Hướng dẫn Cơ bản về Thiết kế Bộ Chỉnh lưu Toàn sóng H-bridge

Chuyển đổi năng lượng là một phần thiết yếu của cuộc sống hiện đại, và có lẽ quan trọng nhất cho mục đích thực tiễn trong điện tử là chuyển đổi từ AC sang DC. Các mạch chỉnh lưu là các mạch thiết yếu được sử dụng để biến đổi AC sang DC và chúng có thể thuộc một trong các loại sau:

• Chỉnh lưu nửa sóng
• Chỉnh lưu sóng đầy có trung tâm gõ
• Chỉnh lưu cầu

Chức năng của các chỉnh lưu này là như nhau, tức là chuyển đổi AC sang DC, nhưng mỗi loại sử dụng một cấu hình đầu vào khác nhau và chúng có các đầu ra khác nhau. Chỉnh lưu có trung tâm gõ và chỉnh lưu cầu đều là các chỉnh lưu sóng đầy (loại sau đôi khi được gọi là "chỉnh lưu cầu đầy"), và chúng cung cấp hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn so với chỉnh lưu nửa sóng. Chỉnh lưu có trung tâm gõ và chỉnh lưu cầu phục vụ gần như cùng một mục đích, nhưng máy biến áp có trung tâm gõ được sử dụng trong loại đầu tiên là đắt tiền, vì vậy chỉnh lưu cầu thường được ưa chuộng hơn trừ khi cần các điểm gõ trung tâm trên máy biến áp vì một lý do cụ thể nào đó.

Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ xem xét thiết kế và mô phỏng của một chỉnh lưu H-bridge sóng đầy cho chuyển đổi năng lượng một pha và ba pha. Cả hai có thể được sử dụng trong môi trường công nghiệp, bao gồm cả trong các mô-đun điều khiển nhỏ mà công ty tôi đã phát triển cho các dự án của khách hàng. Chúng phổ biến trong các thiết bị điện tử khác, và việc xây dựng một mô phỏng với chúng là quan trọng để thấy chúng có thể cung cấp năng lượng cho các mạch phía dưới với hiệu suất cao như thế nào.

Các loại mạch chỉnh lưu cầu đầy

Một mạch chỉnh lưu cầu đầy cơ bản được hiển thị dưới đây. Mạch này thường sử dụng bốn diode (D1-D4) được sắp xếp thành các cặp nối tiếp và chỉ có hai diode được cực hóa thuận trong mỗi nửa chu kỳ của đầu vào AC. Bốn diode trong chỉnh lưu này được kết nối trên một cấu trúc giống như cầu kín và đây là lý do đặt tên cho nó. Đôi khi đây được gọi là chỉnh lưu không kiểm soát, lý do sẽ được trình bày sau trong bài viết này.

Chỉnh lưu một pha so với chỉnh lưu ba pha

Đôi khi, bạn sẽ thấy chỉnh lưu ở trên được vẽ ra trong một cấu hình H-bridge, được hiển thị dưới đây. Cấu hình này giống như cấu hình ở trên. Cũng được hiển thị dưới đây là một chỉnh lưu ba pha để so sánh, chỉ đơn giản sử dụng 6 diode thay vì 4, với 2 diode nối tiếp được sử dụng để kiểm soát dòng điện cho mỗi pha trong một kết nối AC ba pha. Sự khác biệt giữa hai loại chỉnh lưu này nên rõ ràng từ các dạng sóng của chúng; chỉnh lưu ba pha cung cấp dạng sóng có độ nhấp nhô thấp hơn nhưng với tần số cao hơn 1,5 lần so với chỉnh lưu một pha.

Vì diode thông thường chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng và không thể điều khiển được, không có cách nào để kiểm soát điện áp phía trước. Vì lý do này, chúng ta thường gọi các bộ chỉnh lưu này là “không điều khiển” và cần phải chọn lựa diode sử dụng trong mạch này một cách phù hợp để đảm bảo bộ chỉnh lưu sẽ luôn được cảm ứng đầy đủ ở môi trường hoạt động dự định. Nếu bạn kết nối với nguồn điện xoay chiều chính, bạn sẽ có đủ lề để đảm bảo diode trong mạch này luôn được cảm ứng đầy đủ, điều này càng quan trọng hơn nếu bạn giảm xuống mức thấp trước, sau đó áp dụng chỉnh lưu. Vì lý do này, thường thì một máy biến áp được sử dụng để giảm xuống một mức vừa phải trước tiên (mức AC danh định 12 V hoặc 24 V), sau đó tín hiệu được đưa qua bộ chỉnh lưu. Sau khi làm mịn thành một giá trị DC nào đó, một giai đoạn điều chỉnh cuối cùng được áp dụng để thiết lập điện áp đầu ra theo giá trị yêu cầu.

