1
LỜI MỞ 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.
Với yêu cầu của đồ án “ Tìm hiểu và thực hiện mạch nghịch lưu độc lập điện áp một pha từ nguồn một chiều 12VDC lên 220VAC tần số 50Hz”.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.
Phần báo cáo của em gồm những phần sau:
Phần 1 : Giới thiệu về điện tử công suất và các van bán dẫn Phần 2 : Giới thiệu chung về nghịch lưu độc lập
Phần 3 : Tính toán và thiết kế mạch thực tế
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của cô Nguyễn Thị Thắm .Cô đã giúp em có được thêm nhiều những kiến thức và kinh nghiệm quí báu để phục vụ cho việc học tập cũng như cho công việc trong tương lai. Song thời gian có hạn và vốn kiến thức chưa được rộng nên trong quá trình thiết kế không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em mong nhận được sự chỉ bảo của các quý thầy cô để đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn.
2
CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ NGHỊCH LƢU 1.1. Khái niệm về điện tử công suất
1.1.1. Định nghĩa
Điện tử công suất là chuyên ngành nghiên cứu các phương pháp và các thiết bị điện tử có công suất lớn với các thuật toán điều khiển nhằm biến đổi và điều khiển năng lượng điện.
Hình 1.1 Sơ đồ chung về bộ biến đổi công suất
3 1.1.2. Phân loại và ứng dụng:
Điện xoay chiều thành điện một chiều: Các bộ Chỉnh lưu (Rectifier) điều khiển (dùng Thyristor) hoặc không điều khiển (dùng Diode) tuỳ theo việc ta có cần điều khiển giá trị của dòng điện một chiều ở đầu ra hay không.
Điện một chiều thành điện xoay chiều: Các bộ Nghịch lưu (Inverter). Các bộ nghịch lưu có khả năng biến một dòng điện một chiều thành một dòng điện xoay chiều có giá trị điện áp và tần số thay đổi được tuỳ vào luật đóng mở các van bán dẫn.
Điện một chiều thành điện một chiều: Các bộ Băm xung một chiều (còn có tên là Điều áp một chiều, biến đổi điện áp một chiều ( DC to DC converter, DC chopper). Các bộ biến đổi này biến dòng điện một chiều có giá trị cố định thành dòng điện một chiều có giá trị điện áp, dòng điện điều khiển được.
Điện xoay chiều thành điện xoay chiều: Các bộ Biến tần (Frequency Drive) trực tiếp (Cycloconverter) hoặc gián tiếp (Inverter). Các bộ biến tần có khả năng biến nguồn điện xoay chiều có giá trị dòng điện, điện áp và tần số cố định của lưới điện thành dòng điện xoay chiều có giá trị dòng, áp và tần số điều khiển được theo ý muốn.
1.2. Các phần tử bán dẫn công suất cơ bản
1.2.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất
Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổi như các khóa điện tử, gọi là các van bán dẫn. Khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì ngắt tải ra khỏi nguồn, không cho dòng điện chạy qua. Để đóng cắt các dòng điện lớn thì các van bán dẫn lại được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ.
Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất :
Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khóa, khi mở cho dòng 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 điện tích của dòng điện chạy qua với điện áp rơi trên phần tử sẽ có giá trị rất nhỏ
Các van bán dẫn 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.
Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn được phân loại thành: Van không điều khiển như Diode
Van có điều khiển : Điều khiển không hoàn toàn, như Thysitor, Triac Điều khiển hoàn toàn, như MOSFET, IGBT,GTO
4 1.1.3. Diode công suất
Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn P-N. Diode có 2 cực, anot A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu P, catot K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu N. Dòng điện chỉ chạy qua Diode theo chiều từ A đến K khi điện áp UAK dương. Khi UAK âm, dòng qua Điode gần như bằng không.
a) Cấu tạo và kí hiệu
Hình 1.3a. Cấu tạo và kí hiệu Diode
Tiếp giáp bán dẫn P-N là bộ phận cơ bản trong cấu tạo của một Diode. Khi ghép 2 lớp tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống, tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện, lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.
Tuy nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ mở rộng ra đến độ dày nhất định vì ở bên trong vùng N khi các điện tử di chuyển đi sẽ để lại các Ion dương, còn bên vùng P khi các điện tử di chuyển đến sẽ nhập vào lớp cách điện tử hóa trị ngoài cùng, tạo nên các Ion âm. Các Ion này nằm trong cấu trúc tinh thể của mạng tinh thể Silic nên không thể di chuyển được. Kết quả tạo thành như một tụ điện với các điện tích âm ở lớp phía dưới lớp P và các điện tích dương phía dưới lớp n. Các điện tích của tụ điện này tạo nên một điện trường E có hướng từ vùng N sang vùng P ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục cac điện tử từ vùng N sang vùng P.
5 b) Đặc tính Vôn - Ampe
Hình 1. 4 Đặc tính Vol – Ampe và đặc tính lý tưởng
Đặc tính gồm 2 phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư thứ I tương ứng với UAK > 0, đặc tính ngược nằm trong góc phần tư thứ III tương ứng với
UAK < 0.
Trên đường đặc tính thuật, nếu điện áp A-K tăng dần từ 0 đến khi vượt qua ngưỡng điện áp VF, dòng có thể chảy quan Diode. Dòng điện áp iD có thể
thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên Diode UAK hầu như ít thay đổi. Như vậy
đặc tính thuận của Diode đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương đương nhỏ. Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị
Ung.max gọi là điện áp ngược lớp nhất, thì dòng qua Diode vẫn có giá trị rất nhỏ
gọi là dòng rò. Nghĩa là Diode cản trở dòng chạy qua theo chiều ngược. Cho đến khi UAK đạt đến giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dòng qua Diode tăng đột
ngột, tính chất cản trở dòng điện ngược của Diode bị phá vỡ. Quá vì này không có đảo ngược nghĩa là nếu ta lại giảm điện áp trên A-K thì dòng điện vẫn không giảm. Ta nói Diode bị đánh thủng.
Đặc tính Vôn-Ampe của các Diode khác nhau, tuy nhiên để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng như hình trên được sử dụng nhiều hơn cả. Theo đặc tính lý tưởng, Diode có thể cho phép một dòng điện lớp bất kì chạy qua với sụt áp trên nó bằng 0 và chịu được điện áp ngược lớn bất kì với dòng rò bằng 0. Nghĩa là, theo đặc tính lý tưởng, Diode có điện trở tương đương khi dần bằng 0 và khi khóa bằng ∞.
6 c) Các thông số
Dòng điện thuận ID : Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua
diode theo chiều thuận ID Đây là giá trị lựa chọn diode cho ứng dụng thực tế
Điện áp ngược UNg.max: Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể
chịu dựng được. Luôn lựa chọn:
UAK < U Ng.max
Dòng điện thuận ID :Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua
diode theo chiều thuận ID Đây là giá trị lựa chọn diode cho ứng dụng thực tế
1.1.4. Thyristor (SCR) a) Cấu trúc và kí hiệu
Thysistor có ba cực : anot A, catot K, cực điều khiển G
Thysistor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn P-N-P-N tạo ra ba tiếp giáp P-N: J1, J2, J3
Hình 1.5 Kí hiệu cấu trúc của Thysistor b) Đặc tính Vôn – Ampe
7
Đặc tính Von-Ampe của một Thisistor gồm 2 phần. Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK > 0,
phần thứ 2 nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược tương ứng với trường hợp UAK < 0.
Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng 0 (IG = 0)
Khi dòng vào cực điều khiển của T bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển Thisistor sẽ cản trở dòng điện tương ứng với cả 2 trường hợp phân cực điện áp giữa A-K. Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của Thysistor, hai tiếp giáp
J1, J3 sẽ phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận. Như vậy Thysistor sẽ giống như
2 Diode mắc nối tiếp bọ phân cực ngược. Qua T 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
Ung.max sẽ xảy ra hiện tượng T bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược của Diode, quá trình đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức
Ung.max thì dòng điện cũng không giảm đượ về mức dòng rò. T đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp A-K 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 A-K vẫn có giá trị rất 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, Uth.max sẽ xảy ra hiện
tượng điện trở tương đương mạch A-K đột ngột giảm, dòng điện chạy qua Thysistor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua Thysistor lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đó
Thysistor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở Diode. Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng có thể có giá trị lớn như điện áp rơi trên A-K nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện.
Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển ( IG > 0)
Nếu có dòng điện điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và A, quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuật đạt đến giá trị lớn nhất. Nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn.
c) Điều kiện mở Thysistor
Thysistor chỉ cho phép dòng chạy qua một chiều, từ anot đến catot, và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại. Tuy nhiên, để Thysistor có thể dẫn dòng, ngoài điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn cần thêm một số điều kiện khác.
Khi đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vòa giữa cực điều khiển và catot. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thysistor từ trở kháng cao trở kháng thấp ở mức điện áp A-K nhỏ. Khi đó nếu dòng qua A-K lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (idt) thì Thysistor sẽ tiếp tục ở trong
trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển. Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các Thysistor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so
8
với công suất mạch lực mà Thysistor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.
d) Điều kiện khóa Thysistor
Một Thysistor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa ( điện trở tương đương mạch anot-catot tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì, Idt. Tuy nhiên để Thysistor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng
cao, khi điện áp anot-catot lại dương, (UAK > 0), cần phải có một thời gian nhất
định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình.
e) Các thông số
Giá trị trung bình cho phép chạy qua Thysistor, IV
Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thysistor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn Thysistor không vượt quá một giá trị cho phép
Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép: I = 1/3 IV
Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: Dòng sử dụng cho phép: I = 2/3 IV
Làm mát cưỡng bức bằng nước : Dòng sử dụng cho phép: I = IV
Điện áp ngược lớn nhất: Là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên Thysistor. Trong ứng dụng phải đảm bảo rằng, tại bất kì thời điểm nào điện áp giữa anot-catot UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung.max.
Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thysistor, tr
Đây là thời gian tối thiểu đặt điện áp âm lên giữa anot-catot của Thysistor khi dòng A-K đã về bằng 0 trước khi có thể có điện áp dương mà Thysistor vẫn khóa.
Tốc đô tăng điện áp cho phép
Với T tần số thấp dU/dt = 50 đến 200 V/ micro giây
Với T tần số cao dU/dt = 500 đến 2000 V/ micro giây
Độ tăng dòng cho phép dI/ dt ( A/ micro giây)
Với T tần số thấp dI/dt = 50 đến 200 A/ micro giây
9 1.1.5. GTO ( Gate Turn-off Thysistor)
GTO khóa lại được bằng cực điều khiển, có khả năng về đóng cắt các dòng điện rất lớn, chịu được điện áp cao giống như Thysistor , là một van điều khiển hoàn toàn, có thể chủ động cả thời điểm khóa dưới tác động của điều khiển. a) Cấu trúc và kí hiệu n+ n+ n+ n p p+ n+ p+ n+ p+ n+ p+ G (Gate) K (Cathode) A (Anode) V A K G J1 J2 J3 a) b)
Hình 1.7. Cấu trúc kí hiệu GTO
Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, anot được bổ sung các lớp n+.
Dấu (+) ở bên cạnh chỉ ra rằng mật độ các điện tích tương ứng, các lỗ hoặc điện tử, được làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của các vùng này. Cực điều khiển vẫn được nối vào lớp p thứ ba nhưng được chia nhỏ ra và phân bố đều so với lớp n+ của catot
b) Nguyên lý điều khiển GTO
GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống như ở Thyristor thường.
Để khoá GTO, một xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển.
V A G K Më Khãa IG’max IG t a) b)
Hình 1.8. Nguyên lý điều khiển GTO a.Yêu cầu dạng xung điều khiển b.Nguyên lý thực hiện
Để khóa GTO, một xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển. Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứ một lương lớn các điện tích sinh ra do tác
động của hiệu ứng bán phá “vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các điện tử di chuyển từ catot, vùng n+ , đến anot, cùng p+ , tạo nên dòng anot. Bằng cách lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện sẽ bị co hẹp và bị ép về phía vùng n+ của anot và vùng n+ của catot. Kết quả là dòng anot sẽ bị giảm cho đến khi về đến 0. Dòng điều khiển được duy trì một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khóa.
10
Xung dòng khóa phải GTO phải có biên độ rất lớn. Vào khoảng 20-25% biên độ dòng anot-catot. Một yêu cầu quan trọng nữa là xung dòng điều khiển phải có độ dốc sườn rất lớn, sau khoảng 0,5 đến 1µs. Điều này giải thích tại sao nguyên lý thực hiện tạo xung dòng khóa là nối mạch cực điều khiển vào một nguồn áp. Về nguyên tắc, nguồn áp có nội trở bằng 0 và có thể cùng cấp một dòng điện vô cùng lớn.
Mạch điều khiển GTO dùng 2 khóa Transitor T1, T2. Khi tín hiệu điều
khiển là 15V, T1 mở, dòng chạy từ nguồn 15V qua điện trở hạn chế R1 nạp điện
cho tụ C1 tạo nên dòng chạy vào cực điều khiển của GTO. Khi tụ C1 nạp đầy
điện áp của Diode ổn áp DZ (12V) dòng điều khiển kết thúc. Khi tín hiệu điều
khiển rơi xuống mức 0V thì T1 bị khóa, T2 sẽ mở do có điện áp trên tụ C1, tụ C1
bị ngắn mạch qua cực điều khiển và catot, Transistor T2 tạo nên dòng đi ra khỏi
cực điều khiển, khóa GTO lại. Diode DZ ngăn ko cho tụ nạp ngược lại. Transistor T2 phải chọn là loại chịu được xung dòng có biên độ lớn chạy qua.
1.1.6. Transistor công suất, BJT ( Bipolar Junction Transistor) a) Cấu tạo
Transistor là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p (bóng thuận) hoặc n-p-n (bóng ngược), tạo nên hai tiếp giáp p-n được biểu diễn trên hình 1.2.5 n n n p n -n E (Emitter) (Base) C a) B b. Hình 1.9.a..Cấu trúc bán dẫn BJT b.kí hiệu
11
Cấu trúc này thường được gọi là Bipolar Junction Transistor vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm cả 2 loại điện tích âm và dương. Transistor có ba cực : Bazer (B), colecter (C), emiter (E). BJT thường là loại bóng ngược. Transistor chỉ được sử dụng như một phần tử khóa. Khi mở dòng điều khiển phải thỏa mãn điều kiện : IB > hay IB = kbh
Trong đó kbh = 1,2 ÷ 1,5 gọi là hệ số bão hòa. Khi đó Trasistor sẽ ở trong
chế độ bão hòa với điện áp giữa conlecto và emito rất nhỏ, cỡ 1 – 1,5V, gọi là điên áp bão hòa, U CE.bh.
