›
›

Đồ án Xây dựng bộ biến đổi cầu 3 pha nâng áp 1 chiều hệ số công suất lớn dùng cho ô tô

pdf 65 trang huongle 1540
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Xây dựng bộ biến đổi cầu 3 pha nâng áp 1 chiều hệ số công suất lớn dùng cho ô tô", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_xay_dung_bo_bien_doi_cau_3_pha_nang_ap_1_chieu_he_so_c.pdf

Nội dung text: Đồ án Xây dựng bộ biến đổi cầu 3 pha nâng áp 1 chiều hệ số công suất lớn dùng cho ô tô

  1. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƢƠNG 1.GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI 2 1.1. NGUỒN XUNG KIỂU 2 1.2. NGUỒN XUNG KIỂU 4 1.3. NGUỒN XUNG KIỂU : PUSH-PULL 6 1.4. BỘ BIẾN ĐỔI FULL-BRIDGE 8 1.5. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO Ô TÔ ĐIỆN 9 1.5. 1. Bộ biến đổi DC – DC (DC – DC Converters). 9 1.5.2.Bộ biến tần 13 CHƢƠNG 2: ẮC QUY VÀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 15 2.1. MỞ ĐẦU 15 2.1.1.Cấu tạo 15 2.1.2.Các thông số của acquy 15 2.2.CÁC LOẠI ẮC QUY. 18 2. 2.1. Acquy chì axit. 18 2.2.2.Acquy Nickel 19 2.2.3.Acquy Natri. 20 2.2.4. Acquy Liti. 21 2.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP SẠC ẮC QUY. 22 2.3.1.Phƣơng pháp phóng nạp. 22 2.4. VAI TRÒ CỦA ẮC QUY TRONG Ô TÔ. 26 2.5. MOSFET 27 2.5.1.Cấu tạo và nguyên lý làm việc 27 2.5.2. Đặc tính của MOSFET. 32 2.6. GiỚI THIỆU DIODE BÁN DẪN 34 2.6.1. Giới thiệu. 34 2.6.2. Cấu tạo 35 2.6.3. Đặc tính Volt-Ampere 37 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI DC-DC 38 3.1. SƠ ĐỒ KHỐI BỘ BIẾN ĐỔI. 38
  2. 3.2. LỰA CHỌN SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI 38 3.2.1. Các bộ phận của bộ biến đổi. 39 3.2.2. Nguyên lý hoạt động. 39 3.3. TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ MẠCH LỰC 40 3.3.1. Tính chọn van cho mạch nghịch lƣu 40 3.3.2.Tính chọn diode cho mạch chỉnh lƣu 42 3.3.3. Tính chọn máy biến áp động lực 43 3.4. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƢU CẦU BA PHA 46 3.4.1. Thiết kế mạch tạo xung. 46 3.4.2. Thiết kế bộ dịch pha số. 47 3.4.2.1. Tổng quan về flip-flop 47 3.4.2.2. Flip-flop D 48 3.4.2.3. Bộ dịch pha số 50 3.4.3. Thiết kế mạch lái Mosfet. 52 3.4.4. IC IR2101 54 3.4.4.1.Sơ đồ chân của IR 2101. 54 3.4.4.2. Cấu trúc bên trong của IR2101. 55 3.4.4.3. Thông số kỹ thuật của IR2101. 55 3.4.5. Kết mô phỏng trên phần mềm Psim 56 3.5. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI CẦU BA PHA NÂNG ÁP MỘT CHIỀU 58 3.5.1. Xây dựng mạch điện bằng Orcad 9.0. 58 3.5.2. Mô hình vật lý bộ biến đổi. 59 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63
  3. LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay do nguyên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, hơn nữa việc sử dụng nhiên liệu này đã và đang làm giảm chất lƣợng môi trƣờng sống . Để giảm bớt khí thải độc hại của các loại phƣơng tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, thế giới đã và đang nghiên cứu chế tạo ra các loại phƣơng tiện bằng điện thay thế cho phƣơng tiện thông thƣờng. Để sử dụng động cơ điện một chiều từ ắc quy, vấn đề quan trọng là phải nâng đƣợc điện áp ắc quy để đáp ứng yêu cầu của động cơ. Giải quyết vấn đề này cần một bộ biến đổi DC/DC bán dẫn. Vấn đề này đã đƣợc thế giới quan tâm và nghiên cứu. Trong bản đồ án này em xin trình bày đề tài:” Xây dựng bộ biến đổi cầu 3 pha nâng áp 1 chiều hệ số công suất lớn dùng cho ô tô”. Bản đồ án của em gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quát các bộ biến đổi. Chƣơng 2: Ắc quy và các linh kiện điện tử. Chƣơng 3: Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống biến đổi DC/DC. Em xin chân thành cảm ơn GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn cùng các thầy cô trong bộ môn đã hoàn thành đồ án này. Do đây là lần đầu tiên em hoàn thành đồ án nên không thể tránh khỏi những sai sót, em mong nhận đƣợc sự chỉ bảo tận tình của thầy cô trong bộ môn. Hải Phòng, ngày 05 tháng 07 năm 2014 Sinh viên thực hiện Phạm Văn Ba 1
  4. CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Hiện nay thì nguồn xung hay nói cách khác nó là các bộ nguồn biến đổi DC-DC nó đƣợc sử dụng phổ biến hầu hết trên các mạch điện và các hệ thống điện tự động. Với ƣu điểm là khả năng cho hiệu suất đầu ra cao, tổn hao thấp, ổn định đƣợc điện áp đầu ra khi đầu vào thay đổi, cho nhiều đầu ra với các cấp điện áp khác nhau Nguồn xung hiện nay có rất nhiều loại khác nhau nhƣng nó đƣợc chia thành 2 nhóm nguồn : Cách ly và không cách ly. * Nhóm nguồn không cách ly : - Boost - Buck - Buck – Boost * Nhóm nguồn cách ly : - flyback - Forward - Push-pull - Half Bridge - Mỗi loại nguồn trên đều có những ƣu nhƣợc điểm khác nhau. Nên tùy theo yêu cầu của nguồn mà ta chọn các kiểu nguồn xung nhƣ trên. Sau đây là nguyên tắc hoạt động của từng bộ nguồn trên (bộ nguồn hay dùng trong thực tế). 1.1. NGUỒN XUNG KIỂU : BUCK Đây là kiểu biến đổi nguồn cho điện áp đầu ra nhỏ hơn so với điện áp đầu vào tức là Vin<Vout. 2
  5. Xét một mạch nguyên lý sau : Hình 1.1: Bộ biến đổi kiểu BUCK Mạch có cấu tạo nguyên lý đơn giản chỉ dùng một van đóng cắt nguồn điện và phần lọc đầu ra. Điện áp đầu ra đƣợc điều biến theo độ rộng xung khi " Switch On" tức là nối nguồn vào mạch thì lúc đó dòng điện đi qua cuộn cảm và dòng điện trong cuộn cảm tăng lên, tại thời điểm này thì tụ điện đƣợc nạp đồng thời cũng cung cấp dòng điện qua tải. Chiều dòng điện đƣợc chạy theo hình vẽ. Khi " Swith Off" đƣợc mở ra tức là ngắt nguồn ra khỏi mạch. Khi đó trong cuộn cảm tích lũy năng lƣợng từ trƣờng và tụ điện đƣợc tích lũy trƣớc đó sẽ phóng qua tải. Cuộn cảm có xu hƣớng giữ cho dòng điện không đổi và giảm dần. Chiều của dòng điện trong thời điểm này nhƣ trên hình vẽ. Quá trình đóng cắt liên tục tạo tải một điện áp trung bình theo luật băm xung PWM. Dòng điện qua tải sẽ ở dạng xung tam giác đảm bảo cho dòng liên tục qua tải. Tần số đóng cắt khá cao để đảm bảo triệt nhiễu công suất cho mạch. Van công suất thƣờng sử dụng các van nhƣ Transitor tốc độ cao, Mosfet hay IGBT 3
  6. Hình 1.2: Giản đồ xung của bộ biến đổi Điện áp đầu ra đƣợc tính nhƣ sau : Vout = Vin * (ton/(ton+toff) = Vin* D ( với D là độ rộng xung %) Với ton, toff lần lƣợt là thời gian mở và thời gian khóa của van. Đối với kiểu nguồn Buck này thì cho công suất đầu ra rất lớn so với công suất đầu vào vì sử dụng cuộn cảm, tổn hao công suất thấp. Do vậy nên nguồn buck đƣợc sử dụng nhiều trong các mạch giảm áp nguồn DC. Ví dụ nhƣ từ điện áp 100VDC mà muốn hạ xuống 12VDC thì dùng nguồn Buck là hợp lý. 1.2. NGUỒN XUNG KIỂU : FLYBACK Đây là kiểu nguồn xung truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp. Cho điện áp đầu ra lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp đầu vào. Từ một đầu vào có thể cho nhiều điện áp đầu ra. Sơ đồ nguyên lý nhƣ sau : 4
  7. Hình 1.3: Sơ đồ kiểu Flyback Mạch có cấu tạo bởi 1 van đóng cắt và 1 biến áp xung. Biến áp dùng để truyền công suất từ đầu vào cho đầu ra. Điện áp đầu ra phụ thuộc vào băm xung PWM và tỷ số truyền của lõi. Khi "Switch on " thì dòng điện trong cuộn dây sơ cấp tăng dần lên. Cực tính của cuộn dây sơ cấp có chiều nhƣ hình vẽ và khi đó bên cuộn dây thứ cấp sinh ra một điện áp có cực tính dƣơng nhƣ hình vẽ. Điện áp ở sơ cấp phụ thuộc bởi tỷ số giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Lúc này do diode chặn nên tải đƣợc cung cấp bởi tụ C Khi "Switch Off" cuộn dây sơ cấp mất điện đột ngột lúc đó bên thứ cấp đảo chiều điện áp qua Diode cung cấp cho tải và đồng thời nạp điện cho tụ. Trong các mô hình của nguồn xung thì nguồn Flybach đƣợc sử dụng nhiều nhất bởi tính linh hoạt của nó, cho phép thiết kế đƣợc nhiều nguồn đầu ra với 1 nguồn đầu vào duy nhất kể cả đảo chiều cực tính. Các bộ biến đổi 5
