1

M c l c

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT NGH CH LƯU ............................................................... 2

1.1. GI I THI U NGH CH LƯU ................................................................................................................. 2

1.1.1 Định nghĩa về nghịch lưu .............................................................................................................. 2

1.1.2 Phân loại ...................................................................................................................................... 2

1.1.3 Các mức áp cổng ra tiêu chuẩn ..................................................................................................... 2

1.1.4 Ứng dụng ...................................................................................................................................... 2

1.2. B NGH CH LƯU .............................................................................................................................. 3

CHƯƠNG II: GI I THI U N MOSFET ............................................................... 4

2.1 GI I THI U V MOSFET ........................................................................................................................ 4

2.2 PHÂN LO I V C U T O CƠ B N C A VAN MOSFET............................................................................ 4

2.2.1 Phân loại ...................................................................................................................................... 4

2.2.2 Cấu tạo cơ bản của MOSFET ....................................................................................................... 6

2.3NGUYÊN T C L M VI C V Đ C T NH Đ NG C T C A VAN MOSFET .................................................... 7

2.3.1 Nguyên tắc hoạt động .................................................................................................................... 7

2.3.2 Đặc tính đóng cắt của MOSFET .................................................................................................... 9

2.4 C C THÔNG S TH C TẾ C A MOSFET. ............................................................................................ 11

CHƯƠNG III: PHÂN T CH M CH NGH CH LƯU P M T PHA V ĐI U CHẾ

ĐI N P Đ U RA V I B L C .................................................................................... 14

3.1 NGH CH LƯU P C U M T PHA ................................................................................................................... 14

3.2 ĐI U CHẾ Đ U A V I B L C ....................................................................................................... 15

CHƯƠNG I : THIẾT KẾ M CH NGH CH LƯU D NG MOSFET ........................ 16

4.1 M T S LINH KI N S D NG TRONG M CH ........................................................................................ 16

4.1.1 Ic ổn áp nguồn 78xx .................................................................................................................... 16

4.1.2 CD4047 ..................................................................................................................................... 17

4.1.3 IR2103 ........................................................................................................................................ 18

4.1.4 MOSFET IRFz44......................................................................................................................... 20

4.2 SƠ Đ NGUYÊN L V C C KH I TRONG M CH ĐI N ............................................................................ 21

4.2.1 Khối nguồn ................................................................................................................................. 21

4.2.2 Khối tạo xung .............................................................................................................................. 22

4.3.2 IR2103 và cầu nghịch lưu MOSFET ............................................................................................ 23

4.2.4 Sơ đồ mạch tổng thể và đi dây mạch in ........................................................................................ 24

2

Chương I : Lý thuyết về nghịch lưu

1.1. Giới thiệu về nghịch lưu

1.1.1 Định nghĩa về nghịch lưu

Nghịch lưu là việc biến đổi năng lượng điện từ nguồn điện một chiều thành năng lượng điện

xoay chiều. Ở trong đồ án này chúng ta chỉ xét đến nghịch lưu độc lập là việc nghịch lưu từ

các nguồn một chiều độc lập như ắc quy .

1.1.2 hân loại:

a. Theo tham số điều khiển ngõ ra :

Bộ nghịch lưu áp : điều khiển áp ra

Bộ nghịch lưu dòng: điều khiển dòng ra

b. Theo tính chất nguồn :

Bộ nghịch lưu áp nguồn áp

Bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng

Bộ nghịch lưu dòng nguồn áp

Bộ nghịch lưu áp nguồn dòng

c. Theo quá trình chuyển mạch :

Bộ nghịch lưu với:

QTCM cưỡng bức : linh kiện có khả năng kích đóng và ngắt (MOSFET, BJT, IGBT,

GTO)

QTCM phụ thuộc : linh kiện chỉ kích đóng, quá trình ngắt phụ thuộc áp nguồn hoặc

tải

(Thyristor)

1.1.3 Các mức áp cổng ra tiêu chuẩn:

1 pha 120V / 60 Hz 220V/50Hz 115V/400 Hz

3 pha 120/208/60 Hz 220/380/50Hz 115/200/400 Hz

1.1.4 Ứng dụng:

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

Lò cảm ứng trung tần , hàn trung tần

3

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

quang cao tần)

Bù nhuyễn công suất phản kháng

Truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC)

1.2. Bộ nghịch lưu áp :

Nguồn điện áp 1 chiều : có thể là acquy ( bình ) , pin điện hoặc từ nguồn điện áp xoay chiều

được chỉnh lưu và lọc phẳng.

Linh kiện bộ nghịch lưu : có khả năng kích đóng và kích ngắt nếu quá trình chuyển mạch là

cưỡng bức, hoặc Thyristor nếu quá trình chuyển mạch là phụ thuộc :

Công suất nhỏ và vừa : sử dụng các khoá BJT , MOSFET, IGBT

Công suất lớn : IGBT, GTO, Thyristor + Bộ chuyển mạch (chuyển mạch cưỡng

bức) hoặc Thyristor thường nếu quá trình chuyển mạch phụ thuộc.