Khi khóa, dòng điều khiển IB bằng 0, lúc đó dòng colecto gần bằng 0, điện
áp UCE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp với
transistor
b) Đặc tính đóng cắt của Transistor
Chế độ đóng cắt của Transistor phụ thuộc chủ yếu vào các tụ kí sinh giữa tiếp giáp B-E, B-C, CBE và CBC
Hình 1.10 Đặc tính đóng cắt của Transitor
Quá trình mở : Theo đồ thị, trong khoảng thời gian (1), BJT đang trong chế độ khóa với điện áp ngược, -UB2 đặt lên tiếp giáp B-E. Quá trình mở BJT
bắt đầu khi tín hiệu điều khiển nhảy từ -UB2 lên mức UB1. Trong khoảng (2), tụ
đầu vào, giá trị tương đương bằng Cin=CBE + CBC, nạp điện từ điện áp –UB2 đến
UB1. Khi UBE còn nhỏ hơn 0, chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với IC và UCE. Tụ
Cin chỉ nạp đền giá trị ngưỡng mở U *
của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6-0,7V, bằng điện áp rơi trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi UBE vượt quá giá trị 0 ở đầu giai đoạn
(3). Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ để mở Id(on) của BJT.
Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ emito thâm nhập vào vùng bazo, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dòng colecto. Các điện tử thoát ra khỏi colecto càng làm tăng thêm các điện tử đến emito. Quá trình tăng dòng IC,
12
IE tiếp tục xảy ra cho đến khi trong bazo đã tích lũy đủ lượng điện tích dư thừa
mà tốc độ tự trung hòa của chúng đảm bảo một dòng bazo không đổi :
Tại điểm cộng dòng điện tại bazo trên sơ đồ tao có:
IB1=iC.BE+IC.BC+iB
Trong đó iC.BE là dòng nạp của tụ CBE,
iC.BC là dòng nạp của tụ CBC,
iB là dòng đầu vào của Transistor, iC=β.iB
Dòng colecto tăng dần theo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là IC (∞)=β.IB1. Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3)thì dòng IC đã đạt đến giá trị
bão hòa, IC.bh, BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện iC=β.iB không còn tác
dụng nữa. Trong chế độ bão hòa cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận. Vì khóa làm việc với tải trở trên colecto nên điện áp trên colecto-emito VCE cũng giảm theo cùng tốc độ với sự tăng của dòng IC. Khoảng thời gian (3)
phục thuộc và độ lớn của dòng IB1, dòng này càng lớn thì thời gian này càng
ngắn. Trong khoảng thời gian (4), đuôi điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện
áp bão hòa cuối cùng, xác định bởi biểu thức: UCE=Un – IC.bh.R1
Thời gian (4) phụ thuộc quá trình suy giảm điện trở của vùng n- và phụ thuộc cấu tạo của BJT.
Trong giai đoạn (5). BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hòa. Quá trình khóa BJT:
Trong thời gian BJT ở chế độ bão hòa, điện tích tụ không chỉ trong lớp bazo mà cả trong lớp conlecto. Tuy nhiên những biến đổi bên ngoài hầu như không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của khóa.
Khi điện áp điều khiển thayd dổi từ UB1 xuống –UB2 ở đầu giai đoạn (6).
Điện tích tích lũy trong các lớp bán dân không thể thay đổi ngay lập tức được. Dòng IB ngay lập tức sẽ có giá trị :
Lúc đầu các điện tích được di chuyển ra ngoài bằng dòng không đổi IB2.
Giai đoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích trong tiếp giáp bazo-conlecto giảm về bằng 0 và tiếp theo tiếp giáp này bắt đầu bị phân cực ngược. Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khóa, t d(off) .
Trong khoảng thời gian (7) dòng colecto IC bắt đầu giảm về bằng 0, điện áp UCE
sẽ tăng dần tới giá trị +Un. Trong khoảng thời gian này BJT làm việc trong chế
độ tuyến tính, trong đó dòng IC tỷ lệ với dòng bazo. Tụ CBC làm việc trong chế
độ tuyến tính, trong đó dòng IC tỷ lệ với dòng bazo. Tụ CBC bắt đầu nạp tới giá
trị điện áp ngược bằng Un. Lưu ý rằng trong giai đọa này, tại điểm cộng dòng
điện áp trên bazo trên sơ đồ ta có: IB2=iC.BC-iB
Trong đó iC.BC là dòng nạp của tụ CBC; iB là dòng đầu vào của trazito. Từ
đó có thể thấy quy luật iC=β.iB vẫn thực hiện. Tiếp giáp B-E vẫn được phân cực
13
lại hoàn toàn. Trong khoảng (8), tụ bazo-emito tiếp tục nạp tới điện áp ngược – UB2. Tranzito ở chế độ khóa hoàn toàn trong khoảng (9).
c) Đặc tính tĩnh của BJT và cách mắc sơ đồ Darlington
Từ đặc tính tĩnh ở trên thấy rằng hệ số khuếch đại dòng điện của các tran. công suất nhỏ chỉ khoảng hàng chục. Do đó cần mắc hai tran. nối tiếp nhau như hình vẽ
Hình 1.11. Sơ đồ Darlington
Sơ đồ Darlington là cách nối hau trazito Q1, Q2 với hệ số khuếch đại
dòng tương ứng β1, β2, có hệ số khuếch đại chung bằng :β=β1+β2+β3+β4.
1.1.7. Trasisto trường, MOSFET
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MOSFET
MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ, hình 1.2.6a thể hiện cấu trúc bán dẫn và kí hiệu của một MOSFET kênh dẫn kiểu n. Trong đó 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 doxit-silic (Sio2). Hai cực còn lại là cực gốc S (Source) và cực máng D (Drain). Trên kí 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 với S p n n n n p n -Cùc gèc (S – Source) Cùc ®iÒu khiÓn (G – Gate) n Cùc m¸ ng (D – Drain) S D G a) b)
Hình 1.12 a.Cấu trúc b.kí hiệu của MOSFET Sự hình thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET
14
Hình 1.13. Sự hình thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET
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
sẽ là hoàn toàn rơi trên vùng nghèo điện tích của tiếp giáp này.
Khi điện áp điều khiển âm, UGS < 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, UGS>0, và đủ lớn, bề mặt tiếp xúc
cực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử, và một kênh dẫn thực sự đã hình thành. Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET, 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-S.
b) Đặc tính tĩnh của MOSFET
Khi điện áp điều khiển UGS nhỏ hơn một ngưỡng nào đó, cỡ 3V, MOSFET
ở trạng thái khóa 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 người ta điều khiển MOSFET bằngđiện áp điều khiển cỡ 15 V để làm giảm điện áp rơi trên D vs S. Khi đó UDS sẽ gần như tỷ lệ cới dòng ID. ID(A) UGS UDS=200V 5V 10V 5A 10A UDS=10V UDS=2V DÉn dßng UDS=1V UDS=0,5V 0 Hình 1.14 Đặc tính tĩnh của MOSFET c) Đặc tính đóng cắt của MOSFET
Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản, MOSFET có thể đóng cắt với tần số rất cao. Tuy nhiên để đạt được thời gian đóng cắt rất ngắn thì vấn
15
đề điều khiển là rất quan trọng. Cơ chế ảnh hưởng đến thời gian đóng cắt của MOSFET là các tụ điện kí sinh giữa các cực.
a) b) Hình 1.15 Mô hình một khóa MOSFET
a) Các thành phần tụ kí sinh giữa các lớp bán dẫn MOSFET b) Mạch điện tương đương Tụ điện giữa cực điều khiển và cực gốc CGS phải được nạp đến điện áp có
thể xuất hiện. Tụ giữa cực điều khiển và cực máng CGD có ảnh hưởng mạnh đến
giới hạn tốc độ của MOSFET.