  8. kiểu Flyback đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sử dụng nguồn pin hoặc acqui, có một nguồn điện áp vào duy nhất để cung cấp cho hệ thống cần nhiều cấp điện áp(+5V,+12V,-12V) với hiệu suất chuyển đổi cao. Đặc điểm quan trọng của bộ biến đổi Flyback là pha(cực tính) của biến áp xung đƣợc biểu diễn bởi các dấu chấm trên các cuộn sơ cấp và thứ cấp (trên hình vẽ). Công thức tính toán cho nguồn dùng Flyback: Vout=Vin x (n2/n1) x (Ton x f) x (1/(1-(Ton x f))) Với : n2 = cuộn dây thứ cấp của biến áp n1 = Cuộn dây sơ cấp biến áp Ton = thời gian mở của Q1 trong 1 chu kì f là tần số băm xung (T=1/f = (Ton + Toff)) Nguồn xung kiểu Flyback hoạt động ở 2 chế độ : Chế độ liên tục (dòng qua thứ cấp luôn > 0) và chế độ gián đoạn (dòng qua thức cấp luôn bằng 0) 1.3. NGUỒN XUNG KIỂU : PUSH-PULL (ĐẨY- KÉO) Đây là dạng kiểu nguồn xung đƣợc truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp, cho điện áp đầu ra nhỏ hơn hay lớn hơn so với điện áp đầu vào. Từ một điện áp đầu vào cũng có thể cho nhiều điện áp đầu ra. Nó đƣợc gọi là nguồn đẩy kéo. Xét sơ đồ nguyên lý sau : 6
  9. Hình 1.4: Sơ đồ bộ biến đổi PUSH-PULL Đối với nguồn xung loại Push-Pull này thì dùng tới 2 van để đóng cắt biến áp xung mỗi van dẫn 1 nửa chu kì. Nguyên tắc cũng gần giống với nguồn flyback. Khi A đƣợc mở B đóng thì cuộn dây Np ở phía trên sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía trên ở thứ cấp có điện và điện áp sinh ra có cùng cực tính. Dòng điện bên thứ cấp qua Diode cấp cho tải. Nhƣ trên hình vẽ. Khi B mở và A đóng thì cuộn dây Np ở phía dƣới sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía dƣới thứ cấp có điện và điện áp này sinh ra cũng cùng cực tính. Nhƣ trên hình 1.3.Với việc đóng cắt liên tục hai van này thì luôn luôn xuất hiện dòng điện liên tục trên tải. Chính vì ƣu điểm này mà nguồn Push Pull cho hiệu suất biến đổi là cao nhất và đƣợc dùng nhiều trong các bộ nguồn nhƣ UPS, Inverter Công thức tính cho nguồn Push-Pull: Vout = (Vin/2) x (n2/n1) x f x (Ton,A + Ton,B) Với : Vout: Điện áp đầu ra –V Vin: Điện áp đầu vào - V 7
  10. n2 = Số vòng dây cuộn thứ cấp. n1 = Số vòng dây cuộn sơ cấp. f = Tần số đóng cắt – Hertz Ton,A = thời gian mở Van A – S Ton,B = Thời gian mở Van B – S Một số lƣu ý khi dùng nguồn đẩy kéo: +Trong 1 thời điểm thì không đƣợc cả hai van A và B cùng dẫn. Mỗi van chỉ đƣợc dẫn trong 1 nửa chu kì. Khi van này mở thì van kia phải đóng và ngƣợc lại. +Thời gian mở các van phải chính xác, giữa 2 van cần phải có thời gian chết để đảm bảo cho hai van không dẫn cùng. 1.4. BỘ BIẾN ĐỔI FULL-BRIDGE (TOÀN CẦU) Với Q1 và Q4 dẫn dòng điện đi qua cuộn sơ cấp đồng thời cảm ứng sang cuộn dây thứ cấp và điện áp sinh ra có cùng cực tính, khi Q2 và Q3 dẫn cuộn dây ở phía dƣới sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây phía dƣới thứ cấp có điện và điện áp này sinh ra cũng cùng cực tính. Bộ biến đổi full-bridge thƣờng đƣợc sử dụng cho những bộ nguồn lớn hơn 1000 W. Hình 1.5: Bộ biến đổi ful-bridge 8
  11. Công thức tính cho bộ nguồn full-bridge: Vout = Vin x (n2/n1) x f x (Ton, Q1 + Ton, Q2) Trong đó: Vout = Điện áp đầu ra – V Vin = Điện áp đầu vào – V n2 = 0,5 x số vòng dây cuộn thứ cấp. n1 = số vòng dây cuộn sơ cấp f = tần số đóng cắt- Hz Ton, Q1 = thời gian dẫn của Q1 – s Ton, Q2 = thời gian dẫn của Q2- s 1.5. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO Ô TÔ ĐIỆN 1.5. 1. Bộ biến đổi DC – DC (DC – DC Converters). Khối mạch điện công suất trên xe ô tô điện gồm có ba hệ thống điện áp một chiều: ắc quy, siêu tụ điện và DC-link. Để kết nối ba hệ thống điện áp một chiều này với nhau, đồng thời đảm bảo khả năng điều khiển tối ƣu dòng năng lƣợng trong các chế độ hoạt động của ô tô cần có các bộ biến đổi DC- DC tăng / hạ áp hai chiều (Bidirectional Buck-Boost DC-DC converter) với các chức năng khác nhau. Hình 1 mô tả tổng thể hệ thống nguồn bao gồm ắc quy, siêu tụ và bộ biến đổi DC-DC hai chiều. 9
  12. Hình 1.6: Hệ thống nguồn năng lƣợng với các chế độ hoạt động. Hai bộ biến đổi DC-DC hai chiều đóng vai trò khác nhau trong hệ thống. Bộ biến đổi giữa siêu tụ và DC-link có vai trò làm giảm cấp điện áp của siêu tụ và huy động công suất lớn từ siêu tụ trong quá trình tăng tốc. Mức điện áp định mức ở DC-link cần có để cấp nguồn cho động cơ hoạt động là 300VDC. Trong quá trình hãm tái sinh năng lƣợng, điện áp DC-link có thể dâng lên lới 600VDC. Nếu đấu nối trực tiếp siêu tụ vào DC-link thì cần lựa chọn siêu tụ có khả năng chịu đƣợc mức điện áp 600VDC. Trên thực tế, siêu tụ điện đƣợc chế tạo với mức điện áp nhỏ, chỉ khoảng vài VDC, module siêu tụ có mức điện áp lớn nhất trên thị trƣờng hiện nay là 125VDC [1]. Nếu đấu nối tiếp nhiều module để có điện áp 600VDC sẽ khiến giá thành bị nâng lên rất cao, đồng thời gây khó khăn cho việc điều khiển cân bằng điện áp giữa các module, dẫn tới khả năng nổ toàn bộ siêu tụ. Do vậy, bộ biến đổi DC-DC này có vai trò hạ mức điện áp từ 600VDC xuống 250VDC (hai module mắc nối tiếp) trong quá trình hãm tái sinh. Đồng thời, nó có vai trò huy động một 10
  13. lƣợng công suất lớn trong thời gian ngắn từ siêu tụ để phục vụ quá trình tăng tốc cho xe. Điều này tránh đƣợc việc phải huy động công suất lớn từ ắc quy, do vậy sẽ đảm bảo đƣợc tuổi thọ ắc quy. Bộ biến đổi giữa ắc quy và DC-link có vai trò điều phối dòng năng lƣợng nạp về ắc quy trong quá trình hãm tái sinh và nâng điện áp từ ắc quy lên DC-link. Ắc quy có mật độ năng lƣợng cao nhƣng có mật độ công suất thấp. Điều đó có nghĩa ắc quy có khả năng tích trữ lớn, đảm bảo cung cấp năng lƣợng cho ô tô chạy đủ quãng đƣờng yêu cầu nhƣng khả năng phóng và đặc biệt là nạp năng lƣợng bị hạn chế. Khi hãm tái sinh, toàn bộ năng lƣợng lớn trả về sẽ đƣợc nạp nhanh chóng vào siêu tụ, chỉ một lƣợng nhỏ đƣợc nạp vào ắc quy sao cho phù hợp với đặc tính nạp chậm để đảm bảo tuổi thọ cho ắc quy. Bộ biến đổi DC-DC này cũng cho phép hạ cấp điện áp trên bộ ắc quy, tránh việc đấu nối tiếp nhiều ắc quy gây khó khăn cho việc cân bằng tải. Hình 1.7: Hệ thống nguồn năng lƣợng cho ô tô điện. Với cái nhìn ở cấp độ hệ thống, các nguồn năng lƣợng và bộ biến đổi phải đƣợc quản lý và điểu khiển một cách đồng bộ, thống nhất nhƣ thể hiện trên Hình 1.6. Mạch đo và giám sát trạng thái ắc quy có nhiệm vụ đo lƣờng, 11
  14. thu thập, tổng hợp các giá trị nhiệt độ, dòng điện, điện áp phóng, nạp ắc quy trong các chế độ và đƣa thông tin về bộ điều khiển trung tâm để giám sát, hiển thị và điều tiết. Bộ điều khiển dòng năng lƣợng nhận tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm, từ thông tin về dòng điện, điện áp một chiều đo đƣợc, tính toán và phát ra xung PWM điều khiển hai bộ biến đổi DC-DC tăng / hạ áp hai chiều. Bộ điều khiển dòng năng lƣợng có trách nhiệm phân phối, quản lý và điều khiển tối ƣu hóa dòng năng lƣợng trao đổi giữa nguồn và tải trong các chế độ hoạt động. Hình 1.8: Cấu hình cơ bản của bộ biến đổi DC-DC hai chiều. Cấu hình cơ bản và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC-DC hai chiều tƣơng đối đơn giản, đƣợc minh họa trên các Hình 1.8, 1.9, 1.10, Chế độ boost (tăng áp) đƣợc thực hiện nhƣ sau: trƣớc tiên van IGBT T2 mở, cuộn kháng đƣợc nạp điện. Sau đó, T2 khóa lại, cuộn kháng phóng điện mở thông diode D1, nạp điện vào tụ. Chu kỳ tiếp theo lại đƣợc thực hiện nhƣ vậy, tụ không thể phóng điện ngƣợc trở lại do T1 không mở và D1 phân cực ngƣợc. Do đó điện áp của tụ sẽ dâng cao dần lên. Đây là chế độ hoạt động tăng áp. Chế độ buck (hạ áp) đƣợc thực hiện nhƣ sau: trƣớc tiên T1 mở, tụ phóng điện qua cuộn cảm nạp vào ắc quy. Sau đó van T1 khóa lại, năng lƣợng còn thừa trong cuộn cảm đƣợc giải phóng qua D2. Tùy thuộc vào tỷ số đóng cắt (duty cycle) mà điện áp phía ắc quy sẽ thấp hơn điện áp trên tụ với một tỷ lệ tƣơng ứng. 12