Diode mắc đối song: Tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều

dẫn ngược lại, cho phép trao đổi công suất ảo giữa tải xoay chiều với nguồn một

chiều và hạn chế quá áp khi kích ngắt các công tắc (chức năng bảo vệ linh kiện).

Điện áp ra có thể giữ không đổi hoặc thay đổi được ở tần số giữ cố định hoặc thay đổi được.

Điện áp ra được điều khiển bởi việc điều chỉnh giá trị điện áp nguồn DC nếu giữ độ lợi (gain)

bộ nghịch lưu không đổi. Nếu nguồn DC có trị số cố định không đổi thì điện áp ra thay đổi

bằng cách thay đổi độ lợi của bộ nghịch lưu ( ví dụ bằng phương pháp điều biến độ rộng

xung) . Độ lợi được định nghĩa là tỷ số giữa điện áp ra AC và điện áp vào DC. Điện áp ở ngõ

ra của một bộ nghịch lưu lý tưởng phải có dạng sin. Tuy nhiên dạng sóng của các bộ nghịch

lưu trên thực tế là không có dạng sin chuẩn (do linh kiện nghịch lưu là các khoá làm việc ở

chế độ đóng cắt) và chứa các sóng hài bậc cao. Các sóng hài này có thể gây ra nhiễu dưới

dạng lan truyền trong cáp dẫn hoặc dạng tia do bức xạ sóng điện từ, gây các ảnh hưởng không

tốt đến tải, nguồn và mạng viễn thông. Vì vậy các biện pháp sử dụng để chống nhiễu là cần

thiết : ví dụ các bộ lọc nguồn, thiết bị nghịch lưu được đặt trong tủ kim loại, sử dụng cáp

bọc. Với sự ứng dụng các linh kiện điện tử công suất tần số đóng ngắt cao, thành phần hài bậc

cao của áp ra có thể bị loại bỏ hoặc giảm bớt đáng kể bằng kỹ thuật đóng ngắt. Các thuật toán

PWM tối ưu được đề xuất phần lớn đều xét đến khía cạnh sóng hài.

4

Chương II : Giới thiệu về van MOSFET

2.1 Giới thiệu về Mosfet

Mosfet là Transistor hiệu ứng trường ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor )

là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta đã

biết, Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh

kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợn cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu, Mosfet

được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn Monitor, nguồn máy tính .

Hình 2.1 Transistor hiệu ứng trường Mosfet

2.2 hân loại và cấu tạo cơ bản của MOSFET

2.2.1 hân loại

Transistor trường MOS có hai loại:

1. transistor MOSFET có kênh sẵn

2. transistor MOSFET kênh cảm ứng.

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

MOSFET kênh sẵn

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

MOSFET viết tắt là DE-MOSFET).Transistor trường loại MOS có kênh sẵn là loại transistor

mà khi chế tạo người ta đã chế tạo sẵn kênh dẫn

5

Hình 2.2 : Cấu tạo và kí hiệu của DE-MOSFET

MOSFET kênh cảm ứng

Transistor trường loại MOS kênh cảm ứng còn gọi là MOSFET chế độ giàu (Enhancement-

Mode MOSFET viết tắt là E-MOSFET). Khi chế tạo MOSFET kênh cảm ứng người ta không

chế tạo kênh dẫn. Do công nghệ chế tạo đơn giản nên MOSFET kênh cảm ứng được sản xuất

và sử dụng nhiều hơn.

Hình 2.3 : Cấu tạo và kí hiệu của E-MOSFET

6

2.2.2 Cấu tạo cơ bản của MOSFET

Cấu tạo cơ bản và ký hiệu

mạch của MOSFET kênh

n được cho ở hình 2.4.

Phần chính của một

MOSFET có cấu trúc như

hai bản cực của một tụ

điện: một bản kim loại ở

phía trên được nối với

chân ra gọi là chân Cổng

[Gate] G, bản cực phía

dưới là phiến đế làm bằng

vật liệu bán dẫn Si tạp

dạng p, đôi khi đế được

nối với cực nguồn ở bên

trong MOS (MOS ba

chân), nhưng phần lớn,

cực đế được lấy ra bằng

một chân thứ tư có tên là

chân Đế [Bode] B, (có khi

còn gọi là cực SS

[Substrate]) để có thể cho

phép điều khiển bởi mức

điện thể của nó từ bên

ngoài. Lớp điện môi của

tụ chính là lớp cách điện

rất mỏng di ôxit Silicon

(SiO2), do cấu trúc như

vậy nên Cổng - Đế được

gọi là cấu trúc của tụ MOS

[Metal-Oxide-

Semiconductor]. Các chân

Nguồn [Source] S và

Máng [Drain] D, là các

chân được nối với các

vùng bán dẫn tạp dạng n+

đặt bên trong phiến đế, gọi là vùng Nguồn và vùng Máng tương ứng. Đối với một dụng cụ

bán dẫn kênh n, thì dòng điện được hình thành bằng các điện tử và vùng Nguồn và Máng

