TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề tài: Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

Giảng viên hướng dẫn : GV. NGUYỄN THỊ ĐIỆP
Sinh viên thực hiện: BÙI THIÊN KIỀU
PHẠM THỊ LINH
PHẠM THỊ THANH XUÂN
Lớp : D7-CNTD1

Hà Nội, tháng 04 năm 2015


CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP
I.1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG
Nghịch lưu độc lập hay otonom là thiết bị biến đổi từ tĩnh của dòng điện một chiều
sang xoay chiều có tần số bất kì.

I.2. PHÂN LOẠI
Nghịch lưu độc lập nguồn áp:
- Điện áp ra có dạng hình chữ nhật , có giá trị không đổi , còn đường cong của
dòng thì phụ thuộc vào loại tải.
- Nguồn điện cung cấp làm việc như máy phát điện động , vì vậy trong thực tế
cần lắm thêm 1 tụ điện lớn.
- Khi tải có tính cảm kháng nhất thiết phải sử dụng điot ngược để đảm bảo sự
cân bằng năng lượng cảm kháng.
- Đặc tính tải Utải = f(Itải) có dạng nằm ngang

mA, gọi là dòng rò.
Tính năng kĩ thuật chủ yếu của van bán dẫn công suất thể hiện qua khả năng đóng cắt
dòng điện, khả năng chịu điện áp và các đặc tính liên quan đến quá trình đóng cắt cũng
như vấn đề điều khiển chúng.
3. Phân loại
Van có điều khiển:
- Điều khiển hoàn toàn :Bibolar Transistor, MOSFET, IGBT, GTO.
- Điều khiển không hoàn toàn : Tiristor
4.Các loại van thường dùng
4.1.Transistor công suất (Bipolar Junction Transistor – 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 khuếch đại dòng β
=10→100 , điện áp VBE ≈ 1V, Vcc = 1→1,5V

Hình 1.2. Transistor thuận – ngược
Transistor công suất được sử dụng như một khóa điện tử, chịu được tần số đóng cắt tương
đối cao nên còn được gọi là phần tử khuếch đại chuyển mạch, chỉ làm việc ở hai trạng thái
đóng- cắt, dẫn- không dẫn.


Hình 1.3 .Bộ khuếch đại chuyển mạch hai trang thái
4.3..MOSFET
Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển
cực nhỏ

MOSFET có hai loại:
•
•

N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Input (Gate) là zero, các electron bên

Trong đồ án này sẽ tìm hiểu về van bán dẫn điều khiển hoàn toàn: MOSFET.
I.2. Van MOSFET
I.CẤU TẠO
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 thường có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT. Đối với tín hiệu 1 chiều
thì nó coi như là 1 khóa đóng mở. 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 hợp cho khuyếch
đại các nguồn tín hiệu yếu. Mosfet được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn Monito,
nguồn máy tính.

Hình 2.1. Transistor hiệu ứng trường Mosfet

I.2.2. Phân loại
Transistor trường MOS có hai loại:
o

Transistor MOSFET có kênh sẵn

Transistor trường MOSFET kênh sẵn còn gọi là MOSFET - chế độ nghèo (DepletionMode MOSFET viết tắt là DE -MOSFET), là loại transistor đã chế tạo sẵn kênh dẫn.

Hình 2.2. DE- MOSFET


-

Transistor 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 không có kênh dẫn.

hiện. Khi điện áp điều khiển là dương, UDS > 0 và đủ
lớn bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các điện
tử, và một kênh dẫn thực sự đã hình thành.(hình 2.b)
Như vậy trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, các phần tử mang điện là các điện tử,
giống như của lớp n tạo nên cực máng, nên MOSFET được gọi là phần tử với các hạt mang
điện cơ bản, khác với các cấu trúc của BJT, IGBT, Thyristor là các phần tử với các hạt mang
điện phi cơ bản. Dòng điện giữa cực gốc và cực máng bây giờ sẽ phụ thuộc vào điện áp U DS.

Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET (hình 2.c), có
thể thấy rằng giữa cực máng và cực gốc tồn tại một
tiếp giáp p-n - tương đương với một diode ngược nối
giữa D và S. Trong các sơ đồ bộ biến đổi, để trao đổi
năng lượng giữa tải và nguồn thường cần có các
diode ngược mắc song song với các van bán dẫn.Ưu
điểm của MOSFET là đã có sẵn một diode nội tại như
vậy.
I.2.4. Đặc tính tĩnh (đặc tuyến VA)
Khi điện áp điều khiển UDS nhỏ hơn một ngưỡng nào đó, cỡ 3V, MOSFET ở trạng thái khoá
với điện trở rất lớn giữa cực máng D và cực gốc S. Khi UGS cỡ 5 - 7V, MOSFET sẽ ở trong chế
độ dẫn. Thông thường điều khiển MOSFET bằng điện áp điều khiển cỡ 15V để làm giảm
điện áp rơi trên D và S. Khi đó UDS sẽ gần như tỷ lệ với dòng ID.


Hình 2.4.Đặc tính tĩnh (VA)
Đặc tính tĩnh của MOSFET có thể được tuyến tính hoá chỉ bao gồm hai đoạn thể
hiện hai chế độ khoá và dẫn dòng .Theo đặc tính này dòng qua MOSFET chỉ xuất hiện khi
điện áp điều khiển vượt qua một giá trị ngưỡng UDS(th). Khi đó độ nghiêng của đường đặc
tính khi dẫn dòng đặc trưng bởi độ dẫn:

Trong đó: UDS(th), Gm là những thông số của MOSFET. Người ta có thể dùng giá trị nghịch


1.2. Quá trình đóng cắt
-

Quá trình đóng


Hình . mô hình khóa Mosfet
Khi cấp vào cực G (Gate) của Mosfet một điện áp thông qua mạch Driver
-

-

-

-

Giai đoạn thứ nhất: Điện dung đầu vào của Mosfet được nạp từ điện áp 0V đến
giá trị Uth, trong suốt quá trình đó hầu hết dòng điện vào cực G được nạp cho tụ
CGS, một lượng nhỏ nạp cho tụ CGD. Quá trình này được gọi là quá trình mở trễ
bởi vì cả dòng ID và điện áp trên cực D (Drain) đều không đổi.. Sau khi cực G
được nạp tới giá trị điện áp giữ mẫu Uth, Mosfet sẵn sàng để dẫn dòng điện.
Giai đoạn thứ hai: Điện áp cực G tiếp tục tăng từ Uth đến giá trị UMiller đây là
quá trình tăng một cách tuyến tính; dòng điện ID tăng tỉ lệ với điện áp của cực G
trong khi đó điện áp giữa hai cực UDS vẫn giữ nguyên giá trị.
Giai đoạn thứ ba: Điện áp cực G giữ nguyên ở mức điện áp Miller V DS,Miller
trong khi đó điện áp trên cực D bắt đầu giảm. Dòng điện ID trên Mosfet giữ
nguyên ở một giá trị nhất định.
Giai đoạn thứ tư: Đây là giai đoạn Mosfet dẫn bão hòa khi cấp một điện áp cao
UDR(giá trị của UDR nằm trong khoảng 10 20V ) vào cực G của Mosfet. Giá trị

và dòng điện ID đều giảm tuyến tính. Trong khi đó điện áp UDS vẫn giữ nguyên
giá trị UDS(off)
Giai đoạn thứ tư: Giai đoạn này là quá trình phóng điện hoàn toàn của tụ điện
trên các cực của Mosfet, UGS giảm đến giá trị 0V. Dòng điện trên cực D giảm về
giá trị 0 và không đổi.

Quá trình mở - khóa của Mosfet là quá trình chuyển mạch giữa trạng thái trở
kháng cao và trạng thái trở kháng thấp được thực hiện trong bốn giai đoạn.
Độ dài khoảng thời gian của các giai đoạn được quyết định bởi giá trị điện dung
giữa các cực, điện áp đặt vào cực điều khiển, và dòng điện nạp xả của các tụ điện trên
cực G. Đây là thông số quan trọng để thiết kế mạch điều khiển Mosfet trong các ứng
dụng có tần số đóng cắt lớn.

I.2.5. Các thông số cơ bản của van.
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 độrộng 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
4.Gate-to-Source Voltage:
Điện áp điều khiển giữa cực Gate và Souce, thường lớn nhấtlà 20V,thực tế hay đặt
khoảng 10V,khi mosfet hoạt động xảy ra hiện tượng điện áp điều khiển bị tăng cao do ảnh

và ngược lại , được trình bày trong giản đồ dưới đây. Đây là thôngsố 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 nàyquyết 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 0.52A
I.3 MỘT SỐ SƠ ĐỒ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP
I.3.1. Nghịch lưu điện áp một pha

Hình 3.1.Sơ đồ mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp1 pha hình tia

Khi chân 3 T1 có cực tính dương, dòng điện sẽ chạy qua L1, qua tải, qua diode nội Q2
về chân 4 thành 1 mạch kín. Chính lúc này G Q2 có xung kích dương, MOS dẫn thông. Vì


thế dòng điện sẽ chảy qua Rdson của MOS, chứ ko phải là Vf diode như thông thường, giảm
tổn hao chính là cái chỗ này. Quá trình này cũng tích lũy năng lượng cho cuộn cảm L1.
Nếu dòng điện đổi chiều, chân 4 T1 có điện áp dương. Body diode của Q2 phân cực
ngược nên bị khóa. Lúc này G Q2 có xung kích âm, MOS sẽ bị khóa. Sẽ ko có dòng điện
chảy qua van. Vậy thử hỏi Q2 dẫn 2 chiều ở chỗ nào.
Khi Q2 bị khóa, dòng điện cảm ứng tích lũy trên L1 sẽ xả qua tải, qua free whelling Q1
thành 1 mạch kín cung cấp điện cho tải, vì lúc này G Q1 có xung kích dương, dòng điện sẽ
chảy qua Rdson Q1.I.4 SƠ ĐỒ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP MỘT PHA DÙNG VAN
MOSFET



-

Dòng trung bình qua van

-

Dòng tải cực đại

điện


CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC
Theo bài ra ta có:
Điện áp hiệu dụng đầu ra U1=220V
Dòng hiệu dụng đầu ra I1=20A
Chọn Rt =1
Trị số nguồn một chiều:
Ta có:

Để có trị số hiệu dụng 220V đầu ra cần nguồn 1 chiều :

Chọn

Chọn
Giá trị trung bình dòng qua van

•

Thông số chọn van mosfet là :


-

Nhận năng lượng trả về từ điện cảm tải ,vì chỉnh lưu không cho dòng đảo chiều lại,
trị số tụ điện phụ thuộc vào độ đập mạch cho phép của điện áp một chiều :

Vậy chọn tụ có trị số C=
-

Thông số mạch lọc đầu ra :

Bậc sóng hài thấp nhất q= 3
 Hệ số ℇ

 Công suất lọc

Công suất tải theo sóng hài cơ bản :


Theo tính toán ta có

 Mắt lọc song song L2 C2 :

 Mắt lọc nối tiếp L1 C1 :

Dòng qua mắt coi như bằng dòng qua tải :

-

Phần tử bảo vệ

Phát xung
chủ đạo

-

Phân phối
xung

Xác định
khoảng
dẫn

Khuếch
đại xung

Đến các
Van cực

Phát xung chủ đạo: tạo tín hiệu đồng bộ cho toàn bộ hệ thống và có tần số tỉ lệ với sóng hài
cơ bản của điện áp ra .
Bộ phân phối : tín hiệu xung được vào từng van lực riêng biệt theo đúng thứ tự làm việc
của chúng theo nguyên lí hoạt động.
Khâu xác định khoảng dẫn : cho các van thực hiện theo phương pháp điều khiển cụ thể
Bộ khuếch đại xung: tăng đủ công suất để đóng mở xung.
I.2 Điều khiển nghịch lưu điện áp 1 chiều
Mạch điều khiển cho loại này chỉ gồm 1 khâu tạo dao động chữ nhật cho điện áp ra
Ufx có dạng như đồ thị sau đó qua khâu chia tần đảm bảo các khoang dẫn hoàn toàn bằng
nhau và trái pha nhau . Trước khi khuếch đại công suất cần phải tạo trễ mở để chống hiện
tượng ngắn mạch hai van thẳng hàng .