Thiết kế mạch nghịch lưu

PHỤ LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3 1.1. Các linh kiện bán dẫn công suất 3 1.1.1. Mosfet 3 1.1.2. Triac 7 1.1.3. Thyristor 9 1.2. Nghịch lưu 15 1. 2.1. Khái niệm và phân loại sơ đồ nghịch lưu. 15 1.2.2. Các sơ đồ nghịch lưu độc lập một pha 17 1.2.3. Phạm vi ứng dụng của mạch nghịch lưu 20 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU 22 2.1. Phân tích yêu cầu thiết kế mạch nghịch lưu 22 2.2. Phương pháp 23 2.2.1.Phương án 1, dùng Transistor công suất, các cổng logic và trigơ 23 2.2.2. Phương án 2, sử dụng IC SG3525 và MOSFET IRF3205 26 2.3. Mạch nghịch lưu sử dụng IC SG3525 và MOSFET IRF3205 26 2.3.1. Sơ đồ nguyên lí 26 2.3.2.Giới thiệu chi tiết các linh kiện 27 2.3.3. Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống: 31 2.3.4. Mạch điều khiển và mạch lực 32 2.3.5. Phương pháp điều chế PWM1 33 2.4. Tính toán và chế tạo mạch nghịch lưu. 36 2.4.1. Tính toán máy biến áp 36 2.4.2. Mạch lực 39 2.5. Kết quả mô phỏng 40 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại ngày nay điện tử công suất đóng một vai trò hết sức quantrọng 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   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 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 dioxitsilic (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. 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 đóngmở 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. 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.

PHỤ LỤC

LỜI NÓI ĐẦUTrong thời đại ngày nay điện tử công suất đóng một vai trò hết sức quantrọng trong đời sống Việc biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác nhờ cácmạch công suất được ứng dụng rộng rãi Đặc biệt nhờ có sự phát triển của van bándẫn công suất mà lĩnh vực này ngày càng phát triển mạnh mẽ.Ta có thể phân loạithành 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 mộtchiều) Mỗi nhóm trên đều có những ứng dụng riêng của nó trong từng lĩnh vực cụthể

Quá trình thực hiện đồ án này dưới sự hướng dẫn của thầy Tạ Hùng Cườngchúng em đi sâu tìm hiểu mảng biến đổi năng lượng một chiều ra năng lượng xoaychiều mà cụ thể là mạch kích điện áp 12V một chiều lên điện áp 220V xoay chiềucông 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 thờigian thực hiện không nhiều nên còn nhiều hạn chế.Chúng em sẽ tiếp tục tìm hiểu vàphát 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 hướngdẫn và chỉ bảo tận tình của thầy Tạ Hùng Cường Thầy đã giúp chúng em có đượcthêm nhiều những kiến thức và kinh nghiệm quý báu để phục vụ cho việc học tậpcũng như cho công việc trong tương lai Sau đây chúng em xin trình bày về nhữngkiến thức chúng em đã tìm hiểu được trong thời gian vừa qua Vì kiến thức còn hạnchế và thời gian tìm hiểu cũng chưa nhiều nên đồ án của em không thể tránh khỏisai sót Vậy em rất mong sự góp ý từ thầy để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

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 "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect 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 trongcácmạch 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:

+ N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bêntrong 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 thếvào ngỏ Gate

● Cấu tạo và kí hiệu

Hình 1.2: Cấu tạo và kí hiệu

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùnglớn, 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 thìđiện trở RDS càng nhỏ

S tới cực máng D, hình thành nên dòng điện cực máng ID

- Điện áp điều khiển UGS < 0 luôn làm cho tiếp giáp p-n bị phân cực ngược, do

đó bề rộng vùng nghèo tăng dần khi UGS < 0 tăng dần Khi đó tiết diện dẫn điệngiảm 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 cựcmáng ID.

- Trường hợp: UDS > 0, UGS = 0 trong kênh dẫn xuất hiện dòng điện ID có giátrị phụ thuộc vào UDS

- UDS > 0, UGS < 0 tăng dần, bề rộng vùng nghèo mở rộng về phía cực D vìvới cách mắc như hình vẽ thì điện thế tại D lớn hơn điện thế tại S do đó mức độphân 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 làkhông 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 => đènQ1 dẫn => bóng đèn D sáng

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 giátrị các tụ đó

● Xác định chân, kiểm tra-Mosfet

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

- 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 dùngcặp linh kiện là IC tạo dao động và đèn Mosfet, dao động tạo ra từ IC có dạng xungvuông được đưa đến chân G của Mosfet, tại thời điểm xung có điện áp > 0V => đènMosfet dẫn, khi xung dao động = 0V Mosfet ngắt => như vậy dao động tạo ra sẽđiều khiển cho Mosfet liên tục đóng ngắt tạo thành dòng điện biến thiên liên tụcchạy qua cuộn sơ cấp => sinh ra từ trường biến thiên cảm ứng lên các cuộn thứ cấp

