Đồ án điện tử công suất Thiết kế bộ nghịch lưu cầu 3 pha dùng PWM và van MOSFET

Mục Lục Chƣơng 1 : Giới thiệu chung về nghịch lƣu ............................................................. 3 1.1 Khái niệm , phân loại , ứng dụng của nghịch lƣu ......................................... 3 1.2.GIỚI THIỆU VỀ VAN MOSFET .................................................................... 3 1.3. Nghịch lƣu độc lập nguồn áp 3 pha sơ đồ cầu ...............................................11 CHƢƠNG 2:Tính toán và thiết kế mạch lực. ..........................................................21 2.1.Thiết kế mạch lực............................................................................................21 2.2.Tính chọn các phần tử trong mạch: ................................................................22 CHƢƠNG 3.THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN .....................................................26 3.1.Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển .........................................................26 3.2.Tính chọn các khâu trong mạch ......................................................................27 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG MẠCH VÀ KẾT LUẬN. ............................................36 4.1.Khâu phát xung hình sin và khâu đồng bộ .....................................................36 4.2.Khâu răng cƣa .................................................................................................36 4.3.Khâu so sánh ...................................................................................................37 4.4.Khâu chia xung ...............................................................................................37 4.5.Khâu khuếch đại .............................................................................................37 4.6.Kết quả mô phỏng ...........................................................................................38

Lời nói đầu

Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện - điện tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hoá - hiện đại hoá của Nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn, chính xác Đó là nhiệm vụ của điện tử công suất cần phải giải quyết

Để giải quyết được vấn đề này thì nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế điện

tử công suất Là sinh viên ngành Tự Động Hóa, cần phải tự trang bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng Chính vì vậy đồ án môn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên Tự Động Hóa Đó là điều kiện để cho sinh viên tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ 4 còn đang ngồi trong ghế nhà trường thì kinh nghiệm thực tế còn chưa có nhiều, do đó cần phải có sự hướng dẫn giúp đỡ của thầy giáo Qua đây cho em được gửi lời cảm ơn tới cô Nguyễn Thị Điệp đã tận tình chỉ dẫn, giúp chúng em hoàn thành tốt đồ án môn học này

Sinh viên thực hiện:

Trần Văn Hưng

Lê Trà Giang Phạm Văn Lanh Phạm Thị Trà My

Mục Lục

Chương 1 : Giới thiệu chung về nghịch lưu 3

1.1 Khái niệm , phân loại , ứng dụng của nghịch lưu 3

1.2.GIỚI THIỆU VỀ VAN MOSFET 3

1.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha sơ đồ cầu 11

CHƯƠNG 2:Tính toán và thiết kế mạch lực .21

2.1.Thiết kế mạch lực 21

2.2.Tính chọn các phần tử trong mạch: 22

CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 26

3.1.Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển 26

3.2.Tính chọn các khâu trong mạch 27

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MẠCH VÀ KẾT LUẬN .36

4.1.Khâu phát xung hình sin và khâu đồng bộ 36

4.2.Khâu răng cưa 36

4.3.Khâu so sánh 37

4.4.Khâu chia xung 37

4.5.Khâu khuếch đại 37

4.6.Kết quả mô phỏng 38

Chương 1 : Giới thiệu chung về nghịch lưu 1.1 Khái niệm , phân loại , ứng dụng của nghịch lưu

Người ta thường phân loại nghịch lưu theo sơ đồ như :

+ Nghịch lưu 1 pha : cầu 1 pha, sơ đồ hình tia…

+ Nghịch lưu 3 pha : sơ đồ hình tia 3 pha, sơ đồ hình cầu 3 pha…

Cũng có thể phân loại chúng theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu như :

+ Nghịch lưu dòng : cho phép biến nguồn dòng 1 chiều thành nguồn dòng xoay chiều

+ Nghịch lưu độc lập nguồn áp : cho phép biến đổi nguồn áp một chiều E thành nguồn điện áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới: trạng thái không tải là cho phép còn trạng thái ngắn mạch tải là sự cố

+ Nghịch lưu cộng hưởng song song : có đặc điểm là khi hoạt động luôn hình thành một mạch vòng dao động cộng hưởng RLC

c Ứng dụng của nghịch lưu

Ưng dụng của nghịch lưu khá rộng rãi trong công nghiệp hay trong điều khiển

hệ thống điện hiện nay như cung cấp điện, các hệ truyền động xoay chiều , truyền tải điện năng, hay luyện kim…