  15. Hình 1.9: Minh họa chế độ hoạt động tăng áp. Hình 1.10: Minh họa chế độ hoạt động hạ áp 1.5.2. Bộ biến tần Về cấu trúc tổng quát, hệ biến tần cho ô tô điện cũng tƣơng tự nhƣ các hệ biến tần quen thuộc khác . Đây là cấu hình nghịch lƣu (Inveter) hay còn đƣợc gọi là bộ biến đổi DC – AC (DC – AC Converter), có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện một chiều đƣợc tích trữ trong ắc qui hoặc siêu tụ điện thành nguồn điện xoay chiều cung cấp cho động cơ điện. Tùy theo loại động cơ mà bộ biến đổi tƣơng ứng có thể có tên gọi khác nhau, nhƣ Bộ chuyển mạch (Commutator) là cách gọi phổ biến của bộ biến đổi dùng cho động cơ điện dạng sóng hình thang (BLDC Motor). Tuy nhiên, nguyên lý chung của các bộ biến đổi này là nhƣ nhau và đƣợc mô tả trong hình 1.10. Với 2 khối: khối công suất và khối điều khiển. Các van bán dẫn dùng trong khối công suất 13
  16. thƣờng là IGBT. Khối điều khiển thƣờng sử dụng kỹ thuật điều biến độ rộng xung (PWM) để đóng mở các van công suất, theo các luật điều khiển lựa chọn. Các luật điều khiển này (ví dụ: giữ tỷ số V/f bằng hằng số, điều khiển tựa từ thông roto, điều khiển trực tiếp mômen, v.v.). Hình 1.11: Cấu trúc tổng quát của biến tần Tuy nhiên, cũng giống nhƣ động cơ, biến tần dùng cho ô tô điện có những khác biệt về mặt cấu trúc cụ thể và phƣơng pháp điều khiển, so với biến tần sử dụng trong công nghiệp, để phù hợp với đặc tính của tải. Với đặc tính có dạng hyperbol, hiệu suất tối ƣu của hệ thống (bộ biến đổi – động cơ) có thể lên tới 90 – 92 %. 14
  17. CHƢƠNG 2: ẮC QUY VÀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 2.1. MỞ ĐẦU 2.1.1. Cấu tạo Acquy đƣợc cấu tạo bởi 2 hay nhiều các ngăn acquy nhỏ đƣợc ghép lại với nhau, các ngăn này chuyển hóa năng thành điện năng. Một ngăn gồm 2 bản cực, cực dƣơng và cƣc âm đƣợc nhúng một dung dịch điện phân nên sẽ có sự tác dụng giữa các bản cực với dung dich điện phân và sinh ra dòng điện một chiều. Trong trƣờng hợp các acquy có thể sạc, các phản ứng hóa học diễn ra ngƣợc lại bằng cách cho dòng điện vào acquy. Accquy chì acid là loại acquy phổ biến nhất. 2.1.2. Các thông số của acquy a. Điện áp. Mỗi ngăn acquy có một điện áp nhỏ, các ngăn sẽ đƣợc nối nối tiếp với nhau để đƣa ra đƣợc một điện áp yêu cầu. Acquy trên xe hơi thƣờng là 6V hoặc 12V nên các ngăn đƣợc nối với nhau để tạo ra điện áp nhƣ trên. Khi dòng điện đƣợc đƣa ra, điện áp sẽ giảm xuống, khi acquy đƣợc sạc điện áp lại tăng lên. 15
  18. Hình 2.1: Mạch tƣơng đƣơng của acquy. Acquy có một suất điện động E đƣợc cho là không đổi, nhƣng điện áp trên 2 bản cực là một giá trị khác V do điện trở trong của acquy. Phụ thuộc vào dòng điện I chảy ra 2 bản cực acquy. Điện áp trên 2 bản cực của acquy có thể tính nhƣ sau: V = E – IR. Nếu nhƣ dòng điện I = 0, thì điện áp trên hai bản cực coi nhƣ bằng E. do đó E đƣợc coi là điện áp hở mạch. Khi acquy đƣợc sạc thì điện áp sạc sẽ bị tăng lên bới IR. Vì vậy điện trở trong của acquy càng nhỏ càng tốt. Trong thực tế E không phải là một hằng số. Điện áp bị ảnh hƣởng bởi trạng thái sạc và nhiều nhân tố khác nhƣ nhiệt độ. b. Khả năng tích điện. Điện tích mà một acquy có thể cung cấp là một thông số quyết đinh. Đơn vị trong hệ SI là coulomb, là số điện tích khi một amp chảy qua trong một giây. Tuy nhiên đây là một đơn vị nhỏ. Do đó amphour đƣợc sử dụng: 1Ampe chảy qua trong một giờ. VD: dung lƣợng của một acquy là 10Amphours nghĩa là nó có thể cung cấp dòng 1Ampe trong 10 giờ, hay là 2Ampe trong 5 giờ, 10Ampe trong 1 giờ. Nhƣng thực tế theo nhƣ thông số là 10Amphours, nếu nhƣ 10Ampe đƣợc lấy ra thì khả năng phóng của acquy sẽ không quá 1 giờ. 16
  19. Một ví dụ khác với một acquy 100Amphour. Dung lƣợng sẽ bị ảnh hƣởng khi điện tích đƣợc lấy ra nhanh hay chậm. Khi phóng điện hết trong 1 giờ thì dung lƣợng giảm xuống chỉ còn khoảng 70Amphours. Mặt khác nếu phóng điện càng lâu ( khoảng 20 giờ) thì dung lƣợng lại lên tới 110Amphours. Hiện tƣợng này xảy ra bởi những phản ứng không mong muốn trong các ngăn acquy. Hiện tƣợng này dễ nhận thấy nhất trong acquy chì axit, nhƣng nó cũng xảy ra với tất cả các loại acquy. c. Hiệu suất của năng lƣợng. Đây là tỷ lệ giữa năng lƣợng mà một acquy có thể cung cấp cho tải với năng lƣợng cần thiết mà acquy nạp vào trƣớc khi phóng điện. d. Tỷ lệ tự phóng điện. Hầu hết các loại acquy khi không sử dụng đều bị xảy ra hiện tƣợng này, điều này cho thấy acquy không thể để không trong một thời gian dài mà không đƣợc nạp, tỷ lệ này phụ thuộc vào loại acquy, nhiệt độ môi trƣờng e. Nhiệt độ khi hoạt động và làm mát. Nhiều loại acquy có thể hoạt động ngay ở nhiệt độ môi trƣờng, một số hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, cần phải làm nóng lên mới sử dụng đƣợc và cần phải làm mát trong khi sử dụng. Tuy nhiên, hiệu suất acquy sẽ rất kém khi làm việc ở nhiệt độ thấp. Khi chọn acquy phải cân nhắc đến các yếu tố trên. g. Tuổi thọ và số lần nạp lại. Hầu hết acquy chỉ có thể nạp lại khoảng vài trăm lần, số lần nạp lại phụ thuộc vào từng loại acquy, cũng nhƣ thiết kế chi tiết, cách sử dụng của acquy, đây là thông quan trọng trong các thông số của acquy. 17
  20. 2.2. CÁC LOẠI ẮC QUY 2. 2.1. Ắc quy chì axit Đây là loại acquy đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong các loại xe. Ở trong các ngăn của loại acquy này cực âm đƣợc cấu tạo từ chì, cực dƣơng làm từ chì oxit, các cực này đƣợc ngâm vào trong một dung dịch điện phân loãng của axit sunfuric. Axit sunfuric kết hợp với chì, chì oxit, sinh ra chì sunfat và nƣớc, năng lƣợng sẽ đƣợc sinh ra trong suốt quá trình này. Pb + PbO2 + H2SO4 2PbSO4 + 2H2O Phản ứng trên đƣợc mô tả trên hình 2.2. Hình 2.2: Phản ứng trên mỗi cực acquy. 18
  21. Phần trên của hình vẽ diễn tả quá trình phóng điện của acquy, cả 2 bản cực đều hình thành chì sunfat, dung dịch axit sunfuric bị loãng dần, Khi nạp điện, 2 bản cực trở lại thành chì và chì oxit, dung dịch điện phân tăng trở lại tính axit. Acquy chì axit này đƣợc sử dụng rất rộng rãi, hoạt động tin cậy, các thành phần cấu tạo rẻ, và điện áp khoảng 2V cho mỗi ngăn. Đặc trƣng riêng của ắc quy chì axit. Các phản ứng trong acquy không chỉ diễn ra nhƣ trên hình vẽ, các cực của acquy đều tác dụng với axit sunfuric mặc dù diễn ra rất chậm nhƣ sau: Ở cực dƣơng : 2PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O + O2 Ở cực âm : Pb + H2SO4 PbSO4 + H2 Đây là quá trình tự phóng của acquy, tốc độ diễn ra phụ thuộc vào nhiêt độ của acquy, nhiệt độ càng cao diễn ra càng nhanh, sự nguyên chất của các linh kiện. Mặt khác, sau khi đã sạc đầy nếu ta tiếp tục sạc tiếp khi đó không còn chì sunfat để nhận các electron sẽ sinh ra H2 và O2. Làm dung dịch trong acquy bị cạn dần. 2.2.2. Ắc quy Nickel Acquy này sử dụng điện cực bằng nikel đƣợc phát triển từ công trình nghiên cứu của Edison vào cuối thế kỷ 19. Các loại acquy này đƣợc làm từ kim loai nickel, nickel – kẽm, nickel-cadimi. Acquy nicken-cadimi. Đây là loại acquy coi là phổ biền ngang với acquy chì, nhƣng nó có chỉ số năng lƣợng riêng gấp đôi acquy chì. Acquy nicken-cadimi sử dụng nicken oxyhidroxide để làm cực dƣơng và cadimi làm cực âm, năng lƣợng điện thu đƣợc qua phản ứng sau: 19
