Thiết kế mạch nghịch lưu 300w dùng sg 3525 có thay đổi điện áp tần số ra trên tải

Các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung, đó là: Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất nhỏ, kh

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC LINH KIỆN CÔNG SUẤT,NGHỊCH LƯU 6

1 Giới thiệu về các van bán dẫn công suất 6

1.1 Điốt công suất 6

1.2 Tiristor ( SCR ) 8

1.3.Triắc 10

1.4 Transitor BJT công suất 11

1.5 Transistor MOS công suất ( MOSFET ) 14

1.6 Máy biến áp và acquy 16

2 Nghịch lưu 18

2.1 Khái niệm và phân loại sơ đồ nghịch lưu 18

2.2 Các sơ đồ nghịch lưu độc lập một pha 19

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU 23

1 Phương án lựa chọn 23

2 Sơ đồ chân và nguyên lý hoạt động của ic SG 3525 24

3 Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống: 27

4 Mạch điều khiển và mạch lực 28

4.1 Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển : 28

4.2 Nhiệm vụ và chức năng của mạch lực 29

CHƯƠNG III : TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO MẠCH NGHỊCH LƯU 30

1 Tính toán máy biến áp 30

2 Mạch lực 32

2.1 Chọn van: 32

2.2 Hình dạng và kí hiệu 32

2.3.Thông số 33

3 Tính toán mạch điều khiển: 34

4 Sơ đồ 35

4.1 Sơ đồ mạch điều khiển 35

4.2 Sơ đồ mạch động lực 35

4.3 Sơ đồ mạch in 36

KẾT LUẬN 37

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất, các thiết bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng nhiều trong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của xã hội Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp, các bộ biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốt nóng bằng cảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng Bộ nghịch lưu là bộ biến tần gián tiếp biến đổi một chiều thành xoay chiều có ứng dụng rất lớn trong thực tế như trong các hệ truyền động máy bay, tầu thuỷ, xe lửa

Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn Điện tử công suất 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 được nhận đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một

pha” Với đề tài được giao, 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 Đình Hùng 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

Nhóm sinh viên thực hiện:

Hoàng Anh Tuấn Nguyễn Xuân Tùng

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC LINH KIỆN CÔNG SUẤT,NGHỊCH LƯU

1 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 là:

Các 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 Điốt công suất

1.1.1 Chất bán dẫn

• Chất bán dẫn tạp loại P: Khi ta trộn thêm một lượng vừa đủ một nguyên tố ở phân nhóm 3 vào Silic hoặc Ge (phân nhóm 4) nguyên tố này có 3 e thuộc lớp ngoài cùng như vậy nó sẽ bị thiếu 1e để tham gia liên kết với Si hoặc Ge Kết quả trong mạch tinh thể bị dưa ra các lỗ trống.Lỗ trống mang điện tích dương Positive và ta gọi

là bán dẫn loại P và hạt thiểu số là e

• Chất bán dẫn tạp loại n: Khi ta trộn thêm một lượng vừa đủ một nguyên tố ở phân nhóm 5 vào Si hoặc Ge (thuộc một công nghệ đặc biệt) nguyên tố này có 5e ở lớp ngoài cùng, như vâỵ sẽ thừa ra một e Khi tham gia liên kết với Si hoặc Ge, kết quả trong mạng tinh thể bị dư ra các e, các e mang điện tích âm Negative, và ta gọi chất bán dẫn này là loại N

Hình 1: Hình dạnh và ký hiệu

1.1.2 Nguyên lý làm việc

a) Khi phân cực thuận: Ta thực hiện mạch bên với điều kiện điện áp của nguồn ngoài

Un sẽ tạo ra một điện trường En>Etx (và ngược với Etx) kết quả ta được điện trường tổng đặt nên tiếp giáp J Et=En+Etx có chiều hướng đi từA tới K chiều của điện trường này tạo điều kiện thuận lợi cho các hạt đa số di chuyển dễ dàng (vùng P hạt đa số là

lỗ trống, vùng N hạt đa số là e) làm cho dòng điện khuyếch tán lớn đi từ A tới K và

hầu như toàn bộ điện áp ngoài đặt vào J

b) Phân cực ngược: Ta đấu A vào âm của nguồn ta đấu K vào dương của nguồn Kết quả Et =En+Etx có chiều hướng làm cho các hạt thiểu số di chuyển dễ dàng và ngăn cản các hạt đa số Do mật độ hạt thiểu số rất nhỏ nên chỉ có một dòng điện rất nhỏ qua J gọi là dòng rò đi từ K tới A

c) Đặc tính Volt-Ampere (V-A)

rò

đo ng.max

Hình 2: Đặc tính Volt-Ampere (V-A) Nếu đặt EAK>0 sẽ có dòng điện chảy qua và tạo ra một điện áp rơi khoảng 0,7v (với Si)

