Đồ án môn hoc Điện tử công suất-Truyền động điện
MỤC LỤC
Mở đầu 03
Phần I Cơ sở lý thuyết ……………………………………………………… 04
I. Giới thiệu các van bán dẫn công suất ………………………………………… 04
1.1 Transistor công suất ……………………………………………………… 04
1.2 Mosfet công suất …………………………………………………… 06
Phần II Giới thiệu về một số mạch nghịch lưu …………………………………….12
2.1. Tổng quan về nghịch lưu 12
2.2.Nghịch lưu độc lập ……………………………………………………………13
2.2.1.Tổng quan……………………………………………………………… 13
2.2.2. .Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha qua máy biến áp điểm giữa……14
2.2.3. Nghịch lưu độc lập nguồn áp cầu 1pha 16
2.2.4.Nghịch lưu độc lập nguồn dòng cầu 1 pha 20
Phần III Tính toán và thiết kế mạch ……………………………………… 22
3.1.Tính toán máy biến áp 22
3.2.Mosfet công suất IRS3205 23
3.3.Thiết kế mạch điều khiển 24
3.4. Mạch động lực………………………………………………………… 29
3.5. Mạch cách ly …….30
3.6. Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống 32
Kết luận 33
Danh mục tài liệu tham khảo………………………………………………….34
GVHD:
SVTH - Page 1
Đồ án môn hoc Điện tử công suất-Truyền động điện
BẢN NHẬN XÉT
CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
……………………………….………………………………………………

công suất-TĐĐ và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sản xuất hiện đại. Vì
vậy để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong thực tế, chúng
em làm đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế bộ nguồn nghịch lưu một pha”. Với đề tài
này, chúng em đã vận dụng kiến thức của mình để tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết, đặc
biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính toán thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm.
Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của Thầy NGUYỄN VĂN THẮNG cùng với
sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành xong đồ án
của mình. Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu
sót khi thực hiện đồ án này. Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh
giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
GVHD:
SVTH - Page 3
Đồ án môn hoc Điện tử công suất-Truyền động điệnPHẦN I :CƠ SỞ LÝ THUYẾT
I. Giới thiệu về các van bán dẫn công suất:
Các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung,đó làcác van bán
dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua thì có điện trở tương
đương rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất lớn.
Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực
ngược, dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò.
1.1.Tranzisto công suất ( Transistor lưỡng cực BJT ).
Transistor lưỡng cực là thiết bị gồm ba lớp bán dẫn NPN hoặc PNP, được dùng để
đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ tương đối lớn.Hệ số khuyếch đại dòng, kí hiệu
là
β
= 10
→

C.Để giảm nhỏ năng lượng tổn thất do
Tranzistor chuyển trạng thái gây nên người ta dùng các mạch trợ giúp. Việc sử dụng các
mạch trợ giúp được xem là bắt buộc khi Tranzistor làm việc ở các điều kiện sau :
f > 5 kHz hoặc V
C
∞

≥

60V, I
C
> 5A
1.2 MOSFET công suất
MOSFET, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" trong
tiếng Anh, có nghĩa là "transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn", là một thuật
ngữ chỉ các transistor hiệu ứng trường được sử dụng rất phổ biến trong các mạch số và
các mạch tương tự. Với những Mosfet công suất thường được sử dụng như những chuyễn
mạch điện tử công suất lớn
+)Transistor MOSFET được xây dựng dựa trên lớp chuyển tiếp Oxit Kim lạo và bán
dẫn ( ví dụ Oxit Bạc và bán dẫn Silic).Lớp bán dẫn có 2 loại nên có 2 loại MOSFET :
NMOSFET hay PMOSFET. Thông thường chất bán dẫn được chọn là silíc nhưng có một
số hãng vẫn sản xuất các vi mạch bán dẫn từ hỗn hợp của silíc và germani (SiGe), ví dụ
như hãng IBM. Ngoài silíc và germani còn có một số chất bán dẫn khác như gali asenua
có đặc tính điện tốt hơn nhưng lại không thể tạo nên các lớp oxide phù hợp nên không thể
dùng để chế tạo các transistor MOSFET.
+) MOSFET được chia làm hai loại:
-MOSFET kênh liên tục và MOSFET kênh gián đoạn.
-Mỗi loại kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại theo chất bán dẫn là kênh N
hay P. Ta xét các loại MOSFET kênh N và suy ra cấu tạo ngược lại cho kênh P.
1.2.1.Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh liên tục