được cấu tạo bởi các vùng pha tạp đậm n+(vào khoảng 1020 cm-3

) để có thể tiếp xúc tốt với

kênh dẫn. Người ta dùng phương pháp cấy ion để tạo ra vùng Nguồn và Máng sau khi cấu

trúcCổng đã được xác lập sao cho hai vùng này thẳng hàng với vùng Cổng, và để sự hình

thànhkênh dẫn được liên tục cần phải có sự chồng lấn giữa vùng Cổng với vùng Nguồn và

Cổng với Máng ở hai đầu kênh dẫn. Do cấu tạo của dụng cụ có tính đối xứng nên Nguồn và

Máng có thể thay thế lẫn nhau. Vùng bán dẫn giữa hai vùng Nguồn và Máng ngay phía dưới

Cổng được gọi là vùng kênh. Khoảng cách giữa hai tiếp giáp pn (vùng Nguồn-Đế và vùng

Máng-Đế) là chiều dài hiệu dụng của kênh L. và W là chiều rộng của kênh. Vùng đế là một

7

bán dẫn tạp kiểu ngược lại với hai vùng Nguồn và Máng (thường ở mức pha tạp loãng hơn)

để đảm bảo cách ly giữa hai vùng. Lớp ôxit (SiO2) được tạo ra bằng cách gia nhiệt ở nhiệt

độ cao để có các đặc tính bề mặt chung tốt nhất. Vật liệu làm Cổng thông dụng nhất là kim loại hoặc polysilicon. Khi chiều dài kênh dẫn bằng 0,3µm, thì các thông số điển hình là: chiều

dày của lớp ôxit ≈ 10µm, mức pha tạp của vùng đế là ≈ 3x1017

cm-3

,độ dày tiếp giáp pn

giữa Máng-Đế và Nguồn-Đế là ≈ 0,2µm. Đối với mỗi loại kênh dẫn, thì mức ngưỡng của

điện áp cổng phải thích hợp để có thể làm biến đổi kênh dẫn. Nếu kênh dẫn biến mất tại điện

áp cổng bằng 0 (tức là kênh dẫn thường hở - normally OFF) thì MOSFET được gọi là dụng

cụ tăng cường kênh do điện áp cổng cần phải có cho sự “tăng cường” [enhance] hay làm giàu

kênh dẫn, (hình 3.1a, b). Nếu kênh là có sẵn tại điện áp cổng bằng 0 (tức thường kín - ON),

thì MOSFET được gọi là dụng cụ nghèo kênh vì điện áp cổng cần cho việc “làm suy kiệt”

[deplete] hay làm nghèo kênh dẫn, (hình 3.1b). Các điện áp và dòng điện của MOSFET kênh

n cũng đã được xác định rõ trên hình 3.1b.

Dòng Máng iD, dòng Nguồn iS, dòng Cổng iG, và dòng đế iB được xác định với chiều dương

của dòng được chỉ rõ cho một transistor MOSFET kênh n. Các điện áp giữa các cực quan

trọng là điện áp Cổng-Nguồn: vGS = vG - vS , điện áp Máng-Nguồn: vDS = vD - vS , và

điện áp Nguồn-Đế: vSB = vS - vB . Tất cả các điện áp này đều có giá trị ≥ 0 trong chế độ hoạt

động thông thường của N MOSFET.

Chú ý rằng: các vùng Nguồn và Máng tạo thành tiếp giáp pn với vùng Đế. Hai tiếp giáp này

luôn luôn được giữ ở điều kiện phân cực ngược để có sự cách ly giữa các tiếp giáp của

transistor MOS. Vì vậy, điện áp Đế phải nhỏ hơn hoặc bằng với điện áp ở các cực Nguồn và

Máng để đảm bảo cho các tiếp giáp pn được phân cực ngược một cách thích hơp, tức: iB ≈

0. Ngoài ra, Cổng phải là một bản cực kim loại để có tiếp xúc mặt nhưng vẫn được cách

điện với vùng kênh qua lớp SiO2, hay nói cách khác là không có kết nối điện trực tiếp giữa

cực Cổng và kênh dẫn ở MOSFET, nên MOSFET là một dụng cụ có trở kháng vào rất cao,

bởi vì dòng Cổng rất nhỏ, iG ≈ 0 ở cấu hình phân cực dc. Vì lý do này mà đôi khi

MOSFET còn có tên gọi là FET có cổng cách ly hay IGFET [Insulated-Gate FET].

