Mc lc
.............................................. ................................ .................. 2 CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT NGHCH LƯU .............................. 1.1. GII THIU NGHCH 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 chuẩ n ..................................................................................................... 2 1.1.4 Ứ ng ng d ụng ...................................................................................................................................... 2 1.2. B NGHCH LƯU .............................................................................................................................. 3
MOSFET .............................. .............................................. ................................ .................. 4 CHƯƠNG II: GII THIU TH IU N N MOSFET 2.1 GI I THIU V MOSFET ........................................................................................................................ 4 2.2 PHÂN LO I V C U TO CƠ BN CA VAN MOSFET............................................................................ 4 2.2.1 Phân loại ...................................................................................................................................... 4 2.2.2 C ấ MOSFET....................................................................................................... 6 ấu t ạo ạo cơ bản của MOSFET 2.3NGUYÊN TC LM VIC V ĐC TNH ĐNG CT CA VAN MOSFET .................................................... 7 2.3.1 Nguyên tắ c hoạt động .................................................................................................................... 7 2.3.2 Đặc tính đóng cắ t của MOSFET .................................................................................................... 9 2.4 CC THÔNG S TH C TẾ CA MOSFET. ............................................................................................ 11
CHƯƠNG III: PHÂN TCH MCH NGHCH LƯ U P MT PHA V ĐIU CHẾ .............................................. ................................ ............................... ....................... ....... 14 ĐIN P ĐU RA V I B LC ............................. 3.1 NGHCH LƯ UP CU MT PHA ................................................................................................................... 14 3.2 ĐIU CHẾ ĐU A VI B LC ....................................................................................................... 15
.......... .............. ..... 16 CHƯƠNG I: THIẾT KẾ MCH NGHCH LƯ U DNG MOSFET ................... 4.1 MT S LINH KIN S DNG TRONG M CH ........................................................................................ 16 4.1.1 Ic ổn áp nguồn 78xx 78xx .................................................................................................................... 16 4.1.2 CD4047 CD4047 ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... 17 4.1.3 IR210 IR2103 3 ........................................................................................................................................ 18 4.1.4 MOSFET MOSFET IRFz44 IRFz44......................................................................................................................... ......................................................................................................................... 20 4.2 SƠ Đ Ơ Đ NGUYÊN L V CC KHI TRONG M CH ĐIN ............................................................................ 21 4.2.1 Khố i nguồn ................................................................................................................................. 21 4.2.2 Khố i t ạo xung.............................................................................................................................. 22 4.3.2 IR2103 và cầu nghịch lưu MOSFET ............................................................................................ 23 4.2.4 Sơ đồ mạch t ổ ổng n g thể và ể và đi dây mạch in ........................................................................................ 24
Chương I : Lý thuyết 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 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
1 pha 120V / 60 Hz
chuẩn:
220V/50Hz
3 pha 120/208/60 120/208/ 60 Hz 220/380/50Hz 220/380/ 50Hz
115V/400 Hz 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
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 đ iện hoặc từ t ừ 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 tr ình chuyển chuyển mạch là phụ thuộc :
Công suất nhỏ và vừa : sử dụng các khoá k hoá BJT , MOSFET, IGBT Công suất lớn : IGBT, GTO, Thyristor + Bộ chuyển mạch (chuyển mạch cưỡng bức) hoặc Thyristor thường thường nếu quá trình chuyển 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. đổ i. Nếu nguồn DC có trị t rị 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 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, 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 hà i.
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 nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường t rường để tạo ra r a 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 Transistor hiệu ứng trường trường Mosfet
hân loại và cấu tạo cơ bản của MOSFET
2.2
2.2.1 hân loại Transistor trường MOS có hai loại: 1. 2.
