΩ Chân 7: Chân tụ CT xả điệp áp mắc với trở RD Chân 8: Chân nối với tụ để khởi động êm chế độ soft – start kích hoạt so sánh với điện áp Vref Chân 9: Chân bù hồi tiếp chân đầu đảo góp phần điều chỉnh xung ra bù có sai lệch xung Chân 10: Chân shutdown- ngừng Khi chân mức thấp PWM kích hoạt mức cao PWM thiếp thời Chân 11 chân 14: chân tín hiệu điều khiển.Dịng định mức 100mA dòng đỉnh 500mA Hai xung lệch pha 180 độ Chân 12: chân mass IC Chân 13:Điện áp collector transistor NPN nối bên IC Điện áp cấp cho chân nên từ đến 18V mosfet làm việc với điện áp thấp 8V bị đánh thủng 20V Chân 15: Chân cấp nguồn cho IC hoạt động từ đến 35V Chân 16: Điện áp tham chiếu có giá trị thấp 5V cao 5.2V thông thường 5.1V 1.5.2 Chức Tạo xung điều khiển lệch pha 180° để điều khiển cặp IGBT mạch công suất Tần số PWM phụ thuộc vào tụ định thời trở định thời Tụ định thời (C T) kết nối chân mass Điện trở định thời (R T) kết nối chân mass Điện trở chân chân (RD) xác định deadtime Giá trị RD dải đến 500Ω RT phải nằm dải 2k đến 150KΩ Tụ CT phải nằm dải 1nF (102) tới 0.2uF (224) Tần số công thức tần số dao động muốn tính tần số nghịch lưu 50Hz ta phải tính 100Hz theo cơng thức 1.6 Nghịch lưu 1.6.1 Giới thiệu nghịch lưu Bộ nghịch lưu biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi chiều thành xoay chiều Nguồn cung cấp chiều, nhờ khóa chuyển mạch làm thay đổi cách nối đầu vào đầu cách chu kỳ để tạo nên đầu xoay chiều Khác với biến tần việc chuyển mạch thực nhờ lưới điện xoay chiều, nghịch lưu hoặc điều áp chiều hoạt động chúng phụ thuộc vào loại nguồn tải Các nghịch lưu phân làm loại : - Bộ nghịch lưu làm việc chế độ phụ thuộc vào lưới điện xoay chiều - Bộ nghịch lưu độc lập(với nguồn độc lập acquy, máy phát điện…) Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống chỉnh lưu có điều khiển Mạch nghịch lưu phụ thuộc mạch chỉnh lưu có nguồn chiều đổi dấu so với chỉnh lưu góc mở α tiristor thỏa mãn điều kiện (π/2 < a 0 nguồn cung cấp lượng cho tải (các thyristor dẫn dịng) Khi �t0 Giai đoạn t = đến t1 giai đoạn hoàn lượng.Khi t = T/2 cho xung mở T2 T4, T1 T3 bị khóa lại, dịng tải chạy qua D2 D4 khiến cho T2 T4 vừa kịp mở khóa đã bị khóa lại Khi t = 3, i = 0, T2 T4 mở lại, i ILm = CHƯƠNG TÍNH TỐN,THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP MỘT PHA 2.1 Thiết kế sơ đồ khối tồn mạch Hình 2.1: Sơ đồ khối tồn mạch 2.2 Tính tốn, thiết kế mạch động lực 2.2.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 2.2.2 Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch MOSFET - Dòng làm việc qua van dòng làm việc qua cuộn dây sơ cấp máy biến áp: I = A Điện áp ngược đặt lên van: 220v DC Từ điều kiện tính tốn ta chọn van IRF840 với tham số sau Hình 2.3: IRF 840 IRF840 MOSFET kênh N đóng gói TO-220 Nó thiết kế cho ứng dụng điện áp cao lên đến 500V với khả chuyển mạch tốc độ cao Nó sử dụng cho mục đích cơng tắc khuếch đại Là cơng tắc, điều khiển tải tối đa 8A tải lên tới 30A chế độ xung Thiết bị sử dụng nhiều ứng dụng điện áp cao nguồn điện, điều khiển động cơ, UPS,… Ngồi IRF840 kết nối điều khiển trực tiếp với đầu mạch tích hợp Tính / Thơng số kỹ thuật Loại gói: TO-220 Loại transistor: Kênh N Điện áp tối đa từ cực máng đến cực nguồn: 500V Điện áp tối đa từ cực cổng đến cực nguồn phải là: ± 20V Dòng cực máng liên tục tối đa là: 8A Dịng cực máng xung tối đa là: 32A Cơng suất tiêu tán tối đa là: 125W Điện áp tối thiểu cần thiết để dẫn: 2V đến 4V Nhiệt độ lưu trữ hoạt động phải là: -55 đến +150 độ C 2.3 Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển Để tạo khối phát xung ta sử dụng vi mạch sg3525 có thơng số sau Mạch điều khiển điều biến độ rộng xung SG3525A cung cấp hiệu suất cải thiện số lượng phận bên thấp thực để điều khiển tất loại nguồn điện chuyển mạch Tham chiếu chip +5,1 V cắt thành ± 1% khuếch đại lỡi có dải điện áp chế độ chung đầu vào bao gồm