Đồ án nghịch lưu 1 pha

4 Chương II : Giới thiệu về van MOSFET 2.1 Giới thiệu về Mosfet Mosfet là Transistor hiệu ứng trường Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor là một Transistor đặc biệt có

1

M c l c

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT NGH CH LƯU 2

1.1 GI I THI U NGH CH LƯU 2

1.1.1 Định nghĩa về nghịch lưu 2

1.1.2 Phân loại 2

1.1.3 Các mức áp cổng ra tiêu chuẩn 2

1.1.4 Ứng dụng 2

1.2 B NGH CH LƯU 3

CHƯƠNG II: GI I THI U N MOSFET 4

2.1 GI I THI U V M OSFET 4

2.2 P HÂN LO I V C U T O CƠ B N C A VAN MOSFET 4

2.2.1 Phân loại 4

2.2.2 Cấu tạo cơ bản của MOSFET 6

2.3N GUYÊN T C L M VI C V Đ C T NH Đ NG C T C A VAN MOSFET 7

2.3.1 Nguyên tắc hoạt động 7

2.3.2 Đặc tính đóng cắt của MOSFET 9

2.4 C C THÔNG S TH C TẾ C A MOSFET 11

CHƯƠNG III: PHÂN T CH M CH NGH CH LƯU P M T PHA V ĐI U CHẾ ĐI N P Đ U RA V I B L C 14

3.1 N GH CH LƯU P C U M T PHA 14

3.2 Đ I U CHẾ Đ U A V I B L C 15

CHƯƠNG I : THIẾT KẾ M CH NGH CH LƯU D NG MOSFET 16

4.1M T S LINH KI N S D NG TRONG M CH 16

4.1.1 Ic ổn áp nguồn 78xx 16

4.1.2 CD4047 17

4.1.3 IR2103 18

4.1.4 MOSFET IRFz44 20

4.2 SƠ Đ NGUYÊN L V C C KH I TRONG M CH ĐI N 21

4.2.1 Khối nguồn 21

4.2.2 Khối tạo xung 22

4.3.2 IR2103 và cầu nghịch lưu MOSFET 23

4.2.4 Sơ đồ mạch tổng thể và đi dây mạch in 24

2

Chương I : Lý thuyết về nghịch lưu

1.1 Giới thiệu về nghịch lưu

1.1.1 Định nghĩa về nghịch lưu

Nghịch lưu là việc biến đổi năng lượng điện từ nguồn điện một chiều thành năng lượng điện

xoay chiều Ở trong đồ án này chúng ta chỉ xét đến nghịch lưu độc lập là việc nghịch lưu từ các nguồn một chiều độc lập như ắc quy

1.1.2 hân loại:

a Theo tham số điều khiển ngõ ra :

 Bộ nghịch lưu áp : điều khiển áp ra

 Bộ nghịch lưu dòng: điều khiển dòng ra

3

 Nguồn xoay chiều trong gia đình , nguồn lưu điện (UPS), chiếu sáng (đèn huỳnh quang cao tần)

 Bù nhuyễn công suất phản kháng

 Truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC)

 Công suất nhỏ và vừa : sử dụng các khoá BJT , MOSFET, IGBT

 Công suất lớn : IGBT, GTO, Thyristor + Bộ chuyển mạch (chuyển mạch cưỡng bức) hoặc Thyristor thường nếu quá trình chuyển mạch phụ thuộc

 Diode mắc đối song: Tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn ngược lại, cho phép trao đổi công suất ảo giữa tải xoay chiều với nguồn một chiều và hạn chế quá áp khi kích ngắt các công tắc (chức năng bảo vệ linh kiện)

Điện áp ra có thể giữ không đổi hoặc thay đổi được ở tần số giữ cố định hoặc thay đổi được Điện áp ra được điều khiển bởi việc điều chỉnh giá trị điện áp nguồn DC nếu giữ độ lợi (gain)

bộ nghịch lưu không đổi Nếu nguồn DC có trị số cố định không đổi thì điện áp ra thay đổi bằng cách thay đổi độ lợi của bộ nghịch lưu ( ví dụ bằng phương pháp điều biến độ rộng xung) Độ lợi được định nghĩa là tỷ số giữa điện áp ra AC và điện áp vào DC Điện áp ở ngõ

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

4

Chương II : Giới thiệu về van MOSFET

2.1 Giới thiệu về Mosfet

Mosfet là Transistor hiệu ứng trường ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor )

là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta đã biết, Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợn cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu, Mosfet được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn Monitor, nguồn máy tính

Hình 2.1 Transistor hiệu ứng trường Mosfet

2.2 hân loại và cấu tạo cơ bản của MOSFET

2.2.1 hân loại

Transistor trường MOS có hai loại:

