GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI 1.1 IC ổn áp 7805
Sơ đồ chân
Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 78XX Nhìn từ trái qua phải thì lần lượt là chân số 1, 2, 3 của IC
- Chân số 1: Input (chân vào)
- Chân số 2: GND (nối mass)
- Chân số 3: Output (chân ra)
Chức năng
IC 7805 thuộc họ IC78xx là họ IC ổn áp có chức năng tạo điện áp ở đầu ra cố định ở mức (+) xx V
- 78 là họ IC lấy ra điện áp dương (+)
- XX là 2 số của điện áp lấy ra
Lưu ý: Điện áp đầu vào của IC phải lấylớn hơn điện áp đầu ra 3V trở lên Ví dụ IC 7805 thì Vin phải 8V trở lên.
Ứng dụng
Được dùng để thiết kế các bộ nguồn đơn giản cung cấp điện áp cho các mạch điện không đòi hỏi điện áp ổn định quá cao
1.1.4 Một vài thông số của IC 7805
- Dòng cực đại có thể duy trì 1A
- Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W Công suất tiêu tán nếu
Công suất tiêu tán trên ổn áp nối tiếp được tính như sau:
- Ui – áp lối vào ,Uo – áp lối ra
- I – dòng sử dụng Đặc tính Điều kiện TJ† àA7805C Đơn vị
Output voltage (Điện áp ra)
( Sự ổn áp đầu vào)
( Sự ổn áp đầu vào)
Temperature coefficient of output voltage (Hệ số nhiệt độ của điện áp ra)
Output noise voltage( Điện áp tạp nhiễu) f = 10 Hz to 100 kHz 25°C 40 àV
Dropout voltage( Điện áp rơi)
Bảng 1.1: Một vài thông số của IC 7805
1.2 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
1.2.1 Cấu trúc và ký hiệu
IGBT có cấu trúc bán dẫn tương tự như MOSFET, nhưng khác biệt ở chỗ có thêm lớp nối với collector, tạo thành cấu trúc p-n-p giữa emiter (tương tự cực gốc) và collector (tương tự cực máng), trong khi MOSFET sử dụng cấu trúc n-n Do đó, IGBT có thể được xem như một transistor p-n-p, trong đó dòng base được điều khiển bởi một MOSFET.
Dưới tác dụng của áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn hình thành các điện tử mang điện tương tự như cấu trúc MOSFET Các điện tử này di chuyển về phía collector, vượt qua lớp tiếp giáp n-p, tương tự như cấu trúc giữa base và collector ở transistor thông thường, từ đó tạo ra dòng collector.
Hình 1.2: a) Cấu trúc IGBT b) Sơ đồ tương đương của IGBT
Để phân cực cho IGBT, cần đảm bảo U CE > 0 và cung cấp một điện áp điều khiển Uge > 0 đủ lớn vào cực G Khi đó, một kênh dẫn sẽ hình thành với các hạt điện tử di chuyển về phía cực C, vượt qua lớp tiếp giáp P-N và tạo ra dòng Collector.
Thời gian đóng cắt của IGBT nhanh hơn transistor thông thường, với độ trễ khi mở khoảng 0,15ms và độ trễ khi khóa khoảng 1ms Công suất điều khiển của IGBT rất nhỏ, thường được mở bằng điện áp điều khiển khoảng ±15V; tín hiệu +15V được cấp để mở và -15V để khóa.
1.2.3 Vùng làm việc an toàn (Safe Operating Area)
Vùng làm việc an toàn được biểu diễn qua đồ thị mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện tối đa mà thiết bị có thể hoạt động trong tất cả các chế độ, bao gồm cả khi dẫn điện, khi khóa và trong các quá trình đóng cắt.
Khi điện áp điều khiển dương, SOA có hình chữ nhật với góc hạn chế ở phía trên bên phải, cho thấy khả năng chịu đựng dòng điện và điện áp lớn Tuy nhiên, khi chu kỳ đóng cắt ngắn, khả năng đóng cắt công suất giảm Đặt điện áp điều khiển âm lên cực điều khiển và emitor sẽ giới hạn SOA ở vùng công suất lớn, dẫn đến dòng điện lớn vào vùng p của cực điều khiển, tương tự như dòng điều khiển trong thyristor Dù vậy, IGBT có khả năng chịu đựng tốc độ tăng áp tốt hơn nhiều so với các bán dẫn công suất khác Để tránh hiện tượng chốt giữ dòng, giá trị dòng collector Icm phải được chọn phù hợp, cùng với điện áp điều khiển lớn nhất Uge để giới hạn dòng Ice trong điều kiện ngắn mạch Dòng Ice cần được duy trì không đổi, không phụ thuộc vào điện áp Uce, và IGBT phải được khóa lại nhanh chóng để tránh quá nhiệt Việc theo dõi liên tục dòng collector là cần thiết trong thiết kế IGBT để ngăn chặn hiện tượng chốt giữ dòng.
IGBT (Transistor Bipolar Cách Ly) là một phần tử bán dẫn nổi bật với khả năng đóng cắt nhanh và công suất điều khiển thấp, là sự thay thế lý tưởng cho các transistor công suất thông thường Tuy nhiên, điều kiện mở khóa của IGBT đòi hỏi những yêu cầu đặc biệt và gặp khó khăn trong việc điều khiển với sườn xung dựng đứng, với thời gian tạo sườn xung chỉ khoảng 0.1us hoặc nhỏ hơn.
Nhưng tụ kí sinh giữa cực điều khiển với gốc S, giữa cực G với cực máng D cản trở tốc độ thay đổ của tín hiệu điều khiển.
Hình 1.3: Sơ đồ chân IR 2110
Hình 1.4: Sơ đồ khối IR2110
Hình 1.5: Giản đồ sóng Input và Output của IC IR2110 Chân 1: Cổng điều khiển ra cho mức thấp
Chân 2: Phản hồi ở mức thấp
Chân 3: Chân nối với nguồn để cấp cho IC từ 10 đến 20 V
Chân 5: Điện áp treo trả về mức cao
Chân 6: Điện áp treo mức cao
Chân 7: Cổng điều khiển ra cho mức cao
Chân 9: Điện áp cấp theo mức từ Vss+3 đến Vss+20
Chân 10: Tín hiệu vào cho cổng ra điều khiển ở mức cao
Chân 11: Đầu vào theo mức để tắt
Chân 12: Tín hiệu vào cho cổng ra điều khiển ở mức thấp
Chân 13: Chân cấp mass cho IC
Các vi mạch chuyên dụng cho khâu xung điều khiển cuối cùng được gọi là driver, đặc biệt là driver cho IGBT Thời gian khóa của IGBT có thể kéo dài và quá tải có thể dẫn đến việc rời khỏi chế độ bão hòa, gây tổn thất và hỏng hóc phần tử Do đó, driver cho IGBT thường là các mạch lái hybrid, kết hợp với các mạch bảo vệ quá tải Đặc biệt, driver cho IGBT công nghiệp là những mạch ghép phức tạp, đảm bảo an toàn cho van bán dẫn trong mọi chế độ làm việc.
IGBT được sử dụng trong các mạch nghịch lưu với tần số đóng cắt cao từ 2 đến hàng chục nghìn KHz Sự cố phổ biến nhất là quá dòng ngắn mạch từ phía tải hoặc phần tử đóng cắt Để điều khiển IGBT hiệu quả, người ta thường sử dụng IC chuyên dụng IR2110.
Hình 1.6: Sơ đồ chân IC SG 3525
- Điện áp hoạt động 8 đến 35VDC
- Dải tần số của bộ dao động từ 100HZ tới 400 KHz
IC SG3525 sở hữu nhiều tính năng vượt trội so với IC 4047 và IC TL494, bao gồm khả năng lấy nguồn mà không cần biến đổi nguồn nuôi cho IC Ngoài ra, nó cho phép điều chỉnh độ rộng xung ra một cách dễ dàng và khoảng deal time được thiết kế hợp lý, giúp tạo ra chu kỳ âm mà không gây hiện tượng trùng dẫn.
Hình 1.7: Sơ đồ khối IC SG3525 Chức năng các chân:
Chân 2: Đầu vào không đảo.
Chân 3: Chân đồng bộ hóa., cho phép đồng bộ xung với bộ dao động gắn ngoài.
Chân 4: Đầu ra xung của bộ dao động trong
Chân 5: Mắc với một tụ điện CT=0.1uF- 1nF.
Chân 6: Gắn với một điện trở RT=2kΩ - 150kΩ.
Chân 7: Chân tụ CT xả điệp áp và được mắc với một trở RD.
Chân 8: Chân này nối với 1 tụ để khởi động êm hơn và chế độ soft – start được kích hoạt khi so sánh với điện áp Vref
Chân 9: Chân bù này được hồi tiếp về chân đầu đảo góp phần điều chỉnh xung ra ra sẽ bù nếu có sai lệch về xung.
Chân 10: Chân shutdown- ngừng Khi chân này mức thấp PWM được kích hoạt còn khi ở mức cao PWM được thiếp lập tức thời.
Chân 11 và chân 14: là các chân ra của tín hiệu điều khiển.Dòng ra định mức 100mA và dòng đỉnh là 500mA Hai xung ra lệch pha nhau 180 0
Chân 12: là chân mass của IC
Chân 13:Điện áp colector của transistor NPN được nối bên trong IC Điện áp cấp cho chân này nên từ 9 đến 18V vì mosfet làm việc với điện áp thấp nhất là 8V và bị đánh thủng là 20V.
Chân 15: Chân cấp nguồn cho IC hoạt động từ 8 đền 35V
Chân 16: Điện áp tham chiếu có giá trị thấp nhất là 5V cao nhất là 5.2 V thông thường là 5.1 V
Tạo ra 2 xung điều khiển lệch pha nhau 180 o để điều khiển các cặp IGBT trong mạch công suất.
Tần số của PWM được xác định bởi tụ định thời (CT) và điện trở định thời (RT), trong đó CT kết nối giữa chân 5 và mass, còn RT kết nối giữa chân 6 và mass Điện trở giữa chân 5 và chân 7 (RD) có vai trò quan trọng trong việc xác định thời gian chết (deadtime).
Giá trị của điện trở RD cần nằm trong khoảng từ 0 đến 500 Ω, trong khi điện trở RT nên có giá trị từ 2k đến 150K Ω Đối với tụ điện CT, giá trị của nó phải nằm trong khoảng từ 1nF (102) đến 0.2uF (224) Tần số trong công thức là tần số của bộ dao động; nếu muốn tính tần số của nghịch lưu là 50Hz, ta cần tính ra 100Hz theo công thức đã nêu.
1.5.1 Giới thiệu về nghịch lưu
Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều, sử dụng các khóa chuyển mạch để thay đổi cách nối đầu vào và đầu ra theo chu kỳ Nguồn cấp cho bộ nghịch lưu là điện một chiều, và hoạt động của nó phụ thuộc vào loại nguồn và tải, khác với bộ biến tần, nơi việc chuyển mạch được thực hiện nhờ lưới điện xoay chiều.
Các bộ nghịch lưu phân ra làm 2 loại :
- Bộ nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới điện xoay chiều
- Bộ nghịch lưu độc lập(với các nguồn độc lập như acquy, máy phát điện…)
Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý tương tự như chỉnh lưu có điều khiển, với mạch nghịch lưu sử dụng nguồn một chiều có dấu ngược so với chỉnh lưu Góc mở α của các tiristo trong mạch này cần thỏa mãn điều kiện (π/2 < α < π) để cho phép công suất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay chiều Tần số và điện áp của quá trình nghịch lưu này phụ thuộc vào tần số điện áp của lưới xoay chiều.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
1.2.1 Cấu trúc và ký hiệu
Cấu trúc của IGBT tương tự như MOSFET, nhưng có sự khác biệt với lớp nối collector tạo thành cấu trúc p-n-p giữa emitter và collector, thay vì cấu trúc n-n như ở MOSFET Do đó, IGBT có thể được xem như một transistor p-n-p, trong đó dòng base được điều khiển bởi một MOSFET.
Dưới áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn hình thành các điện tử mang điện tương tự như trong cấu trúc MOSFET Các điện tử này di chuyển về phía collector, vượt qua lớp tiếp giáp n-p, tương tự như quá trình giữa base và collector trong transistor thông thường, từ đó tạo ra dòng collector.
Hình 1.2: a) Cấu trúc IGBT b) Sơ đồ tương đương của IGBT
Để phân cực cho IGBT, cần đảm bảo U CE > 0 và cung cấp một điện áp điều khiển Uge > 0 tại cực G với giá trị đủ lớn Khi đó, một kênh dẫn được hình thành với các hạt điện tử, tương tự như MOSFET, di chuyển về phía cực C và vượt qua lớp tiếp giáp P-N, từ đó tạo ra dòng Collector.
Thời gian đóng cắt của IGBT nhanh hơn so với transistor thông thường, với độ trễ khi mở khoảng 0,15ms và độ trễ khi khóa khoảng 1ms Công suất điều khiển của IGBT rất nhỏ, thường mở bằng điện áp điều khiển là ±15V, trong đó tín hiệu +15V được sử dụng để mở và tín hiệu -15V để khóa.
1.2.3 Vùng làm việc an toàn (Safe Operating Area)
Vùng làm việc an toàn được biểu diễn qua đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và giá trị dòng điện tối đa mà thiết bị có thể hoạt động trong mọi chế độ, bao gồm khi dẫn, khi khóa và trong các quá trình đóng cắt.
Khi điện áp dương được áp lên cực điều khiển và emitor, SOA có hình dạng chữ nhật với góc hạn chế ở phía trên bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn Tuy nhiên, khi chu kỳ đóng cắt ngắn lại, khả năng đóng cắt công suất suy giảm Ngược lại, khi điện áp điều khiển âm, SOA bị giới hạn ở vùng công suất lớn do tốc độ tăng điện áp quá nhanh, dẫn đến dòng điện lớn vào vùng p của cực điều khiển, tương tự như dòng điều khiển trong thyristor Mặc dù vậy, IGBT có khả năng chịu đựng tốc độ tăng áp cao hơn nhiều so với các phần tử bán dẫn công suất khác Giá trị dòng collector tối đa Icm cần được chọn để tránh hiện tượng chốt giữ dòng, tương tự như ở thyristor Ngoài ra, điện áp điều khiển tối đa Uge cũng phải được xác định để giới hạn dòng điện Ice trong điều kiện ngắn mạch, chuyển đổi từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính, giúp dòng Ice không phụ thuộc vào điện áp Uce Cuối cùng, IGBT cần được khóa lại nhanh chóng để tránh phát nhiệt quá mức, và việc theo dõi dòng collector liên tục là cần thiết trong thiết kế IGBT.
IC IR2110
IGBT là một loại bán dẫn nổi bật với khả năng đóng cắt nhanh và công suất điều khiển thấp, giúp thay thế các transistor công suất thông thường Tuy nhiên, điều kiện mở khóa của IGBT đòi hỏi những yêu cầu đặc biệt, gây khó khăn trong việc điều khiển với sườn xung dựng đứng, với thời gian tạo sườn xung chỉ khoảng 0.1us hoặc nhỏ hơn.
Nhưng tụ kí sinh giữa cực điều khiển với gốc S, giữa cực G với cực máng D cản trở tốc độ thay đổ của tín hiệu điều khiển.
Hình 1.3: Sơ đồ chân IR 2110
Hình 1.4: Sơ đồ khối IR2110
Hình 1.5: Giản đồ sóng Input và Output của IC IR2110 Chân 1: Cổng điều khiển ra cho mức thấp
Chân 2: Phản hồi ở mức thấp
Chân 3: Chân nối với nguồn để cấp cho IC từ 10 đến 20 V
Chân 5: Điện áp treo trả về mức cao
Chân 6: Điện áp treo mức cao
Chân 7: Cổng điều khiển ra cho mức cao
Chân 9: Điện áp cấp theo mức từ Vss+3 đến Vss+20
Chân 10: Tín hiệu vào cho cổng ra điều khiển ở mức cao
Chân 11: Đầu vào theo mức để tắt
Chân 12: Tín hiệu vào cho cổng ra điều khiển ở mức thấp
Chân 13: Chân cấp mass cho IC
Các vi mạch driver chuyên dụng đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển IGBT, nhưng thời gian khóa dài và quá tải có thể dẫn đến tổn thất lớn và hỏng hóc phần tử Do đó, driver cho IGBT thường tích hợp các mạch bảo vệ quá tải, đặc biệt là các driver cho IGBT công nghiệp, được thiết kế phức tạp nhằm đảm bảo an toàn cho van bán dẫn trong mọi chế độ làm việc.
IGBT được sử dụng trong các mạch nghịch lưu với tần số đóng cắt cao từ 2 đến hàng chục nghìn KHz Một trong những sự cố phổ biến nhất là quá dòng ngắn mạch, xảy ra từ phía tải hoặc từ phần tử đóng cắt Để điều khiển IGBT hiệu quả, chúng ta cần sử dụng IC chuyên dụng IR2110.
IC SG3525
Hình 1.6: Sơ đồ chân IC SG 3525
- Điện áp hoạt động 8 đến 35VDC
- Dải tần số của bộ dao động từ 100HZ tới 400 KHz
IC SG3525 sở hữu nhiều tính năng vượt trội so với IC 4047 và IC TL494, bao gồm khả năng lấy nguồn mà không cần biến đổi nguồn nuôi cho IC Ngoài ra, IC SG3525 cho phép điều chỉnh độ rộng xung ra một cách dễ dàng và khoảng deal time vừa đủ để tạo ra chu kỳ âm mà không gây hiện tượng trùng dẫn.
Hình 1.7: Sơ đồ khối IC SG3525 Chức năng các chân:
Chân 2: Đầu vào không đảo.
Chân 3: Chân đồng bộ hóa., cho phép đồng bộ xung với bộ dao động gắn ngoài.
Chân 4: Đầu ra xung của bộ dao động trong
Chân 5: Mắc với một tụ điện CT=0.1uF- 1nF.
Chân 6: Gắn với một điện trở RT=2kΩ - 150kΩ.
Chân 7: Chân tụ CT xả điệp áp và được mắc với một trở RD.
Chân 8: Chân này nối với 1 tụ để khởi động êm hơn và chế độ soft – start được kích hoạt khi so sánh với điện áp Vref
Chân 9: Chân bù này được hồi tiếp về chân đầu đảo góp phần điều chỉnh xung ra ra sẽ bù nếu có sai lệch về xung.
Chân 10: Chân shutdown- ngừng Khi chân này mức thấp PWM được kích hoạt còn khi ở mức cao PWM được thiếp lập tức thời.
Chân 11 và chân 14: là các chân ra của tín hiệu điều khiển.Dòng ra định mức 100mA và dòng đỉnh là 500mA Hai xung ra lệch pha nhau 180 0
Chân 12: là chân mass của IC
Chân 13:Điện áp colector của transistor NPN được nối bên trong IC Điện áp cấp cho chân này nên từ 9 đến 18V vì mosfet làm việc với điện áp thấp nhất là 8V và bị đánh thủng là 20V.
Chân 15: Chân cấp nguồn cho IC hoạt động từ 8 đền 35V
Chân 16: Điện áp tham chiếu có giá trị thấp nhất là 5V cao nhất là 5.2 V thông thường là 5.1 V
Tạo ra 2 xung điều khiển lệch pha nhau 180 o để điều khiển các cặp IGBT trong mạch công suất.
Tần số của PWM được xác định bởi tụ định thời (CT) và điện trở định thời (RT) Tụ định thời kết nối giữa chân 5 và mass, trong khi điện trở định thời được kết nối giữa chân 6 và mass Điện trở giữa chân 5 và chân 7 (RD) có vai trò quan trọng trong việc xác định thời gian chết (deadtime).
Giá trị của điện trở RD cần nằm trong khoảng từ 0 đến 500 Ω, trong khi điện trở RT phải có giá trị từ 2k đến 150K Ω Đối với tụ điện CT, giá trị phải nằm trong khoảng từ 1nF (102) đến 0.2uF (224) Tần số được sử dụng trong công thức là tần số của bộ dao động; do đó, nếu muốn tính tần số của nghịch lưu là 50Hz, ta cần tính ra 100Hz theo công thức đã nêu.
Nghịch lưu
1.5.1 Giới thiệu về nghịch lưu
Bộ nghịch lưu là thiết bị biến đổi tĩnh chuyển đổi nguồn điện một chiều thành xoay chiều Nó sử dụng các khóa chuyển mạch để thay đổi cách nối đầu vào và đầu ra theo chu kỳ, tạo ra đầu ra xoay chiều Khác với bộ biến tần, bộ nghịch lưu hoạt động dựa vào loại nguồn và tải mà không phụ thuộc vào lưới điện xoay chiều.
Các bộ nghịch lưu phân ra làm 2 loại :
- Bộ nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới điện xoay chiều
- Bộ nghịch lưu độc lập(với các nguồn độc lập như acquy, máy phát điện…)
Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý tương tự như chỉnh lưu có điều khiển, và được cấu tạo từ mạch chỉnh lưu với nguồn một chiều có dấu đổi so với chỉnh lưu Trong mạch này, góc mở α của các tiristo cần thỏa mãn điều kiện ((π/2 < α < π), giúp công suất của máy phát điện một chiều được trả về lưới xoay chiều Tần số và điện áp của nghịch lưu phụ thuộc vào tần số điện áp của lưới xoay chiều.
Nghịch lưu độc lập chuyển đổi điện áp một chiều từ các nguồn độc lập thành điện xoay chiều với tần số pha tùy ý Tần số và điện áp của nghịch lưu có thể được điều chỉnh linh hoạt.
1.5.2 Mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng dùng máy biến áp có điểm giữa a) Sơ đồ nguyên lý
Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu dòng 1 pha dùng máy biến áp có điểm giữa b) Nguyên lý làm việc.
Sơ đồ của onduleur dòng bao gồm một máy biến áp với điểm giữa ở phía sơ cấp và hai thyristor nối vào cực dương của nguồn nuôi E thông qua hai nửa cuộn dây sơ cấp Do đó, onduleur này còn được gọi là onduleur song song Ở đầu vào của onduleur, một điện cảm lớn Lk được kết nối để dự trữ dòng điện và hạn chế đỉnh cao của dòng điện ic khi khởi động Tụ điện C trong mạch được gọi là tụ điện chuyển mạch, và đặc điểm nổi bật của onduleur dòng là dòng điện tải có dạng “sin chữ nhật”.
- 2n1 là tổng số vòng dây sơ cấp.
- n2 là số vòng dây thứ cấp.
- i,v là dòng và áp phía thứ cấp
+ Hoạt động của sơ đồ.
Giả thiết cho xung mở T1, điểm A được kết nối với cực âm của nguồn E Hiệu điện thế giữa V0 và Va là u1 = E, và do hiệu ứng biến áp tự ngẫu, ta có VB - V0 = u1 = E Kết quả là tụ điện C được nạp điện áp lên đến 2E, với bản cực dương nằm ở bên phải.
Khi cho xung mở T2, Tiristir sẽ hoạt động và điện thế tại điểm B sẽ làm T1 bị khóa, khiến tụ điện C nạp ngược lại Điều này chuẩn bị cho việc khóa T2 khi xung mở T1 được kích hoạt Tại phía thứ cấp, chúng ta nhận được dòng điện “sin chữ nhật” với tần số tương ứng với nhịp phát xung mở T1 và T2.
1.5.3 Mạch nghịch lưu nguồn dòng dùng sơ đồ cầu H. a) Sơ đồ nguyên lý.
Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu dòng 1 pha sơ đồ cầu H b) Nguyên lý làm việc.
Các tín hiệu điều khiển cho thyristor T1 và T2 được đưa vào lệch pha 180 độ so với tín hiệu điều khiển của T3 và T4 Do điện cảm đầu vào của nghịch lưu lớn, dòng điện vào id được làm phẳng, với nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dòng điện nghịch lưu có dạng xung vuông Khi xung được đưa vào để mở cặp van T1 và T2, dòng điện i bằng với id và tăng đột biến qua tụ C, khiến tụ bắt đầu nạp Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không, nhưng do i = ic = id = const, dòng qua tải ban đầu nhỏ và sau đó tăng lên Sau nửa chu kỳ, khi mở cặp T3 và T4, quá trình phóng điện của tụ C xảy ra từ cực (+) về cực (-), với dòng phóng ngược chiều với dòng qua tải.
Khi T1 và T2 bị khóa lại, quá trình chuyển mạch diễn ra gần như ngay lập tức Sau đó, tụ C sẽ nạp điện với cực (+) ở bên phải và cực (-) ở bên trái Dòng nghịch lưu sẽ đổi dấu, tức là i ¿ i d =−i d Đến thời điểm t = t2, khi xung được đưa vào mở T1 và T2, T3 và T4 sẽ bị khóa lại, và quá trình này sẽ lặp lại như trước.
Chức năng chính của tụ C là chuyển mạch cho các Thyritstor Tại thời điểm t1, khi T3 và T4 mở, T1 và T2 sẽ bị khóa bởi điện áp ngược từ tụ C Thời gian duy trì điện áp ngược (t1 < t'1) là cần thiết để giữ quá trình khóa và phục hồi tính điều khiển của van, với t'1 - t1 = tk ≥ toff, là thời gian khóa của Thyritstor Góc khóa của nghịch lưu được tính bằng β = w.tk Dạng sóng dòng điện và điện áp trong mạch cũng cần được xem xét.
Hình 1.10: Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch nghịch lưu dòng 1 pha sơ đồ cầu
1.5.4 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha. a) Sơ đồ nguyên lý
Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 1pha Trong đó:
- T1,T2,T3,T4: Là các IGBT có nhiệm vụ để đóng cắt hoặc điều chỉnh thay đổi điện áp xoay chiều ra tải.
-D1,D2,D3,D4: Là các diode dẫn dòng khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi
-is: là dòng nguồn xoay chiều dạng răng cưa.
Khi i s >0 thì nguồn cung cấp năng lượng cho tải( các thyristor dẫn dòng).
Khi i s 0 và tăng chảy theo chiều từ A đến B.
Giai đoạn t = 0 đến t1 là giai đoạn hoàn năng lượng.Khi t = T/2 ( tại thời điểm t 2) cho xung mở t 2 và T4, T1 và T3 bị khóa lại, dòng tải chạy qua D2 và D4 khiến cho T2 và
Khi T4 được mở khóa, nó ngay lập tức bị khóa lại Tại thời điểm t = t3, i = 0, T2 và T4 sẽ mở lại, với dòng điện i R th =1 o C/W vậy ta có thể chọn loại tản nhiệt dưới đây:
2.2.5 Khuếch đại tín hiệu điều khiển cho IGBT Để khuếch đại tín hiệu điều khiển IGBT có 3 phương án:
- Khuếch đại bằng biến áp xung thì có khả năng cách ly nhưng khó khăn trong cách sử dụng và chế tạo.
- Khuếch đại bằng transistor thì nhỏ gọn hơn biến áp xung nhưng chỉ dùng cho các mạch công suất nhỏ.
Mạch khuếch đại sử dụng IC IR2110 cho phép đáp ứng tần số lớn và dễ dàng sử dụng mà không cần kiến thức chuyên sâu.
Tính toán, thiết kế mạch điều khiển
2.3.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển
Hình 2.8: Sơ đồ ngyên lý mạch điều khiển
2.3.2 Tính toán tần số đầu ra của mạch điều khiển
Tần số ra của bộ nghịch lưu là fPHz như vậy ta phải tính toán tần số xung ra của IC SG3525 sao cho cũng có tần số 50Hz.
Hình 2.9: Sơ đồ khối của IC SG3525 Tần số của bộ dao động trong IC SG3525 được tính theo công thức (theo datasheet):
Như vậy tần số của bộ dao động phụ thuộc vào CT, RT và RD
Tần số của bộ dao động gấp đôi tần số đầu ra vậy nên để muốn tần số của 2 đầu ra là 50Hz thì f osc0Hz
Ta chọn CT=0.1uF RD"0 Ω thay vào công thức trên:
2.4 Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động của toàn mạch
2.4.1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
2.4.2 Nguyên lý hoạt động toàn mạch
Khi được cấp nguồn, SG3525 sẽ hoạt động và tạo ra xung 50Hz, với tần số xung phụ thuộc vào các điện trở RT, RD và tụ điện CT Để điều chỉnh tần số phát ra, ta có thể mắc thêm một biến trở 150k vào chân 6, từ đó thay đổi độ dài của tần số.
Tín hiệu xung tại chân 11 và chân 14 luôn lệch pha 180 độ, được đưa vào chân 10 (HIN) và chân 12 (LIN) của IR2110 Tại đây, tín hiệu này được khuếch đại và cách ly với mạch điều khiển Tín hiệu đầu ra của IR2110, HO và LO, sẽ kích hoạt hai cặp IGBT trong mạch cầu, cụ thể là Q1, Q2 và Q3, Q4.
Khi có tín hiệu điều khiển vào các van, trong nửa chu kỳ đầu, Q1 và Q4 mở cho dòng điện chạy qua tải, trong khi Q2 và Q3 bị khóa Dòng điện đi từ Q1 đến tải và trở về nguồn qua Q4 Ở nửa chu kỳ sau, Q3 và Q2 mở, trong khi Q1 và Q4 bị khóa, dòng điện di chuyển từ Q4 đến tải và trở về nguồn qua Q1 Việc đóng cắt liên tục các van không thể đảo chiều đột ngột, do đó các diode nội bên trong van dẫn dòng và giảm dần, giúp các van kịp thời khóa lại Quá trình này tạo ra dòng điện qua tải với chiều biến thiên ngược nhau.
Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động của toàn mạch
Hình 3.1: Ouput driver của SG3525
Tín hiệu ra từ chân 11 (màu đỏ) và chân 14 (màu vàng) của Sg3525 tạo ra hai xung điều khiển lệch pha 180 độ Với tần số 50Hz và độ rộng xung (duty) 47%, hệ thống đảm bảo tần số và thời gian mở van hiệu quả.
3.2 Khảo sát tín hiệu ra của mạch khuếch đại
Hình 3.2: Tín hiệu LO của IR2110
KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ 3.1 Khảo sát tín hiệu ra của mạch điều khiển
Khảo sát tín hiệu ra của mạch khuếch đại
Hình 3.2: Tín hiệu LO của IR2110
Tín hiệu đầu ra LO từ hai IC IR 2110 được phân thành hai màu: tín hiệu màu đỏ điều khiển Q2 và tín hiệu màu vàng điều khiển Q4 Cả hai tín hiệu LO đầu ra đều giống với tín hiệu Lin đầu vào, với tần số 50Hz và độ rộng xung (duty) 47% Đặc biệt, hai tín hiệu này lệch pha 180 độ, đảm bảo rằng khi Q2 mở, Q4 sẽ khóa và ngược lại.
Hình 3.3: Tín hiệu HO của IR2110
Tín hiệu đầu ra của HO từ IR2110 không thể đo được đồng thời, do đó chúng ta sẽ khảo sát từng kênh riêng biệt Hình ảnh minh họa cho thấy tín hiệu của một IR2110 và tín hiệu từ IC tương tự nhưng có sự lệch pha Tín hiệu HO tương đồng với tín hiệu đầu vào Hin, được lấy từ chân 11 của SG3525, có tần số 50Hz và độ rộng xung (duty) 47%.