transistor MOSFET có kênh sẵn 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 ET viết tắt là DE -MOSFET). MOSF -MOSFET).Transistor trường loại MOS có kênh sẵn là loại transistor mà khi chế tạo người ta đã chế tạo sẵn kênh dẫn
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 MOSFE T chế độ giàu (EnhancementMode MOSFET viết tắt là E -MOSFET). Khi chế tạo MOSFET kênh cảm ứng người ta t a 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
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 làm bằng 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 lấy ra bằng 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 chính là lớp 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-OxideSemiconducto r]. Các chân
Nguồn [Source] S và Máng [Drain] D, là các chân được nối với các vùng bán 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 t hành bằng các điện tử t ử và vùng Nguồn và Máng Má ng -3 được cấu tạo bởi các vùng pha tạp đậm n+(vào khoảng 1020 cm ) để có thể tiếp xúc tốt với kênh dẫn. Người Người ta dùng phương pháp cấy ion ion để tạo ra vùng Nguồn và Máng sau khi cấu trúcCổng trúc Cổng đã được xác lập sao cho hai vùng này thẳng hàng hàng với vùng 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 xứng nên Nguồn và và Máng có thể thay thế lẫn nhau. Vùng bán dẫn giữa hai vùng Nguồn và Máng ngay phía dưới Cổng được được gọi là vùng kênh. Khoảng Khoảng cách giữa hai tiếp giáp pn (vùng Nguồn Nguồn -Đế và vùng Máng-Đế) là chiều dài hiệu dụng của kênh L. và W là chiều rộng rộ ng của kênh. Vùng đế là một
bán dẫn tạp t ạp kiểu ngược lại với hai vùng Nguồn và Máng (thường (t hường ở mức pha tạp loãng hơn) để đảm bảo cách ly giữa hai vùng. vùng. Lớp ôxit 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 kê nh dẫn bằng 0,3µm, thì các thông t hông số điển hình là: chiều dày của lớp ôxit ≈ 10µm, mức pha tạp của vùng đế là là ≈ 3x 1017cm-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) OFF) thì MOSFET được gọi là dụng dụng cụ tăng cường kênh do điện áp cổng cần phải có cho sự “tăng cường” [enhance] hay làm giàu kênh dẫn, (hình (hình 3.1a, b). Nếu kênh là là có sẵn tại điện áp cổng bằng 0 (tức (tức thường kín - ON), thì MOSFET được gọi là dụng cụ nghèo kênh vì điện áp cổng cần cho việc “làm suy kiệt” [deplete] ha y làm nghèo kênh dẫn, (hình 3.1b). Các điện áp và dòng điện của MOSFET kênh n cũng đã được xác định rõ trên t rên 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 vS , điện áp Máng - Nguồn: trọng là điện áp Cổng - Nguồn: Nguồn: vGS = vG - vS 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 hoạt động thông thường của N MOSFET. Chú ý rằng: các vùng vùng Nguồn và và Máng tạo thành thành tiếp giáp pn với vùng 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 nhỏ hơn hoặc hoặc bằng với điện áp ở các cực Nguồn và Máng để đảm bảo cho cho các tiếp giáp pn được phân cực ngược một cách thích hơp, tức: iB ≈ 0. Ngoài ra, Cổng phải là một một bản cực kim loại để có tiếp xúc mặt mặt nhưng vẫn vẫn được cách điện với vùng vùng kênh qua lớp SiO2, hay nói 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 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 .