Hình 1.16. Sự phụ thuộc của tụ điện CGD vào điện áp UDS
Quá trình mở một MOSFET Cực máng Cực điều khiển BJT ký sinh Cds Cgd Cgs p p n+ n+ n- Điôt trong Vùng nghèo điện tích n+ G (Gate) S D (Drain) S CGS CDS CGD RGint RDS(on) D
16
Hình 1.17. Quá trình mở một MOSFET a) Sơ đồ; b) Đồ thị dạng dòng điện, điện áp
Tải cảm trong sơ đồ thể hiện bằng nguồn dòng nối song song ngược với diot dưới điện áp một chiều UDD. MOSFET được điều khiển bởi đầu ra của vi
mạch DRIVER dưới nguồn nuôi UCC nối tiếp qua điện trở Rgext. Cực điều khiển
có điện trở Rgint. Khi có xung dương ở đàu vào của DRIVER, ở đầu ra của nó sẽ
có xung với biên độ UP đưa đến điện trở RGgext.
Như vậy UGS sẽ tăng với hằng số thời gian xác định bởi T1=(Rdt+
Rgext+Rgint).(CGS+CGDI), trong đó tụ CGD đang ở mức thấp, CGDI do điện áp UDS
đang ở mức cao.
Theo đồ thị, trong khoảng thời gian từ 9 đến t1, tụ (CGS+CDSI) được nạp
theo quy luật hàm mũ tới giá trị ngưỡng UGS(th). Trong khoảng này cả điện áp
UDS lẫn dòng ID đều chưa thay đổi. td(on)=t1 gọi là thời gian trễ khi mở. Bắt đầu
từ thời điểm t1 khi UGS đã vượt qua giá trị ngưỡng, dòng cực máng ID bắt đầu
tăng, tuy nhiên điện áp UDS vẫn giữ nguyên giá trị điện áp nguồn UDD.
Trong khoảng thời gian t1 đến t2, dòng Id tăng tuyến tính rất nhanh, đạt dến
giá trị dòng tải. Từ t2 trở đi, khi UGS đạt đến mức, gọi là mức Miller điện áp,UDS
bắt đầu giảm rât nhanh. Trong khỏng từ t2 đến t4, điện áo UGS bị găm ở mức
Miller, do đó dòng IG cũng có giá trị không đổi. Khoảng này gọi là khoảng
Miller. Trong khoảng thời gian này, dòng điều khiển là dòng phóng cho tụ CGD
để giảm nhanh điện áp giữa cực máng vs cực gốc UDS.
Sau thời điểm t4, UGS lại tăng tiếp tục với hằng số thời gian
T2+(Rdr+Rgext+Rgin).(CGS+CGDh) vì lúc này tụ CGDh đã tăng đến giá trị cao CGDh.
UGS sẽ tăng đến giá trị cuối cùng, xác định giá trị thấp nhất của điện áp giữa cực
gốc và cực máng, UDS+ IDS.RDS(on).
17
Hình 1.18.a Quá trình khóa MOSFET
Dạng sóng của quá trình khóa thể hiện như hình trên. Khi đầu ra của mạch điều khiển Driver xuống đến mức không UGS bắt đầu giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian T2=(Rdr+Rgext+Rgind).(CGS+CGDh) từ 0 đến t1. Tuy nhiên
sau thời điểm t3 thì hằng số thời gian lại là T1+ (Rdr+Rgext+Tgint).(CGS+CGDI).
Từ điểm 0 đến t1 là thời gian trễ khi khóa Id(off), dòng điều khiển phóng
điện cho tụ cuối cùng tại t3, trong đó dòng Id vẫn giữ nguyên mức cũ. Khoảng
thời gian từ t2 đến t3 tương ứng với mức Miller, dòng điều khiển vài điện áp trên
cực điều khiển giữ nguyên giá trị không đổi. Sau thời điểm t3 dòng ID bắt đầu
giảm về đến 0 ở thời điểm t4. Từ t4 MOSFET bị khóa hẳn.
a) Các thông số thể hiện khả năng đóng cắt của MOSFET
Các thông số kĩ thuật của MOSFET thường được cho dưới dạng các trị số tụ CIS, CRSS, COS dưới những điều kiện nhất định như điện áp UDS, UGS. Có thể
tính ra các tụ kí sinh như sau:
CGS=CRSS
CGSS=CISS – CRSS
CDSS=COSS – CRSS
Công suất mạch điều khiển : Pđiều khiển=UCC.Qg.fsw
Trong đó fsw là tần số đóng cắt của MOSFET.
Tổn hao công suất do quá trình đóng cắt trên MOSFET: Psw= .UDS.IDS.TD.fsw.(ton+toff)
Trong đó ton, toff là thời gian mở và khóa của MOSFET, tương ứng là các
18
1.1.8. Transisto có cực điều khiển cách ly IGBT a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Hình 1.19 IGBT
IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của Transisto thường. IGBT được điều khiển bằng điện áp, có công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ.
Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp p nối với colecto tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n –p giữa emito (tương tự
cục gốc) với colecto (tương tự cực máng), không phải là n-n như ở MOSFET. Có thể coi IGBT tương đương với một Transisto p-n-p với dòng được điều khiển
bởi MOSFET.
b) Đặc tính đóng cắt của IGBT
Hình 1.20. Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT
Trên hình thể hiện cấu trúc tương đương của IGBT với một MOSFET và một p-n-p Transisto. Kí hiệu dòng qua MOSFET, i2 là dòng qua transisto. Phần
MOSFET, i2 là dòng qua trasisto. Phần MOSFET trong IGBT có thể khóa lại
nhanh chóng nếu xả hết đc điện tích giữa G và E, do đó dòng y sẽ bằng 0. Tuy nhiên thành phần dòng i2 sẽ không thể suy giảm nhanh được do lượng điện tích
tích lũy trong lớp n
(tương đương với bazo của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể xuất hiện vùng dòng điện bị kéo dài khi khóa một IGBT. Trên sơ đồ IGBT đóng cắt một tải cảm có diode không D0 mắc song song. OGBT được điều khiển bởi
19
nguồn tín hiệu với biên độ UG nối với cực điều khiển G qua điện trở RG. Trên sơ
đồ Cgs, Cge thể hiện các tụ kí sinh giữa cực điều khiển và colecto, emito.
Quá trình mở IGBT
Hình 1.21. Quá trình mở IGBT
Quá trình mở IGBT diễn ra rất giống với quá trình này ở MOSFET khi điện áp điều khiển đầu vào tăng từ không đến giá trị UG. Trong thời gian trễn khi
mở Id(on) tín hiệu điều khiên nạp điện cho tụ Cgc làm điện áp giữa cực điều khiển
và emito tăng theo quy luật hàm mũ, từ ko đến giá trị ngưỡng UGE(th) (khoảng 3
đến 5 V), chỉ bắt đầu từ đó MOSFET trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa colecto – emito tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải I0 trong thời gian tr. Trong thời gian tr điện áp giữa cực điều khiển và emito
tăng đến giá trị UGE.I0 xác đinh giá trị dòng I0 qua colecto. Do Diode D0 còn đang
dẫn dòng tải I0 nên điện áp UCE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều
Udc. Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo 2 giai đoạn, ttv1 và ttv2. Trong suốt 2 giai
đoạn này điện áp giữa cực điều khiển giữ nguyên ở mức UGE.I0 (mức Miller, để
duy trì dòng I0, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng của tụ Cgc.IGBT vẫn
làm việc trong chế độ tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa và phục hồi của Diode D0, dòng phục hồi của Diode D0 tạo nên xung dòng trên
mức dòng I0 của OGBT. Điện áp UCE bắt đầu giảm. IGBT chuyển điểm làm việc
20
trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của colecto – emito về giá trị Ron khi
khóa bão hòa hoàn toàn, UCE.on=I0Ron.