  22. Cd + 2NiOOH + 2H2O  Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 NiCad acquy đƣợc ứng dụng khá rộng rãi, có số lần nạp lại khỏang 2500 lần, nhiệt độ hoạt động trong khoảng -40*C đến +80*C, chỉ số tự phóng thấp, khả năng lƣu trữ năng lƣợng dài, có thể sạc đầy trong vòng 1 giờ, và đến 60% trong 20 phút. Mỗi ngăn acquy chỉ có điện áp khoảng 1.2V do đó để có một điện áp 12V cần có 10 ngăn, Cd là một chất gây ô nhiễm môi trƣờng và gây ung thƣ, các điều này làm tăng giá thành của acquy. 2.2.3. Ắc quy Natri. Loại acquy này đƣợc phát triển vào những năm 1980, sử dụng dung dịch natri để làm cực âm, điểm khác biệt của acquy này với các loại acquy khác là chúng hoạt động ở nhiệt độ cao. Chúng có một cực làm từ natri lỏng bên trong hình dạng của một loại sứ, chúng rất độc hại nên không đƣợc ứng dụng vào trong điện thoại di động hay lapotp. a. Acquy natri lƣu huỳnh. Bắt đầu đƣợc phát triển vào những năm 1970, chúng hoạt động ở nhiệt độ 300 - 350 . để giữ đƣợc nhiệt độ nhƣ vậy chúng đƣợc đóng kín vào một hộp chân không. Cực dƣơng gồm natri lỏng, cực âm gồm dung dịch lƣu huỳnh. Năng lƣợng điện đƣợc giải phóng qua sự kết hợp giữa natri và lƣu huỳnh tạo thành natri sulphide. 2Na + xS  Na2Sx Do yêu cầu nhiệt độ cao, nên các loại acquy nhỏ không thể chế tạo đƣợc, việc làm nóng và làm mát cho acquy cần đƣợc thiết kế cẩn thận. mặt khác sự nguy hiểm của natri và lƣu huỳnh đã làm cho loại acquy này không còn xuất hiện trên thị trƣờng. 20
  23. b. Acquy Zebra. Acquy zebra sử dụng nickel cloride để làm cực dƣơng và natri lỏng để làm cực âm. Năng lƣơng đƣợc tạo ra từ phản ứng giữa Natri và Nickel cloride: 2Na + NiCl2 Ni + 2NaCl Điện áp tạo ra từ phản ứng khoảng 2.5V, trong giai đoạn sau phản ứng trở lên phức tạp, các ion nhôm từ dung dịch điện phân làm hạ điện áp, rơi xuống khoảng 1.6V. điện trở trong của acquy cũng tăng theo. Một nhƣợc điểm lớn nữa của Zebra acquy là chúng hoạt động ở nhiệt độ 320*C. 2.2.4. Ắc quy Liti. Từ cuối năm 1980 acquy liti đã xuất hiện trên thị trƣờng, chúng có mật độ năng lƣợng cao hơn hẳn so với các loại acquy khác. Chúng có ở các laptop đắt tiền, điện thoại di động nhiều hơn các loại acquy NiCad và NiHM. a. Acquy Li-polymer. Li-poplymer acquy sử dụng Li làm cực âm và một oxit kim loại khác đặt ở giữa là cực dƣơng, phản ứng hóa học giữa Li và kim oxit kim loại giải phóng năng lƣợng. khi acquy đƣợc sạc phản ứng hóa học đƣợc diễn ra ngƣợc lại. xLi + MyOz LixMyOz Hình dạng của cực Liti là vấn đề lớn của loại acquy này, chúng thỉnh thoảng bị giảm hiệu suất hoạt động do sự thụ động, do đó chúng đã bị thay thế bởi acquy Li-ion. 21
  24. b. Acquy Li-ion. Acquy Li-ion đƣợc giới thiệu vào đầu những năm 1990, sử dụng oxit Liti để làm cực dƣơng và Liti Cacbon để làm cực âm, dung dịch điện phân là một dung dich hữu cơ hoặc một loại polymer rắn. Năng lƣợng đƣợc giải phóng từ phản ứng giữa Liti cacbon và oxit liti. C6Lix + MyOz 6C + LixMyOz Đặc điểm quan trọng của loại acquy này là chúng cần một điện áp chính xác khi sạc, nếu cao quá sẽ làm hỏng acquy, thấp quá sẽ sẽ không đủ để sạc. Để đáp ứng điều này, các bộ sạc acquy cũng đƣợc phát triển cùng với acquy. Acquy Li-ion có một lợi thế về trọng lƣợng so với các loại khác, có mật độ năng lƣợng cao gấp lần acquy chì. 2.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP SẠC ẮC QUY 2.3.1. Phƣơng pháp phóng nạp a. Phóng điện ắc quy. Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ dòng điện nào nhỏ hơn trị số ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo. Khi phóng diện bằng chế độ 3 giờ hoặc dài hơn, có thể phóng liên tục cho đến khi điện thế ở mỗi ngăn giảm xuống đến 1,8V. Khi phóng với chế độ 1,2 giờ, thì ngừng phóng khi điện thế ở mỗi ngăn xuống đến 1,75V. Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo điện thế. Trong trƣờng hợp này, việc kết thúc phóng đƣợc xác định theo tỷ trọng chất điện phân. Việc phóng đƣợc kết thúc khi tỷ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06 g/cm3 so với tỷ trọng ban đầu (nhƣng cũng không đƣợc để điện thế mỗi ngăn giảm xuống thấp hơn 1,75V). 22
  25. b. Nạp điện ắc quy. Việc nạp ắc quy lần sau đƣợc tiến hành sau khi phóng thử dung lƣợng ắc quy nhƣng không đƣợc quá 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng. Tuỳ theo phƣơng pháp vận hành ắc quy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp, phƣơng pháp nạp, việc nạp có thể đƣợc thực hiện theo các cách nhƣ sau: Nạp với dòng điện không đổi. Nạp với dòng điện giảm dần. Nạp với điện thế không đổi. Nạp thay đổi với điện thế không đổi. c. Nạp với dòng điện không đổi. Việc nạp có thể tiến hành theo kiểu 1 bƣớc hoặc 2 bƣớc. Nạp kiểu 1 bƣớc: Để dòng nạp không vƣợt quá 12 % của dung lƣợng phóng mức 10 giờ tức là 0,12 C10. Nạp kiểu 2 bƣớc: Bước 1: Để dòng điện nạp bằng dòng điện định mức của thiết bị nạp nhƣng không vƣợt quá 0,25 C10. Khi điện thế tăng lên đến 2,3 – 2,4V thì chuyển sang bƣớc 2. Bước 2: Để dòng điện nạp không vƣợt quá 0,12C10. Đến cuối thời gian nạp, điện thế ắc quy đạt đến 2,6 – 2,8V. Tỷ trọng ắc quy tăng lên đến 1,200 – 1,210 g/cm3, giữa các bản cực ắc quy quá trình bốc khí xảy ra mãnh liệt. Việc nạp đƣợc coi là kết thúc khi điện thế và tỷ trọng của ắc quy ngừng tăng lên trong khoảng 1 giờ và ắc quy sau khi nghỉ nạp 1 giờ khi nạp lại sẽ sôi ngay tức thì. Thời gian nạp đối với ắc quy đã đƣợc phóng hoàn toàn theo kiểu nạp 1 bƣớc với dòng 0,12C10 mất khoảng 12 giờ, còn nạp 2 bƣớc với dòng 0,25C10 23
  26. và 0,12C10 mất khoảng 7 – 8 giờ. Ở các giá trị mà dòng điện nạp bé hơn thì thời gian nạp phải tăng lên tƣơng ứng. c. Nạp với dòng điện giảm dần. Tiến hành nạp giống nhƣ phần trên, nhƣng với dòng điện giảm dần, ban đầu 0,25C10 và sau đó 0,12C10. Ở giá trị dòng nạp nhỏ: thời gian tƣơng ứng đƣợc tăng lên. Dấu hiệu kết thúc nạp cũng giống nhƣ trƣòng hợp nạp với dòng điện không đổi. d. Nạp với điện thế không đổi. Nạp với điện thế không đổi đƣợc tiến hành với thiết bị nạp làm việc ở chế độ ổn áp. Điện thế đƣợc chọn trong giới hạn từ 2,2 – 2,35V đối với ắc quy chì axít và đƣợc duy trì ổn định trong suốt quá trình nạp. Thời gian nạp vài ngày đêm. Trong 10 giờ nạp đầu tiên, ắc quy có thể nhận đƣợc tới 80% dung lƣợng bị mất khi phóng. Khi tỷ trọng chất điện phân giữ nguyên trong 10 giờ thì có thể kết thúc việc nạp. e. Nạp ở chế độ ổn dòng và ổn áp. Việc nạp đƣợc tiến hành theo 2 bƣớc: Bước 1: Dòng điện nạp đƣợc hạn chế ở 0,25C10, còn điện thế thay đổi tăng tự do. Cho đến khi điện thế ắc quy tăng lên đến 2,2 – 2,35V thì chuyển sang bƣớc 2. Bước 2: Nạp với điện thế không đổi. Việc nạp này đƣợc tự động hoá bằng thiết bị nạp có ổn định điện thế và giới hạn dòng điện. g. Chế độ nạp thƣờng xuyên. Đối với các loại bình ắc quy tĩnh, việc vận hành ắc quy đƣợc tiến hành theo chế độ phụ nạp thƣờng xuyên. Ắc quy đƣợc đấu vào thanh cái một chiều song song với thiết bị nạp. Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của ắc quy tăng lên và chi phí bảo dƣỡng cũng đƣợc giảm xuống. Để bảo đảm chất lƣợng ắc quy, trƣớc khi đƣa vào chế độ phụ nạp thƣờng xuyên phải phóng nạp tập dƣợt 4 lần. Trong quá trình vận hành ắc quy 24