Hình 2.5 Họ đặc tuyến ra của Mosfet Mosfet kênh có sẵn sẵn loại n MOSFET kênh cảm ứng (loại N).Loại MOSFET này kênh dẫn chỉ xuất hiện trong quá trình làm việc. Khi UGS UGS = 0, kênh dẫn không tồn tại, dòng ID = 0. Khi UGS > 0 tại vùng đế đối đối diện cực cửa xuất hiện các điện tử tự do và hình thành kênh dẫn nối giữa g iữa 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 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
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 V DS Điện dung cổng –máng C GD tính đến vùng điện tích không gian hình thành trong vùng P dưới cổng. Điện dung này thay đổi nhiều với điện áp V DS từ một giá trị so sánh được với C GS khi VDS nhỏ ( MOSFET khóa ) sang giá trị nhỏ có thể bỏ qua khi MOSFET bị khóa với V DS lớn như trên hình Điện dung máng nguồn C DS ảnh hưởng ít quan trọng. Điện dung vào : C i = CGS + CGS
Hình 2.8 Điện dung kí sinh của MOSFET
Trên hình 2.9 cho quan hệ của điện áp V GS theo điện tích của Q G ở cổng do dòng I G khi mồi. Bắt đầu ở trạng thái khóa V GS bằng không không , V DS 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 V DS. Điện dung C i 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 V DS từ E đến V DSON. Điện áp V GS không thay đổi. Điện Điện tích cung cấp dùng để làm thay đổi điện áp trên các cực của C GD. Điện áp này càng lớn khi trị số ban đầu E của VDS đã lớn. Đoạn BC ứng với điện tích tíc h của điện dung vào, tranzito tranz ito đang dẫn. Điện dung này bằng C Gs + 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 tr anzito như hình 2.10 cho thấy , phải thoát các điện tích thừa dư (đoạn CF), sự phóng của C GD trong khi điện áp giảm (đoạn FH) và sự hóng điện của C GS trong khi dòng điện giảm (đoạn HJ). Lượng điện tích Q’ 3 phải thoát bằng cổng trong 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 t hể điều kh iển trực tiếp băng các mạch logic nguồn nuôi 5V . Đó là các FET (Logic Level Gate FET ), điện dung C GD 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 V i chuyển từ 0 sang E’ (hình 2.11 b). 2.11 b). Điện dung vào của tranzito tranzito bị khóa được nạp qua điện trở R i. Điện áp VGS đạt tới ngưỡng ở t = t 1.
Bắt đầu từ t = t 1, dòng iD tăng. Khi chưa đạt đến giá trị I, diot tiếp tục dẫn và điện áp V DS = E. Dòng điện trong diot giảm ở t = t 2.
Bắt đầu từ t = t 2 dòng điện phục phục hồi của diot bổ sung vào I tạo ra một điểm của dòng i D. Đồng thời điện áp VDS giảm và đạt giá trị V DCON.I ở t = t3, sự chuyển mạch kết thúc. t húc. Điện áp điều khiển ít nhất là phải bằng V GS trong khoảng t 2 và t3 , tuy nhiên để an toàn phải chọn lớn hơn và sau thời điểm t 3, và sau thời điểm t 3, 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 R i 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 i D, bắt đầu từ thời điểm t = 0, ở đó điện điện áp điều khiển Vi’ từ E’ đến 0 . Điện dung vào phóng qua tải. Từ t = 0 đến t = t’, cổng thoát thoát điện áp VDS tăng nhưng dòng i D vẫn bằng I bởi vì điện áp trên cực điot vẫn còn âm. Từ t = t 2’ đến t = t 3 , dòng điện I được chuyển từ tranzito qua diot. Tranzito bị khóa ở t =t 3’, điện dung vào tiếp tục phóng để đưa V GS = 0. Khi giảm R i có thể giảm hằng số thời gian của mạch phóng của điện dung vào và giảm thời gian dập tắt t off .
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 i D trong các chuyển mạch, nếu có điện cảm kí sinh trọng mạch gây nên biến thiên rất lớn của điện áp V DS. Điện áp này giảm trong khoảng t 1 t2 và tăng trong khoảng t 1’ t3’. Cần phải bảo vệ MOSFET chống quá áp khi dập tắt. 2.4 Các
thông 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.
c ực Gate và Souce, 4. Gate-to-Source Voltage: Điện áp điều khiển giữa cực
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 t huộc chủ yếu vào dạng đóng vỏ và điều đ iều 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 tr ên 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 t rình bày trong giản đồ dưới đây.Đây là thông t hông 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
Hình 2.12 : Thông số trong datasheet của IRF Z44
Chương III : hân tích mạch nghịch lưu áp 1 pha , điều chế áp đầu ra vớ i bộ lọc 3.1 Nghịch lưu áp cầu một pha
Hình 3.1 Sơ đồ ngịch lưu cầu Sơ đồ gồm 4 van độ ng 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 đượ c hiện tượng quá áp ở đầ ở đầu nguồn. Tụ C đượ c mắc song song v ớ i nguồn để đảm bảo cho ngu ồn đầu vào là nguồ n 2 chiều (nguồn một chiều thường đượ c cấp bở i chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo mộ t chiều). Như vậ y tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thờ i tụ C còn đảm bảo cho ngu ồn đầu vào là nguồn áp (giá trị C càng lớ n nộ i trở càng ở càng nhỏ , và điện áp đầu vào đượ c san phẳng).