Sau thời gian mở ton, khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều
khiển và emito tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ, với hằng số thời gian bằng CgcRG đến giá trị cuối cùng UG.
Tổn hao lăng lượng khi mở được tính gần đúng bằng :
Qon=
Quá trình khóa
Hình 1.2.7.4 thể hiện dạng điện áp, dòng điện của quá trình khóa của IGBT. Quá trình khóa bắt đầu khi điện áp điều khiển giảm từ UG xuống –UG.
Trong thời gian trễ khi khóa td(off) chỉ có tụ đầu vào Cge phóng điện qua dòng
điều khiển đầu vào với hằng số thời gian bằng CgcRG tới mức điện áp Miller. Bắt
đầu từ mức Miller điện áp giữa cực điều khiển và emito bị giữ không đổi do điện áp Uce bắt đầu tăng lên và do đó tụ Cge bắt đầu được nạp điện. Dòng điều
khiển bây giờ sẽ hoàn toàn là dòng nạp cho tụ Cge nên điện áp UGF được giữ
không đổi.
Điện áp Uce tăng từ giá trị bão hòa Uce.on tới giá trị điện áp nguồn Udc sau
khoảng thời gian trV. Từ cuối khoảng IrV Diode bắt đầu mở ra cho dòng tải I0
ngắn mạch qua, do đó dòng colecto bắt đầu giảm, Quá trình giảm diễn ra theo hai giai đoạn tti1 và tti2. Trong gian đoạn đầu, thành phần dòng i1 của MOSFET
trong cấu trúc bán dẫn IGBT suy giảm nhanh chóng về không. Điện áp Ugc ra
khỏi mức Miller và giảm về mức điện áp điều khiển ở đầu vào –UG với hằng số
thời gian RG(Cge+Cgc). Ở cuối khoảng tti1, Ugc đạt mức ngưỡng khóa của
MOSFET, UGE(th), tương ứng với việc MOSFET bị khóa hoàn toàn. Trong giai
đoạn hai, thành phần dòng i2 của transisto p-n-p bắt đầu suy giảm. Quá trình
giảm dòng này có thể kéo rấ dài vì các điệntích trong lớp n- chỉ bị mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích tại chỗ. Đó là vấn đề đuôi dòng điện đã nói đến ở trên.
Tổn hao năng lượng trong quá trình khóa có thể tính gần đúng bằng: Qoff=
Lớp n- trong cấu trúc bán dẫn của IGBT giúp giảm điện áp rơi khi dẫn, vì khi đó số lượng các điện tích thiểu số (các lỗ) tích tụ trong lớp này làm giảm điện trở đáng kể. Tuy nhiên các điện tích tích tụ này lại ko có cách gì di chuyển ra ngoài một cách chủ động được, làm tăng thời gian khóa của phần tử. Ở đây công nghệ chế tạo bắt buộc phải thỏa hiệp. So với MOSFET, IGBT có thời gian mở tương đương nhưng thời gian khóa dài hơn cỡ 1 đến 5 μs.
21 Hình 1.22 Quá trình khóa của IGBT
Thời gian khóa của IGBT có thể rút ngắn nếu thêm vào một lớp đệm N+ như trong cấu trúc Punch Throung IGBT như hình:
Hình 1.2.7.5Cấu trúc bán dẫn của một IGBT cực nhanh
Cấu trúc này có một Thisisto kí sinh tạo từ ba tiếp giáp bán dẫn p-n, J1,J2,J3.
Trong cấu trúc này mật độ các điện tích dương, các lỗ, suy giảm mạnh theo hướng từ các lớp p+
22
tích dương trong lớp n- xảy ra nhanh hơn. Công nghệ này tạo ra các IGBT cực nhanh với thời gian khá nhỏ hơn 2 μs.
Vùng làm việc an toàn, SOA (Safe Operating Area)
Hình 1.23 Vùng làm việc an toàn, SOA
Vùng làm việc an toàn của các phần tử bán dẫn công suất, SOA, được thể hiện dưới dạng đồ thị quan hệ giữa giá trị điện áp và dòng điện lớn nhất mà phần tử có thể hoạt động được trong mọi chế độ, khi dẫn khi khóa cũng như trong quá trình đóng cắt.
Hình 1.24. Vùng làm việc an toàn của IGBT
Khi điện áp đặt lên cực điều khiển dương có dạng hình chữ nhật với hạn chế góc ở phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn. Điều này nghĩa là khi chu kì đóng cắt càng ngắn, ứng với tần số làm việc càng cao, thì khả năng đóng cắt công suất càng phải được suy giảm khi đặt điện áp điều khiển âm lêc cực điều khiển và emito lại bị giới hạn ở vùng công suất lớn do tốc độ tăng điện áp trên colecto-emito khi IGBT khóa lại. Đó là vì khi tốc độ tăng điện áp quá lớn sẽ dẫn đến xuất hiện dòng điện lớn đưa vào vùng p của cực điều khiển, tác dụng giống như dòng điều khiển làm IGBT mở trở lại như tác
23
dụng đối với cấu trúc của tiristo. Tuy nhiên khả năng chịu được tố độ tăng áp ở IGBT lớn hơn nhiều so với các phần tử bán dẫn công suất khác.
Giá trị lớn nhất của dòng colecto ICM được họn sao cho tránh được hiện
tượng chốt giữ dòng, không khóa lại được giống như ở thysisto. Hơn nữa, điện áp điều khiển lớn nhất UGE cũng phải được chọn để có thể giới hạn được dòng
điện ICE trong giới hạn lớn nhất cho phép này trong điều kiện sự cố ngắn mạch,
bằng cách chuyển bắt buộc từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính. Khi đó dòng ICE được giới hạn không đổi, không phụ thuộc và điện áp UCE lúc đó. Tiếp
theo IGBT phải được khóa lại trong điều kiện đó, càng nhanh càng tốt để tránh phát nhiệt quá mãnh liệt. Tránh được hiện tượng chốt giữ dòng bằng cách liên tục theo dõi dòng colecto là điều cần phải làm khi thiết kế điều khiển IGBT.
c) Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển IGBT
IGBT là phần từ điều khiển bằng điện áp, giốn như MOSFET, nên yêu cầu điện áp có mặt liên tục trên cực điều khiển và emito để xác định chế độ khóa, mở. Mạch điều khiển cho IGBT có yêu cầu tối thiểu như được biểu diễn qua sơ đồ :
Hình 1.25. Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển
Tín hiệu mở có biên độ UGE, tín hiệu khóa có biên độ -UGE cung cấp cho
mạch G-E qua điện trở RG. Mạch G-E được bảo vệ bở Diode ổn áp ở mức
khoảng +/-18 V.
24
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƢU ĐỘC LẬP 2.1. Các khái niệm cơ bản
2.1.1. Khái niệm
Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiêu thành dòng điện xoay chiều có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập.