1.2.GIỚI THIỆU VỀ VAN MOSFET

(Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor)

a Cấu tạo, ký hiệu

Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ Hình 1.1 thể hiện cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của một MOSFET kênh dẫn kiểu n Trong đó G là cực điều khiển được cách

ly hoàn toán với cấu trúc bán dẫn còn lại bở lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn đioxit-silic (SiO2) Hai cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D) 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 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

Hình1.1 MOSFET (kênh dẫn n):

a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

b Nguyên lý làm việc:

Hình 1.2 mô tả sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET 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 là tiếp giáp p-n- phân cực ngược Điện áp UDS sẽ hoàn toàn rơi trên vùng nghèo của tiếp giáp này (hình 1.2a)

Nếu điện áp điều khiển âm, UGS < 0, thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các lỗ (p), do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng sẽ không thể xuất hiện Khi điện áp điều khiển dương, UGS > 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 1.2b) 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 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 và cực máng bây giờ sẽ phụ thuộc vào điện áp UDS

Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET (hình 1.2c), có thể thấy rằng giữa cực máng và cực gốc tồn tại một tiếp giáp p-n-, tương đương với một điôt 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 điôt ngược mắc song song với các van bán dẫn Như vậy ưu điểm của MOSFET là đã có sẵn một điôt nội tại như vậy

Mạch Driver thì quá trình mở Mosfet được thể hiện trong đồ thị sau:

đƣợc 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 UMiiier 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 VGSMiller

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 tƣ: Đây là giai đoạn Mosfet dẫn bão hòa khi cấp một điện áp cao UDRV (giá trị của UDVR nằm trong khoảng 10 : 20V ) vào cực G của Mosfet Giá trị cuối cùng của VGS sẽ quyết định điện trở trong RDS(ON) của van trong quá trình mở Do đó trong giai đoạn thứ tƣ điện áp trên cực Gate tăng từ giá trị

UMiller đến giá trị của mạch Driver UDRV Trong khi đó điện áp giữa cực D, S (UDS) giảm mạnh gần về giá trị 0V, dòng điện ID giữ không đổi

c Quá trình khóa van

Hình 1.4 : Quá trình khóa Mosfet

Quá trình khóa của mosfet cũng được chia làm bốn giai đoạn :

Giai đoạn thứ nhất: Là quá trình xả điện tích trên tụ CGS DS từ giá trị ban đầu đến giá trị miller, điện áp trên cực D của Mosfet bắt đầu tăng dần nhưng rất nhỏ, dòng điện trên cực D ( ID) không đổi

Giai đoạn thứ hai: Điện áp giữa hai cực D - S của Mosfet sẽ tăng từ giá trị UDS

= iD.RDS(on) tới giá trị cuối ƯDS(off) Trong suốt giai đoạn này dòng điện trên cực D vẫn giữ không đổi Dòng điện của cực G hoàn toàn là dòng xả của tụ trên các cực của Mosfet

Giai đoạn thứ ba: Điện áp cực G giảm từ giá trị Miller đến giá trị giữ mẫu UTH Phần lớn dòng điện xả trên cực G là phóng trên tụ CGS Giai đoạn này điện áp UGS

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

Tóm lại 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

e Các thông số cơ bản của van

Khi ứng dụng Mosfet trong các thiết bị điện tử công suất thì thông số quan trọng nhất mà ta quan tâm đến đó là thời gian đóng cắt của Mosfet, thông thường thời gian đóng cắt của Mosfet từ 10ns – 60ns

Bảng 1.1 Các thông số thực dụng của MOSFET

TT Tham số Tên gọi Ký hiệu Chế độ đo

1 Điện áp

Điện áp đánh thủng DS U(BR)DSS

Điện áp đánh thủng GS U(BR)DGR Khi ngắn mạch GS Điện áp tối đa cho phép giữa

Dòng cực máng dạng xung tối

Với độ rộng xung qui định

5 Công suất

Công suất phát nhiệt tối đa PD

Với nhiệt độ vỏ qui định

Thời gian tăng dòng cực máng tR

Thời gian giảm dòng cực máng tF

Điện dung cổng vào CISS CISS = CGS + CGD

Điện dung ra COSS COSS = CGD + CDS

Điện dung chuyển đổi CRSS CRSS = CGD

Điện tích tổng ở mạch cực Gate

QG Theo chế độ qui định

7 Nhiệt

Nhiệt trở xác lập giữa quá độ

pn – vỏ RThj.C Có tản nhiệt chuẩn Nhiệt trở xác lập giữa quá độ

pn – môi trường RThj.A Không có tản nhiệt Nhiệt trở xác lập vỏ - tản nhiệt RThj.S

