Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

Hình 1.3 .Bộ khuếch đại chuyển mạch hai trang thái 4.3..MOSFET Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển cực nhỏ MOSFET có hai loại: • N-MOSFET: chỉ

TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề tài: Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

Giảng viên hướng dẫn : GV NGUYỄN THỊ ĐIỆP

Sinh viên thực hiện: BÙI THIÊN KIỀU

PHẠM THỊ LINH PHẠM THỊ THANH XUÂN

Lớp : D7-CNTD1

Hà Nội, tháng 04 năm 2015

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP I.1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG

Nghịch lưu độc lập hay otonom là thiết bị biến đổi từ tĩnh của dòng điện một chiều sang xoay chiều có tần số bất kì.

I.2 PHÂN LOẠI

• Nghịch lưu độc lập nguồn áp:

- Điện áp ra có dạng hình chữ nhật , có giá trị không đổi , còn đường cong của dòng thì phụ thuộc vào loại tải.

- Nguồn điện cung cấp làm việc như máy phát điện động , vì vậy trong thực tế cần lắm thêm 1 tụ điện lớn.

- Khi tải có tính cảm kháng nhất thiết phải sử dụng điot ngược để đảm bảo sự cân bằng năng lượng cảm kháng.

- Đặc tính tải Utải = f(Itải) có dạng nằm ngang

• Nghịch lưu độc lập nguồn dòng:

- Dòng ra gồm dòng tải và dòng chuyển mạch tiristor của tụ điện có dạng hình chữ nhật, còn điện áp phụ thuộc vào các thông số tải

- Nguồn điện cung cấp làm việc như nguồn dòng nên phải mắc nối tiếp thêm một cuộn kháng lớn.

- Khi tải có tính cảm kháng, sự cân bằng công suất kháng thực hiện bằng tụ điện chuyển mạch vì vậy tải tổng hợp nhất thiết phải có đặc tính dung kháng.

- Đặc tính tải có dạng đường thẳng nghiêng.

• Nghịch lưu độc lập cộng hưởng.

Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu cộng hưởng là quá trình chuyển mạch của van dựa vào hiện tượng cộng hưởng Giá trị điện cảm không lớn như nghịch lưu dòng ( Ld = ) và không nhỏ hơn nghịch lưu áp ( Ld = 0 ), mà chiếm một vị trí trung gian sao cho khi kết hợp với điện cảm của tải Lt và tụ điện C thì trong mạch sẽ xuất hiện hiện tượng dao động

I.3 MỘT SỐ LOẠI VAN BÁN DẪN DÙNG TRONG NGHỊCH LƯU

1 Khái niệm

Van bán dẫn là các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổi như các khóa điện tử, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì ngắt tải

ra khỏi nguồn, không cho dòng điên chạy qua.

2 Đặc điểm

Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khóa, khi mở cho dòng điện chạy qua thì

có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khóa không cho dòng chạy qua thì có điện trở tương

đương rất lớn.Nhờ đó tổn hao công suất trong quá trình làm việc bằng tích của dòng điện chạy với điện áp rơi trên phần tử sẽ có điện trở rất nhỏ.

Chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực thuận Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ

mA, gọi là dòng rò.

Tính năng kĩ thuật chủ yếu của van bán dẫn công suất thể hiện qua khả năng đóng cắt dòng điện, khả năng chịu điện áp và các đặc tính liên quan đến quá trình đóng cắt cũng như vấn đề điều khiển chúng.

3 Phân loại

Van có điều khiển:

- Điều khiển hoàn toàn :Bibolar Transistor, MOSFET, IGBT, GTO.

- Điều khiển không hoàn toàn : Tiristor

4.Các loại van thường dùng

4.1.Transistor công suất (Bipolar Junction Transistor – BJT)

Transistor lưỡng cực là thiết bị gồm ba lớp bán dẫn : NPN hoặc PNP, được dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ tương đối lớn Hệ số khuếch đại dòng β

=10→100 , điện áp VBE ≈ 1V, Vcc = 1→1,5V

Hình 1.2 Transistor thuận – ngược Transistor công suất được sử dụng như một khóa điện tử, chịu được tần số đóng cắt tương đối cao nên còn được gọi là phần tử khuếch đại chuyển mạch, chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng- cắt, dẫn- không dẫn.