  27. ở chế độ phụ nạp thƣờng xuyên, ắc quy không cần phóng nạp tập dƣợt cũng nhƣ nạp lại. Trƣờng hợp sau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thƣờng xuyên mà thấy chất lƣợng ắc quy bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất. Ở chế độ phụ nạp thƣờng xuyên, cần duy trì điện thế trên mỗi bình ắc quy là 2,2 ± 0,05V để bù trừ sự tự phóng và duy trì ắc quy ở trạng thái luôn đƣợc nạp đầy. Dòng điện phụ nạp thông thƣờng đƣợc duy trì bằng 50 – 100 mA cho mỗi 100 Ah. Ở chế độ phụ nạp này, điện thế trên ắc quy phải đƣợc duy trì tự động trong khoảng ±2 %. Việc phóng thử dung lƣợng thực tế của ắc quy đƣợc tiến hành 1 – 2 năm 1 lần hoặc khi có nghi ngờ dung lƣợng ắc quy kém. Dòng điện phóng đƣợc giới hạn ở chế độ mức 3 đến 10 giờ. Để đánh giá chính xác dung lƣợng phóng của ắc quy, nên tiến hành ở cùng 1 chế độ phóng nhƣ nhau trong nhiều lần phóng. Dung lƣợng quy đổi đƣợc tính theo công thức: C20 = Ct /(1+0,008 ( t - 0 0 20 ) ) Với C20 là dung lƣợng ở 20 C, Ct là dung lƣợng ở t C. h. Chế độ phóng nạp xen kẽ. Ắc quy làm việc ở chế độ nạp phóng là ắc quy thƣờng xuyên phóng vào 1 phụ tải nào đó sau khi đã ngƣng nạp. Sau khi đã phóng đến 1 giá trị nào đó thì phải nạp trở lại. Trƣờng hợp sử dụng ắc quy không nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp với dòng điện không đổi là 0,1 C10. Việc xác định tiến trình nạp đƣợc kết thúc dựa theo các điều ghi ở phần trên. Việc nạp lại nhằm loại trừ việc sun phát hóa ở các bản cực. Việc nạp lại tiến hành 3 tháng một lần, hoặc khi ắc quy bị phóng với một dòng phóng lớn hơn dòng phóng cho phép. 25
  28. 2.4. VAI TRÒ CỦA ẮC QUY TRONG Ô TÔ. a. Hệ thống khởi động ô tô. Là một hệ thống giúp cho động cơ đốt trong của ô tô có thể bắt đầu hoạt động.Vì động cơ đốt trong không thể tự khởi động nên cần phải có một ngoại lực để khởi động nó. Thiết bị tạo ra ngoại lực là Động cơ hay mô-tơ điện một chiều, thông thƣờng gọi là mô-tơ đề. Để khởi động động cơ thì trục khuỷu phải quay nhanh hơn tốc độ quay tối thiểu. Tốc độ quay tối thiểu để khởi động động cơ khác nhau tuỳ theo cấu trúc động cơ và tình trạng hoạt động, thƣờng từ 40 -60 vòng/ phút đối với động cơ xăng và từ 80 - 100 vòng/phút đối với động cơ diesel. b. Ắc quy trên ô tô. Acquy chì acide là một thiết bị hoá điện, nó sinh ra hiệu điện thế và phân phối cƣờng độ dòng điện. Acquy là một nguồn năng lƣợng sơ cấp trên ô tô ngày nay. Nên nhớ rằng acquy không tích trữ điện mà chỉ tích trữ hoá học, nhờ vậy mà quá trình điện hoá đƣợc sinh ra. Một cách đơn giản, chì và dung dịch acide phản ứng với nhau và sinh ra một hiệu điện thế. Phản ứng hoá học này chuyển hoá năng thành điện năng và đó là cơ sở của các loại acquy trên ô tô. c. Công dụng của ắc quy. Acquy cung cấp điện khi: Động cơ ngừng hoạt động: Điện từ bình acquy đƣợc sử dụng để chiếu sáng, dùng cho các thiết bị điện phụ, hoặc là các thiết bị điện khác khi động cơ không hoạt động. Động cơ khởi động: Điện từ bình acquy đƣợc dùng cho máy khởi động và cung cấp dòng điện cho hệ thống đánh lửa trong suốt thời gian động 26
  29. cơ đang khởi động. Việc khởi động xe là chức năng quan trọng nhất của acquy. Động cơ đang hoạt động: Điện từ bình acquy có thể cần thiết để hỗ trợ cho hệ thống nạp khi nhu cầu về tải điện trên xe vƣợt qua khả năng của hệ thống nạp. Cả acquy và máy phát đều cấp điện khi nhu cầu đòi hỏi cao. 2.5. MOSFET 2.5.1.Cấu tạo và nguyên lý làm việc Hình 2.3: Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của MOSFET. 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 thể hiện cấu trúc và ký hiệu của MOSFET. G là cực điều khiển đƣợc cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhƣng 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 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 trƣờng làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ. Nếu kênh dẫn N thì các hạt mang điện sẽ là các điện tử (electron), do đó cực tính điện áp của cực máng sẽ là dƣơng so với cực gốc. Kênh dẫn kiểu P cũng tƣơng tự nhƣng các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn ngƣợc lại. Tuy nhiên 27
  30. đa số các MOSFET công suất là loại có kênh dẫn kiểu N. Một trong những ƣu điểm khi dùng MOSFET là tần số đóng cắt lớn, mạch điều khiển đơn giản vì MOSFET điều khiển bằng điện áp, dòng điện điều khiển hoàn toàn cách ly với dòng trên cực máng, do đó khi MOSFET dẫn không cần dòng điện duy trì nhƣ đối với transitor lƣỡng cực. Một thông số quan trọng của MOSFET công suất đó là tồn tại điện trở tự nhiên bên trong MOSFET. Điện áp rơi trên cực máng D và cực gốc S tỉ lệ tuyến tính với dòng trên kênh dẫn. Mối liên hệ đó đƣợc đặc trƣng bởi thông số RDS(ON) đƣợc ghi trong các datasheet của MOSFET. Điện trở RDS(ON) là hắng số tƣơng ứng với 1 điện áp VGS nhất định và nhiệt độ nhất định của MOSFET. Khi dòng điện qua MOSFET tăng thì nhiệt độ trên lớp bán dẫn tăng và do đó điện trở RDS(ON) cũng tăng theo. Hình 2.4: Kí hiệu quy ƣớc và hình dáng của MOSFET. 28
  31. a. Các thông số của MOSFET. 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 thƣờng thời gian đóng cắt của MOSFET từ 10ns- 60ns. Bên cạnh đó còn có các thông số quan trọng khác nhƣ: Điện áp lớn nhất trên hai cực D,S của MOSFET: VDS(max) (V). Dòng điện lớn nhất mà van chịu đƣợc: ID(A). Điện trở trong của van: RDS(on)( ). Dải nhiệt độ hoạt động của van. Các thông số này rất quan trọng khi ta thiết kế mạch điều khiển van. b. Quá trình mở và khóa của MOSFET. Khi cấp vào cực G của MOSFET một điện áp thông qua mạch Driver thì quá trinh mở Mosfet đƣợc thể hiện trong đồ thị sau: Hình 2.5: Quá trình mở của Mosfet. 29
  32. Quá trình mở của MOSFET. Giai đoạn thứ nhất: điện dung đầu vào của MOSFET đƣợc nạp từ điện áp 0V đến giá trị UTH , trong suốt quá trình đó hầu hết dòng điện vào cực G đƣợc nạp cho tụ CGS, một lƣợng nhỏ nạp cho tụ CGD. Quá trình này đƣợc gọi là quá trình mở trễ bởi vì cả dòng ID và điện áp trên cực D đều không đổi. Sau khi cực G 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 tăng từ UTH đến giá trị U Miller,. Đây là điểm làm việc tuyến tính của MOSFET; dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp cực cổng G. Ở phía cực cổng, dòng điện đi vào tụ điện CGS và CGD giống nhƣ trong khoảng thời gian đầu tiên và điện áp UGS ngày càng tăng. Ở đầu ra của MOSFET, dòng điện trên cực máng cũng tăng dần, trong khi điện áp D-S không đổi (U DS, OFF ). Cho đến khi tất cả dòng điện đƣợc chuyển vào MOSFET và diode khóa hoàn toàn để có thể ngăn chặn điện áp ngƣợc qua lớp tiếp giáp pn của nó, điện áp cực máng phải bằng cấp điện áp đầu ra. Giai đoạn thứ ba : Điện áp cực G giữ nguyên ở mức điện áp Miller (V GS, Miller ) cho dòng điện đi qua tải và các diode chỉnh lƣu bị khóa lại. Cấp cho cực máng 1 điện áp rơi. Trong khi xuất hiện điện áp rơi trên cực máng thì điện áp trên D-S vẫn giữ ở mức ổn định . Tất cả Dòng điện trên cực cổng nhận từ bộ điều khiển làm lệch hƣớng xả Của tụ CGD để tạo điều kiện thuận lợicho việc thay đổi điện áp qua D-S. Dòng điện cực máng của Mosfet đƣợc giữ không đổi vì bị giới hạn bởi các mạch điện bên ngoài, tức là nguồn dòng DC Giai đoạn thứ tƣ: là để tăng kênh dẫn điện cho MOSFET bằng cách áp dụng điều khiển mức điện áp cao cho cực cổng. Biên độ V GS đƣợc xác định bằng điện trở trong của thiết bị trong thời gian nó mở. Vì vậy, trong khoảng thời gian thứ tƣ, V GS tăng từ V GS, Miller đến giá trị cuối cùng của nó, V DRV. 30