Nguồn một chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, acquy và các nguồn một chiều độc lập khác. Nghịch lưu động lập được sử dọng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp điện (từ các nguồn độc lập như Acquy), các hệ truyền động xoay chiều, giao thông, truyển tải điện năng, luyện kim…
2.1.2. Sực khác nhau giữa nghịch lưu độc lập và nghịch lưu phụ thuộc.
a) Nghịc lưu phụ thuộc tuy cũng biến đổi năng lượng một chiều (DC) thành
năng lượng xoay chiều (AC), nhưng tần số điện áp và dòng điện xoay chiều chính là tần số không thể thay đổi của lưới điện. Hơn nữa sự hoạt động của nghịch lưu này phải phụ thuộc vào điện áp lưới vì tham số điều chỉnh duy nhất là góc điều khiển α được xác định theo tần số và pha của lưới điện xoay chiều đó.
b) Nghịch lưu độc lập hoạt động với tấn số ra do mạch điều khiển quyết định
và có thể thay đổi tùy ý, tức là độc lập với lưới điện. 2.1.3. Phân loại nghịch lưu độc lập
a) Nghịch lưu điện áp, cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành nguồn điện áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới:
- Nghịch lưu điện áp 1 pha - Nghịch lưu điện áp 3 pha
b) Nghịch lưu dòng điện, cho phép biến đổi nguồn dòng một chiều thành nguồn dòng điện xoay chiều :
- Nghịch lưu dòng 1 pha - Nghịch lưu áp 3 pha
2.2. Nghịch lƣu độc lập điện áp
2.2.1. Nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha a) Cấu tạo và nguyên lý
Sơ đồ gồm bốn van động lực chủ yếu: T1, T2, T3, T4 và các diode D1, D2,
D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng của tải về lưới, tránh được hiện tượng
quá áp khi xuất hiện năng lượng ngược từ tải. Tụ Co được mắc song song để
đảm bảo cho nguồn đầu vào là hai chiều.
Như vậy Co có hai nhiệm vụ: Tiếp nhận công suất kháng của tải và đảm
bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp (Co càng lớn, nội trở nguồn càng nhỏ, điện
25
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu độc lập 1 pha Nguyên lý làm việc
Ơ nửa chu kì đầu từ 0 đến t2 cặp T1, T2 dẫn điện, phụ tải nhận điện áp bằng
chính sức điện động (SĐĐ) nguồn Ut = E. Tại t = t2, T1 và T2 khoá, T3 và T4 dẫn,
tải được cấp nguồn theo chiều ngược lại, điện áp trên tải U = - E ( đảo chiều). Do tải mang tính chất cảm kháng nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ, vi T1, T2
khoá nên dòng khép mạch qua D3, D4. SĐĐ cảm ứng trên tải trở thành nguồn
nên thông qua D3, D4 cấp về tụ Co ( đường màu xanh). Tương tự khi khoá T3, T4
dòng sẽ khép qua mạch D1, D2. Đồ thị điện áp tải U1, dòng tải i1, dòng qua
diode iD và dòng qua tiristo được biểu diễn trên hình 2.1.1.2.
Hình 2.2. Đồ thị nghịch lưu áp cầu một pha b) Phương pháp sóng điều hòa cơ bản
26 Điện áp trên tải khi tính gần đúng :
Dòng qua tải:
Dòng trung bình qua van động lực:
Dòng trung bình qua diode:
Giá trị tụ Co: Trong đó: Giá trị của tụ C : C=
ΔUC là biến thiên điện áp nguồn một chiều được tính theo đơn vị (%):
27 2.2.2. Nghịch lưu độc lập điện áp ba pha
a) Cấu tạo
Hình 2.3 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha b) Nguyên lý hoạt động
Sơ đồ nghịch lưu (hình 2.2.2.1) được ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trung tính.
28 Để đơn giản hóa việc nghiên cứu ta giả thiết:
Các van dẫn là lí tưởng, khi đóng mở nguồn có nội trở nhỏ vô cùng, dẫn điện theo hai chiều.
T1...T6 làm việc với độ dẫn điện λ = 180o
Các tổng trở Za = Zb = Zc
Các diode D1 – D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn
Tụ C tạo nguồn áp, tiếp nhận năng lượng kháng từ tải.
Để đảm bảo tạo ra điện áp ba pha đối xứng, luật dẫn điện của các van phải tuân theo các đồ thị như các hình. Như vậy: T1 và T4 phải dẫn lệch nhau 180 o để tạo ra pha A, T3 và T6 phải dẫn lệch nhau 180 o để tạo ra pha B, T5 và T2phải dẫn lệch nhau 180 o để tạo ra pha C, Các pha lệch nhau 120o
Trong khoảng 0 - t1: T1, T6, T5 dẫn sơ đồ thay thế
như hình vẽ, điện áp pha A nhận được: UZA = E/3
Trong khoảng t1 - t2: T1, T2, T6 dẫn sơ đồ thay thế
như hình vẽ, điện áp pha A nhận được: UZA = 2E/3
Trong khoảng t2 - t3: T1, T2, T3 dẫn sơ đồ thay thế
như hình vẽ, điện áp pha A nhận được: UZA = E/3
Giá trị hiệu dụng điện áp pha :
29 ) Tụ C: 2.3. Nghịch lƣu dòng 2.3.1. Nghịch lưu dòng một pha a) Cấu tạo Hình 2.5. Sơ đồ nghịch lưu dòng 1pha b) Nguyên lý hoạt động
Xét sơ đồ cầu: Các tín hiệu điều khiển được đừ vào từng đôi thysistor T1,
T2, T3, T4 thì lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đôi T3 T4 một góc 180 o
Điện cảm đầu vào của nghịch lưu đủ lớn (Ld=∞), do đó dòng điện đầu vào
được san phẳng (hình 4.3) nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng đòng điện của nghịch lưu (iN) có dạng xung vuông.
Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện IN=id=Id. Đồng thời dòng
qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện với đâu “+” ở bên trái và dấu “-“ ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do iN=iC+iZ=id= hằng số, nên lúc đầu dòng qua tait nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng
lên. Sau một nửa chu kì (t=1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3,T4, tăng lên.
Sau một nửa chu kì (t=t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4, Cặp T3, T4
mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “ – “. Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1 và T2 bị khóa lại. Quá trình
chuyển mạch này xảy ra gần như tức thời. Sau đó tụ C sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại với các cực tính “+” ở bên phải và cực tính “-“ ở bên trái. Dòng nghịch lưu iN=id=Id nhưng đã đổi dấu. Đến thời điểm t=t2, người ta đưa xung vào
30
chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các Thysistor. Ở thời điểm t1, khi mở T3,T4 thysistor T1 và T2 sẽ bị khóa lại bởi điện áp ngược
cuat tụ C đặt lên. Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược t1-t1’ là cần thiết để
duy trì quá trình khóa và phục hồi tính chất điều khiển của van và t1-t1’=tk≥toff;
toff là thời gian khóa của thysistor hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều
khiển. ω.tk=β
2.3.2. Nghich lưu dòng ba pha a) Cấu tạo, nguyên lý hoạt động
a)
b)
Hình 2.6 Nghịch lưu dòng ba pha (a) và biểu đồ xung (b)
Cũng giống như nghịch lưu dòng một pha, nghịch lưu dòng 3 pha sử dụng các Thisistor. Để khóa được các Thysistor cần phải có tụ chuyển mạch (C1, C2,
C3). Ld=∞
31
λ = 120o. Quá trình chuyển mạch bao giờ cũng diễn ra đối với các van trong cùng một lúc.
Xét khoảng thời gian 0-t1: Lúc này T1 và T6 dẫn. Dòng điện sẽ qua T1, ZA,
ZB và T6. Khi tụ C1 được nạp đầy thì dòng qua tụ bằng không. Tụ C1 được nạp
với dấu điện áp (như hình vẽ) để chuẩn bị cho quá trình chuyển mạch khóa T1.
Tại thời điểm t=t2, khi mở T3, điện áp ngược của tụ C1 đặt trên T1 làm cho T1 bị
khóa lại. Tương tự như vậy khi T2 vs T3 dẫn (t2-t3) thù tụ C3, được nạp với dấu
hiệu điện áp để chuẩn bị khóa T3,..
