Tải bản đầy đủ

Đề tài: Thiết kế mạch nghịch lưu

PHỤ LỤC

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 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!

1


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
2


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.
­ 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. 
3


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 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.
4


­  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.

5


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 p­n­p­n 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:

6


● 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 Volt­Ampere 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.

Hình 1.5: Đặc tuyến của TRIAC

7


● 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
Thyristor gồm bốn lớp bán dẫn P­N ghép xen kẽ và được nối ra ba chân:
A : Anode : cực dương
K : Cathode : cực âm
G : Gate : cực khiển (cực cổng)
8


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 anode­cathode cho đến khi đạt đến giá trị  điện áp thuận 
lớn nhất,Uth,max.Điện trở  tương đương trong mạch anode­cathode sẽ  giảm đột 
ngột và dòng 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 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 anode­cathode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anode­cathode 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  
9


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 
IA = 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 
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  chuyển 
sang trạng thai dẫn điện. Lúc này transistor T1 được phân cực ở cực B1 nên dòng 
điện 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 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 
10


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

Hình 1.8: Đặc tuyến của Thyristor

IG = 0  
IG2 > IG1 > IG
Đặc tính Volt­Ampere 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  
11


điện  áp  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 anode­cathode 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 anode­cathode 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 
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.
12


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 là trị  số  dòng kích nhỏ  nhất đủ  để  điều khiển Thyristor dẫn điện và dòng 
IGmin 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).
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 vùng  
không gian nghèo điện tích, cản trở  dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có 
thể  coi như  một tụ  diện có điện dung Cj2. Khi có điện áp biến thiên với tốc độ 
lớn, dòng điện của tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển.  
Kết quả  là thyristor 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  
thyristor tần số cao. Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs còn 
với các thyristor 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  
nó đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ  chạy qua bắt đầu ở  một vài điểm, gần 
với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết 
diện. Nếu tốc độ  tăng dòng điện quá lớn có thể  dẫn tới mật độ  dòng điện ở  các 
điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá nhanh dẫn đến hỏng cục bộ,  
từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn.
13


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 đổi  
phải luôn có các biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới giá trị  cho phép. Điều  
này đạt được nhờ  mắc nối tiếp các phần tử  bán dẫn với các điện kháng nhỏ, lõi  
không khí hoặc đơn giản hơn là các xuyến ferit lồng lên nhau. Các xuyến ferit rất 
phổ biến vì cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến 
lồng lên thanh dẫn. Xuyến ferit còn có tính chất của cuộn cảm bão hòa, khi dòng  
qua thanh dẫn còn nhỏ  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 áp trong 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 dòng 
điện lớn, và thường được sử dụng để điều khiển dòng xoay chiều AC (Alternating  
current), vì sự thay đổi cực tính của dòng điện khiến thiết bị có thể đóng một cách  
tự động(được biết như là quá trình Zero Cross­quá 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 
áp xoay chiều một pha hoặc ba pha....
* Sơ đồ khối:

Hình 1.9. Sơ đồ khối
­Khối nguồn.
14


       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 tạo tần số 50hz.
  
  Nhiệm vụ của khối tạo ra song dao động đưa vào khối công suất với tần 
số điện công nghiệp.Sóng ở đây thường là 2 dạng chính là hình sin hoặc 
vuông.Thường thì khối công suất trở kháng đầu vào rất nhỏ nên thực tế chúng ta 
cần một khối khuyêch đại đệm nhiệm vụ ổn đinh khối phát xung dao động giảm 
trở kháng đầu vào cho tầng công suất.
­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 12v­220v 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 
nghịch lưu độc lập .
 Trong đó nghịch lưu phụ  thuộc là nghịch lưu có điện áp, tần số, góc pha 
và thứ tự pha phụ thuộc vào lưới điện mà đầu ra của nó mắc song song vào. 
Nghịch lưu   độc lập lại  được chia  ra nghịch lưu  độc lập nguồn  áp và  
nguồn dòng. Trong đó nghịch lưu độc lập nguồn áp thì luôn định ra một điện áp 
có biên độ, tần số, góc pha và thứ tự pha không phụ thuộc vào loại tải và chỉ phụ 
thuộc vào tín hiều điều khiển, điện áp thường có dạng hình chữnhật còn dòng 
điện phụthuộc vào tải có thể là hình chữ nhật, hình răng cưa, hình sin, dạng hàm 

 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 
vào tín hiều điều khiển, dòng điện thường có dạng hình chữnhật còn điện áp 
phụ thuộc vào tải có thể là hình chữ nhật, hình răng cưa, hình sin, dạng hàm mũ
15