2.3 Nguyên tắc làm việc và đặc tính đóng cắt của MOSFET

2.3.1 Nguyên tắc hoạt động

Nguyên tắc hoạt động của MOSFET kênh loại P và MOSFET kênh loại N giống nhau nhưng

cực tính nguồn cung cấp ngược nhau. MOSFET kênh có sẵn (loại N). Khi transistor làm việc

thông thường cực nguồn S được nối với đế của linh kiện và nối đất nên US = 0. Các điện áp

đặt vào các chân cực cửa G và cực máng D là so với chân cực S. Các chân cực đ-ợc cấp

nguồn sao cho dòng điện chạy từ cực S tới cực D, điện áp trên cực cửa sẽ quyết định

MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hay nghèo hạt dẫn. Khi UGS = 0 trong mạch vẫn có

dòng điện cực máng (dòng các hạt điện tử) nối giữa cực S và cực D. Khi UGS > 0 điện tử bị

hút vào vùng kênh đối diện với cực cửa làm giàu hạt dẫn cho kênh, tức là làm giảm điện trở

của kênh do đó tăng dòng cực máng ID. Chế độ làm việc này gọi là chế độ giàu của

MOSFET. Khi UGS < 0 qúa trình xảy ra ngược lại, tức là điện tử bị đẩy ra xa kênh dẫn làm

điện trở của kênh tăng lên, do vậy dòng cực máng ID giảm. Chế độ này gọi là chế độ nghèo

hạt dẫn của MOSFET.

8

Hình 2.5 Họ đặc tuyến ra của Mosfet kênh có sẵn loại n

MOSFET kênh cảm ứng (loại N).Loại MOSFET này kênh dẫn chỉ xuất hiện trong quá trình

làm việc. Khi UGS = 0, kênh dẫn không tồn tại, dòng ID = 0. Khi UGS > 0 tại vùng đế đối

diện cực cửa xuất hiện các điện tử tự do và hình thành kênh dẫn nối giữa nguồn và máng. Độ

dẫn điện của kênh phụ thuộc vào UGS. Như vậy, MOSFET kênh cảm ứng chỉ làm việc với

một loại cực tính của UGS và chỉ ở chế độ giàu. Dưới đây là hình minh hoạ cho các trường

hợp trên với từng loại EMOSFET.

Hình 2.6 Kênh dẫn trong EMOSFET

9

Hình 2.7 họ đặc tuyến ra MOSFET kênh cảm ứng loại N

2.3.2 Đặc tính đóng cắt của MOSFET

Trong tranzito MOSFET có các tụ điện dung kí sinh làm giảm tốc độ chuyển mạch do cần

thời gian nạp và phóng chúng. Ta có thể phân ra :

Điện dung cổng-nguồn CGS có điện môi là lớp oxit cách điện của cổng. Điện dung này ít

nhạy với điện áp VDS

Điện dung cổng –máng CGD tính đến vùng điện tích không gian hình thành trong vùng P

dưới cổng. Điện dung này thay đổi nhiều với điện áp VDS từ một giá trị so sánh được với CGS

khi VDS nhỏ ( MOSFET khóa ) sang giá trị nhỏ có thể bỏ qua khi MOSFET bị khóa với VDS

lớn như trên hình

Điện dung máng nguồn CDS ảnh hưởng ít quan trọng.

Điện dung vào : Ci = CGS + CGS

Hình 2.8 Điện dung kí sinh của MOSFET

10

Trên hình 2.9 cho quan hệ của điện áp VGS theo điện tích của QG ở cổng do dòng IG khi mồi.

Bắt đầu ở trạng thái khóa VGS bằng không , VDS có giá trị E là nguồn nuôi. Trên biểu đồ này

ta có thể phân biệt ba đoạn:

Đoạn OA ứng với điện tích của điện dung vào với điện áp VDS. Điện dung Ci hơi khác với

CGS. Điện tích cần cung cấp cho dòng điện máng I có thể chạy qua kênh phụ thuộc vào dòng

điện này.

Đoạn AB ứng với việc giảm VDS từ E đến VDSON. Điện áp VGS không thay đổi. Điện tích

cung cấp dùng để làm thay đổi điện áp trên các cực của CGD. Điện áp này càng lớn khi trị số

ban đầu E của VDS đã lớn.

Đoạn BC ứng với điện tích của điện dung vào, tranzito đang dẫn. Điện dung này bằng CGs +

CGDON độc lập với E và I. Đường nét đứt OA’B’C’ ứng với dòng điện I’ > I, đường nét chấm

gạch OAB’’C” ứng với điện áp E’ > E.

Để dập tắt một tranzito như hình 2.10 cho thấy , phải thoát các điện tích thừa dư (đoạn CF),

sự phóng của CGD trong khi điện áp giảm (đoạn FH) và sự hóng điện của CGS trong khi dòng

điện giảm (đoạn HJ). Lượng điện tích Q’3 phải thoát bằng cổng trong thời gian dập tắt.

Ta nhận thấy trong khi giảm chiều dày của lớp oxit bao quanh lưới , ta được tranzito có điện

áp ngưỡng tương đối thấp để có thể điều khiển trực tiếp băng các mạch logic nguồn nuôi 5V .