Ở nửa chu kì đầu cặp van T1, T2 d ẫn điện , phụ tải được đấu vào nguồ n. Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải U1 = E . Tại thời điểm , T1 và T2 bị khóa , đồ ng thời T3 và T4 mở ra . tải sẽ được đấu vào nguồ n theo chiều ngượ c lại , tức là dấu điện áp trên tải sẽ ngượ c lại và U1 = -E tại thời điểm . Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫ n gi giữ nguyên hướng cũ , T1, T2 bị khóa nên dòng phải khép mạch qua D3 , D4 . Su ất điện động cảm ứng trên tải sẽ trở thành ở thành nguồ n trả năng lượng thông qua D2, D4 về tụ C. Tương tự như vậy khi khóa cặp T3, T4 dòng tả i sẽ khép mạch qua D1, D2.
Hình 3.2 Đồ thị nghịch lưu cầu một pha 3.2
Điều chế áp đầu ra vớ i bộ lọc Bộ lọ c LC
đượ c dùng để lọc các thành ph ần sóng hài bậ c cao . Mạch lọc LC
là mạch lọc có khả năng lọc tốt nhất, có khả năng lọc đượ c nhiều tần số theo ý muốn.
Nhược điểm lớ n nh ất của m ạch lọc là giá thành và sự vận hành của m ạch .Chún húng
ta biết rằng cuộ n c ảm có tr ở kháng t ỷ lệ vớ i t ần số (Z L = kháng t ỷ lệ nghịch vớ i t ần số ngu nguồ n
ω L) cò n t ụ đ iệ n có tr ở
đ iệ n (ZC = 1/ ω C), vì vậy k ết hợ p hai phần t ử
này ta s ẽ có bộ lọ c . Cuộ n cảm L mắc nố i ti ếp vớ i t ải sẽ chặn lại những thành phần t ần số cao, t ụ
đ iện C mắc song song vớ i t ải sẽ cho qua (nố i mat) những thành
phần t ần s ố cao mà cuộ n c ảm khô ng chặn lại đượ c. c.
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 nguồ n 78xx Ic ổn áp là là ic được dùng trong mạ ch nguồn sau nhằm cố dương thông dụng là 78xx với xx là điện áp đầ u ra .
định điện áp . Dòng ic tạo điện áp
Đặc điểm :
Dòng cực đại có thể t hể 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 nố i tiếp được tính như sau:
P d = (U i – U o ) * I
Trong đó: Ui - áp lối vào Uo - áp lố i ra I - dòng sử dụng t án trên IC lớ n sẽ làm giảm hiệu suất Nếu đặt Ui quá cao làm công suất tiêu tán Tuy nhiên lưu ý cầ n giữ áp vào lớn hơn áp ra khoả ng 2V cho IC ho ạt động bình thường. Ví dụ dùng 7805 thì cần có lối vào ít nhất là 7V. Chênh lệch áp vào ra tố i thiểu 2V (U i – U o ) =
= 2 V
Hình 4.1 Hình dạng và sơ đồ chân của 7805 dạng chân cắ m TO-220AB 4.1.2 CD4047 Chứ c năng : t ạo sóng vuông hai n ử a chu k ỳ.
Hình 4.2 Sơ đồ chân CD4047 Đâ y là ic gồm 14 chân đóng gói d ạng dip 100T. Điện á p hoạt động trongkhoảng t ừ ừ 3V đế n ớ i chứ c năng của các chân sau: 15V. Chúng ta cần quan t âm t ớ 1 đầu vào tụ C ở R 2 đầu vào đ iện tr ở ố định sẵ n 3 đầu vào R-C t ạo dao động với t ần số đị 10 đầu ra xung v uông bán chu kỳ dươ ng ng 11 đầu ra xung v uông bán chu kỳ âm 7 cấ p nguồn âm 14 cấ p nguồn dươ ng ng T ần số của xung vuông ra đượ c tí nh nh theo công thứ c: c: T = 2.48RC
:
Hình 4.3 S ơ đồ ơ đồ khố i bên trong IC4047
Hình 4.4 Các kiểu đóng gói chân củ a 4047 4.1.3 IR2103
IR2103 là ic chuyên dụng đượ c thiết k ế 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 hợp “deadtime” trong ic .