  33. Điều này đƣợc thực hiện bởi sự nạp của tụ điện C GS và CGD , do đó dòng điện trên cực cổng đƣợc chia làm hai thành phần. Trong khi các tụ đang nạp điện, thì dòng điện trên cực máng là không đổi, và nguồn áp trên D-S giảm nhẹ do điện trở trong của thiết bị giảm. Quá trình khóa của MOSFET Hình 2.6: Quá trình khóa của MOSFET. Quá trình khóa đƣợc chia làm 4 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 nhƣng rất nhỏ, dòng điện trên cực D là 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 U DS(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. 31
  34. 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 tƣ: 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 đƣợc thực hiện trong bốn giai đoạn. Độ dài khoảng thời gian của các giai đoạn đƣợc 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 đẻ thiết kế mạch điều khiển Mosfet trong các ứng dụng có tần số đóng cắt lớn. 2.5.2. Đặc tính của MOSFET. Hình 2.7 thể hiện họ đặc tuyến ra của MOSFET kênh sẵn loại P. Đây là các đƣờng biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện ID với điện áp UDS ứng với từng giá trị của điện áp UGS khác nhau. Hình 2.7: Đặc tuyến của mosfet kênh đặt sẵn. Trên họ đặc tuyến ra, khi điện áp UDS = 0V thì dòng điện qua kênh ID = 0, do đó đặc tuyến xuất phát từ gốc tọa độ. Điều chỉnh cho UDS âm dần, với trị 32
  35. số còn nhỏ thì dòng điện ID tăng tuyến tính với sự tăng trị số của điện áp UDS và mối quan hệ này đƣợc tính theo định luật Ôm. Ta có vùng thuần trở của đặc tuyến. Khi điện áp UDS đạt tới trị số bão hòa (UDSb.h.) thì dòng điện cực máng cũng đạt tới một trị số gọi là dòng điện bão hòa IDb.h. Trong trƣờng hợp này, lớp tiếp xúc P-N chạm vào đáy của lớp oxit và kênh có điểm "thắt" tại cực máng, nên UDSbh còn đƣợc gọi là điện áp “thắt”. Nếu cho |UDS|>|UDSb.h| thì dòng điện không thay đổi và giữ nguyên trị số bão hòa IDb.h. Đồng thời, tiếp xúc P-N bị phân cực ngƣợc càng mạnh về phía cực máng, làm cho chiều dài của phần kênh bị "thắt" tăng lên. Độ chênh lệch của điện áp ΔUDS = ⎪UDS⎪-⎪UDSbh⎪ đƣợc đặt lên đoạn kênh bị "thắt" và làm cho cƣờng độ điện trƣờng ở đây tăng, giúp cho số các lỗ trống vƣợt qua đoạn kênh bị "thắt" không thay đổi, do vậy dòng IDbh giữ không đổi. Ta có vùng dòng điện ID bão hòa. Trƣờng hợp, nếu đặt UDS quá lớn sẽ dẫn đến hiện tƣợng đánh thủng tiếp xúc P-N ở phía cực máng, dòng điện ID tăng vọt. Lúc này tranzito chuyển sang vùng đánh thủng. Qua các họ đặc tuyến của MOSFET kênh sẵn ta thấy nó làm việc ở cả 2 chế độ nghèo và giàu hạt dẫn. MOSFET kênh sẵn có mức ồn nhỏ nên nó thƣờng đƣợc dùng trong các tầng khuếch đại đầu tiên của thiết bị cao tần. Độ hỗ dẫn gm của nó phụ thuộc vào điện áp UGS nên hệ số khuếch đại điện áp thƣờng đƣợc tự động điều khiển. Hình 2.8 biểu diễn đƣờng đặc tính của mosfet kênh cảm ứng. Khi phân cực cho G có UGS>0, các điện tích dƣơng ở cực G sẽ hút các điện tử của nền P về phía giữa của hai vùng bán dẫn N và khi lực hút đủ lớn thì số điện tử bị hút nhiều hơn, đủ để nối liền hai vùng bán dẫn N và kênh dẫn đƣợc hình thành. 33
  36. Khi đó có dòng điện ID đi từ D sang S, điện áp phân cực cho cực G càng tăng thì dòng ID càng lớn. Điện áp UGS đủ lớn để tạo thành kênh dẫn gọi là điện áp ngƣỡng UT. Khi UGS< UT thì dòng cực máng ID=o. Hình 2.8: Đặc tính mosfet của kênh cảm ứng. Chú ý. + Theo đặc tính của Mosfet thì thông thƣờng Mosfet đƣợc sử dụng với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao, tuy nhiên Mosfet không có khả năng chịu đƣợc dòng điện cao. + MosFet ngày nay đƣợc sản xuất với tần số đóng cắt cao và RSD-ON nhỏ làm cho tổn thất trong quá trình đóng cắt nhỏ đi rất nhiều + Điện áp kích cho MosFet phải là điện áp sạch và trong phạm vi cho phép 2.6. GiỚI THIỆU DIODE BÁN DẪN 2.6.1. Giới thiệu Điốt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngƣợc lại. Có nhiều loại điốt bán dẫn, nhƣ điốt chỉnh lƣu thông thƣờng, điốt Zener, LED. Chúng đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N. 34
  37. Ngày nay hầu hết các điốt đƣợc làm từ silic, nhƣng các chất bán dẫn khác nhƣ selen hoặc germani thỉnh thoảng cũng đƣợc sử dụng. 2.6.2. Cấu tạo Gồm 2 chất bán dẫn p,n nối với nhau, do có sự chênh lệch mật độ điện tử giữa hai lớp, khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dƣơng nên khi ghép với khối bán dẫn N (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hƣớng chuyển động khuếch tán sang khối N. Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dƣ thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dƣơng (thiếu hụt điện tử và dƣ thừa lỗ trống). Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hƣớng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lƣợng dƣới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bƣớc sóng gần đó). Hình2.9: Điện áp tiếp xúc hình thành. Sự tích điện âm bên khối P và dƣơng bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc (UTX). Điện trƣờng sinh ra bởi điện áp có hƣớng từ khối n đến khối p nên cản trở chuyển động khuếch tán và nhƣ vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc. Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0.6V đối với điốt làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với điốt làm bằng bán dẫn Ge. 35
  38. Hình 2.10: Điện áp ngoài ngƣợc chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng điện. Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thƣờng xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa. Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên đƣợc gọi là vùng nghèo. Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc đƣợc cân bằng bởi điện áp bên ngoài. Đây là cốt lõi hoạt động của điốt. Nếu đặt điện áp bên ngoài ngƣợc với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt. Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn điện tự do. Nói cách khác điốt chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hƣớng nhất định. Dựa vào ứng dụng của diode ngƣời ta chia thành các loại sau: Line frequency Diode: Loại Diode này thƣờng dùng trong các ứng dụng chỉnh lƣu. Chúng có thông số về điện áp xấp xỉ 5kV và dòng điện xấp xỉ 5kA hoạt động cao nhất trong các loại Diode, đặc tính chịu quá dòng, quá áp rất tốt. Bù lại chúng có đặc tính phục hồi ngƣợc lớn (Qrr và trr) Fast recovery Diode: Loại này có thời gian phục hồi bé xấp xỉ 1us. Chúng có thể đạt công suất cao và thƣờng dùng trong các ứng dụng nhƣ mạch DC-DC chỉnh lƣu. 36
  39. Schottky rectifiers: Là loại Diode chỉnh lƣu nhanh nhất, không bị hiện tƣợng phục hồi ngƣợc, điện áp phân cực thuận 0,2V , Tuy nhiên chúng chỉ chịu đƣợc điện áp hàng trăm Volt. Vì vậy chúng đƣợc sử dụng trong ứng dụng đo lƣờng. 2.6.3. Đặc tính Volt-Ampere Đặc tuyến Volt-Ampere của Diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng điện qua điốt theo điện áp UAK đặt vào nó. Có thể chia đặc tuyến này thành hai giai đoạn: Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V > 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực thuận. Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V< 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực nghịch. (UAK lấy giá trị 0,7V chỉ đúng với các điốt Si, với điốt Ge thông số này khác) Khi điốt đƣợc phân cực thuận và dẫn điện thì dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của mạch ngoài (đƣợc mắc nối tiếp với điốt). Dòng điện phụ thuộc rất ít vào điện trở thuận của điốt vì điện trở thuận rất nhỏ, thƣờng không đáng kể so với điện trở của mạch điện. Hình 2.11: Đặc tính thực tế của Diode 37