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 
nối vào 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 
đấu nối tiếp với một điện cảm lớn LK vừa để  giữcho dòng điện vào để  hạn 
chế  đỉnh cao của dòng điện Ickhi khởi động. Tụ  điện C gọi là tụ  điện chuyển  
mạch.Đặc điểm của onduleur dòng là có dòng điện tải dạng “Sinus chữnhật” 
còn dạng điện áp trên tải thì 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 bi ến  áp tự  ngẫu  
nênVB =Vo = u1= E.như  vậy tụ  điện C được nạp điện áp bằng 2E, bản cực  
dương ở bên phải. Bây giờ nếu cho xung mở T2, Tiristor này mở và đặt điện thế 
điểm B vào mạch catôt T 1 khiến T 1 bị khoá lại, tụ điện C sẽ bị nạp ngược lại,  
sẵn sàng để  khoá 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

16


Hình 1.11: Sơ đồ cầu một pha
Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi Tiristor T1, T2 lệch pha với  
tín hiệu 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 cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện nghịch lưu (i) có 
dạng xung vuông. Khi đưa xung vào mở  cặp van T1,T2 , dòng điện i = id= Id.  
Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến , tụ C bắt đầu nạp điện với cực (+) ở 
bên trái và cực (­) ở bên 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  
trình phóng điện của tụ C từcực (+) vềcực (­) .
  Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ  làm cho T1 và T2 bị 
khoá lại.Quá trình chuyển mạch gần như tức thời. Sau đó tụC sẽ được nạp điện 
theo chiều 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 thì T1 và T2 sẽ bị khoá lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt vào.  
Khoảng thời gian duy trì diện áp ngược ( t1 ­t’1 ) là cần thiết để duy trì qúa trình  
khoá và phục hồi tính điều khiển của van và t’1­ t01= tk ≥ toff là thời gian khoá 
của Tiristor hay chính là thời 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

17


Hình 1.12: Sơ Đồ mạch điện
Trong đó : ­T1,T2,T3,T4: Là các thyristor có nhiệm vụ  để  đóng cắt hoặc 
điều chỉnh 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).
 C: Tụ lọc. 
MBA: máy biến áp 1 pha có điện áp sơ  cấp đặt lên các van và điện áp thứ  cấp 
đặt lên tải. 
* Nguyên lý làm việc : 
Giả sử T2 và T4 đang cho dòng chạy qua (Dòng tải đi từ B→A). Khi t=0 cho  
xung mở T1 và T3, T2 và T4 bị khóa lại, dòng tải i=­Im không thể đảo chiều một 
cách   đột   ngột.   Nó   chảy   tiếp   theo   chiều   cũ   nhưng   theo   mạch  
D1→E→D3→tải→D1 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 
khiển   tác   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 và 
D4 khiến cho T2 và T4 vừa kịp mở đã bị khóa lại. Khi t=t3, i=0, T2 và T4 sẽ mở 
lại, i<0 chảy theo chiều B→A. Dòng tải i biến thiên theo quy luật hàm mũ giữa  
hai giá 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). 
18


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

19


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 sử 
dụng nguồn cấp là acquy nên không phù hợp.
Mạch nghịch lưu độc lập cộng hưởng có dạng điện áp ra gần sin nhất, 
tuy nhiên với tần số lớn từ 300Hz trở lên do vậy không phù hợp để sử dụng cho 
mạch mà ta cần thiết kế.
Như vậy ta sử dụng mạch nghịchlưu độc lập nguồn áp, có hai lựa chọn: 
Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha.
Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha sau đó lấy một pha để sử dụng. 
Ghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha có dạng hình sin hơn so với nghịch lưu độc 
lập nguồn áp một pha, tuy nhiên với mục đích sử dụng như ban đầu ta đưa ra 
thì hoàn toàn không cần thiết phải dùng như vậy, bởi bộ nghịch lưu áp ba pha 
cho chi phí cao hơn và tính toán điều khiển cũng phức tạp hơn rất nhiều, trong 
khi đó ta chỉ cần sử dụng một pha cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày.
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 
lên 220VAC tần số 50Hz.

20


21


2.2. Phương pháp
Có 2 phương pháp để biến đổi điện áp 1 chiều 12V lên điện áp xoay 
chiều
220V
Phương pháp thứ  nhất:  Điện áp 1 chiều 12V được nghịch lưu thành 
điện áp 12V xoay chiều sau đó điện áp 12V xoay chiều này được đưa qua máy  
biến áp để   đưa lên  điện áp 220V­500W.Đây là phương pháp biến đổi gián  
tiếp.Nhược điểm của phương pháp này là có  sự  hao tổn công  suất  trong quá 
trình nghịch lưu.Tuy nhiên với phương pháp này thì điện áp qua 1 số  khâu nữa 
có thể cho dạng sin hơn ở  đầu ra.
Phương pháp thứ  hai: Điện áp 1 chiều 12V được đưa thẳng vào biến 
áp để đưa lên điện áp 220V xoay chiều.Điện áp 1 chiều này cho qua máy biến 
áp bằng cách đóng mở liên tục nhờ các van công suất với tần số của lưới điện  
50Hz.Ưu điểm  của phương pháp này là không có sự  tổn hao công suất nhiều 
do có sự  biến đổi trực tiếp và cấu tạo mạch khá đơn giản.Tuy nhiên phương  
pháp này cũng có những nhược điểm của nó.Điện áp đầu ra có dạng xung 
không sin ảnh hưởng lớn đến tải cảm.
Ở đây em thực hiện quá trình này bằng phương pháp hai tức là biến đổi 
trực tiếp. Có 2 phương án lựa chọn cho phương pháp này:
2.2.1.Phương án 1, dùng Transistor công suất, các cổng logic và trigơ
Dùng Transistor công suất : Dùng hai Transistor công suất T và T dao động  
đa hài phát ra tín hiệu đóng. Hai Transistor T và T mắc cùng với bốn điện trở,  
trong đó có sử dụng trở công suất thành mạch tạo ra xung vuông. 
Dùng các cổng logic : Có thể  dùng các cổng logic như  các cổng NAND, 
NOR, cổng đảo…có thể dùng IC 4011 hoặc IC SN7400.
 Dùng các con trigơ và vi mạch : Có thể dùng vi mạch 555 hoặc IC 4047B,  
SG3525 là những IC phát xung chủ đạo và xung này được qua một IC khuyếch  
đại thuật toán.

22


Hình 2.1: Sơ đồ mạch nghịch lưu dung 4047
Phương án này tuy chuyển được nguồn một chiều 12V lên 220V xoay 
chiều nhưng có nhược điểm độ ổn định không cao .
● Mạch điều khiển
Nhiệm vụ của mạch này là tạo ra xung để điều khiển sự đóng mở của 
transistor ở mạch lực.

Hình 2.2 : Mạch điều khiển sử dụng CD4047 và LM324
23


Linh kiện sử dụng
Biến trở 1kΩ; Tụ 4.7 µF; IC4047; IC LM324; Điện trở 4.7k
Các Connector đầu vào và đầu ra của mạch
● Mạch lực
Mạch này thực hiện nhiệm vụ đóng mở cho dòng điện qua máy biến 
áp tạo dòng xoay chiều.

Hình 2.3 : Mạch lực sử dụng BJT 2N3055
Linh kiện sử dụng
2 transistor công suất tầm trung 
H1061 6 transistor công suất 2N3055
Các Connector đầu vào và đầu ra của mạch
 
2.2.2. Phương án 2, sử dụng IC SG3525 và MOSFET IRF3205
24


Trong bài đồ  án này chúng ta sẽ  thiết kế mạc nghịch lưu theo phương án 
này. Ta sử dụng ic SG3525,với nhiều tính năng ưu việt hơn, lấy nguồn trực tiếp 
12V mà không cần bộ  biến đổi nguồn nuôi cho ic. Dễ  điều chỉnh độ  rộng của 
xung ra, khoảng deal time vừa đủ  để  tạo ra chu kỳ  xung âm mà không xảy ra 
hiện tượng trùng dẫn. SG 3525 đưa ra xung trên 2 chân 11và 14 là dạng xung lấy  
từ emitơ của 2 transistor, bên trong SG3525. Khi có xung tạo ra do dao động của 
mạch RC tại chân 6 va7 tạo ra với f=50hz, qua mạch lật trạng thái đưa 2 xung  
trên emitơ lệch nhau 180 độ.
Điện áp ra từ chân 11­14 đưa vào cực G và kích mở  cho mosfet IRF3205,  
với hai xung đưa ra liên tục kích mở và đóng với tần số f=50hz. Do máy biến áp  
điểm giữa sẽ tạo ra 2 sđđ lệch pha nhau 180 độ trên cuộn sơ cấp máy biến áp.
2.3. Mạch nghịch lưu sử dụng IC SG3525 và MOSFET IRF3205
2.3.1. Sơ đồ nguyên lí
● Sơ đồ nguyên lí:

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý sử dụng IC SG3525 và MOSFET IRF3205
 ● Các linh kiện sử dụng trong mạch
ST Loại
1
Điện trở
2
3
4
25

Kí hiệu
R
1
R
2
R ,R ,R ,R
3 5 7 8
R ,R
4 6

Giá trị
470 Ω
100 kΩ
10 kΩ
100 Ω ­ 1W

Miêu tả cách đóng gói
RES 40
RES40
RES 40
RES 40


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×