điện áp tham chiếu, loại bỏ cần thiết điện trở chia bên Một đầu vào đồng cho tạo dao động cho phép nhiều đơn vị bổ sung hoặc đơn vị đồng hóa với đồng hồ hệ thống bên ngồi Một loạt thời gian chết lập trình điện trở kết nối chân CT chân Xả Thiết bị có mạch khởi động mềm tích hợp, chỉ yêu cầu tụ điện định thời bên Chân tắt điều khiển mạch khởi động mềm giai đoạn đầu ra, cung cấp tính tắt tức thời thơng qua chốt PWM với chế độ tắt xung, tái chế khởi động mềm với lệnh tắt máy dài Việc khóa điện áp hạn chế đầu thay đổi tụ điện khởi động mềm VCC danh định Các công đoạn đầu thiết kế cực totem có khả chìm tìm nguồn vượt 200 mA Giai đoạn đầu SG3525A có tính logic NOR dẫn đến đầu thấp cho trạng thái tắt Các tính năng: • Hoạt động 8,0 V đến 35 V • Tham chiếu cắt xén 5,1 V ± 1,0% • Dải dao động 100 Hz đến 400 kHz • Chốt đồng dao động riêng biệt • Điều khiển thời gian chết điều chỉnh • Khóa điện áp đầu vào • Chốt PWM để ngăn nhiều xung • Xung-x-xung Tắt máy • Đầu Nguồn / Chìm kép: ± 400 mA Đỉnh 2.3.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 2.3.2 Tính tốn tần số đầu mạch điều khiển Tần số dao động IC SG3525 tính theo cơng thức: Như tần số dao động phụ thuộc vào C T, RT RD Tần số dao động gấp đôi tần số đầu nên để muốn tần số đầu 50Hz fosc=100Hz Ta chọn CT=0.1uF RD=220Ω thay vào công thức trên: => RT=141.9kΩ => Chọn RT biến trở 100kΩ cộng với điện trở thường 100kΩ 2.4 Thiết kế sơ đồ nguyên lý nguyên lý hoạt động toàn mạch 2.4.1 Thiết kế sơ đồ ngun lý tồn mạch Hình 2.5: Khối nguồn Hình 2.6: Khối tạo dao động Hình 2.7: Mạch cầu H 2.4.2 Nguyên lý hoạt động toàn mạch -Điện áp đầu vào 220v AC sau chỉnh lưu qua cầu diode lọc tụ đầu vào, điện áp 310v DC không tải -Điện áp nuôi cho ic 12v điện áp ta lấy từ biến áp, sau chỉnh lưu thành điện áp chiều , ổn định mức 12v IC7812 -Khi cấp nguồn SG3525 hoạt động tạo tín hiệu xung hai chân 11 14 lệch pha 180 độ -Tín hiệu đến kích mở chân G Mosfet làm cho Mosfet hoạt động dao động tạo điều khiển cho Mosfet liên tục đóng ngắt tạo thành dịng điện biến thiên -Chu kì đầu Q9 Q2 chạy, điện áp 310v DC qua Q9 sau qua tải qua Q2 xuống mass, tạo chu kì đầu 50hz -Chu Q1 Q10 chạy, điện áp 310v DC qua Q1 sau qua tải qua Q10 xuống mass, tạo chu kì thứ 50hz -2 chu kì lặp lặp lại Điện áp đầu lúc ta thu xấp xỉ điện áp nguồn 220v AC 2.4.3 Sơ đồ mạch in Hình 2.8: Mạch in mạch cầu H Hình 2.9: Mạch in khối tạo dao động CHƯƠNG KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 3.1 Khảo sát tín hiệu mạch điều khiển Hình 3.1: Tín hiệu chân 11 mạch điều khiển Hình 3.2: Tín hiệu chân 14 mạch điều khiển 3.2 Mơ hình thực tế sản phẩm Hình 3.3: Mơ hình thực tế sản phẩm 3.3 Kết luận -Sau trình thực đồ án em đã thu số kết sau: -Giới thiệu số ứng dụng đặc điểm mạch biến đổi điện áp dc -Phân tích nguyên lý làm việc thông số mạch -Giới thiệu số ứng dụng đặc điểm mạch -Với cố gắng nỡ lực thân, em đã hồn thành đồ án theo thời gian Một lần em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô khoa Điện - Điện Tử, đặc biệt thầy Nguyễn Đình Hùng đã trực tiếp hướng dẫn em việc hoàn thành đồ án Em mong nhận ý kiến nhận xét, góp ý thầy cô bạn để đồ án cúng em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! ... CHƯƠNG TÍNH TỐN,THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP MỘT PHA 2.1 Thiết kế sơ đồ khối tồn mạch Hình 2.1: Sơ đồ khối tồn mạch 2.2 Tính tốn, thiết kế mạch động lực 2.2.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch. .. nắm vững phần lý thuyết áp dụng kiến thức vào thực tế, chúng em nhận đồ án mơn học với đề tài: ? ?Tính tốn, thiết kế chế tạo mạch nghịch lưu nguồn áp pha biến đổi từ 220VDC- 220VAC? ?? Với đề tài giao,... đề tài phải thiết kế nghịch lưu cho điện áp xoay chiều 220V từ nguồn 220VDC, tần số mạch đo 50Hz, công suất nghịch lưu 100W Biến áp sử dụng cách ly, điện áp đầu với đầu vào Mạch mạch công suất