  40. CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI DC-DC 3.1. SƠ ĐỒ KHỐI BỘ BIẾN ĐỔI. Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống tăng áp. 3.2. LỰA CHỌN SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI Ta đƣa thông số và yêu cầu bộ biến đổi cần thiết kế nhƣ sau: Nguồn cấp là Acquy 12VDC/14Ah. Điện áp vào lớn nhất : Vinmax=13,5V. Điện áp vào nhỏ nhất : Vinmin=10,8V. Công suất đầu ra (Pout): 300W. Điện áp đầu ra (Vout): 110VDC. Tần số đóng cắt của van là : 10kHz. Hiệu suất : 80% Công suất đầu vào ( Pin) : 375W. Chu kỳ nhiệm vụ : D=45% Chu kỳ nhiệm vụ lớn nhất : Dmax=90% 38
  41. 3.2.1. Các bộ phận của bộ biến đổi. Với nguồn cấp là Acquy nên ta chọn mạch nghịch lƣu độc lập. Nhƣ vậy ta có ba sự lựa chọn : Nghịch lƣu độc lập nguồn áp, nguồn dòng và cộng hƣởng. Do ta sử dụng Acquy nên mạch nghịch lƣu độc lập nguồn dòng là không phù hợp. Mạch nghịch lƣu cộng hƣởng không phù hợp với yêu cầu thiết kế. Vì vậy lựa chọn mạch nghịch lƣu độc lập nguồn áp 3 pha là phù hợp với yêu cầu thiết kế. Bộ biến đổi DC-DC có 3 thành phần chính nhƣ sau : Mạch điều khiển : có nhiệm vụ tạo xung vuông với tần số 60kHz và tạo lệch pha 120 độ để đóng mở cho mosfet. Bộ nghịch lƣu : gồm 6 mosfet dùng để biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều. Máy biến áp động lực gồm ba biến áp xung nối -Y : có nhiệm vụ nâng điện áp lên cấp điện áp mong muốn. Bộ chỉnh lƣu : gồm 6 diode có nhiệm vụ chỉnh lƣu từ điện áp xoay chiều( AC) ba pha sang điện áp một chiều(DC). 3.2.2. Nguyên lý hoạt động. Nguyên lý mạch nâng điện áp từ Acquy có thể trình bày nhƣ sau : Hình 3.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch nâng điện áp. 39
  42. Trong sơ đồ trên ta sử dụng 6 MOSFET công suất có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều, qua MBA 3 pha để nâng lên mức điện áp mong muốn và qua bộ chỉnh lƣu để thành điện áp một chiều theo yêu cầu. 3.3. TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ MẠCH LỰC 3.3.1. Tính chọn van cho mạch nghịch lƣu Do yêu cầu của đề bài công suất khoảng 300W ta có thể chọn khóa là MOSFET để băm xung ( có cực cổng cách ly) Điện áp đặt vào cuộn sơ cấp của máy biến áp : U1 = 12V. Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp : U2p = Ud0 = Ud + 2. UD + 2.( BA ) = 110 + 6.0,6 +2(6%.110) = 126,8V. Trong đó : UD là độ sụt áp trên Diode. BA là độ sụt áp trên biến áp. Do ta sử dụng bộ chỉnh lƣu cầu 3 pha nên : Ud0 = 2,34.U2p Vậy giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp MBA là: U2p = = = 54,2V. Tỷ số MBA là : m = = = 4,5 Dòng điện dây (Id) là : Id = = = 2,8 A. Giá trị dòng điện chạy qua mỗi pha thứ cấp MBA là : I2 = .Id= 2,8= 2,30 A Dòng hiệu dụng sơ cấp trong mỗi pha MBA là : 40
  43. I1 = m.I2 = 4,5.2,3 = 10,4 A Tính chọn MOSFET. Do ta chọn 6 con MOSFET có thông số giống hệt nhau nên ta chỉ cần tính 1 con MOSFET là đủ. - Thời gian mở của bóng bán dẫn: Ton = . 0,45 = 30 us - Dòng điện vào ở 12V(IAVE) IAVE = 10,4 A - Dòng điện vào lớn nhất ở 12V là: IAVEmax= = = 11,6 A. - Dòng điện hiệu dụng ở 12V là: Irms=IAVEmax . = 6,4. = 10,9 A. - Điện áp lớn nhất mà khóa bán dẫn phải chịu bằng : VDSS > 2.Vin = 24V + dự phòng . Bởi vì điện áp vào lớn nhất là 24V, chọn MOSFET có điện áp định mức cao hơn 24V và dòng điện định mức cao hơn IAVEmax ở 12VDC Do đó ta chọn MOSFET kênh N: IRFZ44N có thông số cơ bản sau: 41
  44. Hình 3.3: Thông số, hình dáng và ký hiệu của IRFZ44N. 3.3.2. Tính chọn diode cho mạch chỉnh lƣu UND = 2,45.U2p = 2,45.54,2 = 132,8 V. IDtb = = = 0,9 A. IDhd = = = 1,6 A Chọn diode có hệ số dự trữ điện áp là: kv=1,6. Chọn diode có hệ số dự trữ dòng điện là: ki=1,2. Vậy diode phải chịu đƣợc là: ID= 1,2.0,9 = 1,08 A. Uim= 1,6.132,8= 212,5 V. Từ các thông số trên ta chọn diode 1N5408 có các thông số sau: 42
  45. Điện áp lớn nhất mà diode chịu đƣợc là : 800 V. Điện áp hiệu dụng là : 500V. Dòng điện trung bình của diode là : 3 A. Hình 3.4: Hình ảnh thực tế của 1N5408. 3.3.3. Tính chọn máy biến áp động lực Sử dụng 3 máy biến áp một pha nối ∆-Y cho bộ biến đổi tăng áp 3 pha thử nghiệm. Sự khác nhau giữa 2 cấu trúc của máy biến áp 3 pha đƣợc thể hiện trong hình vẽ sau: 43
  46. a. b. Hình 3.5: Cấu trúc mạch từ máy biến áp 3 pha a. MBA 3 pha với mạch từ chung. b. MBA 3 pha với 3 mạch từ riêng biệt. Máy biến áp ba pha sử dụng ba lõi ferrite cho hiệu suất tối ƣu hơn và độ sụt áp thấp khi tải thay đổi. Mỗi lõi ferrite đƣợc đặc trƣng bởi độ cảm ứng từ cực đại điều đó đảm bảo không có hiện tƣợng bão hòa xảy ra. Vật liệu làm lõi, kích thƣớc lõi, số vòng dây và tần số chuyển mạch đƣợc chọn sao cho MBA làm việc trong khoảng tuyến tính ( đầu vào thay đổi để cân xứng với đầu ra) ở bất kỳ điều kiện hoạt động nào. 44
  47. Điện áp dây của cuộn sơ cấp máy biến áp đƣợc biểu diễn bởi: = (1) Trong đó và là điện áp dây phía sơ cấp và diện tích gông từ đơn của máy biến áp ba pha và số vòng dây sơ cấp ở mỗi lõi của máy biến áp ba pha. Công suất phân phối phụ thuộc vào diện tích gông từ, tần số chuyển mạch. Cảm ứng từ cực đại (Bmax) đƣợc chọn để giữ gông từ nằm trong khoảng tuyến tính và tránh bão hòa từ trƣờng. Giá trị cực đại của cảm ứng từ là ∆B=2Bmax đƣợc sử dụng để tính số vòng dây. ∆B = (t)dt (2) Giải phƣơng trình tích phân ta đƣợc : = (3) Trong đó : - Diện tích của mỗi lõi máy biến áp (cm2). Ts = ( fs – Là tần số đóng cắt của mosfet (Hz)). W1: số vòng dây sơ cấp của MBA (vòng). Bmax = 0,12T Thay vào công thức (3) ta có số vòng dây sơ cấp ở mỗi lõi của máy biến áp là: 3b N1 = = 9,3 (vòng) (13). 3b 3b 3b Do Ae =3.Ae,s , Ae là tổng diện tích lõi của MBA ba pha. Vậy số vòng dây sơ cấp của mỗi máy biến áp là 10 vòng. 45
  48. Chọn mật độ dòng điện J=5mA/mm2 Tiết diện dây cuộn sơ cấp là : S1= = 2,08 mm2 Vậy d= = = 1,6 mm Số vòng dây thứ cấp của mỗi MBA là: W2 = .W1= .5=45 (vòng) Vậy số vòng dây cuộn thứ cấp ở mỗi lõi máy biến áp là 45 vòng. Tiết diện dây cuộn thứ cấp là : S2= = 0,46 mm2 Vậy d= = = 0,8 mm 3.4. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƢU CẦU BA PHA 3.4.1. Thiết kế mạch tạo xung. Sử dụng IC555. Sử dụng IC555 để tạo xung vuông với tần số 60kHz . Hình 3.6: Mạch tạo xung vuông bằng IC555. 46
  49. Bộ định thời 555 hoạt động với nguồn một chiều có điện áp từ 5V đến 12V. Vì vậy nó tƣơng thích với mức logic hông thƣờng và cả những mức điện áp của bộ khuếch đại thuật toán Đầu dƣơng của nguồn nuôi nối vào chân 8 (+Vcc), cực âm mắc vào chân số 1 nối đất(GND). Đầu nối đất đƣợc dùng làm điểm chung để so sánh các điện thế trên các điểm khác của mạch. Đầu ra chân 3 có thể có một trong 2 mức: mức cao và mức thấp. Mức cao xấp xỉ 11,5V. Mức cao xấp xỉ 0,1V. Với cách mắc nhƣ vậy đầu ra chân 3 có dạng sóng chữ nhật nhƣ hình 3.7. Hình 3.7: Dạng xung của bộ tạo dao động. Tần số đầu ra của IC555 đƣợc tính bởi công thức: f = = 3.4.2. Thiết kế bộ dịch pha số. 3.4.2.1. Tổng quan về flip-flop FF là mạch có khả năng lật lại trạng thái ngõ ra tuỳ theo sự tác động thích hợp của ngõ vào, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc lƣu trữ dữ liệu trong mạch và xuất dữ liệu ra khi cần. Có nhiều loại flip flop khác nhau, chúng đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng. Các mạch FF thƣờng đƣợc kí hiệu nhƣ sau: 47