32
CHƢƠNG 3 : TÍNH TOÁN VÀ THẾT KẾ BOARD MẠCH 3.1. Tính toán và thiết kế mạch động lực
3.1.1. Tính toán máy biến áp Yêu cầu biến áp:
Điện áp đầu vào 12V
Điện áp đầu ra 220V, f=50Hz Công suất 300W
Hình 3.1. Biến áp nghịch lưu
Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp U1 = 2.U11 = 2.12 =24 (V)
Công suất của máy biến áp: P= .U2.I2 = 300 (W)
Trong đó: P là công suất máy biến áp
U2 là điện áp của cuộn thứ cấp máy biến áp
I2 là dòng điện của cuộn thứ cấp máy biến áp
là hiệu suất máy biến áp
Chọn là hiệu suất máy biến áp = 0,85
Vậy ta có dòng điện thứ cấp của máy biến áp:
ÁP dụng tỉ số máy biến áp
Áp dụng tỉ số biến áp điểm giữa nên điện áp sơ cấp được tính bằng U1 = 24 (V)
Vậy ta chọn máy biến áp có công suất P = U1.I1 = 24.14,6 = 350VA với I = 2 A
3.1.2. Lựa chọn phần tử làm van chuyển mạch Ta lựa chọn MOSFET vì có những ưu điểm sau:
+ Tốc độ chuyển mạch cao và tổn hao chuyển mạch thấp + Làm việc với điện áp cao
+ Mạch biến đổi sử dụng MOSFET điều khiển đơn giản
Dòng làm việc qua van bằng dòng làm việc qua cuộn dây sơ cấp máy biến áp I = 14,6 A
(Ta chọn phương thức làm mát bằng tản nhiệt) Vậy chọn MOSFET có dòng làm việc là : Điệp ngược đặt lên van : Ungmax = Kdc.12 = 24 V
33 Kdc thường được chọn lớn hơn 1,6
Vậy chọn van có điện áp làm việc > 24V
35
Tính toán tản nhiệt
Theo datasheet của hang chế tạo IRFZ44V ta biết nhiệt độ Tjmax= 175 o
C, RJC = 0,63 (
o
C/W). Với giả thiết nhiệt độ môi trường làm việc tối đa là 40oC. Như vậy nhiệt độ trên cánh tản nhiệt được xác định là Tr = Tj – RJC. P
Trong đó theo datasheet IRFZ44V có P = 94W
Tr = Tj – RJV. P = 175 – 0,63.94 = 115,8oC
Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường là : o
C Diện tích bề mặt tản nhiệt :
m2
Tính toán chọn cầu chì
Mạch điện được tính toán với dòng làm việc tối đa bên mạch thứ cấp MBA là 2A. Để tránh hiện tượng làm việc quá tải hay ngắn mạch gây sự cố phá hỏng thiết bị ta nên chọn thiết bị bảo vệ là cầu chì cắt nhanh, với dòng điện làm việc được xác định ICC = K.I = 1,5.2 = 3A
Vậy chọn cầu chì có dòng điện làm việc 3A, điện áo 250V loại cắt nhanh. 3.1.4. Lọc LC
Để loại bỏ những hài bậc cao không mong muốn ra khỏi thành phần của điện áp ra, ta sử dụng phương pháp lọc LC
Điều kiện chống cộng hưởng ở tấn số sóng hài thấp nhất :
Giá trị tối ưu thường cho bằng 1, tuy nhiên để giảm công suất đặt thường lấy giá trị nhỏ hơn, có thể lấy
Vậy với NLDL điện áp một pha có công suất tải 300W, điện áp ra 220VAC,
f = 50Hz ta có Q2 = P1 = 1.300 = 300VA. Từ đây tính tụ C :
ZC = = = 161,3 ; => C = = = 19,7.106 F 20 F Từ điều kiện chống dao động ở tần số sóng hài thấp nhất (q=3) có:
Chọn
Suy ra công suất phản kháng : Q1 = . Dòng điện tải I = 1,36 A,, từ đây tính được các giá trị của nhóm cộng hưởng nối tiếp:
36 3.1.3. Nguyên lý mạch động lực
2 cặp MOSFET công suất IRFZ44N hoạt động như một khóa điện tử đóng ngắt liên tục với tần số 50Hz của bộ phát xung .Từ sự đóng ngắt này dòng điện làm dòng chính từ ắc quy chảy qua cuộn sơ cấp. Do có dòng qua cuộn sơ cấp nên bên cuộn thứ cấp sẽ xuất hiện 1 sức điện động sinh ra dòng chảy theo 1 chiều nào đó mà ta tạm gọi là nửa chu kì dương của cuộn thứ cấp L1, điện áp ở đầu ra được khuyếch đại theo tỷ số vòng dây của biến áp. Lúc này đầu ra là chu kỳ dương .Ngược lại ở chu kỳ âm cuộn L2 của phần sơ cấp được cấp điện ,điện áp đầu ra là chu kỳ âm của tín hiệu. Cứ như thế việc đóng mở MOSFET với tần số 50Hz nhờ mạch điều khiển sẽ sinh ra điện áp biến thiên với tần số 50Hz ở cuộn sơ cấp.Tuy nhiên điện áp này sẽ có dạng xung vuông không sin vì việc đóng mở nguồn 1 chiều 12V chỉ tạo ra được các xung vuông.
Các linh kiện và thiết bị trong mạch động lực 1 Acquy 12v, 1 Biến áp xung 12DV/220AC/350W 2 MOSFET IRFZ44N, 2 Điện trở 10K
1 Cầu trì 220V/3A, 1 Cuộn cảm 0,14H, 1 Tụ 20 µF
3.2. Thiết kế mạch điều khiển
3.2.1. Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển a) Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển
Như đã biết ở MOSFET là các van điều khiển hoàn toàn tức là điều khiển mở, khóa bằng xung nên mạch điều khiển có các chức năng sau :
Điều chỉnh được độ rộng xung trong nửa chu kì dương của điện áp đặt lên colector và emitor của van
Tạo ra được xung âm có biên độ cần thiết để khóa van trong nửa chi kì còn lại.
Xung điều khiển phải có đủ biên độ và năng lượng để mở khóa van chắc chắn.
Tạo ra được tần số yêu câu.
Dễ dàng lắp ráp, thay thế, vận hành tin cậy, ổn định. Cách ly với mạch động lực.
b) Yêu cầu chung về mạch điều khiển :
Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong hệ thống, nó là bộ phận quyết định chủ yếu đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi nên cần có những yêu cầu sau:
Độ lớn của dòng điện và điện áp điều khiển :
Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép. Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo được rằng đủ cung cấp cho các van mở và khóa an toàn. Tổn thất công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép.
Yêu cầu về tính chất của xung điều khiển :
Giữa các xung mở của các cặp van phải có thời gian chết thời gian chết này phải lớn hơn hoặc bằng thời gian khôi phục tính chất điều khiển của van. Yêu cầu về độ tin cậy cảu mạch điều khiển : Phải làm việc tin cậy trong mọi môi trường như trường hợp nhiệt độ thay đổi, có từ trường…
37 3.2.2. Thiết kế mạch điều khiển
a) CD4047
38 Cấu trúc của IC
Hình 3.2. Sơ đồ chân, cấu trúc logic của vi mạch
39 Sơ đồ chân
Chân 1 : C-Timing được nối với đầu dương của tụ Chân 2 : R-Timing được nối với 1 đầu của trở 1k Chân 3 : Đầu chung của RC
Chân 4 : Trạng thái bền
Chân 5 : Trạng thái không bền Chân 6 : Chân kích khởi âm Chân 7 : GND
Chân 8 : Chân kích khởi dương
Chân 9 : Thiết lập lại trạng thái ban đầu Chân 10 : Đầu ra Q không đảo
Chân 11 : Đầu ra Q đảo Chân 12 : Kích khởi lại Chân 13 : Đầu ra OSC
Chân 14 : VCC(từ 3V đến 15V Hoạt động của IC như sau:
Hoạt động của chân astable được phép thì khi đạt đầu vào chân 5 ở mức cao hoặc mức thấp của chân 4 hoặc 2 chân.