Đó là các FET (Logic Level Gate FET ), điện dung CGD của chúng cao hơn.

Chuyển mạch đóng

Ta xét trường hợp MOSFET được mắc nối tiếp vào một tải điện cảm, D là diot thoát, điện áp

đặt vào là E. Giả thiết dòng điện I không đổi trong quá trình chuyển mạch.

Ở t = 0, điện á điểu khiển Vi chuyển từ 0 sang E’ (hình 2.11 b). Điện dung vào của tranzito bị

khóa được nạp qua điện trở Ri. Điện áp VGS đạt tới ngưỡng ở t = t1.

11

Bắt đầu từ t = t1, dòng iD tăng. Khi chưa đạt đến giá trị I, diot tiếp tục dẫn và điện áp VDS = E.

Dòng điện trong diot giảm ở t = t2.

Bắt đầu từ t = t2 dòng điện phục hồi của diot bổ sung vào I tạo ra một điểm của dòng iD. Đồng

thời điện áp VDS giảm và đạt giá trị VDCON.I ở t = t3, sự chuyển mạch kết thúc.

Điện áp điều khiển ít nhất là phải bằng VGS trong khoảng t2 và t3 , tuy nhiên để an toàn phải

chọn lớn hơn và sau thời điểm t3, và sau thời điểm t3, điện dung vào của MOSFET đang dẫn

tiếp tục nạp và VGS tăng đến E’.

Thời gian chuyển mạch bằng tổng thời gian trễ do điện áp ngưỡng, thời gian tăng trưởng của

dòng điện và thời gian giảm điện áp. Để giảm thời gian này, với một MOSFET đã cho cần

giảm điện trở Ri của mạch điều khiển và sử dụng diot nhanh có thời gian phục hồi rất ngắn.

Chuyển mạch khóa

Giả thiết MOSFET nằm trong mạch trên hình 2.11a như trước. Hình 4.39c cho các dạng điện

áp VGS, VDS và dòng điện iD, bắt đầu từ thời điểm t = 0, ở đó điện áp điều khiển Vi’ từ E’ đến

0 . Điện dung vào phóng qua tải.

Từ t = 0 đến t = t’, cổng thoát điện áp VDS tăng nhưng dòng iD vẫn bằng I bởi vì điện áp trên

cực điot vẫn còn âm. Từ t = t2’ đến t = t3 , dòng điện I được chuyển từ tranzito qua diot.

Tranzito bị khóa ở t =t3’, điện dung vào tiếp tục phóng để đưa VGS = 0.

Khi giảm Ri có thể giảm hằng số thời gian của mạch phóng của điện dung vào và giảm thời

gian dập tắt toff.

Nhận xét

Các điện dung kí sinh có trị số vài trăm pF, do đó có thể nên chuyển mạch rất ngắn và tần số

giới hạn khoảng vài trăm kilohec.

Biến thiên nhanh của dòng iD trong các chuyển mạch, nếu có điện cảm kí sinh trọng mạch gây

nên biến thiên rất lớn của điện áp VDS. Điện áp này giảm trong khoảng t1 t2 và tăng trong

khoảng t1’ t3’. Cần phải bảo vệ MOSFET chống quá áp khi dập tắt.

2.4 Các thông số thực tế của Mosfet.

1. Drain-to-Source Breakdown Voltage: đây là điện áp một chiều lớn nhất cho phép trên

cực Drain và Source. Khi tính toán thường lấy hệ số an toàn về điện áp là 1.5 trở lên.

2. Continuous Drain Current dòng điện một chiều liên tục lớn nhất chảy qua mosfet,

giới hạn bởi tổn hao dẫn , thường cho ở 25°C và 100°C .

3. Pulsed Drain Current: Dòng điện xung lớn nhất chảy qua mosfet, phụ thuộc vào độ

rộng xung,giới hạn bởi diện tích an toàn(Safe Operating Area-SOA).Trong quá trình

quá độ , van hay phải làm việc ở vùng dòng điện trên định mức này trong thời gian

ngắn, nếu SOA bị vi phạm thì phải áp dụng khởi động mềm.

12

4. Gate-to-Source Voltage: Điện áp điều khiển giữa cực Gate và Souce, thường lớn nhất

là 20V,thực tế hay đặt khoảng 10V,khi mosfet hoạt động xảy ra hiện tượng điện áp

điều khiển bị tăng cao do ảnh hưởng của điện dung ký sinh giữa cực Drain và

Gate,khi tính toán nếu thấy điện áp này tăng cao cần thêm một diode zener mắc giữa

cực Gate và Souce.

5. Max. Power Dissipation:Công suất tiêu tán lớn nhất trong điều kiện làm mát tốt nhất

và ở một nhiệt độ nhất định, thường cho ở 25°C , dựa vào Linear Derating Factor có

thể tính ra công suất tiêu tán nhiệt ở các nhiệt độ khác.Công suất tiêu tán trên thực tế

phụ thuộc chủ yếu vào dạng đóng vỏ và điều kiện làm mát, và bé hơn nhiều giá trị

định mức.Vd: Loại IRF-540N, dạng vỏ TO-220, datasheet cho Max. Power

Dissipation =130W tại 25°C,nhưng trong điều kiện làm mát cánh tản nhiệt và quạt

cưỡng bức tốt nhất thì thường chỉ nên lấy tối đa 50W. Tất cả các loại van khác có

cùng dạng đóng vỏ này cũng không được chọn quá 50W.

6. Linear Derating Factor: Hệ số suy giảm công suất toả nhiệt theo nhiệt độ, khoảng

0.7-2.5W/°C.

7. Operating Junction and Storage Temperature Range: giới hạn nhiệt độ của lớp tiếp

giáp,thường là -55 đến +175°C. Quá thang nhiệt độ này van sẽ hỏng.

8. Peak Diode Recovery dv/dt: Giới hạn tốc độ tăng điện áp trên diot mắc giữa cực

Drain và Souce,thường <5V/ns, khi quá giá trị này van sẽ hỏng. Sở dĩ có thông số

này là vì trong van tồn tại các giá trị điện dung và điện cảm ký sinh. Khi có biến thiên

điện áp ,các yếu tố này sẽ tương tác, tạo ra một sđđ đủ lớn để phá hỏng các lớp tiếp

giáp trong van.

9. Static Drain-to-Source On-Resistance: Điện trở biểu kiến ở trạng thái dẫn, đây là

thông quyết định đến tổn hao dẫn, thông số này phụ thuộc nhiều vào điện áp chịu

đựng của van và nhiệt độ lớp tiếp giáp ,tăng khi nhiệt độ lớp tiếp giáp tăng , và tăng

nhanh khi điện áp định mức tăng. Có lẽ đây là lý do tại sao mosfet ít được chế tạo ở

cấp điện áp trên 1000V.

10. Rise Time và Fall Time: thời gian chuyển mạch của van tương ứng từ trạng thái khoá

sang trạng thái dẫn và ngược lại , được trình bày trong giản đồ dưới đây.Đây là thông

số quyết định đến tổn hao chuyển mạch , là thông số quan trọng khi đánh giá chất

lượng của van, khi tính toán mạch điều khiển thì Rise Time và Fall Time của xung

điều khiển phải bé hơn các thông số này của van.

11. Total Gate Charge: Điện tích tổng cộng của các tụ điện ký sinh trên cực Gate tại một

giá trị Uđk nhất định, thường cho ở 10V, đây chính là điện tích mà mạch điều

khiển(gate driver) phải nạp hoặc xả cho các tụ này trong quá trình đóng hay mở

van.Bởi vậy mà mạch điều khiển đôi khi còn được gọi là Gate charge.Thông số này

quyết định đến giá trị Ipgeak của mạch điều khiển, điện tích này càng lớn thì Ipgeak

càng phải lớn để đảm bảo các tụ này được nạp trong thời gian xác định. Thường

Ipgeak trong khoảng 0.5-2A

13

Hình 2.12 : Thông số trong datasheet của IRF Z44

14

Chương III : hân tích mạch nghịch lưu áp 1 pha , điều chế áp

đầu ra với bộ lọc

3.1 Nghịch lưu áp cầu một pha

Hình 3.1 Sơ đồ ngịch lưu cầu

Sơ đồ gồm 4 van động lực chủ yếu là T1 , T2 , T3, T4 và các điôt D1, D2, D3, D4 dùng để trả

công suất phản kháng của tải về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn.

Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn 2 chiều (nguồn

một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo một chiều). Như vậy tụ C

thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn

đầu vào là nguồn áp (giá trị C càng lớn nội trở càng nhỏ , và điện áp đầu vào được san

phẳng).

Ở nửa chu kì đầu cặp van T1, T2 dẫn điện , phụ tải được đấu vào nguồn. Do nguồn là nguồn áp

nên điện áp trên tải U1 = E . Tại thời điểm , T1 và T2 bị khóa , đồng thời T3 và T4 mở ra . tải sẽ

được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại , tức là dấu điện áp trên tải sẽ ngược lại và U1 = -E tại

thời điểm . Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ , T1, T2 bị khóa nên

dòng phải khép mạch qua D3 , D4 . Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng

lượng thông qua D2, D4 về tụ C.

Tương tự như vậy khi khóa cặp T3, T4 dòng tải sẽ khép mạch qua D1, D2.