  50. Hình 3.8: Kí hiệu của flip-flop. Nếu các ngõ vào sẽ quyết định ngõ ra là cái gì thì ngõ đồng hồ ck lại chỉ ra rằng khi nào mới có sự thay đổi đó. Chân Ck có thể tác động mức thấp hay mức cao tuỳ vào cấu trúc bên trong của từng IC FF, do đó với một IC FF cố định thì chỉ có một kiểu tác động và chỉ một mà thối, ví dụ với IC 74112 chỉ có một cách tác động là xung Ck tác động theo cạnh xuống. 3.4.2.2. Flip-flop D FF D : chỉ có 1 ngõ vào gọi là ngõ vào data(dữ liệu) hay delay(trì hoãn). Hoạt động của FF D rất đơn giản : ngõ ra sẽ theo ngõ vào mỗi khi xung Ck tác động cạnh lên hay xuống. Hình 3.9: Kí hiệu sơ đồ khối của FF-D FF D thƣờng là nơi để chuyển dữ liệu từ ngõ vào D đến ngõ ra Q cung cấp cho mạch sau nhƣ mạch cộng, ghi, dịch nên hơn nữa ngõ vào D phải chờ một khoảng thời gian khi xung ck kích thì mới đƣa ra ngõ ra Q, do đó FF D còn đƣợc xem nhƣ mạch trì hoãn, ngõ D còn gọi là delay. 48
  51. Hình 3.10: Kí hiệu và bảng trạng thái của flip-flop D. Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch dịch pha dùng flip-flop D 49
  52. Hình 3.12: Bảng trạng thái và dạng điện áp ra của mạch dịch pha. 3.4.2.3. Bộ dịch pha số Khối này có nhiệm vụ là gửi xung từ IC555 tới các van động lực một cách tuần tự và có tính chu kỳ. Có nhiều dạng bộ dịch pha, trong đồ án này tôi chọn bộ dịch pha số. Sơ đồ mạch dịch pha số nhƣ hình vẽ . Trong mạch có sử dụng IC 4013 và IC 4081. Đây là IC chuyên dụng để tạo ra các loại trễ khác nhau đối với tín hiệu. IC 4013 là loại vi mạch thuộc họ CM05 có đặc điểm công suất tiêu thụ ở trạng thái tĩnh nhỏ, tốc độ chuyển đổi trạng thái cao, khả năng chống nhiễu cao và khả năng mang tải lớn. Cấu tạo của nó gồm có 2 flip-flop loại D. Nguồn nuôi cho IC là từ +3V đến +15V. Vì vậy nó tƣơng thích với mức logic thông thƣờng và cả những mức điện áp của các bộ khuếch đại thuật toán. 50
  53. Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý mạch dịch pha số. Từ sơ đồ nguyên lý trên ta thấy khi đƣa tín hiệu đầu vào dạng chuỗi xung có tần số 6f thì đầu ra nhận đƣợc hệ thống xung có tần số là f. Vì vậy chuỗi xung từ IC555 có tần số là 60kHz thì đầu ra nhận đƣợc chuỗi xung có tần số là 10kHz. Chuỗi xung này lệch pha nhau 120 độ điện và có chu kỳ nhiệm vụ là 50%. Nhƣ vậy dùng IC 4013 ta đã định hình đƣợc nguồn tín hiệu xoay chiều ba pha .Đây là công việc rất thuận lợi cho việc khống chế bộ nghịch lƣu. Dạng xung đầu ra đƣợc biểu diễn trên hình vẽ. 51
  54. Hình 3.14: Dạng xung điện áp ra. 3.4.3. Thiết kế mạch lái Mosfet. IC IR2101 là ic bán dẫn đƣợc sử dụng rộng rãi trong các mạch tổ hợp logic và trong các mạch nguồn yêu cầu có ổn định cao. Hình 3.15: Sơ đồ mạch lái MOSFET. 52
  55. - Sử dụng BOOSTRAP để kích tín hiệu điều khiển từ IC555 rồi phát xung tín hiệu vào cực G kích thông IRFZ44N. - Các điện trở R1, R2, R3, R4, R5, R6 có ảnh hƣởng tới tổn hao công suất điều khiển. Các điện trở có giá trị nhỏ sẽ làm giảm thời xác lập tín hiệu điều khiển, giảm tổn thất năng lƣợng trong quá trình điều khiển nhƣng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với tụ ký sinh trong mosfet. Chọn điện trở có giá trị từ 4,7 đến 10 . - Dùng mạch kích nhƣ IR2101 còn có một thuận lợi là chúng ta chỉ cần một nguồn nuôi cho tất cả mạch kích (không cần giải pháp nhiều biến áp nhỏ hay nhiều nguồn một chiều cách ly). - Do sự tƣơng tác của các phần tử tụ, cảm trên mạch nên xung đƣa từ driver vào MOSFET thƣờng có nhiễu, xung cao tần rất lớn . Do đó điện áp ngƣợc đặt lên van khi van khóa rất lớn và việc đóng mở van là không lý tƣởng. Vậy vấn đề dập nhiễu xung và hỗ trợ mở van cho MOSFET là vấn đề rất quan trọng trong khi thiết kế mạch. Để dập nhiễu ta thêm mạch snubber song song với van bán dẫn để hạ nhiễu xuống mức an toàn với thiết bị. Khi van mở tụ C7 phóng điện qua R12 qua van. Dòng điện này có đỉnh rất lớn tuy nhiên thời gian rất ngắn nên giảm khả năng phát nhiệt ở trên van và làm tăng thời gian mở của van. Thiết kế này sử dụng mạch dao động RC. Giả sử thời gian đóng cắt lên tục là T = = 0.1 msec. Do đó RC cũng phải đáp ứng đƣợc thời gian liên tục này tức là RC = 0.1 msec Cho C = 0.01uF, sau đó R = 10ohm. 53
  56. Hình 3.16: Chân đơn của một bộ nghịch lƣu sử dụng MOSFET. Với tần số đóng cắt của van fsw thì công suất trên tiêu tán trên điện trở là: 2 PttR = . C.E0.f sw 3.4.4. IC IR2101 3.4.4.1. Sơ đồ chân của IR 2101. Hình 3.17: Sơ đồ chân của IR2101 54
  57. 3.4.4.2. Cấu trúc bên trong của IR2101. Hình 3.18: Cấu trúc bên trong của IR2101. 3.4.4.3. Thông số kỹ thuật của IR2101. Bảng 3.1: Thông số của IR2101. 55
  58. 3.4.5. Kết mô phỏng trên phần mềm Psim Sử dụng phần mềm Psim mô phỏng bộ biến đổi tăng áp ba pha DC-DC. Kết quả mô phỏng đƣợc thể hiện nhƣ sau: Hình 3.19: Sơ đồ mô phỏng bộ nâng áp. 56
  59. Hình 3.20: Dạng xung đƣa vào cực G của MOSFET Hình 3.21: Dạng sóng điện áp pha phía thứ cấp MBA Hình 3.22: Dạng sóng điện áp dây phía thứ cấp MBA 57
  60. 3.5. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI CẦU BA PHA NÂNG ÁP MỘT CHIỀU 3.5.1. Xây dựng mạch điện bằng Orcad 9.0. Sử dụng phần mềm chuyên dụng Orcad 9.0 để vẽ sơ đồ nguyên lý cho mạch nâng áp một chiều sử dụng trong ô tô. Sơ đồ mạch tạo xung và mạch kích MOSFET. Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung và mạch kích MOSFET 58
  61. Mạch chỉnh lƣu cầu 3 pha dùng diode: Hình 3.24: Sơ đồ mạch chỉnh lƣu cầu. 3.5.2. Mô hình vật lý bộ biến đổi. Hình 3.25: Mô hình bộ biến đổi DC-DC 59
  62. Hình 3.26: Điện áp đầu vào bộ biến đổi 60
  63. Hình 3.27: Điện áp đầu ra của bộ tăng áp Qua mô hình vật lý ta thấy điện áp đầu vào từ ắc quy là 11VDC qua bộ tăng áp cầu 3 pha điện áp đƣợc nâng lên 103VDC. Để bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn ta sử dụng cánh tản nhiệt bằng nhôm . 61
  64. KẾT LUẬN Sau một thời gian thực hiện đề tài dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của thầy GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn cùng với nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành đồ án theo đúng kế hoạch đƣợc giao. Trong quá trình làm đồ án em đã đạt đƣợc những kết quả sau: 1. Nghiên cứu tổng quan về các bộ biến đổi DC/DC thực tế. 2. Thiết kế và xây dựng thành công mô hình thực nghiệm. 3. Ứng dụng và rèn luyện được kỹ năng vẽ mạch in bằng phần mềm Orcad 9.2 và kỹ năng hàn chân linh kiện. Tuy nhiên do khả năng và thời gian có hạn nên bên cạnh những kết quả đạt đƣợc đề tài còn một số hạn chế nhƣ: Chƣa hiển thị đƣợc điện áp đầu ra. Điện áp và công suất vẫn còn thấp chƣa đạt yêu cầu để cấp cho động cơ trong ô tô. Mạch thiết kế vẫn chƣa thực sự tối ƣu. Từ bộ biến đổi cầu 3 pha nâng áp 1 chiều công suất nhỏ ta có thể phát triển thành bộ biến đổi có công suất lớn, có thể ứng dụng rộng rãi trong các phƣơng tiện sử dụng bằng điện nhƣ: Ô tô điện, xe máy điện, xe đạp điện Những vấn đề chƣa thực hiện đƣợc trong đề tài này sẽ là tiền đề cho những sinh viên sau này muốn nghiên cứu và phát triển nó một cách hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng, ngày 05 tháng 07 năm 2014 Sinh viên thực hiện Phạm Văn Ba 62
  65. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn (2004), Điện tử công suất, Nhà xuất bản xây dựng. 2. TS. Võ Minh Chính – Phạm Quốc Hải – Trần Trọng Minh (2007), Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 3. TS.Trần Văn Thịnh (2008), Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất, Nhà xuất bản giáo dục. 4. Nguyễn Bính (2000), Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 5. Diễn đàn Điện Tử Việt Nam ( www.dientuvietnam.net). 6. Trang tìm kiếm thông tin (www.google.com) 63