Hình 1.3 Bộ khuếch đại chuyển mạch hai trang thái 4.3 MOSFET

Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển cực nhỏ

MOSFET có hai loại:

• N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Input (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 Input (Gate)

Thông thường chất bán dẫn được chọn là silíc nhưng có một số hãng vẫn sản xuất các vi mạch bán dẫn từ hỗn hợp của silíc và germani (SiGe), ví dụ như hãng IBM Ngoài silíc và germani còn có một số chất bán dẫn khác như gali asenua có đặc tính điện tốt hơn nhưng lại không thể tạo nên các lớp oxide phù hợp nên không thể dùng để chế tạo các transistor MOSFET.

5 Ứng dụng thực tế

• Bộ biến tần (truyền động động cơ điện xoay chiều)

• Lò cảm ứng trung tần, hàn trung tần

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

• Bù nhiễu công suất phản kháng

• Truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC)

• Cung cấp điện (từ các nguồn độc lập như ắc quy)

• Giao thông

• Luyện kim….

Trong đồ án này sẽ tìm hiểu về van bán dẫn điều khiển hoàn toàn: MOSFET.

I.2 Van MOSFET

I.CẤU TẠO

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 thường có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở 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 hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu Mosfet được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn Monito, nguồn máy tính.

Hình 2.1 Transistor hiệu ứng trường Mosfet

I.2.2 Phân loại

Transistor trường MOS có hai loại:

o Transistor MOSFET có kênh sẵn

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

(Depletion-Mode MOSFET viết tắt là DE -MOSFET), là loại transistor đã chế tạo sẵn kênh dẫn.

Hình 2.2 DE- MOSFET

- Transistor 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 không có kênh dẫn

Do công nghệ chế tạo đơn giản nên MOSFET kênh cảm ứng được sản xuất và sử dụng nhiều hơn.

Hình 2.4 E-MOSFET

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

I.2.3 Cấu tạo

Phần chính của Mosfet có cấu trúc như hai bản cực của một tụ điện

Một bản kim loại ở phía trên được nối với chân ra (chân Gate)

(G - Gate) là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn đioxil-silic (SiO2)

Hai cực còn lại là cực gốc (S - Source) và cực máng (D - Drain)

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 dương so với cực gốc Trên ký hiệu phần tử, phần chấm gạch giữa D và S để chỉ ra rằng trong điều kiện bình thường không có một kênh dẫn thực sự nối giữa D và S Cấu trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng tương tự nhưng các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện ngược lại Tuy nhiên đa số các MOSFET công suất là loại có kênh dẫn kiểu n.

Trong chế độ làm việc bình thường 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 sẽ là tiếp giáp p-n phân cực

ngược Điện áp UDS hoàn toàn rơi trên vùng nghèo điện tích của tiếp giáp này (hình 2.a)

Nếu điện áp điều khiển âm, UDS < 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 là dương, UDS > 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 2.b)

Như vậy trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, các phần tử mang điện là các điện tử, giống như của lớp n tạo nên cực máng, nên MOSFET được gọi là phần tử với các hạt mang điện cơ bản, khác với các 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 vào điện áp UDS.

Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET (hình 2.c), có

thể thấy rằng giữa cực máng và cực gốc tồn tại một

tiếp giáp p-n - tương đương với một diode ngược nối

giữa D và S Trong các sơ đồ bộ biến đổi, để trao đổi

năng lượng giữa tải và nguồn thường cần có các

diode ngược mắc song song với các van bán dẫn.Ưu

điểm của MOSFET là đã có sẵn một diode nội tại như

vậy.

I.2.4 Đặc tính tĩnh (đặc tuyến VA)

Khi điện áp điều khiển UDS nhỏ hơn một ngưỡng nào đó, cỡ 3V, MOSFET ở trạng thái khoá với điện trở rất lớn giữa cực máng D và cực gốc S Khi UGS cỡ 5 - 7V, MOSFET sẽ ở trong chế

độ dẫn Thông thường điều khiển MOSFET bằng điện áp điều khiển cỡ 15V để làm giảm điện áp rơi trên D và S Khi đó UDS sẽ gần như tỷ lệ với dòng ID.

Hình 2.4.Đặc tính tĩnh (VA) Đặc tính tĩnh của MOSFET có thể được tuyến tính hoá chỉ bao gồm hai đoạn thể hiện hai chế độ khoá và dẫn dòng Theo đặc tính này dòng qua MOSFET chỉ xuất hiện khi điện áp điều khiển vượt qua một giá trị ngưỡng UDS(th) Khi đó độ nghiêng của đường đặc tính khi dẫn dòng đặc trưng bởi độ dẫn:

Trong đó: UDS(th), Gm là những thông số của MOSFET Người ta có thể dùng giá trị nghịch đảo của Gm điện trở thuận RDS(ON) để đặc trưng cho quá trình dẫn của MOSFET.

I.2.4 Phương pháp mở khóa van

1.1 Nguyên tắc hoạt động

Thí nghiệm

• 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 K1 đóng, nguồn UG cấp vào hai cực GS làm điện áp UGS > 0V => đèn Q1 dẫn => bóng đèn D sáng.

• Khi công tắc K1 ngắt, điện áp tích trên tụ C1 (tụ gốm) vẫn duy trì cho đèn Q dẫn => chứng tỏ không có dòng điện đi qua cực GS.

• Khi công tắc K2 đóng, điện áp tích trên tụ C1 giảm bằng 0 => UGS= 0V => 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

1.2 Quá trình đóng cắt

- Quá trình đóng

Hình mô hình khóa Mosfet Khi cấp vào cực G (Gate) của Mosfet một điện áp thông qua mạch Driver

- Giai đoạn thứ nhất: Điện dung đầu vào của Mosfet được nạp từ điện áp 0V đến giá trị Uth, trong suốt quá trình đó hầu hết dòng điện vào cực G được nạp cho tụ CGS, một lượng nhỏ nạp cho tụ CGD Quá trình này được 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 được 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 UMiller 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 VDS,Miller 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 tư: Đây là giai đoạn Mosfet dẫn bão hòa khi cấp một điện áp cao UDR(giá trị của UDR 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 tư điện áp trên cực Gate tăng từ giá trị UMiller đến giá trị của mạch Driver UDR Trong khi đó điện áp giữa cực D, S (UDS) giảm mạnh gần về giá trị 0V, dòng điện ID giữ không đổi.

- Quá trình khóa

Hình Quá trình mở Mosfet và sự phụ thuộc của tụ điện CGD vào điện áp UDS

- 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 nhưng 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 UDS(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 tư: 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.

Quá trình mở - khóa của Mosfet là quá trình chuyển mạch giữa trạng thái trở kháng cao và trạng thái trở kháng thấp được thực hiện trong bốn giai đoạn.

Độ dài khoảng thời gian của các giai đoạn được 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.

I.2.5 Các thông số cơ bản của van.

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 độrộng 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

4.Gate-to-Source Voltage:

Điện áp điều khiển giữa cực Gate và Souce, thường lớn nhấtlà 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 vàGate,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 nhấtvà 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 tiếpgiáp,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 cựcDrain 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 thôngsố 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 nàyquyết 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

I.3 MỘT SỐ SƠ ĐỒ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP

I.3.1 Nghịch lưu điện áp một pha

Hình 3.1.Sơ đồ mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp1 pha hình tia

Khi chân 3 T1 có cực tính dương, dòng điện sẽ chạy qua L1, qua tải, qua diode nội Q2

về chân 4 thành 1 mạch kín Chính lúc này G Q2 có xung kích dương, MOS dẫn thông Vì