Đề tài Nghiên cứu và mô phỏng bộ nghịch lưu điện áp 1 pha 12V DC - 220V AC

 PHỤ LỤC
LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................................2
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.....................................................................................3
 1.1. Các linh kiện bán dẫn công suất.................................................................................3
 1.1.1. Mosfet..................................................................................................................3
 1.1.2. Triac.....................................................................................................................7
 1.1.3. Thyristor ..............................................................................................................9
 1.2. Nghịch lưu................................................................................................................15
 1. 2.1. Khái niệm và phân loại sơ đồ nghịch lưu. ........................................................15
 1.2.2. Các sơ đồ nghịch lưu độc lập một pha...............................................................17
 1.2.3. Phạm vi ứng dụng của mạch nghịch lưu ...........................................................20
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU.............................................................22
 2.1. Phân tích yêu cầu thiết kế mạch nghịch lưu.............................................................22
 2.2. Phương pháp ............................................................................................................23
 2.2.1.Phương án 1, dùng Transistor công suất, các cổng logic và trigơ......................23
 2.2.2. Phương án 2, sử dụng IC SG3525 và MOSFET IRF3205 ................................26
 2.3. Mạch nghịch lưu sử dụng IC SG3525 và MOSFET IRF3205.................................26
 2.3.1. Sơ đồ nguyên lí..................................................................................................26
 2.3.2. Giới thiệu chi tiết các linh kiện..........................................................................27
 2.3.3. Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống:..................................................................31
 2.3.4. Mạch điều khiển và mạch lực............................................................................32
 2.3.5. Phương pháp điều chế PWM1.........................................................................33
 2.4. Tính toán và chế tạo mạch nghịch lưu. ....................................................................36
 2.4.1. Tính toán máy biến áp .......................................................................................36
 2.4.2. Mạch lực ............................................................................................................39
 2.5. Kết quả mô phỏng....................................................................................................40
KẾT LUẬN ........................................................................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................44
 1 LỜI NÓI ĐẦU
 Trong thời đại ngày nay điện tử công suất đóng một vai trò hết sức quan 
trọng trong đời sống. Việc biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác nhờ các 
mạch công suất được ứng dụng rộng rãi. Đặc biệt nhờ có sự phát triển của van bán 
dẫn công suất mà lĩnh vực này ngày càng phát triển mạnh mẽ.Ta có thể phân loại 
thành một số dạng biến đổi sau: AC→DC (Chỉnh lưu) ; DC→AC (Nghịch lưu) 
AC→AC (Điều chỉnh điện áp xoay chiều); DC→DC (Điều chỉnh điện áp một 
chiều). Mỗi nhóm trên đều có những ứng dụng riêng của nó trong từng lĩnh vực cụ 
thể
 Quá trình thực hiện đồ án này dưới sự hướng dẫn của thầy Tạ Hùng Cường 
chúng em đi sâu tìm hiểu mảng biến đổi năng lượng một chiều ra năng lượng xoay 
chiều mà cụ thể là mạch kích điện áp 12V một chiều lên điện áp 220V xoay chiều 
công suất 300W. Mạch này được ứng dụng nhiều trong đời sống sinh hoạt. Mạch 
có nhiêm vụ cung cấp nguồn năng lượng cho tải khi xảy ra sự cố mất điện.Do thời 
gian thực hiện không nhiều nên còn nhiều hạn chế.Chúng em sẽ tiếp tục tìm hiểu và 
phát triển mở rộng hơn nữa các ứng dụng của mạch sau này.
 Trong thời gian thực hiện đồ án vừa qua em xin chân thành cảm ơn sự hướng 
dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy Tạ Hùng Cường. Thầy đã giúp chúng em có được 
thêm nhiều những kiến thức và kinh nghiệm quý báu để phục vụ cho việc học tập 
cũng như cho công việc trong tương lai. Sau đây chúng em xin trình bày về những 
kiến thức chúng em đã tìm hiểu được trong thời gian vừa qua. Vì kiến thức còn hạn 
chế và thời gian tìm hiểu cũng chưa nhiều nên đồ án của em không thể tránh khỏi 
sai sót. Vậy em rất mong sự góp ý từ thầy để đồ án được hoàn thiện hơn.
 Em xin chân thành cảm ơn!
 2 CHƯƠNG 1
 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Các linh kiện bán dẫn công suất
1.1.1. Mosfet
● Giới thiệu về Mosfet
 Hình 1.1: Transistor hiệu ứng trừơng Mosfet
 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 
cácmạch số và các mạch tương tự.
 Transistor MOSFET được xây dựng dựa trên lớp chuyển tiếp Oxit Kim loại 
và bán dẫn (ví dụ Oxit Bạc và bán dẫn Silic) [1]
MOSFET có hai loại:
 + N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bên 
trong vẫn tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input.
 + P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế 
vào ngỏ Gate
● Cấu tạo và kí hiệu
 Hình 1.2: Cấu tạo và kí hiệu
 3 G: Gate gọi là cực cổng 
 S: Source gọi là cực nguồn 
 D: Drain gọi là cực máng
 Trong đó : G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn 
còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic 
(Sio2). Hai cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đón các 
hạt mang điện.
 Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng 
lớn, còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G 
và cực S ( UGS ) Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 
0 => do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì 
điện trở RDS càng nhỏ.
● Nguyên lý hoạt động
Xét loại kênh dẫn n.
 - Để JFET làm việc ta phân cực cho nó bởi 2 nguồn điện áp: UDS > 0 và UGS < 
0.
 - Giữa cực D và cực S có một điện trường mạnh do nguồn điện cực máng UDS 
cung cấp, nguồn này có tác dụng đẩy các hạt điện tích đa số (điện tử) từ cực nguồn 
S tới cực máng D, hình thành nên dòng điện cực máng ID
 - Điện áp điều khiển UGS < 0 luôn làm cho tiếp giáp p-n bị phân cực ngược, do 
đó bề rộng vùng nghèo tăng dần khi UGS < 0 tăng dần. Khi đó tiết diện dẫn điện 
giảm dần, điện trở R kênh dẫn tăng lên làm dòng ID giảm xuống và ngược lại.
Như vậy: điện áp điều khiển UGS có tác dụng điều khiển đối với dòng điện cực 
máng ID.
 - Trường hợp: UDS > 0, UGS = 0 trong kênh dẫn xuất hiện dòng điện ID có giá 
trị phụ thuộc vào UDS.
 - UDS > 0, UGS < 0 tăng dần, bề rộng vùng nghèo mở rộng về phía cực D vì 
với cách mắc như hình vẽ thì điện thế tại D lớn hơn điện thế tại S do đó mức độ 
phân cực ngược tăng dần từ S tới D tiết diện kênh dẫn giảm dần làm cho dòng 
ID giảm dần.
 4 * Thí nghiệm về nguyên lý hoạt động của Mosfet
 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 K đóng, nguồn UG cấp vào hai cực GS làm điện áp UGS > 0V => đèn 
Q1 dẫn => bóng đèn D sáng. 
Khi công tắc K ngắt, Nguồn cấp vào hai cực GS = 0V nên. Q1 khóa ==>Bóng đèn 
tắt.
 Từ thực nghiệm trên ta thấy rằng : điện áp đặt vào chân G không tạo ra dòng 
GS như trong Transistor thông thường mà điện áp này chỉ tạo ra từ trường => làm 
cho điện trở RDS giảm xuống.
* Các thông số thể hiện khả năng đóng cắt của Mosfet
 Thời gian trễ khi đóng/mở khóa phụ thuộc giá trị các tụ kí sinh Cgs.Cgd,Cds. 
Tuy nhiên các thông số này thường được cho dưới dạng trị số tụ Ciss, Crss,Coss. 
Nhưng dưới điều kiện nhất đinh như là điện áp Ugs và Uds. Ta có thể tính được giá 
trị các tụ đó.
● Xác định chân, kiểm tra-Mosfet
 Thông thường thì chân của Mosfet có quy định chung không như Transitor. 
Chân của Mosfet được quy định: chân G ở bên trái, chân S ở bên phải còn chân D 
ở giữa.
* Kiểm tra Mosfet
 Mosfet có thể được kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng . Do có cấu tạo hơi khác 
so với Transitor nên cách kiểm tra Mosfet cũng không giống với Transitor.
- Mosfet còn tốt.
 Là khi đo trở kháng giữa G với S và giữa G với D có điện trở bằng vô cùng ( 
kim không lên cả hai chiều đo) và khi G đã được thoát điện thì trở kháng giữa D và 
S phải là vô cùng.
 Bước 1 : Chuẩn bị để thang x1KW 
 Bước 2 : Nạp cho G một điện tích ( để que đen vào G que đỏ vào S hoặc D ) 
 Bước 3 : Sau khi nạp cho G một điện tích ta đo giữa D và S ( que đen vào D 
 que đỏ vào S ) => kim sẽ lên. 
 Bước 4 : Chập G vào D hoặc G vào S để thoát điện chân G.
 5 Bước 5 : Sau khi đã thoát điện chân G đo lại DS như bước 3 kim không lên. 
=> Kết quả như vậy là Mosfet tốt.
- Mosfet chết hay chập
 Bước 1 : Để đồng hồ thang x 1KW.
 Đo giữa G và S hoặc giữa G và D nếu kim lên = 0 W là chập.
 Đo giữa D và S mà cả hai chiều đo kim lên = 0 W là chập D S.
- Đo kiểm tra Mosfet trong mạch
 Khi kiểm tra Mosfet trong mạch , ta chỉ cần để thang x1W và đo giữa D và 
S. Nếu 1 chiều kim lên đảo chiều đo kim không lên => là Mosfet bình thường, Nếu 
cả hai chiều kim lên = 0 W là Mosfet bị chập DS
● Ứng dung của Mosfet trong thực tế.
 Mosfet trong nguồn xung của Monitor
 Hình 1.3: Mosfet trong nguồn xung
 Trong bộ nguồn xung của Monitor hoặc máy vi tính, người ta thường dùng 
cặp linh kiện là IC tạo dao động và đèn Mosfet, dao động tạo ra từ IC có dạng xung 
vuông được đưa đến chân G của Mosfet, tại thời điểm xung có điện áp > 0V => đèn 
Mosfet dẫn, khi xung dao động = 0V Mosfet ngắt => như vậy dao động tạo ra sẽ 
điều khiển cho Mosfet liên tục đóng ngắt tạo thành dòng điện biến thiên liên tục 
chạy qua cuộn sơ cấp => sinh ra từ trường biến thiên cảm ứng lên các cuộn thứ cấp 
=> cho ta điện áp ra.
 6 1.1.2. Triac
 TRIAC (viết tắt của TRIode for Alternating Current) là phần tử bán dẫn gồm 
năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như ởthyristor theo cả hai chiều giữa các 
cực T1 và T2, do đó có thể dẫn dòng theo cả hai chiều giữa T1 và T2. TRIAC có 
thể coi tương đương với hai thyristor đấu song song song ngược.để điều khiển 
Triac ta chỉ cần cấp xung cho chân G của Triac.
● Cấu tạo
 Triac là một linh kiện bán dẫn có ba cực năm lớp, làm việc như 2 Thyristor 
mắc song song ngược chiều, có thể dẫn điện theo hai chiều.
 Hình 1.4: Cấu tạo Triac
Triac có bốn tổ hợp điện thế có thể mở cho dòng chảy qua:
 7 ● Đặc tuyến
 Đặc tuyến Volt – Ampe gồm hai phần đối xứng nhau qua gốc O, mỗi phần 
tương tự đặc tuyến thuận của Thyristor.
 Đặc tính Volt-Ampere của TRIAC bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư 
thứ nhất và thứ ba (hệ trục Descartes), mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của 
một thyristor.
 TRIAC có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào 
cực điều khiển) lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển).Tuy nhiên xung dòng 
điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là để mở được TRIAC sẽ cần một dòng 
điều khiển âm lớn hơn so với dòng điều khiển dương.Vì vậy trong thực tế để đảm 
bảo tính đối xứng của dòng điện qua TRIAC thì sử dụng dòng điện dương là tốt 
hơn cả.
 Hình 1.5: Đặc tuyến của TRIAC
 8 ● Ứng dụng
 Hình 1.6: Mạch điều khiển dòng điện qua tải dùng triac
 Triac kết hợp với quang trở Cds để tác động theo ánh sáng. Khi Cds được 
chiếu sáng sẽ có trị số điện trở nhỏ làm điện thế nạp được trên tụ C thấp và 
diac không dẫn điện, triac không được kích nên không có dòng qua tải. Khi Cds bị 
che tối sẽ có trị số điện trở lớn làm điện thế trên tụ C tăng đến mức đủ để triac dẫn 
điện và triac được kích dẫn điện cho dòng điện qua tải. Tải ở đây có thể là các loại 
đèn chiếu sáng lối đi hay chiếu sáng bảo vệ, khi trời tối thì đèn tự động sáng.
 Chú ý khi sử dụng: Những dụng cụ điện tải thuần trở làm việc tốt với các giá 
trị trung bình nhờ tác dụng san làm đồng đều. Nhưng các dụng cụ điện tải điện 
kháng sẽ bị ảnh hưởng đáng kể, ví dụ động cơ sẽ bị phát nóng hơn mức bình 
thường, tiêu tốn năng lượng cao hơn.
 Kết luận: Triac có ưu điểm trong mọi vấn đề như gọn nhẹ, rẻ tiền Dùng 
Triac làm biến dạng sin là nhược điểm chính trong sử dụng.
1.1.3. Thyristor 
● Cấu tạo
 Thyristor gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ và được nối ra ba chân:
 A : Anode : cực dương
 K : Cathode : cực âm
 G : Gate : cực khiển (cực cổng)
 9 Thyristor có thể xem như tương đương hai BJT gồm một BJT loại NPN và 
 một BJT loại PNP ghép lại như hình vẽ sau:
 Hình 1.7: Cấu tạo Thyristor
● Nguyên lý hoạt động
* Mở thyristor
 Khi được phân cực thuận, Uak>0, thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất, 
có thể tăng điện áp anode-cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn 
nhất,Uth,max.Điện trở tương đương trong mạch anode-cathode sẽ giảm đột ngột và 
dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trong thực 
tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào 
cũng tăng được điện áp đến giá trị Uth,max. Hơn nữa như vậy xảy ra trường hợp 
thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, 
không định trước.
 Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong thực tế, là đưa một xung dòng điện 
có giá trị nhất định vào các cực điều khiển và cathode. Xung dòng điện điều khiển sẽ 
chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện 
áp anode-cathode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anode-cathode lớn hơn một giá trị nhất 
định gọi là dòng duy trì (Idt) thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà 
 10