Bộ chỉnh lưu điều khiển

Loại bộ chỉnh lưu cầu đầy đủ này sử dụng một số linh kiện bán dẫn điều khiển như MOSFETs, IGBTs, SCRs, v.v. thay vì diode thông thường. SCR thường được sử dụng vì điện áp của nó có thể dễ dàng thay đổi bằng cách áp dụng trực tiếp một điện áp DC bên ngoài. Như vậy, hệ thống có thể điều chỉnh công suất đầu ra cho các điện áp khác nhau theo nhu cầu. Hình dưới đây cho thấy một bộ chỉnh lưu cầu điều khiển một pha, chỉ đơn giản là thay thế diode bằng SCRs.

Giống như bộ chỉnh lưu một pha thông thường, bộ chỉnh lưu điều khiển này có thể được vẽ ra như một cầu H; chức năng thu được hoàn toàn giống nhau. Chúng ta cũng có thể mở rộng mạch để sử dụng đầu vào ba pha bằng cách sử dụng 6 SCRs (2 cho mỗi pha).

Lựa chọn Diode

Như tôi đã đề cập ở trên, rõ ràng là dòng điện qua tải chảy theo một hướng trong cả hai loại bộ chỉnh lưu, vì vậy chỉ có hai diode được cảm ứng đầy đủ tại bất kỳ thời điểm nào. Có một sự sụt áp xuyên qua mỗi diode trong phần cầu cảm ứng đầy đủ trong mỗi nửa chu kỳ. Đối với diode silicon, tổng sự sụt áp phải là 2*0.7 = 1.4 V vì hai diode sẽ được cảm ứng đầy đủ. Nếu bạn đang làm việc với AC được kết nối thông qua máy biến áp cấp thấp, thì bạn có thể muốn sử dụng diode germanium hoặc Schottky vì chúng có sự sụt áp thấp hơn khi được cảm ứng đầy đủ.

Hình dạng sóng đầu ra

Bình thường, một khi bạn thiết lập bộ chỉnh lưu của mình, một điện áp DC được thiết lập bằng cách thêm một tụ điện làm mịn vào hai cực ra. Tụ điện làm mịn song song với tải sẽ xác định mức độ sóng gợn chồng lên sóng điện áp DC ra. Trong khoảnh khắc điện áp đầu vào bắt đầu giảm trong một chu kỳ, tụ điện ở cực ra sẽ bắt đầu phóng điện song song với điện trở, do đó hai thành phần tạo thành một mạch RC. Tụ điện lặp đi lặp lại quá trình sạc và phóng điện với một hằng số thời gian RC cụ thể giữa các nửa chu kỳ. Trước khi tụ điện có thể phóng điện hoàn toàn, chu kỳ sạc lại bắt đầu, vì vậy tụ điện không bao giờ được phóng điện hoàn toàn trừ khi nguồn điện vào bị cắt.

Tại đây, bạn có thể sử dụng hằng số thời gian RC để xác định tốc độ phóng điện này qua tải. Ví dụ, nếu chúng ta sử dụng một điện trở tải 10 kOhm với tụ điện 50 uF, thì hằng số thời gian RC là 500 ms. Điều này có nghĩa là, nếu chúng ta muốn giảm sóng gợn trên điện áp DC ra, thì chúng ta cần tăng giá trị của tụ điện làm mịn hoặc điện trở tải (hoặc cả hai). Mặc dù sóng ra không hoàn toàn là DC, việc tăng điện trở tải và tụ điện làm mịn đủ cao khiến sóng gợn ra nhỏ đến mức có thể không dễ dàng nhận thấy. Giai đoạn điều chỉnh cuối cùng thường là một LDO (cho điện áp thấp) hoặc một bộ điều chỉnh chuyển mạch (cho điện áp cao).

Dù bạn đang thiết kế một bảng mạch chỉnh lưu H-bridge đơn giản hay bạn cần thiết kế một hệ thống nguồn phức tạp, hãy sử dụng công cụ thiết kế PCB trong CircuitMaker để chuẩn bị sơ đồ mạch và bố trí PCB của bạn. Tất cả người dùng CircuitMaker đều có thể tạo sơ đồ mạch, bố trí PCB và tài liệu sản xuất cần thiết để chuyển một thiết kế từ ý tưởng sang sản xuất. Người dùng cũng có quyền truy cập vào không gian làm việc cá nhân trên nền tảng Altium 365™, nơi họ có thể tải lên và lưu trữ dữ liệu thiết kế trên đám mây, và dễ dàng xem các dự án qua trình duyệt web trên một nền tảng an toàn.

Bắt đầu sử dụng CircuitMaker ngay hôm nay và chờ đón CircuitMaker Pro từ Altium mới.