Bộ biến đổi DC/AC 220V, 50Hz

Phần này mô tả hoạt động của nghịch lưu dòng, nhấn mạnh vào quá trình chuyển mạch gần như tức thời của tụ C. Chức năng cơ bản của tụ C là chuyển mạch cho các thyristor. Thời gian duy trì điện áp ngược cần thiết để khóa và phục hồi tính chất điều khiển của van được phân tích (t1 - t1' = tk ≥ toff). Ảnh hưởng của tải (Rt) đến quá trình nạp tụ C được đề cập: Rt lớn vô cùng gây quá điện áp lớn, trong khi giảm Rt làm giảm dòng nạp và tăng dòng phóng. Đặc điểm tiêu thụ công suất phản kháng và phát ra công suất tác dụng của nghịch lưu dòng được giải thích, cùng khả năng hãm tái sinh khi tải là động cơ điện xoay chiều. Đường đặc tính ngoài dốc và hạn chế vùng làm việc cũng được nêu ra. Việc sử dụng điốt ngăn cách (D1, D2, D3, D4, D5, D6) để giảm ảnh hưởng của tải đến quá trình nạp tụ C và cách chia nhóm tụ C (C1, C3, C5 và C2, C4, C6) được trình bày chi tiết. Trước đây, nghịch lưu áp bị hạn chế do công suất của van động lực nhỏ và hiệu suất giảm khi sử dụng thyristor, sơ đồ điều khiển phức tạp.

Đặc điểm chính của nghịch lưu cộng hưởng là quá trình chuyển mạch van dựa trên hiện tượng cộng hưởng. Giá trị điện cảm (Ld) nằm giữa nghịch lưu dòng (Ld = ∞) và nghịch lưu áp (Ld = 0), tạo ra dao động trong mạch khi kết hợp với điện cảm tải (Lt) và tụ điện C. Hai loại nghịch lưu cộng hưởng được đề cập: song song và nối tiếp. Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu cộng hưởng song song được minh họa qua giản đồ xung, giải thích quá trình đóng mở van dựa trên dòng điện qua tải và điện áp trên tụ. Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp có thể hoạt động ở chế độ 2 và 3 nhờ hiện tượng cảm ứng của hai cuộn L1 và L2. Ba chế độ hoạt động của nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp được phân tích: chế độ giới hạn (f0 = f), chế độ chuyển mạch cưỡng bức (f0 < f), và chế độ hoạt động như nghịch lưu dòng điện (f > f0). Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) với luật so sánh tín hiệu điều khiển hình sin và xung tam giác được đề cập, trong đó tần số chuyển mạch (fcm) bằng tần số xung tam giác (fx).

Để cải thiện chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra, nghịch lưu điều biến độ rộng xung PWM được nghiên cứu và ứng dụng. Kỹ thuật này tạo ra điện áp hoặc dòng điện ra gồm nhiều đoạn hình chữ nhật có độ rộng thích hợp trong mỗi nửa chu kỳ. Ưu điểm chính là các thành phần điều hòa bị đẩy sang tần số cao, dễ lọc. Đồ án chọn mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha với điện áp đầu ra 220V AC, f = 50Hz. Mạch được thiết kế với mạch điều khiển nâng điện áp từ 12V DC lên 300V AC, f = 35kHz để cấp xung mở cho MOSFET. Việc sử dụng nhiều mạch riêng rẽ trong mạch điều khiển được đề cập đến nhưng bị loại bỏ do cồng kềnh, tăng chi phí và thiếu ổn định. Tầm quan trọng của tính ổn định trong mạch điện tử công suất được nhấn mạnh.

Đồ án thiết kế một bộ biến đổi DC/AC một pha, với mục tiêu chuyển đổi điện áp từ 12V DC (nguồn từ acquy) lên 220V AC, 50Hz. Mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp được lựa chọn. Một mạch nâng áp được tích hợp để tăng điện áp từ 12V DC lên 300V AC trước khi vào mạch nghịch lưu chính. Tần số hoạt động của mạch điều khiển là 35kHz. Các thành phần chính của bộ biến đổi bao gồm mạch điều khiển nâng điện áp, mạch tạo xung dao động 35kHz (sử dụng IC TL494), và mạch lái MOSFET. Việc thiết kế mạch điều khiển tối ưu được nhấn mạnh để tránh việc sử dụng nhiều mạch riêng rẽ, giảm chi phí, và đảm bảo tính ổn định cao, điều đặc biệt quan trọng đối với mạch điện tử công suất. Để ổn định điện áp cấp cho IC TL494, một tụ điện 2000μF/16v và điốt mắc song song ngược với nguồn được sử dụng.