T
. Khi U
GS
<U
T
thì dòng cực máng I
D
= 0
Hoạt động của MOSFET có thể được chia thành ba chế độ khác nhau tùy thuộc
vào điện áp trên các đầu cuối. Với transistor NMOSFET thì ba chế độ đó là:
-Chế độ cut-off hay sub-threshold (Chế độ dưới ngưỡng tới hạn).
-Triode hay vùng tuyến tính
-Bão hòa
+)MOSFET thường dùng trong điều khiển công suất, do vậy đa số nó dùng ở chế độ
đóng ngắt.Do vậy đa số nó dùng ở chế độ đóng ngắt.
So sánh với BJT ở chế độ này.Khác biệt thứ nhất là mô hình:MOSFET là mô hình
nguồn dòng phụ thuộc áp còn BJT là mô hình dòng phụ thuộc dòng.Như vậy để kích dẫn
MOSFET cần đưa điện áp vào hai cực Vgs.Một điểm khác của MOSFET nữa là
MOSFET có Vds không ổn định như Vce mà nó phụ thuộc vào giá trị ổn định khác là
Rds-on (Ở chế độ đóng ngắt). Như vậy Vds = Id*Rds. Như vậy công suất tiêu tán trên
MOSFET chủ yếu phụ thuộc vào Rds Đa số các MOSFET bắt đầu dẫn khi abs(Vgs) xấp
xỉ 5. Thường giá trị khuyến cáo là 10V. Khi điện áp lớn hơn 15 bắt đầu có nguy cơ đánh
thủng Vgs. Khá nguy hiểm là khi bị thủng MOSFET thường dẫn luôn dẫn đến dễ nổ.
Trong mô hình của MOSFET có một cái tụ ký sinh từ gọi là Cgs cần quan tâm đến tụ này
khi thiết kế mạch .Hai giá trị quan trọng cần quan tâm khi thiết kế là:
- Vds max:Thường khi thiết kế dùng dưới 2/3 giá trị này. Ví dụ Vds Max của IRF540
là 100V. Cho nên dùng nó để điều khiển các động cơ 24V là hợp lý. Khi bị quá áp
MOSFET cũng bị nổ to
GVHD:
SVTH - Page 9

1.3.2. Mồi IGBT
-Điều kiện để IGBT dẫn
-U
CE
>0; U
GE
>Ung
-Khi đó xuất hiện kênh dẫn. Nhờ các điện tử chạy qua kênh dẫn, bơm thêm vào N
-
làm điện thế của nó giảm, kéo theo P
+
N
-
dẫn
-I
C
chỉ khác 0 khi U
CE
>U
CEng

a)Đặc tính

b) Quá trình khóa
GVHD:
SVTH - Page 11
Đồ án môn hoc Điện tử công suất-Truyền động điện
1.3.3.Thông số IGBT
-U
CES