Khi dòng điện là Iđm Nếu điện áp UAK< 0 các điện tử tự do và các lỗ trống bị đẩy ra

xa J kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA có thể chảy qua Khi tiếp tục tăng điện áp UAK theo chiều âm thì các hạt thiểu số sẽ được tăng tốc với động năng lớn và gây ra va chạm làm bẻ gẫy các liên kết vùng J theo hình thức dây truyền, kết quảlà hàng loạt các điện tích mới được sinh ra ởvùng J làm cho dòng điện tăng đột ngột, dòng này sẽphá hỏng diode Trị số điện áp ngược gây hỏng van diode gọi là

Ungmax (trị số điện áp ngược cực đại ) Trong thực tế điện áp ngược cho phép đặt vào van: Ungthực tế = (0,7÷0,8) Ungmax của van thì van an toàn

-Khi đặt một hiệu điện thế UAK> 0 điện tử vùng N vượt qua vùng mặt ghép J sang miền P và đến cực dương của nguồn Nếu bỗng nhiên đặt UAK<0, các điện tử ở vùng P phải quay về vùng N Sự di chuyển này tạo nên dòng điện ngược chảy qua diode từ K tới A trong thời gian ngắn,nhưng cường độ dòng điện này lớn hơn hơn nhiều so với dòng điện ngược bình thường Ban đầu dòng điện ngược này khá lớn, sau đó suy giảm và khoảng một thời gian toff (turn off time) nó giảm xuống gần bằng không.Giá trị của toff cỡ µs

-Đang ở chế độ khoá, dòng điện ngược qua van rất nhỏ, không đáng kể, nếu bỗng nhiên đặt UAK>0 và diode, dòng điện I không thể tức thời đạt giá trị

U/R mà phải mất một khoảng thời gian ký hiệu là ton (turn on time ) để các điện tích

đa số dòng loạt di động,ton cỡ µs (micro giây)

-Khi tần số nguồn F≥100Khz thì diode sẽ mất tính dẫn điện theo một chiều( mất chế

độ khóa )

1.2 Tiristor ( SCR )

Tirirtor là một thiết bị gồm bốn lớp bán dẫn P1,N1,P2,N2 tạo thành, tirirtor phải được cấp một xung dương thì nó mới hoạt động Do đó SCR thiết kế phải có 3 chân : chân Anot, Katot và chân điều khiển G

Hình 4: Cấu tạo của tiristor

Hình 5: Ký hiệu và hình thực tế

Nguyên lý hoạt động :

Đặt Tiristor dưới điện áp một chiều, Anốt nối vào cực dương, Katôt nối vào cực âm của nguồn điện áp J1 J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt trên mặt ghép J2 điện trường nội tại Ei của J2 có chiều từ N1 hướngvề P2

điện trường ngoài tác động cùng chiều với Ei vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra không có dòng điện chạy qua Tiristor mặc dù nó bị đặt dưới điện áp

+ Mở Tiristor: Cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương xo với K) các điện tử từ N2 sang P2 Đến đây, một số ít các điện tử chảy vào cực G và hình thành dòng điều khiển Ig chạy theo mạch G-J3-K-G còn phần lớn điện tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này, tăng tốc, động năng lớn bẻ gãy các liên kết nguyên tử Silic, tạo nên điện tử tự do mới Số điện

tử mới được giải phóng tham gia bắn phá các nguyên tử Silic trong vùng kế tiếp Kết quả của phản ứng dây truyền làm xuất hiện nhiều điện tử chạy vào N1 qua P 1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt, J 2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép Địên trở thuận của Tiristor khoảng 100K Ω khi còn ở trạng thái khoá, trở thành 0,01Ω khi Tiristor mở cho dòng chạy qua.Tiristor khoá +UAK > 1V hoặc Ig > Igs1 thì Tiristor sẽ mở Trong đó Igs1 là dòng điều khiển được tra ở sổ tay tra cứu Tiristor Ton: thời gian mở là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chạy trong Tiristor, tình từ thời điểm phóng dòng Igvào cực điều khiển Thời gian mở Tiristor kéo dài khoảng 10

s µ

+ Khoá Tiristor: có hai cách làm giảm dòng làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì đặt một điện áp ngược lên Tiristor Khi đặt điện áp ngược lên Tiristor: UAK<0, J 1và J

3bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận, điện tử đảo chiều hành trình tạo nên dòng điện ngược chảy từ Katốt về Anôt, về cực âm của nguồn điện ngoài Thời gian khoá

toff: thời gian khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược (t0)

Hình 6: Đặc tính V – A của tiristor

1.3.Triắc

Triắc là thiết bị bán bẫn ba cực, bốn lớp có đường đặc tính volt – ampe đối xứng, nhận góc mở cho cả hai chiều.Thực chất Triắc được chế tạo giống như 2 SCR ghép song song với nhau, dùng để dẫn dòng AC cả hai chiều khi cực G được kích xung dương hoặc áp âm

Hình 7: Ký hiệu triac A1 và A2 là hai đầu nối để dẫn dòng điện chính, G là cực điều khiển

Triac có thể dẫn dòng theo một trong trường hợp sau

Hình 8: Đặc tính V- A của Triac

1.4 Transitor BJT công suất

1.4.1 Cấu tạo và ký hiệu:

Transistor lưỡng cực có cấu tạo gồm các miền bán dẫn P,N mà ta có hai cấu trúc khác nhau pnp, npn

Cấu tạo

3450559

Hình 9: Cấu tạo và ký hiệu của transistor Miền thứ nhất của transistor là miền Emiter với đặc điểm có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là emitơ E Miền thứ hai là miền Bazơ với nồng

độ tạp chất và độ dày nhỏ nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực bazơ B.Miền còn lại là miền collect với nồng độ tạp chất trung bình được nối với cực colectơ Tiếp giáp giữa p-n của E-B là tiếp giáp Emintơ JE, tiếp giáp p-n giữa B-C là tiếp giáp Colectơ về ký hiệu cần chú ý chiều mũi tên hướng từP-N

1.4.2 Nguyên lý làm việc:

Để transistor làm việc người ta phải đưa điện áp 1 chiều tới các điện cực của nó, gọi

là phân cực cho transistor Đối với tất cả 2 loại PNP hay NPN cần phân cực cho:

Hình 10: Diện áp phân cực cho trasistor

Je phân cực thuận Jc phân cực ngược

Cụ thể ta xét quà trình phân cực cho loại PNP

Transistor làm việc ở chế độ khoá (đóng hoặc mở) cho nên UCE Do tiếp giáp JE được phân cực thuận nên các hạt đa số chuyển động dễ dàng qua tiếp giáp JE tới vùng bán dẫn bazơ, kết quả là làm điện trở của tiếp giáp JE giảm và làm xuất hiện dòng điện

IB.Lớp Jc bị phân cực ngược nhưng E2>>E 1 nên điện trường E2 tạo ra khá lớn,và do lớp bán dẫn bajơ mỏng ,nên chỉ một phần điện tích đi tới cực B, còn phần lớn các điện từ bị J2 hút về và đi tới nguồn dương tạo ra dòng colectơ quá tải Rt ,IE= IC+IB,

IB dòng điện khiển

Khi U BE giảm IB↓I C Khi U BE=0 hoặc U BE<0 (phân cực ngược cho JE ) thì JE ngăn cản sự di chuyển các hạt đa số di chuyển qua nó à IC=0 Transistor bị khoá

Các thông số cơ bản của Transistor ở chế độ đóng cắt :

- ICMAX : Dòng điện colectơ cực đại

- UCES: Điện ápUCE khi transistor khoá (IB=0)

- USC : Thời gian đóng của transistor, là khoảng thời gian để điện áp UCE0 giảm xuống UCES(chưyền từkhoá sang mở) – Tf thời gian cần thiết để IC giảm tới không (chuyển từ mở bão hoà sang khoá )

- Ts thời gian cần thiết để tăng UCE từ UCES UCE0

- PT công suất tổn thất trong transistor PT =U BE.I B+U CE.I C .Họ đặc tính tĩnh của transistor ở chế độ khoá : Đó là mối quan hệ I C =F(UCE)