15

Hình 3.2 Đồ thị nghịch lưu cầu một pha

3.2 Điều chế áp đầu ra với bộ lọc

Bộ lọc LC được dùng để lọc các thành phần sóng hài bậc cao . Mạch lọc LC

là mạch lọc có khả năng lọc tốt nhất, có khả năng lọc được nhiều tần số theo ý

muốn. Nhược điểm lớn nhất của mạch lọc là giá thành và sự vận hành của mạch .Chúng

ta biết rằng cuộn cảm có trở kháng tỷ lệ với tần số (ZL = ω L) còn tụ điện có trở

kháng tỷ lệ nghịch với tần số nguồn điện (ZC = 1/ ω C), vì vậy kết hợp hai phần tử

này ta sẽ có bộ lọc . Cuộn cảm L mắc nối tiếp với tải sẽ chặn lại những thành

phần tần số cao, tụ điện C mắc song song với tải sẽ cho qua (nối mat) những thành

phần tần số cao mà cuộn cảm không chặn lại được.

16

Hình 3.3 Mạch lọc LC

Chương IV : Thiết kế mạch nghịch lưu dùng MOSFET

4.1 Một số linh kiện sử dụng trong mạch

4.1.1 Ic ổn áp nguồn 78xx

Ic ổn áp là là ic được dùng trong mạch nguồn sau nhằm cố định điện áp . Dòng ic tạo điện áp

dương thông dụng là 78xx với xx là điện áp đầu ra .

Đặc điểm :

Dòng cực đại có thể duy trì 1A.

Dòng đỉnh 2.2A.

Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W

Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W

Công suất tiêu tán trên ổn áp nối tiếp được tính như sau:

Pd = (Ui – Uo) * I

Trong đó:

Ui - áp lối vào

Uo - áp lối ra

I - dòng sử dụng

Nếu đặt Ui quá cao làm công suất tiêu tán trên IC lớn sẽ làm giảm hiệu suất

Tuy nhiên lưu ý cần giữ áp vào lớn hơn áp ra khoảng 2V cho IC hoạt động bình thường. Ví

dụ dùng 7805 thì cần có lối vào ít nhất là 7V.

Chênh lệch áp vào ra tối thiểu 2V (Ui – Uo) =

= 2 V

17

Hình 4.1 Hình dạng và sơ đồ chân của 7805 dạng chân cắm TO-220AB

4.1.2 CD4047

Chức năng: tạo sóng vuông hai nửa chu kỳ.

Hình 4.2 Sơ đồ chân CD4047

Đây là ic gồm 14 chân đóng gói dạng dip 100T. Điện áp hoạt động trongkhoảng từ 3V đến

15V. Chúng ta cần quan tâm tới chức năng của các chân sau:

1 đầu vào tụ C

2 đầu vào điện trở R

3 đầu vào R-C tạo dao động với tần số định sẵn

10 đầu ra xung vuông bán chu kỳ dương

11 đầu ra xung vuông bán chu kỳ âm

7 cấp nguồn âm

14 cấp nguồn dương

Tần số của xung vuông ra được tính theo công thức: T = 2.48RC

:

18

Hình 4.3 Sơ đồ khối bên trong IC4047

Hình 4.4 Các kiểu đóng gói chân của 4047

4.1.3 IR2103

IR2103 là ic chuyên dụng được thiết kế để điều khiển nửa cầu MOSFET hoặc IGBT kênh N.

Sử dụng kĩ thuật “ bootstrap”.

Có thể điều khiển mạch lực lên tới 600V.

Nguồn cấp từ 10 V đến 20 V.

Bảo vệ thiếu áp.

Tương thích 3.3v , 5v, 15v logic.

Tích hợp “deadtime” trong ic .

19

Hình 4.5 Sơ đồ khối bên trong IR2103

Hình 4.6 Các kiểu đóng gói chân của IR2103

Hình 4.5 Sơ đồ kết nối IR2103 và FET điều khiển nửa cầu

4.1.4 MOSFET IRFz44

Có hai lựa chọn chính cho việc sử dụng khoá đóng cắt công suất trong điều khiển đông cơ đó là

MOSFET và IGBT. Cả hai loại MOSFET và IGBT đều là linh kiện được điều khiển bằng điện

áp, nghĩa là việc dẫn và ngưng dẫn của linh kiện được điều khiển bằng một nguồn điện áp nối

với cực gate của linh kiện thay vì là dòng điện trong các bộ nghịch lưu sử dụng transitor như

trước đây. Vì vậy cách sử dụng loại linh kiện này làm cho việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn.

Thông thường MOSFET được sử dụng với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao, tuy nhiên MOSFET

không có khả năng chịu dòng điện cao. Trong khi đó IGBT thích hợp với các ứng dụng ở tốc độ

thấp, tuy nhiên IGBT có khả năng chịu được dòng điện cao. Với yêu cầu của đồ án ta chọn

MOSFET.

Các yêu cầu chính đặt ra cho linh kiện sử dụng làm bộ nghịch lưu :

Điện áp VDS > Vdc = 24V

Dòng điện qua MOSFET > dòng định mức của tải .

Rds nhỏ

Chịu được tần số đóng ngắt cao.