Độ rộng của xung vuông của Q và Q- là hàm của đầu vào phụ thuộc RC. Chân 5 astable cho phép mạch làm bộ tạo dao động đa hài qua cổng 5. Độ rộng xung ở chân 13 bằng ½ đầu ra Q trong chế độ astable. Tuy nhiên điều này chỉ đúng 50%. Trong chế độ ổn định đơn khi có sườn dương ở đầu vào + tringger (8) và trugger (6) ở mức thấp các xung đầu vào có thể thuộc bất kì thời điểm nào tương ứng với xung đầu ra.
Chân 12 cho phép kích mở trở lại khi nó là xung dương. Đặc điểm của vi mạch như sau :
Công suất tiêu thụ thấp
Hoạt động ở trạng thái đơn là chế độ không ổn định
Các đầu ra ổn định ở mức các thể bù xung chỉ yêu cầu một tín hiệu duy nhất ngoài R hoặc C các đầu vào có đệm kiểm tra tĩnh ở điện áp 20V được chuẩn hóa đặc tính, đặc tính ở đầu ra chuẩn và đối xứng.
40 Thay số VDD = 12 V VTR = 50 % VDD Với f = 50 Hz T = 0,02 (s) 4.4RC = 0,02 RC = 4,55.10-3 Chọn tụ có C = 0,1 R = 45 K
Chọn biến trở có Rmax = 50KΩ để điều chỉnh
Điện áp Umin ở Q và Q- = 0,05 V Umax ở Q và Q- = 11V Dạng sóng đầu ra:
Hình 3.3. Dạng sóng đầu ra của biến áp b) IC LM358
41
Là Ic khuyếch đại thuật toán thông dụng gồm hai bộ khuyếch đại thuật toán riêng biệt.
Hình 3.4. Hình dạng và cấu trúc LM358 Là IC 8 chân đóng gói dạng DIP 100T
điện áp hoạt động :+-1,5Và+-16V
Chân 1 đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán A Chân 2 đầu vào đảo bộ khuyếch đại A
Chân 3 đầu vào không đảo bộ khuyếch đại A Chân 4 cấp nguồn âm
Chân 5 đầu vào không đảo bộ khuyếch đại B Chân 6 đầu vào đảo bộ khuyếch đại B
Chân 7 đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán B Chân 8 cấp nguồn dương
Nguyên lý :
IC 4047 đóng vai trò chính trong mạch này.IC này được nuôi bằng nguồn 12V cung cấp vào chân 14.Qua IC này tạo ra được 2 xung dương có giá trị ngược nhau tại 2 chân đầu ra Q và Q đảo.Cặp RC có tác dụng tạo dao động, để tần số hoạt động là 50Hz ta chọn thong số R,C như sau: R=47K,C=0,1uF . Sau đó xung này được đưa qua 2 bộ khuếch đại thuật toán của LM324.Để tránh dòng vào quá lớn từ xung đầu ra của IC 4047 có thể gây hỏng LM324 ta cho dòng ra này qua 1 điện trở 4.7k ôm ở mỗi cổng ra Q và Q đảo.Sau khi xung vào LM 324 sẽ được khuếch đại lên để có thể mở được MOSFET ở mạch
lực.Xung đầu ra 4047 được cấp vào chân không đảo của của bộ khuếch đại thuật toán còn chân đảo lấy điện áp phản hồi đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán.Điện áp bão hòa lấy là 12V.Xung đầu ra của LM 324 có nhiệm vụ đóng mở các
MOSFET ở mạch lực với tần số 50Hz. Linh kiện sử dụng trong mạch 1 IC 4047
1 LM358 1 biến trở 50K 1 tụ hóa 104
42 AST 5 AST 4 -T 6 +T 8 RT RG 12 RC C 3 CX 1 RX 2 MR 9 Q 10 Q 11 O S C 13 U1 4047 C1 10 4 R3 1k D1 L E D R4 4 .7 k R5 4 .7 k 3 2 1 8 4 U 2 :A L M 3 58 5 6 7 8 4 U 2 :B L M 3 58 Q1 IRF Z 4 4 N Q4 IRF Z 4 4 N C3 1nF A C L O A D L1 1 0 0 nH R7 10k R9 10k T R 1 1 2 vDC /2 2 0 vA C BA TT ER Y LY PP SU +8 8.8 Am ps DIS B A T 1 1 2V R V 1 5 0K Q2 IRF Z 4 4 N Q3 IRF Z 4 4 N R1 1k R6 1k R8 1k R 1 0 1k R 1 1 1 0k R1 2 1 0k F u s e 2 5 0 V /3 A L o ad
43
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất Phạm Quốc Hải – NXB Khọc – Kĩ thuật 2. Điện tử công suất
Võ Minh Chính (chủ biên) – NXB Khoa học-Kĩ Thuật 3. Giáo trình thiết kế điện tử công suất
Trần Văn Thịnh – Đại học bách khoa Hà Nội 4. Linh kiện bán dẫn và vi mạch – T.s Hồ Văn Sung
NXB Giáo dục
5. Giáo trình máy điện - Đặng Văn Đào – Trần Khánh Hà – Nguyễn Hồng Thanh
44
MỤC LỤC MỞ ĐẦU
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ CÁC VAN BÁN DẪN
1.1. Khái niệm về điện tử công suất
1.1. Định nghĩa……….2 1.2. Phân loại và ứng dụng………..3 1.2. Các phần tử bán dẫn công suất cơ bản 1.2.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất………3 1.2.2. Diode công suất………....4 1.2.3. Thyristor (SCR)………6 1.2.4. GTO(GateTurn-off Thysistor)……….…9
1.2.5. Transistor công suất, BJT ( Bipolar Junction Transistor)……….…11
1.2.6. Trasisto trường, MOSFET……….14
1.2.7. Transisto có cực điều khiển cách ly IGBT……….20
CHƢƠNG 2 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƢU ĐỘNG LẬP 2.1. Các khái niệm cơ bản 2.1.1. Khái niệm………28
2.1.2. Sực khác nhau giữa nghịch lưu độc lập và nghịch lưu phụ thuộc…28 2.1.3. Phân loại nghịch lưu độc lập………28
2.2. Nghịch lƣu động lập điện áp 2.2.1. Nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha………28
2.2.2. Nghịch lưu độc lập điện áp ba pha……….30
2.3. Nghịc lƣu độc lập dòng điện 2.3.1. Nghịch lưu dòng một pha………..…33
2.3.2. Nghich lưu dòng ba pha………34
. CHƢƠNG 3 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ SẢN PHẨM 3.1. Tính toán mạch động lực 3.1.1. Van công suất……….…37 3.1.2. Nguồn - Acquy………...…38 3.1.3. Khối biến áp……….……..38 3.1.4. Tính toán bộ lọc LC………..……….40 3.1.5. Nguyên lý mạch động lực………..…41
3.2. Thiết kế mạch điều khiển 3.2.1. Các linh kiện chính………42
3.2.2. Nguyên lý mạch điều khiển………...44