Hình 4.5 Sơ đồ khối bên trong IR2103
Hình 4.6 Các kiểu đóng gói chân củ a IR2103
Hình 4.5 Sơ đồ k ết nối IR2103 và FET điề u 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 b ằng điện áp, nghĩa là việc dẫn và ngưng dẫn của linh kiện đượ c điều khiển b ằng một nguồn điện áp nố i vớ i 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 tr ở nên ở nên dễ dàng hơn. Thông thường MOSFET đượ c 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 hợ p 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 chọ n 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 t ải . 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 khố i trong mạch điệ n 4.2.1 Khối nguồn
Hình 4.7 K hố i nguồn Hình 4.7 là sơ đồ nguyên lí của khố i nguồn trong mạch. Dòng xoay chiều 220v qua bi ến 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 nố i tiếp nhau theo sơ đồ cơ bản trong datasheet nh ằm 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 tr ở R 1, 1, R2 , R3 để hạn dòng .
D1 : I1 =
D2 : I1 =
D3 : I1 =
= 0.5 (mA) = 1.13 (mA)
= 4.3 (mA)
4.2.2 Khối tạo xung
Hình 4.8 K hối tạo xung sẽ phát ra sóng vuông vớ i hai nửa chu k ỳ lệch pha nhau 180˚ IC 4047 đượ c mắc theo sơ đò trên sẽ phá . Để tần số hoạt động là 50Hz tính toán theo công thức T=2,48RC ta đượ c t hông 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 hợ p 4 cổng NOR nhằm tạo ra 4 tín hiệu điều khiển L1, H1, L2 và H2. Sở dĩ Sở dĩ phải làm vậy vì mỗi IR2103 điều khiển nửa cầu cần 2 tín hiệu để điều khiển 2 MOSFET. Q 0 0 1 1
0 1
0 1
L1 1 1 0 0
H1 0 1 0 0
L2 1 0 1 0
H2 0 0 1 0
4.3.2 I2103 và cầu nghịch lưu MOSFET
Hình 4.9 IR2103 điều khiển nửa cầu. Mạch cầu MOSFET ngh ịch lưu sử dụng hai IR2103 , mỗ i 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 là mức thấp thì MOSFET Q4 sẽ được kích mở . Tụ C11 là tụ “ boot trap” đượ c IR2103 khi ở dĩ phải dùng tụ “boot trap” là vì để kích đượ c FET ta cần có sử dụng để kích đóng FET Q1. S ở dĩ VGS > 0 , với Q4 thì rấ t dễ dàng vì thế của cực S của Q4 là cố định bằng 0 , nhưng vớ i FET Q1 thì thế tại cực S không cố định khi Q1 dẫn thì vì R DS DS nên thế tại S lên gầ n bằng điện áp nguồn là 24 V . Vì vậy IC dùng tụ (đượ c nạp khi Q4 được kích đóng ) làm 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 điể m của MOSFET kênh P là điệ n trở dẫn DS của nó lớn hơn MO SFET lo ại N. Vì thế, dù đượ c thiết k ế tốt, MOSFET kênh P trong các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET thườ ng ng bị nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại N, công suấ t 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 hợ p sẵn “dead time” là việc tạo thờ i khoảng thờ i gian tr ễ lúc chuyển mạch nên tránh đượ c hiện tượng trùng dẫn, hơn là mức thấp và HIN là mức cao t ức là yêu cầu cả 2 MOSFET Q1 nữa nếu tín hiệu đầu vào và Q4 cùng dẫn là trườ ng ng hợp không đượ c 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 k ết quả là : Utải 0 Q1, Q2 dẫn Utải = 24 V 1 Q3,Q4 dẫn Utải =-24 V Utải là dòng xoay chiều 24 V có tần số 50Hz dạng sóng vuông .
Q 1 0
Do đó
4.2.4 Sơ đồ mạch tổng thể và đi dây mạch in
Hình 4.10 Sơ đồ đi dây mạch in.