PHẦN II
GIỚI THIỆU VỀ MỘT SỐ MẠCH NGHỊCH LƯU
2.1. Tổng quan về nghịch lưu.
Trong công nghệ, ta thường gặp vấn đề biến đổi điện áp một chiều thành điện xoay
chiều và ngược lại bằng các thiết bị nắn điện. Các thiết bị đó được gọi là nghịch lưu.
Khái niệm: Nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng
xoay chiều.
Phân loại: Các sơ đồ nghịch lưu được chia làm hai loại.
- Sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới xoay chiều.
- Sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ độc lập (với các nguồn độc lập như ác quy,
máy phát một chiều )
Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống như chỉnh lưu có điều khiển. Mạch
nghịch lưu phụ thuộc là mạch chỉnh lưu trong đó có nguồn một chiều được đổi dấu so với
chỉnh lưu và góc mở α của các tiristo thoả mãn điều kiện (π/2 < α <π ) lúc đó công xuất
của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay. Tần số và điện áp nghịch lưu này phụ
thuộc vào tần số điện áp lưới xoay chiều.
Nghịch lưu độc lập làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ các nguồn độc lập
(không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thành xoay chiều với tần số pha tuỳ ý. Tần số và
điện áp nghịch lưu. Nói chung có thể điều chỉnh tuỳ ý. Có hai dạng sơ đồ nghịch lưu độc
lập là mạch cầu và mạch dùng biến áp có trung tính.
Sơ đồ nghịch lưu lập được chia là ba loại cơ bản:
- Nghịch lưu độc lập điện áp .
- Nghịch lưu độc lập dòng điện và nghịch lưu độc lập cộng hưởng.
2.2 Nghịch lưu độc lập
2.2.1. Tổng quan
Nghịch lưu độc lập viết tắt là NLĐL là thiết bị biến đổi nguồn điện một chiều thành
dòng xoay chiều với tải độc lập không phụ thuộc vào lưới điện. Dòng xoay chiều có thể
GVHD:
SVTH - Page 13
Đồ án môn hoc Điện tử công suất-Truyền động điện

khoá chuyển mạch hở bằng 2 lần điện áp nguồn một chiều U ta gọi bộ nghịch lưu nhân
đôi điện áp.
c) Các biểu thức tính toán
Nếu giả thiết điện áp vào không đổi, dòng điện ra hình sin, máy biến áp và linh kiện
bán dẫn lý tưởng, ta dễ dàng tìm được điện áp ra và dòng điện vào:
- Điện áp ra: Trong một nửa chu kỳ điện áp ra bằng
2/
1
2
n
n
+
U và -
2/
1
2
n
n
U ở nửa chu
kỳ kia. Điện áp ra u’ có trị hiệu dụng bằng: U’ =
1
2
2
n
n
U
- Trị hiệu dụng thành phần cơ bản : U’
1
=
π

4
n
n
π
U (Sin
t
ϖ
+
3
1
Sin3
t
ϖ
+
5
1
Sin5
t
ϖ
+
7
1
Sin7
t
ϖ
) i sóng cơ bản, u’còn chứa
tất cả các điều hoà bậc lẻ. Biên độ điều nghịch với bậc của nó.
Dòng điện vào i có chu kỳ bằng một nửa chu kỳ của các đại lượng ra
t
ϖ

hd
=
2
1
'
2
1
2
m
I
n
n
Nhấp nhô:
i
∆
= i
max
- i
min
=
)1('
2
1
2
ϕ
SinI
n
n
m
+

D1,D2,D3,D4:là các diod đẫn 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 lương cho tải(các thyristor dẫn dòng)
- Khi is <0 thì tải trả năng lượng về nguồn nuôi (các diod dẫn dòng)
C:là tụ lọc
GVHD:
SVTH - Page 17
Đồ án môn hoc Điện tử công suất-Truyền động điện
b) Dạng sóng điện áp và dòng điện
c) Nguyên lý hoạt động
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 khoḠlại, dòng tải i = -Im không thể đảo chiều một cách đột
ngột. Nó theo chiều 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 khoá lại. Khi t = t1, i = 0, D1
và
D3 bị khoá 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 theo chiều từ A→B.
Giai đoạn từ t = 0 đến t1 là giai đoạn hoàn năng lượng.
Khi t = T/2 cho xung mở T2 và T4 , T1 và T3 bị khoá lại, dòng tải chạy qua D2 và D4
GVHD:
SVTH - Page 18
Đồ án môn hoc Điện tử công suất-Truyền động điện
khiến cho T2 và T4 vừa kịp mở đã bị khoá lại. Khi t = t3, i = 0, T2 và T4 sẽ mở lại , i < 0
chạy theo chiều từ 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.
* Biểu thức của dòng tải i:
+ Khi bắt đầu cho xung mở T1 và T3 ta có phương trình:


* Xác định miền dẫn của các van :
0→
π
: i
t
> 0 ⇒ V
1
V
4
thông
π
→2
π
: i
t
< 0 ⇒ V
2
V
3
thông
2
π
→3
π
: i
t
> 0 ⇒ V
1
V
4

Trước
π
một khoảng khắc V
1
V
4
đang dẫn ; U
t
< 0 thế (+) đặt ở b ; (-) đặt ở a. Thông qua
V
1
V
4
đang thông U
t
đặt ngược lên V
2
V
3
; U
V2
= U
V3
= U
t
< 0. Như vậy đến khi phát xung
điều khiển vào V
2
V
3

> 0. Khi đó phát xung điều khiển vào V
2
V
3
thì 2 van này thông và
thực hiện đảo chiều dòng từ (+) →(-) ⇒ Chuyển mạch ở đây là chuyển mạch cưỡng bức.
Khi đó V
1
÷ V
4
phải chọn van điều khiển hoàn toàn.
*Công suất nguồn và công suất tải.
P
d
= U
d
.I
d
= P
d
= E
d
. I
d
với E
d
= U
v
=
Π

.cosϕ
t
Trị hiệu dụng của dòng điện tải sóng bậc 1 là : I
1t
=
Π.2
4
I
d
=
Π
22
.I
d
Do đó P
tải
=
Π
22
.U
2
.I
d
.cosϕ
t
→ P
t
=P
n
do đó công suất từ nguồn truyền tới tải là lớn nhất

2
.I
2

Trong đó: S là công suất của máy biến áp
U
2
là điện áp của cuộn thứ cấp máy biến áp
GVHD:
SVTH - Page 22
Đồ án môn hoc Điện tử công suất-Truyền động điện
I
2
là dòng điện của cuộn thứ cấp máy biến áp
η
là hiệu suất máy biến áp
Chọn
η
= 0,85 ta tính được dòng điện thứ cấp của máy biến áp
I
2
=S/(
η
.U
2
)= = 1.6 ( A )
Áp dụng tỉ số máy biến áp
1
2
2

3.2. MOSFET công suất IRS3205
Như đã tính ở trên ta sẽ chọn MOSFET công suất là IRS3205 vì dòng định mức là:26A
Thông số như trong bảng:
a)Hình dạng
b)Thông số và đặc tính
GVHD:
SVTH - Page 23
Đồ án môn hoc Điện tử công suất-Truyền động điện
3.3.Thiết kế mạch điều khiển
3.3.1. Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển :
* Nhiệm vụ
- Điều chỉnh được độ rộng xung trong nửa chu kì dương của điện áp đặt lên
colector và emitor của van .
- Tạo ra được xung âm có biên độ cần thiết để khoá van trong nữa chu kì còn lại .
- Xung điều khiển phải có đủ biên độ và năng lượng để mở và khoá van chắc
chắn .
- Tạo ra đươc tần số theo yêu cầu .
- Dễ dàng lắp ráp, thay thế khi cần thiết, vận hành tin cậy, ổn định .
- Cách ly với mạch động lực
* Yêu cầu chung về mạch điều khiển là :
- Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong hệ thống, nó là bộ phận quyết định chủ
yếu đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi nên cần có những yêu cầu sau :
+)Về độ lớn của dòng điện và điện áp điều khiển:
Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép. Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo
được rằng đủ cung cấp cho các van mở và khoá an toàn. Tổn thất công suất trung bình ở
cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép .
GVHD:
SVTH - Page 24
Đồ án môn hoc Điện tử công suất-Truyền động điện
+)Yêu cầu về tính chất của xung điều khiển :