Với yêu cầu đó ta chọn MOSFET kênh N IRFz44

Vds max = 60V

Rds = 0.024Ω

Id = 50A

Hình 4.6 Sơ đồ chân IRFz449

Trên lí thuyết khi được thông mạch thì IMOSFET=

=

= 24 (mA).

4.2 Sơ đồ nguyên lí và các khối trong mạch điện

4.2.1 Khối nguồn

Hình 4.7 Khối nguồn

Hình 4.7 là sơ đồ nguyên lí của khối nguồn trong mạch.

Dòng xoay chiều 220v qua biến áp thành dòng xoay chiều 24v sẽ được đưa vào cầu điôt để chỉnh

lưu cầu 1 pha sau đó đưa qua phía ic ổn áp.

Sơ đồ dùng ic ổn áp 7824,7812,7805 mắc nối tiếp nhau theo sơ đồ cơ bản trong datasheet nhằm

tạo ra mức điện áp dương 24v,12v và 5v.

Các tụ đặt trước và sau ic 78xx có tác dụng lọc , san phẳng điện áp.

Các đèn led D1,D2, D3 báo hiệu nguồn 5v,12v,24v. Vì led chỉ chịu được dòng tối đa vào khoảng

25mA nên cần có các trở R1, R2 , R3 để hạn dòng.

D1 : I1 =

= 0.5 (mA)

D2 : I1 =

= 1.13 (mA)

D3 : I1 =

= 4.3 (mA)

4.2.2 Khối tạo xung

Hình 4.8 Khối tạo xung

IC 4047 được mắc theo sơ đò trên sẽ phát ra sóng vuông với hai nửa chu kỳ lệch pha nhau 180˚

. Để tần số hoạt động là 50Hz tính toán theo công thức T=2,48RC ta được thông số R,C như

sau: R=47K,C=0,1uF.

Tín hiệu từ 2 chân 10 và 11 sẽ được đưa vào ic 74HC02 là ic tích hợp 4 cổng NOR nhằm tạo ra 4

tín hiệu điều khiển L1, H1, L2 và H2. Sở dĩ phải làm vậy vì mỗi IR2103 điều khiển nửa cầu cần

2 tín hiệu để điều khiển 2 MOSFET.

Q L1 H1 L2 H2

0 0 1 0 1 0

0 1 1 1 0 0

1 0 0 0 1 1

1 1 0 0 0 0

4.3.2 I 2103 và cầu nghịch lưu MOSFET

Hình 4.9 IR2103 điều khiển nửa cầu.

Mạch cầu MOSFET nghịch lưu sử dụng hai IR2103 , mỗi một IR2103 điều khiển 2 MOSFET.

Như trong hình 4.9 là IR2103 điều khiển MOSFET Q1 và Q4, mạch điều khiển 2 MOSFET Q2

và Q3 cũng tương tự . Khi tín hiệu HIN là mức cao thì IR2103 sẽ kích đóng MOSFET Q1, còn

khi là mức thấp thì MOSFET Q4 sẽ được kích mở. Tụ C11 là tụ “ boot trap” được IR2103

sử dụng để kích đóng FET Q1. Sở dĩ phải dùng tụ “boot trap” là vì để kích được FET ta cần có

VGS > 0 , với Q4 thì rất dễ dàng vì thế của cực S của Q4 là cố định bằng 0 , nhưng với FET Q1

thì thế tại cực S không cố định khi Q1 dẫn thì vì RDS nên thế tại S lên gần bằng điện áp nguồn là

24 V . Vì vậy IC dùng tụ (được nạp khi Q4 được kích đóng ) làm nguồn kích Q1 đóng. Sơ dồ

mạch có thể đơn giản hơn khi dùng 2 MOSFET khác nhau là 2 loại N và hai loại P. Tuy nhiên,

một nhược điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DS của nó lớn hơn MOSFET loại N. Vì

thế, dù được thiết kế tốt, MOSFET kênh P trong các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET thường bị

nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại N, công suất mạch cũng bị giảm phần nào. Hơn nữa khi sử

dụng IR2103 để điều khiển 4 MOSFET lại N còn có ưu điểm là có tích hợp sẵn “dead time” là

việc tạo thời khoảng thời gian trễ lúc chuyển mạch nên tránh được hiện tượng trùng dẫn, hơn

nữa nếu tín hiệu đầu vào là mức thấp và HIN là mức cao tức là yêu cầu cả 2 MOSFET Q1

và Q4 cùng dẫn là trường hợp không được xảy ra thì IR2103 sẽ không dẫn làm mạch có độ tin

cậy cao hơn.

Như vậy tín hiệu từ khối tạo xung sẽ tạo ra kết quả là :

Q Utải

1 0 Q1, Q2 dẫn Utải = 24 V

0 1 Q3,Q4 dẫn Utải =-24 V

Do đó Utải là dòng xoay chiều 24 V có tần số 50Hz dạng sóng vuông .

4.2.4 Sơ đồ mạch tổng thể và đi dây mạch in

Hình 4.10 Sơ đồ đi dây mạch in.