1 transistor MOSFET có kênh sẵn

2 transistor MOSFET kênh cảm ứng

Trong mỗi loại MOSFET này lại có hai loại là kênh dẫn loại P và kênh loại N

 MOSFET kênh sẵn

Transistor trường MOSFET kênh sẵn còn gọi là MOSFET-chế độ nghèo (Depletion-Mode

MOSFET viết tắt là DE-MOSFET).Transistor trường loại MOS có kênh sẵn là loại transistor

mà khi chế tạo người ta đã chế tạo sẵn kênh dẫn

5

Hình 2.2 : Cấu tạo và kí hiệu của DE-MOSFET

 MOSFET kênh cảm ứng

Transistor trường loại MOS kênh cảm ứng còn gọi là MOSFET chế độ giàu

(Enhancement-Mode MOSFET viết tắt là E-MOSFET) Khi chế tạo MOSFET kênh cảm ứng người ta không chế tạo kênh dẫn Do công nghệ chế tạo đơn giản nên MOSFET kênh cảm ứng được sản xuất

và sử dụng nhiều hơn

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

6

2.2.2 Cấu tạo cơ bản của MOSFET

Cấu tạo cơ bản và ký hiệu mạch của MOSFET kênh

n được cho ở hình 2.4 Phần chính của một MOSFET có cấu trúc như hai bản cực của một tụ điện: một bản kim loại ở phía trên được nối với chân ra gọi là chân Cổng [Gate] G, bản cực phía dưới là phiến đế làm bằng vật liệu bán dẫn Si tạp dạng p, đôi khi đế được nối với cực nguồn ở bên trong MOS (MOS ba chân), nhưng phần lớn, cực đế được lấy ra bằng một chân thứ tư có tên là chân Đế [Bode] B, (có khi còn gọi là cực SS [Substrate]) để có thể cho phép điều khiển bởi mức điện thể của nó từ bên ngoài Lớp điện môi của

tụ chính là lớp cách điện rất mỏng di ôxit Silicon (SiO2), do cấu trúc như vậy nên Cổng - Đế được gọi là cấu trúc của tụ MOS

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

[Metal-Oxide-7

bán dẫn tạp kiểu ngược lại với hai vùng Nguồn và Máng (thường ở mức pha tạp loãng hơn)

để đảm bảo cách ly giữa hai vùng Lớp ôxit (SiO2) được tạo ra bằng cách gia nhiệt ở nhiệt

độ cao để có các đặc tính bề mặt chung tốt nhất Vật liệu làm Cổng thông dụng nhất là kimloại hoặc polysilicon Khi chiều dài kênh dẫn bằng 0,3µm, thì các thông số điển hình là: chiều dày của lớp ôxit ≈ 10µm, mức pha tạp của vùng đế là ≈ 3x1017

cm-3,độ dày tiếp giáp pn giữa Máng-Đế và Nguồn-Đế là ≈ 0,2µm Đối với mỗi loại kênh dẫn, thì mức ngưỡng của điện áp cổng phải thích hợp để có thể làm biến đổi kênh dẫn Nếu kênh dẫn biến mất tại điện

áp cổng bằng 0 (tức là kênh dẫn thường hở - normally OFF) thì MOSFET được gọi là dụng

cụ tăng cường kênh do điện áp cổng cần phải có cho sự “tăng cường” [enhance] hay làm giàu kênh dẫn, (hình 3.1a, b) Nếu kênh là có sẵn tại điện áp cổng bằng 0 (tức thường kín - ON), thì MOSFET được gọi là dụng cụ nghèo kênh vì điện áp cổng cần cho việc “làm suy kiệt” [deplete] hay làm nghèo kênh dẫn, (hình 3.1b) Các điện áp và dòng điện của MOSFET kênh

động thông thường của N MOSFET

Chú ý rằng: các vùng Nguồn và Máng tạo thành tiếp giáp pn với vùng Đế Hai tiếp giáp này luôn luôn được giữ ở điều kiện phân cực ngược để có sự cách ly giữa các tiếp giáp của transistor MOS Vì vậy, điện áp Đế phải nhỏ hơn hoặc bằng với điện áp ở các cực Nguồn và Máng để đảm bảo cho các tiếp giáp pn được phân cực ngược một cách thích hơp, tức: iB ≈

0 Ngoài ra, Cổng phải là một bản cực kim loại để có tiếp xúc mặt nhưng vẫn được cách điện với vùng kênh qua lớp SiO2, hay nói cách khác là không có kết nối điện trực tiếp giữa cực Cổng và kênh dẫn ở MOSFET, nên MOSFET là một dụng cụ có trở kháng vào rất cao, bởi vì dòng Cổng rất nhỏ, iG ≈ 0 ở cấu hình phân cực dc Vì lý do này mà đôi khi MOSFET còn có tên gọi là FET có cổng cách ly hay IGFET [Insulated-Gate FET]

2.3 Nguyên tắc làm việc và đặc tính đóng cắt của MOSFET

2.3.1 Nguyên tắc hoạt động

Nguyên tắc hoạt động của MOSFET kênh loại P và MOSFET kênh loại N giống nhau nhưng cực tính nguồn cung cấp ngược nhau MOSFET kênh có sẵn (loại N) Khi transistor làm việc thông thường cực nguồn S được nối với đế của linh kiện và nối đất nên US = 0 Các điện áp đặt vào các chân cực cửa G và cực máng D là so với chân cực S Các chân cực đ-ợc cấp nguồn sao cho dòng điện chạy từ cực S tới cực D, điện áp trên cực cửa sẽ quyết định MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hay nghèo hạt dẫn Khi UGS = 0 trong mạch vẫn có dòng điện cực máng (dòng các hạt điện tử) nối giữa cực S và cực D Khi UGS > 0 điện tử bị hút vào vùng kênh đối diện với cực cửa làm giàu hạt dẫn cho kênh, tức là làm giảm điện trở của kênh do đó tăng dòng cực máng ID Chế độ làm việc này gọi là chế độ giàu của MOSFET Khi UGS < 0 qúa trình xảy ra ngược lại, tức là điện tử bị đẩy ra xa kênh dẫn làm điện trở của kênh tăng lên, do vậy dòng cực máng ID giảm Chế độ này gọi là chế độ nghèo hạt dẫn của MOSFET

8

Hình 2.5 Họ đặc tuyến ra của Mosfet kênh có sẵn loại n

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

Hình 2.6 Kênh dẫn trong EMOSFET

lớn như trên hình

Điện dung máng nguồn CDS ảnh hưởng ít quan trọng

Điện dung vào : Ci = CGS + CGS

Hình 2.8 Điện dung kí sinh của MOSFET

10

Trên hình 2.9 cho quan hệ của điện áp VGS theo điện tích của QG ở cổng do dòng IG khi mồi Bắt đầu ở trạng thái khóa VGS bằng không , VDS có giá trị E là nguồn nuôi Trên biểu đồ này

ta có thể phân biệt ba đoạn:

Đoạn OA ứng với điện tích của điện dung vào với điện áp VDS Điện dung Ci hơi khác với

CGS Điện tích cần cung cấp cho dòng điện máng I có thể chạy qua kênh phụ thuộc vào dòng điện này

Đoạn AB ứng với việc giảm VDS từ E đến VDSON Điện áp VGS không thay đổi Điện tích cung cấp dùng để làm thay đổi điện áp trên các cực của CGD Điện áp này càng lớn khi trị số ban đầu E của VDS đã lớn

Đoạn BC ứng với điện tích của điện dung vào, tranzito đang dẫn Điện dung này bằng CGs +

CGDON độc lập với E và I Đường nét đứt OA’B’C’ ứng với dòng điện I’ > I, đường nét chấm gạch OAB’’C” ứng với điện áp E’ > E

Để dập tắt một tranzito như hình 2.10 cho thấy , phải thoát các điện tích thừa dư (đoạn CF),

sự phóng của CGD trong khi điện áp giảm (đoạn FH) và sự hóng điện của CGS trong khi dòng điện giảm (đoạn HJ) Lượng điện tích Q’3 phải thoát bằng cổng trong thời gian dập tắt

Ta nhận thấy trong khi giảm chiều dày của lớp oxit bao quanh lưới , ta được tranzito có điện

áp ngưỡng tương đối thấp để có thể điều khiển trực tiếp băng các mạch logic nguồn nuôi 5V

Đó là các FET (Logic Level Gate FET ), điện dung CGD của chúng cao hơn

Thời gian chuyển mạch bằng tổng thời gian trễ do điện áp ngưỡng, thời gian tăng trưởng của dòng điện và thời gian giảm điện áp Để giảm thời gian này, với một MOSFET đã cho cần giảm điện trở Ri của mạch điều khiển và sử dụng diot nhanh có thời gian phục hồi rất ngắn

 Chuyển mạch khóa

Giả thiết MOSFET nằm trong mạch trên hình 2.11a như trước Hình 4.39c cho các dạng điện

áp VGS, VDS và dòng điện iD, bắt đầu từ thời điểm t = 0, ở đó điện áp điều khiển Vi’ từ E’ đến

0 Điện dung vào phóng qua tải

Từ t = 0 đến t = t’, cổng thoát điện áp VDS tăng nhưng dòng iD vẫn bằng I bởi vì điện áp trên cực điot vẫn còn âm Từ t = t2’ đến t = t3 , dòng điện I được chuyển từ tranzito qua diot Tranzito bị khóa ở t =t3’, điện dung vào tiếp tục phóng để đưa VGS = 0

Khi giảm Ri có thể giảm hằng số thời gian của mạch phóng của điện dung vào và giảm thời gian dập tắt toff

2.4 Các thông số thực tế của Mosfet

1 Drain-to-Source Breakdown Voltage: đây là điện áp một chiều lớn nhất cho phép trên cực Drain và Source Khi tính toán thường lấy hệ số an toàn về điện áp là 1.5 trở lên

2 Continuous Drain Current dòng điện một chiều liên tục lớn nhất chảy qua mosfet, giới hạn bởi tổn hao dẫn , thường cho ở 25°C và 100°C

3 Pulsed Drain Current: Dòng điện xung lớn nhất chảy qua mosfet, phụ thuộc vào độ rộng xung,giới hạn bởi diện tích an toàn(Safe Operating Area-SOA).Trong quá trình quá độ , van hay phải làm việc ở vùng dòng điện trên định mức này trong thời gian ngắn, nếu SOA bị vi phạm thì phải áp dụng khởi động mềm

12

4 Gate-to-Source Voltage: Điện áp điều khiển giữa cực Gate và Souce, thường lớn nhất

là 20V,thực tế hay đặt khoảng 10V,khi mosfet hoạt động xảy ra hiện tượng điện áp điều khiển bị tăng cao do ảnh hưởng của điện dung ký sinh giữa cực Drain và Gate,khi tính toán nếu thấy điện áp này tăng cao cần thêm một diode zener mắc giữa cực Gate và Souce

5 Max Power Dissipation:Công suất tiêu tán lớn nhất trong điều kiện làm mát tốt nhất

và ở một nhiệt độ nhất định, thường cho ở 25°C , dựa vào Linear Derating Factor có thể tính ra công suất tiêu tán nhiệt ở các nhiệt độ khác.Công suất tiêu tán trên thực tế phụ thuộc chủ yếu vào dạng đóng vỏ và điều kiện làm mát, và bé hơn nhiều giá trị định mức.Vd: Loại IRF-540N, dạng vỏ TO-220, datasheet cho Max Power Dissipation =130W tại 25°C,nhưng trong điều kiện làm mát cánh tản nhiệt và quạt cưỡng bức tốt nhất thì thường chỉ nên lấy tối đa 50W Tất cả các loại van khác có cùng dạng đóng vỏ này cũng không được chọn quá 50W

6 Linear Derating Factor: Hệ số suy giảm công suất toả nhiệt theo nhiệt độ, khoảng 0.7-2.5W/°C

7 Operating Junction and Storage Temperature Range: giới hạn nhiệt độ của lớp tiếp giáp,thường là -55 đến +175°C Quá thang nhiệt độ này van sẽ hỏng

8 Peak Diode Recovery dv/dt: Giới hạn tốc độ tăng điện áp trên diot mắc giữa cực Drain và Souce,thường <5V/ns, khi quá giá trị này van sẽ hỏng Sở dĩ có thông số này là vì trong van tồn tại các giá trị điện dung và điện cảm ký sinh Khi có biến thiên điện áp ,các yếu tố này sẽ tương tác, tạo ra một sđđ đủ lớn để phá hỏng các lớp tiếp giáp trong van

9 Static Drain-to-Source On-Resistance: Điện trở biểu kiến ở trạng thái dẫn, đây là thông quyết định đến tổn hao dẫn, thông số này phụ thuộc nhiều vào điện áp chịu đựng của van và nhiệt độ lớp tiếp giáp ,tăng khi nhiệt độ lớp tiếp giáp tăng , và tăng nhanh khi điện áp định mức tăng Có lẽ đây là lý do tại sao mosfet ít được chế tạo ở cấp điện áp trên 1000V

10 Rise Time và Fall Time: thời gian chuyển mạch của van tương ứng từ trạng thái khoá sang trạng thái dẫn và ngược lại , được trình bày trong giản đồ dưới đây.Đây là thông

số quyết định đến tổn hao chuyển mạch , là thông số quan trọng khi đánh giá chất lượng của van, khi tính toán mạch điều khiển thì Rise Time và Fall Time của xung điều khiển phải bé hơn các thông số này của van

11 Total Gate Charge: Điện tích tổng cộng của các tụ điện ký sinh trên cực Gate tại một giá trị Uđk nhất định, thường cho ở 10V, đây chính là điện tích mà mạch điều khiển(gate driver) phải nạp hoặc xả cho các tụ này trong quá trình đóng hay mở van.Bởi vậy mà mạch điều khiển đôi khi còn được gọi là Gate charge.Thông số này quyết định đến giá trị Ipgeak của mạch điều khiển, điện tích này càng lớn thì Ipgeak càng phải lớn để đảm bảo các tụ này được nạp trong thời gian xác định Thường Ipgeak trong khoảng 0.5-2A