=> cho ta điện áp ra

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 p-n-p-n như ởthyristor theo cả hai chiều giữa cáccực T1 và T2, do đó có thể dẫn dòng theo cả hai chiều giữa T1 và T2 TRIAC cóthể coi tương đương với hai thyristor đấu song song song ngược.để điều khiểnTriac 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 Thyristormắc 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:

TRIAC có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vàocực điều khiển) lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển).Tuy nhiên xung dòngđiều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là để mở được TRIAC sẽ cần một dòngđiều khiển âm lớn hơn so với dòng điều khiển dương.Vì vậy trong thực tế để đảmbảo tính đối xứng của dòng điện qua TRIAC thì sử dụng dòng điện dương là tốthơn cả.

Hình 1.5: Đặc tuyến của TRIAC

● 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 đượcchiếu sáng sẽ có trị số điện trở nhỏ làm điện thế nạp được trên tụ C thấp vàdiac không dẫn điện, triac không được kích nên không có dòng qua tải Khi Cds bịche tối sẽ có trị số điện trở lớn làm điện thế trên tụ C tăng đến mức đủ để triac dẫnđiện và triac được kích dẫn điện cho dòng điện qua tải Tải ở đây có thể là các loạiđèn 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 giátrị trung bình nhờ tác dụng san làm đồng đều Nhưng các dụng cụ điện tải điệnkháng sẽ bị ảnh hưởng đáng kể, ví dụ động cơ sẽ bị phát nóng hơn mức bìnhthường, tiêu tốn năng lượng cao hơn

Kết luận: Triac có ưu điểm trong mọi vấn đề như gọn nhẹ, rẻ tiền … DùngTriac làm biến dạng sin là nhược điểm chính trong sử dụng

1.1.3 Thyristor

● Cấu tạo

Thyristor gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ và được nối ra ba chân:

Khi được phân cực thuận, Uak>0, thyristor có thể mở bằng hai cách Thứ nhất,

có thể tăng điện áp anode-cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớnnhất,Uth,max.Điện trở tương đương trong mạch anode-cathode sẽ giảm đột ngột vàdòng 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 nàocũng tăng được điện áp đến giá trị Uth,max Hơn nữa như vậy xảy ra trường hợpthyristor 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 sẽchuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện

áp anode-cathode nhỏ Khi đó nếu dòng qua anode-cathode lớn hơn một giá trị nhấtđịnh gọi là dòng duy trì (Idt) thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng màkhông cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển, nghĩa là có thể điều khiển mở cácthyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạchđiều 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 V G = OV

Khi cực G và VG = OV có nghĩa là transistor T1 không có phân cực ở cực Bnên T1ngưng dẫn Khi T1 ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn Như vậytrường 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 tăngtheo đến điện thế ngập VBO (Beak over) thì điện áp VAK giảm xuống như diode vàdòng điện IAtăng nhanh Lúc này Thyristor chuyển sang trạng thái dẫn điện, dòngđiện 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 chuyểnsang trạng thai dẫn điện Lúc này transistor T1 được phân cực ở cực B1 nên dòngđiện 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 ápngập 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 dẫnđiện mà chỉ có dòng rỉ rất nhỏ đi qua Khi tăng điện áp ngược lên đủ lớn thìThyristor 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 vàngược dấu

● Đặc tuyến

Hình 1.8: Đặc tuyến của Thyristor

IG = 0

IG2 > IG1 > IG

Đặc tính Volt-Ampere của một thyristor gồm hai phần Phần thứ nhất nằmtrong 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 vớitrường 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 cựcđiều khiển, thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện ápgiữa anode vàcathode Khi điện áp Uak < 0 theo cấu tạo bán dẫn của thyristor hai tiếpgiáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận, như vậy thyristor sẽgiống như hai điốtmắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua thyristor sẽ chỉ có một dòngđiện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Khi Uak tăng đạt đến một giá trị điện áp lớnnhất 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 đảongược được, nghĩa là thyristor đã bị hỏng

Khi tăng điện áp anode-cathode theo chiều thuận, Uak > 0, lúc đầu cũng chỉ cómột dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Điện trở tương đương mạch anode-cathode vẫn có giá trị rất lớn Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cựcngược Cho đến khi Uak tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất sẽ xảy ra hiệntượng điện trở tương đương mạch anode-cathode đột ngột giảm, dòng điện có thểchạy 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 đặctính 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 trìnhchuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện ápthuận đạt giá trị lớn nhất Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyểnđặc 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

