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


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP
I.1 VẤN ĐỀ CHUNG
I.1.1.NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP
I.1.2 MOSFET
I.1.3 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP MỘT PHA DÙNG
MOSFET
CHƯƠNG II. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC
II.1 VAN MẠCH LỰC
CHƯƠNG III : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.


GVHD:Nguyễn Thị Điệp


D7-CNTD1

Page 3


GVHD:Nguyễn Thị Điệp
I.1.2 MOSFET
A, Cấu tạo
Phần chính của Mosfet có cấu trúc như hai bản cực của một tụ điện

Một bản kim loại ở phía trên được nối với chân ra (chân Gate) (G - Gate) là cực điều
khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng
nhưng có độ cách điện cực lớn đioxil-silic (SiO2).
Hai cực còn lại là cực gốc (S - Source) và cực máng (D - Drain).
Cực máng là cực đón các hạt mang điện. Nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang điện sẽ
là các điện tử (electron), do đó cực tính điện áp của cực máng sẽ là dương so với cực gốc.
Trên ký hiệu phần tử, phần chấm gạch giữa D và S để chỉ ra rằng trong điều kiện bình
thường không có một kênh dẫn thực sự nối giữa D và S. Cấu trúc bán dẫn của MOSFET
kênh dẫn kiểu p cũng tương tự nhưng các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện ngược lại. Tuy
nhiên đa số các MOSFET công suất là loại có kênh dẫn kiểu n.

Trong chế độ làm việc bình thường UDS > 0. Giả
sử điện áp giữa cực điều khiển và cực gốc bằng không,
UDS = 0, khi đó kênh dẫn sẽ hoàn toàn không xuất hiện.
Giữa cực gốc và cực máng sẽ là tiếp giáp p-n phân cực
ngược. Điện áp UDS hoàn toàn rơi trên vùng nghèo điện tích của tiếp giáp này (hình 2.a)

D7-CNTD1

Page 4

D7-CNTD1

Page 5


GVHD:Nguyễn Thị Điệp
Hình 2.4.Đặc tính tĩnh (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.
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 đảo của Gm điện trở thuận RDS(ON) để đặc trưng cho quá trình dẫn của MOSFET.
C . Phương pháp mở khóa van
1. Nguyên tắc hoạt động

•

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 K1 đóng, nguồn UG cấp vào hai cực GS làm điện áp UGS > 0V => đèn Q1 dẫn

Thứ
tự
1

2

3

Thông số
Điện áp

Dòng điện

Điều khiển

4

Khuếch đại

5

Công suất

6

7

Chế độ động

Nhiệt

Thời gian tăng dòng cực
máng
Thời gian giảm dòng cực
máng
Điện dung cổng vào
Điện dung cổng ra
Điện dung chuyển đổi
Điện tích tổng của cực
Gate
Nhiệt trở xác lập ở giữa
quá độ “np-vỏ”
Nhiệt trở xác lập quá độ
“np-môi trường”
Nhiệt trở xác lập “vỏ-tản
nhiệt”
Nhiệt trở quá độ giữa
quá độ “np-vỏ”

U(BR)DSS
U(BR)DGR
UDS

ZThj.C

Với xung dòng có thời
gian quy định

Nhiệt trở tối đa cho phép
ở quá độ “pn”


tD(ON)
tD(OFF)
tR

Theo chế độ quy định

tF
CISS
COSS
CRSS
QG

CISS= CGS+ CGD
COSS= CGD+ CDS
CRSS= CGD
Theo chế độ quy định

RThj.C

Có tản nhiệt chuẩn

RThj.A

Không có tản nhiệt

RThj.S


GVHD:Nguyễn Thị Điệp
E. Một số hình ảnh thực tế của van:

+ Nếu năng lượng tích lũy ở điện cảm Lt đủ lớn và không kịp tiêu tán hết thì
dòng không thể về đến không , do đó chỉ có D3, D4 dẫn toàn bộ khoảng này cho đến
khi van mở ở đầu chu kì.
+ Nếu năng lượng tích lũy không đủ lớn thì bó sẽ bị tiêu tán hết trước thời
điểm T và dòng kịp về đến 0, tuy nhiên do lúc này Tr3, Tr4 đang mở nên dòng tải sẽ
đảo dấu , nguồn E lại cấp năng lượng cho tải. Đến thời điểm T , Tr1, Tr2 mở trở lại ,
dòng đang âm nên không thể đảo chiều được ngay, buộc phải chảy qua diot D1, D2,
chỉ đến khi năng lượng trên điện cảm hết thì dòng mới đảo về giá trị dương.
Ở phương pháp này dòng luôn làm việc ở chế độ liên tục
Điện áp ra thỏa mãn các điều kiện của điện áp xoay chiều điều hòa :
•
•
•
•

Điện áp ra có hai dấu âm và dương
Giá trị trung bình bằng không (=0)
Sau một nửa chu kì có giá trị bằng nhau nhưng ngược dấu : u(t)=-u(t)
+u(t+T/2)
Sau một chu kì lặp lại trạng thái : u(t)=u(t+T)

B, Tính toán các thông số sơ đồ
Theo phương pháp sóng hài cơ bản :
Với hệ số k=1
Điện áp vào tải cơ bản :

Dòng tải cơ bản :

Với


Page 11


GVHD:Nguyễn Thị Điệp

Chọn
Giá trị trung bình dòng qua van

Thông số chọn van mosfet là :

•

Theo chỉ tiêu dòng điện ta có :
Iv > kIV . ITr
Chọn kIv = 1,2
⇒ Iv > 1,2 . 6,3
⇒ Iv > 7,56
Điện áp các van phải chịu khi hoạt động bằng nguồn E = 245 V
Theo chỉ tiêu điện áp: UV > kUv . Ung max
Chọn kUv = 2
⇒ Uv > 2 . 245
⇒ Uv > 490 (V)
Từ các chỉ tiêu đã tính toán trên ta chọn 4 van mosfet đấu sẵn sơ đồ cầu có kí hiệu
IRF840
Với các thông số:

IRF840
ID max(A)

RDS max(Ω)


tf max(ηs)

(S)

min

30

Tính toán chọn tụ một chiều đầu vào :
Trong thực tế năng lượng 1 chiều không được lấy trực tiếp từ nguồn 1 chiều
(acqui) mà từ lưới điện xoay chiều thông qua mạch chỉnh lưu
Trong trường hợp này phải mắc ở đầu ra chỉnh lưu một tụ điện C, có nhiệm vụ:

-

Làm phẳng điện áp đầu ra tạo nguồn E

D7-CNTD1

gf

Page 12

4


GVHD:Nguyễn Thị Điệp
-


GVHD:Nguyễn Thị Điệp

•

Phần tử bảo vệ

Bảo vệ bằng cầu chì

Mạch điện được tính toán với dòng tối đa bên sơ cấp , để tránh tình trạng quá tải
hay ngắn mạch gây sự cố phá hỏng thiết bị ta chọn thiết bị cầu chì là cắt nhanh với dòng
xác định

•
•

Chọn làm mát bằng cánh tản nhiệt không khí
Bảo vệ quá dòng:
Mắc thêm một cuộn kháng nối tiếp trước van mosfet,
Xét quá trình quá độ trong mạch

Tốc độ tăng dòng lớn nhất

Để đảm bảo an toàn ta phải chọn L sao cho tốc độ tăng dòng nhỏ hơn tốc độ tăng
dòng chịu được của van

Chọn cảm kháng có giá trị L= 20,75
•

Bảo vệ quá áp



•

2.

Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển nghịch lưu:

Sơ đồ trên gồm các khâu có chức năng cụ thể là :
- Khâu phát xung chủ đạo, để 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 các tín hiệu xung vào các 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 van lực.

Mạch điều khiển nghịch lưu điện áp 1 pha

Mạch điều khiển cho loại này chỉ gồm 1 khâu tạo dao động chữ nhật cho
điện áp ra , sau đó qua khâu chia tần đảm bảo khoảng dẫn các van hoàn
toàn bằng nhau và trái pha nhau. Trước khi được khuếch đại công suất
cần phải tạo trễ mở để chống hiện tượng ngắn mạch hai van thẳng hang.
Với chức năng như vậy mạch điều khiển loại này được thực hiện dễ dàng
nhờ áp dụng kĩ thuật xung – số đơn giản , trong đó có khâu tạo dao động
và bộ chia tần sử dụng mạch trigơ ( Flip Flop) ở chế độ đếm nhị phân với
tần số bộ dao động gấp đôi tần số điện áp ra.
a. Khâu tạo dao động
D7-CNTD1

Page 16

khoảng rộng nên thường chọ trước tụ C khoảng trên dưới 10nF rồi
theo tx tính giá trị R. Loại này thông dụng hơn trong công việc vì làm
việc với điện áp nguồn cao (đến 15V) nên khả năng chống nhiễu tốt
hơn.
- Chọn tx=1ms
- Không cần dạng sườn thật dốc nên chọn C=9nF.
Từ (1) ta có tx= = 158,7 k

b. Khâu tạo trễ mở
•
•

D7-CNTD1

Dùng phương pháp điều khiển đối xứng.
Đặc điểm:
- Mạch không có khâu xác định chiều dòng vì quy luật điều khiển là
chung cho cả hai chiều dòng điện tải.
- Có thêm khâu trễ mở chống ngắn mạch xuyên thông giữa hai van
thẳng hàng khi chúng chuyển đổi trạng thái, được thực hiện nhờ hai
phần tử logic L1, L2 với nhóm R 14C3D7 và R15C4D8. Đồ thị minh họa
hoạt động mạch này:

Page 17


GVHD:Nguyễn Thị Điệp

Ở đây vẫn dùng tạo trễ sử dụng phương pháp nạp tụ C thông qua điện trở
R để đưa tới cổng vào logic L1 loại có ngưỡng ( trigơ Schmitt), thời gian

Page 18


GVHD:Nguyễn Thị Điệp
-

779kΩ

C. Khâu khuếch đại xung :
* Yêu cầu điều khiển cho van MOSFET
- Đây là loại van điều khiển bằng điện áp không phải bằng dòng như BT:Khi
dẫn bão hòa van cần đặt điện áp dương trên cực điều khiển (12V;Còn khi khóa
điện áp trên nó lại âm ( -5 -8)V. Như vậy ở trạng thái ổn định, dù là khóa hay
dẫn nó chỉ cần điện áp mà không đòi hỏi có dòng điều khiển, tức là công suất
điều khiển ở trạng thái này là không đáng kể.
-

-

-

-

Tuy nhiên để van chuyển đổi trạng thái từ khóa sang dẫn và ngược lại từ dẫn
sang khóa, buộc phải cấp dòng cho cực điều khiển của van. Điều này do giữa
hai cực GS tồn tại một điện dung hay một tụ điện giữa hai cực này dẫn đến:
+ Khi van đang ở trạng thái khóa điện áp điều khiển âm nên tụ điện này đang
có giá trị âm.để mở van điện áp điều khiển buộc phải đổi dấu chuyển từu âm
sang dương bằng cách đưa dòng điện vào nạp đảo ngược cực tính trên tụ
điện này