Tài liệu đề tài 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 1 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 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 2 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! 3 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 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: + N-MOSFET: 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. + P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào ngỏ Gate 4 ● 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 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. 5 - 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 p-n 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 6 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 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. 7 - 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 8 chạy qua cuộn sơ cấp => sinh ra từ trường biến thiên cảm ứng lên các cuộn thứ cấp => cho ta điện áp ra. 9 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 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: 10 11 ● 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 Volt-Ampere 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. 12 Hình 1.5: Đặc tuyến của TRIAC 13 ● 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 14 Thyristor gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ và được nối ra ba chân: A : Anode : cực dương K : Cathode : cực âm G : Gate : cực khiển (cực cổng) 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 anode-cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất,Uth,max.Điện trở tương đương trong mạch anode-cathode sẽ giảm đột ngột và dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trong thực 15 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 anode-cathode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anode-cathode 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 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 I A = 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 I H (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 T 1 được phân cực ở cực B1 nên dòng điện 16 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 I C2 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 V AK 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 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 17 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 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 điện áp 18 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 anode-cathode 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 anode-cathode 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 19 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 I Gmin là trị số dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristor dẫn điện và dòng I Gmin 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). 20