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 làtrị số dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristor dẫn điện và dòng IGmin có trị sốlớn hay nhỏ tùy thuộc công suất của Thyristor, nếu Thyristor có công suất càng lớnthì 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 đểThyristor có thể chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, thời gian mởkhoảng 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 thìphải 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 điệntrở 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 vùngkhông gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua Vùng không gian này có thểcoi như một tụ diện có điện dung Cj2 Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòngđiện của tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển Kết quả làthyristor 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 thyristortần số cao Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs còn với cácthyristor 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 nóđều dẫn dòng đồng đều Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một vài điểm, gần với cựcđiều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện Nếutốc độ tăng dòng điện quá lớn có thể dẫn tới mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầuquá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá nhanh dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏngtoàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn

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 đổiphải luôn có các biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới giá trị cho phép Điều nàyđạt được nhờ mắc nối tiếp các phần tử bán dẫn với các điện kháng nhỏ, lõi không khíhoặc đơn giản hơn là các xuyến ferit lồng lên nhau Các xuyến ferit rất phổ biến vìcấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên thanhdẫn Xuyến ferit còn có tính chất của cuộn cảm bão hòa, khi dòng qua thanh dẫn cònnhỏ 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 áptrong 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 dòngđiện lớn, và thường được sử dụng để điều khiển dòng xoay chiều AC (Alternatingcurrent), vì sự thay đổi cực tính của dòng điện khiến thiết bị có thể đóng một cách tựđộng(được biết như là quá trình Zero Cross-quá 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 ápxoay chiều một pha hoặc ba pha

* Sơ đồ khối:

Hình 1.9 Sơ đồ khối

-Khối nguồn

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 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 12v-220v 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

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 vàotín hiều điều khiển, dòng điện thường có dạng hình chữnhật còn điện áp phụ thuộcvào tải có thể là hình chữ nhật, hình răng cưa, hình sin, dạng hàm mũ

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 nốivào 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 đấunối tiếp với một điện cảm lớn LK vừa để giữcho dòng điện vào để hạn chế đỉnh caocủa dòng điện Ickhi khởi động Tụ điện C gọi là tụ điện chuyển mạch.Đặc điểm củaonduleur dòng là có dòng điện tải dạng “Sinus chữnhật” còn dạng điện áp trên tảithì 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 biến áp tự ngẫu nênVB

=Vo = u1= E.như vậy tụ điện C được nạp điện áp bằng 2E, bản cực dương ở bênphải Bây giờ nếu cho xung mở T2, Tiristor này mở và đặt điện thế điểm B vàomạch catôt T 1 khiến T 1 bị khoá lại, tụ điện C sẽ bị nạp ngược lại, sẵn sàng đểkhoá 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

Hình 1.11: Sơ đồ cầu một pha

Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi Tiristor T1, T2 lệch pha với tínhiệu 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 cấpcho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện nghịch lưu (i) có dạng xungvuông Khi đưa xung vào mở cặp van T1,T2 , dòng điện i = id= Id Đồng thời dòngqua tụ C tăng lên đột biến , tụ C bắt đầu nạp điện với cực (+) ở bên trái và cực (-) ởbên 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 trìnhphóng điện của tụ C từcực (+) vềcực (-)

Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1 và T2 bịkhoá lại.Quá trình chuyển mạch gần như tức thời Sau đó tụC sẽ được nạp điện theochiều 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 thìT1 và T2 sẽ bị khoá lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt vào Khoảng thời gian duytrì diện áp ngược ( t1 -t’1 ) là cần thiết để duy trì qúa trình khoá và phục hồi tínhđiều khiển của van và t’1- t01= tk ≥ toff là thời gian khoá của Tiristor hay chính làthời 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

Hình 1.12: Sơ Đồ mạch điện

Trong đó : -T1,T2,T3,T4: Là các thyristor có nhiệm vụ để đóng cắt hoặc điềuchỉnh 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)

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 khiểntác 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 vàD4 khiến cho T2 và T4 vừa kịp mở đã bị khóa lại Khi t=t3, i=0, T2 và T4 sẽ mởlại, i<0 chảy theo chiều B→A Dòng tải i biến thiên theo quy luật hàm mũ giữa haigiá 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)

-Truyền tải điện cao áp một chiều,luyện kim,các bộ biến đổi cho các nguồn nănglượng 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 cácthiết bị điện khi xảy ra sự cố, đảm bảo an toàn dữ liệu và an toàn hệ thống

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 sửdụng nguồn cấp là acquy nên không phù hợp

Mạch nghịch lưu độc lập cộng hưởng có dạng điện áp ra gần sin nhất, tuynhiên với tần số lớn từ 300Hz trở lên do vậy không phù hợp để sử dụng cho mạch

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 lên220VAC tần số 50Hz