Nhiệt trở quá độ giữa quá độ

Với xung dòng có thời gian qui định

Nhiệt độ tối đa cho phép ở quá

Cả nhiệt độ âm và dương

*Đặc tuyến Vôn – Ampe:

Trong đó:

a Họ đặc tuyến điều khiển ID = f(UGS) khi UDS không đổi

b Họ đặc tuyến ra ID = f(UDS) khi UGS không đổi

Hình 1.2.3b: Đặc tính vôn – ampe của transistor Mosfet

1.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha sơ đồ cầu

1.3.1 Phân tích sơ đồ mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha sơ đồ cầu

Để tạo ra hệ điện áp xoay chiều 3 pha cần sử dụng 3 nhóm van đấu theo mạch cầu như hình 1.3.1a, điểm giữa mỗi nhánh van thẳng hàng là điểm nối với phụ tải 3 pha đấu sao hoặc tam giác

Hình 1.3.1a: Sơ đồ mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha sơ đồ cầu

Sơ đồ có thể điều khiển bằng 2 luật dẫn van khác nhau:

Để tạo ra điện áp 3 pha đối xứng trên trở, ta điều khiển van T1÷ T6 tuân theo định luật:

D6 T6

D4

D5 T5

D3 D1

T1

Zc T3

T4

 Mỗi pha lệch nhau 120o

 Nếu 𝛌 =120othì độ lệch các van giống x=180o

(lệch 120o nhưng kết thúc sớm hơn 60o

) a.Trường hợp 1: Góc dẫn van 𝛌= 180o

, luật điều khiển này giống trong NLĐL 1 pha khi 2 van 1 nhánh thay nhau dẫn trong chu kỳ

Đồ thị điện áp dòng điện:

0 60 120 180 240 300 360

Hình 1.3.2: Sơ đồ chuyển mạch khi hoạt động

Phân tích:

 Xét θ= (0÷ 60) T1,T5, T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng nhƣ hình 1.3.2a

b Trường hợp 2: Góc dẫn van 𝛌= 120o , trong luật này 2 van không thay nhau dẫn

+ Điện áp các van phải chịu khi hoạt động bằng nguồn E Dòng tiêu thụ từ nguồn

E có trị số:

(

) (

)

1.3.2 Nguyên lý làm việc của nghịch lưu áp 3 pha PWM

Trong nghịch lưu sử dụng phương pháp PWM ta có 2 phương pháp nghịch lưu: + Nghịch lưu PWM đơn cực

+ Nghịch lưu PWM lưỡng cực

Hai phương trên có những ưu điểm và nhược điểm nhất định, để lựa chọn được 1 phương pháp PWM thích hợp ta phải tiến hành phân tích ưu nhược điểm từng loại

a.Phương pháp nghịch lưu PWM đơn cực

Hình 1.3.3: Nguyên lý và các dạng điện áp của PWM đơn cực

Hình 1.3.4: Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu đơn cực

Trong phương pháp này các kênh (ta định nghĩa kênh tương đương với 1 pha) hoạt động độc lập với nhau Quá trình đóng cắt vãn bán dẫn được xác định trước do quá trình so sánh điện áp của sóng hình sin chuẩn và sóng tam giác

Khi điện áp hình vuông đặt lên động cơ thì dòng điện trong động cơ tăng lên hàm số mũ, khi không có điện áp đặt lên động cơ sẽ xảy ra quá trình xả năng lượng của cảm kháng của động cơ, quá trình xả này qua diode về nguồn 1 chiều Quá trình tăng ta có thể điều khiển được còn quá trình xả là tự nhiên, không có điều khiển

Hình1.3.5: Sơ đồ điện áp và dòng điện pha thực tế

c

Ud

b.Phương pháp nghịch lưu PWM lưỡng cực

Hình1.3.6: Nguyên lý và các dạng điện áp của PWM lưỡng cực

Quá trình tạo điện áp điều biến trên 1 pha là sự phối hợp chuyển mạch của 1

số van đóng cắt trên các kênh khác nhau Điện áp ra là sự tổng hợp điện áp của 2 pha Quá trình đóng cắt thì biên độ điện áp pha bằng ½ Ud