Hình 11: Đặc tính V –A của transistor ngược

Vùng 1: Vùng khuếch đại tính tĩnh

Vùng 2: Vùng khuếch đại bão hoà

Vùng 3: Vùng van bị đánh thục

Vùng 4:Vùng van bị đánh thủng

1.5 Transistor MOS công suất ( MOSFET )

Hình 12: Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh n

Transistor MOS có ba cực :

D - cực máng ( drain ) : các điện tích đa số từ thanh bán dẫn chảy ra máng

S - cực nguồn ( source ) : các điện tích đa số từ cực nguồn chảy vào thanh bán dẫn

G - cực cổng ( gate ) : cực điều khiển

Tương đương về thuật ngữ giữa Transistor MOS và Transistor lưỡng cực

Transistor MOS Transistor lưỡng cực

D Colectơ C

S Emitơ E

G Bazơ B

VDD : nguồn điện máng VCC

VGG : nguồn điện cổng VBB

ID : dòng điện máng IC

Để phân cực cho MOSFET người ta đặt một điện áp U DS >0 (loại kênh n đặt sẵn,suất hiện dòng điện tử trên kênh dẫn nối giữa Svà D và trong mạch ngoài có dòng điện cực máng ID (đi vào D ) ngay cả khi UGS=0

-Nếu đặt UGS>0, điện tử tự do trong vùng đế (là hạt thiểu số) được hút vào vùng kênh dẫn đối diện với cực cửa làm giầu hạt dẫn cho kênh dẫn, tức làm giảm điện trở của kênh dẫn, làm dòng điệncực máng ID tăng,chế độ làm việc này gọi là chế độ giàu của MOSFET

-Nếu UGS<0, quá trình trên sẽ ngược lại,làm kênh dẫn bị nghèo đi do các hạt dẫn (e) bị đẩy ra xa khỏi kênh ,R kênh tăng,tuỳ theo mức độ tăng UGS theo chiều âm sẽ làm giảm

ID giảm Đây là chế độ nghèo của MOSFET.Bằng thực nghiệm ta có được họ đặc tuyến như sau: Với kênh cảm ứng, khi UGS ≤0 thì ID=0do tồn tại hai tiếp giáp P-N mẵ đối nhau tại vùng máng -Đế và nguồn -Đế,do đó không tồn tại kênh dẫn nối D và S Khi UGS>0, tại vùng đế đối diện cực G xuất hiện các Etd (do cảm ứng tĩnh điện ) và hùnh thành kênh dẫn nối liền D-S Khi UGS tăng thì R kênh giảm à ID tăng

MOSFET vảm ứng chỉ làm việc khi UGS>0 và làm việc ở chế độ giàu kênh

Hình 13: Đặc tính V- A của MOSFET

1.6 Máy biến áp và acquy.

1.6.1 Máy biến áp

- Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện

từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số Hệ thống điện đầu vào máy biến áp ( trước lúc biến đổi ) có : điện áp U1, dòng điện I1, tần số f Hệ thống điện đầu ra của máy biến áp ( sau khi biến đổi ) có : điện áp

U2, dòng điện I2 và tần số f

- Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện, được gọi là sơ cấp.Đầu ra nối với tải gọi là thứ cấp Các đại lượng, các thông số sơ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 1 : số vòng dây sơ cấp w1, điện áp sơ cấp U1, dòng điện sơ cấp I1, công suất sơ cấp P1 Các đại lượng và thông số thứ cấp có chỉ số 2 : số vòng dây thứ cấp w2, điện áp thứ cấp U2, dòng điện thứ cấp I2, công suất thứ cấp P2

- Nếu điện áp thứ cấp lớn hơn sơ cấp là máy biến áp tăng áp Nếu điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp giảm áp

Máy biến áp có hai bộ phận chính : lõi thép và dây quấn

+ Lõi thép máy biến áp :

- Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những

vật liệu dẫn từ tốt, thướng là thép kỹ thuật điện Lõi thép gồm hai bộ

phận :

- Trụ là nơi để đặt dây quấn

- Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ

Trụ và không tạo thành mạch từ khép kín

Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng lá thép kỹ thuật điện ( dày 0,35mm đến 0,5mm, hai mạch có sơn cách điện ) ghép lại với nhau thành lõi thép

+ Dây quấn máy biến áp :