Mạch sử dụng MOSFET làm van công suất. Ưu điểm của MOSFET, như tần số đóng cắt lớn và mạch điều khiển đơn giản (điều khiển bằng điện áp, dòng điều khiển cách ly với dòng dẫn), được nêu rõ. Nguyên lý hoạt động của MOSFET, bao gồm 4 giai đoạn (nạp điện dung đầu vào, quá trình mở trễ, dẫn bão hòa, và phóng điện hoàn toàn), được phân tích chi tiết. Các thông số như điện dung giữa các cực, điện áp điều khiển, và dòng điện nạp xả ảnh hưởng đến độ dài thời gian của mỗi giai đoạn và là thông số quan trọng trong thiết kế mạch điều khiển MOSFET tần số cao. Điện áp U DRV (khoảng 10-20V) được cấp vào cực G của MOSFET trong giai đoạn dẫn bão hòa. Giá trị cuối cùng của VGS quyết định điện trở trong của van trong quá trình mở. Sơ đồ mạch lái MOSFET được trình bày. Mạch sử dụng cấu trúc cầu H (half bridge) với các cặp van (Q1, Q2) và (Q3, Q4) đóng mở để tạo ra dạng điện áp bậc thang trên tải, với tần số đóng cắt được điều khiển bằng tần số nguồn điện lưới (50Hz).

Sơ đồ nguyên lý mạch Full bridge và Flyback được trình bày. Mạch Flyback chỉ phù hợp cho mạch công suất nhỏ (dưới 100W). Mạch Half bridge và Full bridge có công suất cao hơn Push-pull nhưng Half bridge cần thêm hai tụ và số vòng dây lớn gấp đôi trong biến áp. Mạch cầu H (half bridge) được giới thiệu, nhấn mạnh vai trò của MOSFET (hay transistor) như van đóng mở điều khiển dòng điện lớn từ nguồn đến tải, với tín hiệu điều khiển nhỏ (dưới 5V) từ vi điều khiển. Đồ án tích hợp mạch nạp acquy, sử dụng phương pháp nạp dòng áp (áp dụng ưu điểm của cả nạp dòng không đổi và nạp điện áp không đổi). Mạch nạp sử dụng IC RM4558 và các linh kiện hỗ trợ (diode ổn áp, điện trở, biến trở) để tự động ngắt mạch nạp khi acquy đầy. Việc chưa tối ưu hóa mạch thiết kế và lắp ráp, chưa giám sát quá trình cấp điện cho tải, và chưa tích hợp trên một mạch in được chỉ ra là những hạn chế cần cải thiện trong tương lai. Khả năng ứng dụng để xây dựng bộ lưu điện (UPS) dân dụng được đề cập.

Phần này trình bày cấu trúc bán dẫn của MOSFET, khác biệt với cấu trúc BJT. MOSFET được điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển rất nhỏ. Cực G (Gate) được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi SiO2. Hai cực còn lại là cực S (Source) và cực D (Drain). Nguyên lý hoạt động được mô tả qua 4 giai đoạn: giai đoạn 1 là nạp điện dung đầu vào từ 0V đến UTH; giai đoạn 2 (giai đoạn mở trễ) cả dòng ID và điện áp trên cực D không đổi; giai đoạn 3 là MOSFET dẫn bão hòa khi cấp điện áp cao UDRV (10-20V) vào cực G; và giai đoạn 4 là quá trình phóng điện hoàn toàn của tụ điện trên các cực, UGS giảm về 0V và dòng ID về 0. Tóm lại, quá trình mở-khóa của MOSFET là quá trình chuyển mạch giữa trạng thái trở kháng cao và thấp, diễn ra trong 4 giai đoạn này. Thời gian của mỗi giai đoạn phụ thuộc vào điện dung giữa các cực, điện áp điều khiển, và dòng điện nạp xả, là thông số quan trọng cho thiết kế mạch điều khiển MOSFET tần số cao. Cấu trúc MOSFET kiểu p tương tự nhưng ngược chiều dẫn điện, tuy nhiên đa số MOSFET công suất là loại kênh dẫn kiểu n.

Đoạn này mô tả mạch lái MOSFET và ứng dụng cấu trúc cầu H (half bridge). Trong nửa chu kỳ, một cặp van (ví dụ Q1, Q2) mở với độ rộng xung nhất định, cặp còn lại (ví dụ Q3, Q4) khóa. Dòng điện đi từ Vdc qua các van mở và xuống 0V. Chu kỳ tiếp theo lặp lại tương tự, tạo ra điện áp bậc thang trên tải. Tần số đóng cắt của các cặp van được điều khiển bằng tần số nguồn điện lưới (50Hz). Mạch cầu H, được cấu tạo bởi 4 transistor hoặc MOSFET (hoặc đôi khi chỉ 2), đóng vai trò là van đóng mở dẫn dòng điện công suất lớn từ nguồn xuống tải. Tín hiệu điều khiển các van là tín hiệu nhỏ (điện áp hoặc dòng điện), thường từ vi điều khiển (dưới 5V), điều khiển dòng điện và điện áp lớn cho tải. Các sơ đồ mạch Full bridge và Flyback được đề cập, với lưu ý mạch Flyback chỉ dùng cho công suất nhỏ (dưới 100W), trong khi Full bridge và Half bridge có công suất cao hơn Push-pull, nhưng Half bridge cần thêm hai tụ và số vòng dây trong biến áp lớn gấp đôi.

Đồ án đề cập đến ba phương pháp nạp acquy: nạp với dòng điện không đổi, nạp với điện áp không đổi, và nạp dòng áp. Phương pháp nạp với dòng điện không đổi cho phép chọn dòng nạp phù hợp với từng loại acquy, đảm bảo acquy được nạp đầy. Phương pháp này thường được sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian nhưng acquy không được nạp đầy, chỉ thích hợp làm phương pháp nạp bổ sung. Phương pháp nạp dòng áp là phương pháp tổng hợp hai phương pháp trên, tận dụng ưu điểm của cả hai. Do yêu cầu của đề bài là nạp acquy tự động, phương pháp nạp dòng áp được lựa chọn vì nó cho phép quá trình nạp diễn ra tự động theo trình tự đã được cài đặt sẵn. Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp dài, có thể sử dụng phương pháp nạp nhiều nấc, ví dụ hai nấc: nấc 1 nạp cưỡng bức với dòng (0.3-0.6)C10 và kết thúc khi acquy bắt đầu sôi; nấc 2 nạp với dòng 0.1C10. Đối với acquy kiềm, có thể nạp với dòng In = 0.2C10 hoặc 0.5C10 để tiết kiệm thời gian. Quá trình nạp tự động kết thúc khi nguồn nạp bị cắt hoặc khi nạp ổn áp, dòng nạp giảm về 0.

Mạch nạp acquy tự động trong đồ án sử dụng phương pháp nạp dòng áp. Hệ thống điều khiển sử dụng IC RM4558 với hai phần tử khuếch đại U1a và U1b để giám sát trạng thái nạp. Khi acquy đầy, điện áp tại chân 3 của U1a là 5V (do diode ổn áp và R1 = 10kΩ), trong khi điện áp tại chân 2 lớn hơn 5V (do cầu phân áp R2 = 10kΩ và biến trở VR1 = 10kΩ). Sự chênh lệch điện áp này làm U1a không hoạt động, ngắt mạch nạp qua chân 1 và Q1. Một ví dụ về quá trình nạp với dòng không đổi trong 8 tiếng, sau đó chuyển sang nạp ổn áp trong 10 tiếng và bổ sung thêm 2-3 tiếng nữa được đề cập. Đặc tính phóng và nạp của acquy kiềm, bao gồm sự thay đổi nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian, được mô tả. Các khái niệm như giai đoạn phóng ổn định, thời gian nạp no, thời gian hồi phục, và khoảng nghỉ của acquy cũng được giải thích.

Đồ án đã hoàn thành việc nghiên cứu tổng quan về các bộ nghịch lưu, tính toán và xây dựng thành công mô hình thực nghiệm của bộ biến đổi DC/AC tích hợp mạch nạp acquy. Mô hình sử dụng mạch nạp acquy tự động với phương pháp nạp dòng áp, điều khiển bằng IC RM4558. Hệ thống nạp tự động ngắt khi acquy đầy. Sinh viên cũng đã ứng dụng và rèn luyện kỹ năng vẽ mạch in bằng phần mềm Proteus và kỹ thuật rửa mạch in thủ công.

Do thời gian thực hiện có hạn, đồ án còn tồn tại một số hạn chế: chưa thực hiện giám sát quá trình cấp điện cho tải; mạch thiết kế và lắp ráp chưa tối ưu; chưa tích hợp tất cả thành phần lên một mạch in. Việc tích hợp các thành phần lên một mạch in sẽ giúp sản phẩm gọn nhẹ, kinh tế hơn và có giá trị thẩm mỹ cao hơn. Những vấn đề chưa được thực hiện này sẽ là gợi ý cho các nghiên cứu tiếp theo, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế điện tử công suất. Kết hợp mạch nạp acquy, có thể xây dựng bộ lưu điện (UPS) dân dụng, đặc biệt hữu ích cho máy tính để bàn PC. Cải thiện khả năng giám sát tải và tối ưu hóa thiết kế mạch là những hướng phát triển quan trọng cần được nghiên cứu thêm.