Điện áp pha bao gồm cả phần âm và phần dương có biên độ bằng nhau, điện

áp dây có biên độ bằng Ud trong phương pháp điều khiển này không có phần điện

áp bằng không của tải trong quá trình hoạt động, hay nói cách khác điện áp nguồn điện 1 chiều luôn được đặt lên tải Quá trình suy giảm của dòng tải có thể điều khiển bằng xung âm

c So sánh 2 phương pháp nghịch lưu

Hai phương pháp trên là hai phương pháp nghịch lưu cơ bản.Về cấu trúc mạch động lực của 2 phương pháp không có gì khác nhau,mà chỉ khác nhau về nguyên tắc điều khiển mạch các van bán dẩn.Hai phương pháp trên có chưa nhửng ưu điểm

+ Điện áp ra có biên độ lớn,biên độ của điện áp điều biến là

+ Có khả năng điều khiển điện áp nhỏ,do có phần điện áp xung âm trong thành phần điện áp pha nên có thể điều khiển điện áp pha về không mà vẩn đảm bảo điều kiện chuyển mạch của van bán dẫn

+ Khả năng đáp ứng được yêu cầu cao về ổn định dòng điện củng như tần số.Do có phần điện áp âm trong điều biến điện áp pha nên có khả năng khống chế dòng điện tốt hơn

+ Gía trị hiệu dụng của điện áp pha tải :220 V

+ Tần số ra : f=50 Hz

Ta thấy yêu cầu ổn định tần số ra là khá cao,vì vậy ta thiết kế mạch nghịch lưu

theo nguyên tắc của nghịch lưu PWM lưỡng cực

CHƯƠNG 2:Tính toán và thiết kế mạch lực

2.1.Thiết kế mạch lực

2.1.1.Sơ đồ mạch lực đầy đủ:

2.1.2.Chức năng của các phần tử trong sơ đồ

Mạch động lực bao gồm các phần chính sau đây:

+ Phần nguồn

+ Phần lọc

+ Phần nghịch lưu

a.Phần mạch lọc:

- Mạch lọc ta dùng tụ hóa có điện dung và điện áp lớn.Mục đích dùng tụ là để có

được nguồn áp gần lý tưởng và có được điểm trung tính giả,thuận lợi cho việc tính

toán bộ nghịch lưu về sau

b.Phần mạch nghịch lưu:

- Mạch nghịch lưu ta dùng sơ đồ cầu ba pha sử dụng phần tử đóng cắt là MOSFET công suất.Đầu ra tải được đấu hình Y

Ngoài các phần trên còn có các mạch lọc ,các mạch lọc này có tác dụng bảo vệ bộ nghịch lưu và bộ chỉnh lưu diode ,lọc xung điện tần số lớn cho nguồn cung cấp.Các mạch lọc bao gồm :

+ Mạch lọc tránh xung điện áp cao từ lưới :đó là mạch lọc RC được mắc ngay sau máy biến áp lực , mạch này có tác dụng lọc nhửng xung điện áp cao từ lưới sau khi

đi qua máy biến áp.Nhờ có mạch này mà xung điện áp được giảm đáng kể trước khi đi vào mạch chỉnh lưu

+ Mạch lọc bộ nghịch lưu :Bao gồm mạch lọc trước và sau chỉnh lưu Các mạch này có tác dụng lọc ra thành phần điện áp cơ bản cung cấp cho tải và ngăn không cho thành phần sóng hài sang phần điện áp một chiều

Thiết bị bảo vệ và đóng cắt mạch là Aptomat bên sơ cấp và cầu chì bên thứ cấp

2.2.Tính chọn các phần tử trong mạch:

2.2.1 Chọn van MOSFET

Lựa chọn MOSFET vì có những ưu điểm sau:

 Tốc độ chuyển mạch cao và tổn hao chuyển mạch thấp

 Làm việc với điện áp cao

 Mạch biến đổi sử dụng MOSFET điều khiển đơn giản

Dòng làm việc qua van bằng dòng làm việc của cuộn dây sơ cấp máy biến áp có I

= 14,6A

(ta chọn phương thức làm mát bằng tản nhiệt)

Vậy chọn MOSFET có dòng làm việc là:

Điện áp ngược đặt lên van

Kdc thường được chọn >1,6

Vậy chọn van có điện áp làm việc >24V

Từ các điều kiện trên ta chọn van IRFZ44N với các thông số sau: