Bài giảng Điện tử công suất

Hiện nay có nhiều loại thiết bị điện tử công suất cho các ứng dụng công suất cao high power và tần số cao high frequency, điển hình là: – Các Tiristor được đóng cắt bằng cực cổng – Trans

Giảng viên biên soạn: Ths Hoàng Duy Khang

Bộ môn: KTĐK&TĐH

Khoa: Điện – Điện tử

Hà Nội, Aug - 2020

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

Điện tử công suất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Khoa Điện – Điện tử

Tài liệu tham khảo

 1 Giáo trình “Điện tử công suất” – Đại học Thủy lợi

 2 Điện tử công suất – Võ Minh Chính (CB) – NXB KH&KT

 3 ĐTCS và điều khiển động cơ điện – Cyril W.Lander (Lê

Văn Doanh dịch) - NXB KH&KT

 4 Phân tích và giải mạch ĐTCS – Phạm Quốc Hải, DV Nghi

Giới thiệu

 Điện tử công suất hiện đại bắt đầu với Thyristor vào cuối những năm 1950 Hiện nay có nhiều loại thiết bị

điện tử công suất cho các ứng dụng công suất cao (high

power) và tần số cao (high frequency), điển hình là:

– Các Tiristor được đóng cắt bằng cực cổng

– Transistors BJT, MOSFETs công suất và IGBTs

 Các thiết bị công suất bán dẫn thực hiện nhiều chức năng trong các ứng dụng chuyển đổi công suất Các thiết bị công suất được sử dụng chủ yếu là khóa đóng cắt để chuyển công suất từ dạng này sang dạng khác như trong

hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống UPS

(Uninterrupted Power Supplies)

 Truyền dẫn điện áp một chiều lớn (high)

3

Khái niệm chung: Điện tử công suất (LỚN)

 Các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong các mạch động lực – công suất lớn

 Sự khác nhau giữa các linh kiện điện tử ứng dụng (điện

tử điều khiển) và điện tử công suất:

– Công suất: Nhỏ - Lớn

– Chức năng: điều khiển – đóng cắt dòng điện công suất lớn

Đối tượng nghiên cứu của điện tử công suất

 Các bộ biến đổi công suất

 Các bộ khóa điện tử công suất lớn

5

Mô hình hóa

7

Môn học: ĐTCS

8

Hệ: Đại học CQ – Ngành: Điện công nghiệp

Số tín chỉ: 2 – Số chương: 6

Chương 1: Các phần tử bán dẫn công suất

Chương 3: Hệ thống điều khiển MCL

Chương 4: Điều áp một chiều và Điều

áp xoay chiều

Chương 5: Nghịch lưu độc lập và biến tần

Chương 6: Các sơ đồ ứng dụng trong công nghiệp

Chương 2: Mạch chỉnh lưu

Chương 1: Các phần

tử bán dẫn công suất

◎ Điện trở R, Tụ điện C, Cuộn

cảm L (Tải công suất)

Chất bán dẫn - Lớp tiếp giáp P - N

điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện

– Loại P: phần tử mang điện là lỗ trống – mang điện tích dương

– Loại N: phần tử mang điện là các electron – mang điện tích âm

Sự phân cực

Phân cực thuận

11

Phân cực ngược

(D mở hay khóa theo điện áp lưới)

Cấu tạo, ký hiệu:

D

Nguyên lý hoạt động:

Đặc tính V-A của Diode:

13

Dòng điện - nhiệt độ làm việc

• Giá trị trung bình cực đại dòng điện

 Dòng điện trung bình chảy qua Diode: I D

 Điện áp ngược cực đại đặt lên Diode: U ngmaxD

Transistor lưỡng cực (BJT – Bipolar Junction Trans.)

Nguyên tắc làm việc

 Nguyên tắc chung:

Để transistor hoạt động cần đặt một điện áp có giá trị

cách là định áp và định dòng, tùy vào mục đích sử dụng

mà có cách định thiên thích hợp

17

Đặc tính V-A của BJT

Các tham số chính:

19

Ví dụ ứng dụng:

Transistor trường - FET

 Transistor trường là một loại linh kiện bán dẫn mà hoạt động của nó dựa trên hiệu ứng trường Dòng điện qua transistor trường là dòng các phân tử tải điện cơ bản chạy qua kênh dẫn , kênh này được điều khiển bằng điện trường Có hai loại transistor trường:

– Transistor trường loại JFET (Juntion Field Effect Transistor): là

transistor điều khiển hạt tải điện qua kênh dẫn bằng lớp tiếp giáp P-N hoặc hàng rào Shottky

– Transistor trường loại MOSFET (Metal oxided Semiconductor

Field Effect Transistor): là loại transistor trường điều khiển hạt

tải điện qua kênh dẫn bằng cực cửa cách điện

See more…

21

Transistor trường MOSFET

(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)

 Transistor hiệu ứng trường kim loại - oxit bán dẫn, viết tắt

là MOSFET - là các FET được xây dựng dựa trên lớp chuyển tiếp Oxit Kim loại và bán dẫn (ví dụ Oxit Bạc và bán dẫn Silic) tạo ra lớp cách điện mỏng giữa cực cổng (Gate) kim loại với vùng bán dẫn hoạt động nối giữa cực nguồn (Source) và cực máng (Drain)

 MOSFET được sử dụng rất phổ biến trong cả các mạch kỹ thuật số và các mạch tương tự MOSFET có hai lớp chính chia theo kiểu kênh dẫn được sử dụng:

– N-MOSFET: Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs>0 Điện áp điều khiển đóng là Ugs0 Dòng điện sẽ đi từ D xuống S

– P-MOSFET: Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs<0 Dòng điện

sẽ đi từ S đến D, điện áp khóa là Ugs~0

 Từ kiến trúc cơ bản của MOSFET có nhiều biến thể dẫn xuất khác nhau để tạo ra phần tử có đặc trưng thích hợp với các ứng dụng cụ

thể Ví dụ MOSFET nhiều cổng hay MuGFET (Multigate Field-effect

Transistor), MESFET (Metal–Semiconductor Field-effect Transistor),

MOSFET công suất lớn (Power MOSFET),

Phân loại:

23

Đặc tính động

Tham số chính:

MOSFET thực tế - 19MT050XF – International Rectifier

25

26

Tiristor (Thyristor, SCR, van điều khiển): T

Ký hiệu:

Nguyên lí làm việc loại điều khiển từ Cathode

 Đưa thêm một cực G (gate) vào p2

 Khi có điện trường UAK>0, có dòng điện iGK cặp bán dẫn p2, n2 thành dây dẫn, khi đó K coi như được đặt trực tiếp vào n1, khi đó xuất hiện dòng iAK

 Khi đã có dòng iAK, dòng điều khiển không còn ý nghĩa nữa Các chất bán dẫn p,n chỉ trở về trạng thái ban đầu khi ngưng dòng điện

Đặc tính V-A của T:

29

Đặc tính V-A

Tiristor hoạt động ở chế độ xoay chiều

(50Hz hoặc 60Hz) thì vấn đề tắt T được giải quyết

dễ dàng Khi không có xung kích thì khi mạng

âm T không hoạt động mặc dù có xung kích

31

Mở T

• Trong mạch điện một chiều, Tiristor được mở dễ dàng, còn trong mạch xoay chiều việc mở Tiristor phức tạp hơn do điện áp và dòng điện thường xuyên đổi chiều

• Một số sơ đồ mở Tiristor trong mạch xoay chiều:

Khóa T

điện bằng 0 Tiristor tự khoá

IN

a Hở mạch

dòng điện

b Ngắn mạch tiristor

c Tạo dòng chạy ngược tiristor với I T +I N =0

33

Một số điểm quan trọng của T

 T chỉ dẫn khi có xung mồi thích hợp lên cực G khi

UAK>0 (tính chất điều khiển của T)

chốt để chốt trạng thái dẫn; ngược lại, Tiristor sẽ

chuyển sang trạng thái khóa (không dẫn) khi điện áp

Uak giảm

 Nếu dòng điện thuận của Tiristor giảm dưới dòng điện giữ, thiết bị sẽ không được chốt và vẫn ở trạng thái khóa

và không phụ thuộc vào xung điều khiển sau thời điểm mở Tiristor không thể ngắt được bằng xung âm hay dương ở cực G

Các tham số chính của T

 Dòng thuận tối đa: Là dòng điện anod IA trung bình lớn nhất

mà T có thể chịu đựng được liên tục Trong trường hợp dòng lớn, T phải được giải nhiệt đầy đủ Dòng thuận tối đa tùy thuộc vào mỗi T, có thể từ x00 mA  x00 A

 Điện thế ngược tối đa: Đây là điện thế phân cực ngược tối đa

mà chưa xảy ra sự hủy thác (breakdown - trị số V BR ) T được chế tạo với điện thế ngược từ x0  x000 Volt

 Dòng chốt (latching current): Là dòng thuận tối thiểu để giữ T

ở trạng thái dẫn điện sau khi T từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn Dòng chốt thường lớn hơn dòng duy trì chút ít ở T công suất nhỏ và lớn hơn dòng duy trì khá nhiều ở T có công

suất lớn

 Thời gian mở (turn–on time): Là thời gian từ lúc bắt đầu có

xung kích đến lúc T dẫn gần bão hòa (thường là 0,9 lần dòng

định mức) Thởi gian mở khoảng vài ms Như vậy, thời gian

hiện diện của xung kích phải lâu hơn thời gian mở

35

Các tham số chính của T (cont.)

Thời gian tắt (turn – off time): Để tắt T, người ta giảm điện thế

UAK xuống 0 V , tức dòng anode cũng bằng 0 Thế nhưng nếu ta

hạ điện thế anod xuống 0 rồi tăng lên ngay thì T vẫn dẫn điện mặc dù không có dòng kích Thời gian tắt T là thời gian từ lúc điện thế UAK xuống 0 đến lúc lên cao trở lại mà T không dẫn điện trở lại Thời gian này lớn hơn thời gian mở, thường khoảng vài chục ms Như vậy, T là linh kiện chậm, hoạt động ở tần số thấp, tối đa khoảng vài chục KHz

Tốc độ tăng dòng thuận tối đa di/dt: Là trị số tối đa của tốc

độ tăng dòng anode, trên trị số này T có thể bị hư Lý do là khi

T chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, hiệu điện thế UAK còn lớn trong lúc dòng điện anode tăng nhanh khiến công suất tiêu tán tức thời có thể quá lớn Khi T bắt đầu dẫn, công suất tiêu tán tập trung ở gần vùng cổng nên vùng này

dễ bị hư hỏng Giá trị max của di/dt tùy thuộc vào mỗi dòng T

Các tham số chính của T (cont.)

 Tốc độ tăng điện thế dv/dt: Ta có thể

thế anode lên đến điện thế quay về

kích cực cổng Một cách khác là

tăng điện thế anode nhanh tức dv/dt

lớn mà bản thân điện thế V anod

không cần lớn

37

dẫn, vượt trên vị trí này T sẽ dẫn điện Khi dv/dt đủ lớn

hiện tượng này bằng cách mắc thêm 1 bộ R-C song

T

Kích mở Tiristor

Mạch test Thyristor

41

Ứng dụng:

1 Chỉnh lưu (converter thyristors), sử dụng trong các bộ

chỉnh lưu cho các hệ truyền động AC, DC; truyền dẫn điện

Tiristor này được chế tạo với đường kính lên đến 10cm, ở đó

1000V , và 3.0V với điện áp nguồn từ 5-7 kV

(thông thường điện áp rơi cao hơn với thiết bị có giá trị t off

nhỏ) Những thiết bị này hiện nay có điện áp lên đến 2500V,

cỡ khoảng vài micro giây đến 100μs tùy thuộc vào điện áp

Ví dụ ứng dụng:

Mạch đèn khẩn cấp khi mất điện:

Bình thường đèn 6V sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu Lúc này SCR ngưng dẫn do bị phân cực ngược, accu được nạp qua D1, R1 Khi mất điện, nguồn điện accu sẽ làm thông SCR và thắp sáng đèn

43

44

GTO (Gate Turn-Off Thyristor) –

Tiristor khóa/mở bằng cực điều khiển

Đối với GTO, việc kích mở cho dòng điện chảy qua nó và việc

cắt dòng điện này đều được thực hiện từ cực điều khiển G

Trong các thiết bị biến tần và thiết bị băm điện áp, thay vì dùng

các T thông thường, người ta dùng các GTO thì có thể loại bỏ

được các phần tử chuyển mạch

Khóa/mở GTO bằng xung mồi lên G

Mở GTO: giống như mở T (Phát xung mồi + lên G khi uAK>0)

Khóa GTO: pxm “–” lên G khi uAK>=0)

45

47

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

• IGBT là một loại van công suất tuyệt vời IGBT viết tắt của Insulated

G ate Bipolar Transistor: transistor lưỡng cực có cực cổng cách ly

Khác với Thyristor, IGBT cho phép đóng cắt đơn giản bằng cách đặt

điện áp điều khiển lên hai cực G và E Điện áp ra đo được trên van

rất đồng dạng với điện áp điều khiển IGBT thường dùng trong các

mạch biến tần hay các bộ băm xung áp một chiều

• Để đơn giản hơn, IGBT là một linh kiện bán dẫn trong đó có sự kết

hợp giữa transistor BJT và MOSFET , bên trong IGBT có 2 BJT kênh

N và P kết hợp tạo thành một mạch thyristor để bảo vệ MOSFET

không bị quá áp và kháng lại dòng điện tĩnh

• Driver của IGBT cũng sẵn có ở VN, nhưng giá tương đối đắt Bạn có

thể tham khảo các van IGBT và các driver di kèm ở trang web của

các hãng chế tạo IGBT (SEMIKRON…)

See more: http://users.telenet.be/educypedia/electronics/powercontrol.htm

Kí hiệu

Bảng so sánh các van bán dẫn

IGBT comparison table

Device characteristic Power bipolar BJT Power MOSFET IGBT

Voltage rating (Điện áp định mức) High <1kV High <1kV Very high >1kV Current rating (Dòng định mức) High <500A High >500A High >500A

Input drive (Trình điều khiển)

Current ratio hFE20-200 (Dòng điện)

Voltage VGS3-10V (điện áp)

Voltage VGE4-8V (Điện áp)

Input impedance (Trở kháng đầu vào) Low High High

Output impedance (Trở kháng đầu ra) Low Medium Low

Switching speed (Tốc độ chuyển

mạch) Slow (µs) Fast (ns) Medium

Dòng dẫn Phức tạp Đơn giản Đơn giản

Tải công suất Cao Thấp Thấp

Tần số mở rộng Thấp (less than

100kHz)

Nhanh (less than

Mức vol bão hòa Thấp Cao Thấp

Cost (Giá) Low Medium High

49

Các tham số chính

Các tham số chính:

51

• UCES - Điện áp cực đại CE khi GE ngắn mạch

• UGES - Điện áp GE cực đại cho phép khi CE

ngắn mạch

• IC- Dòng điện một chiều cực đại

• ICmax - Dòng điện đỉnh của Collector;

• Pm - Công suất tổn hao cực đại;

Triac (Tri-ắc) - TR

Đặc tính V-A của Triac:

53

Các tham số chính của Triac

Ví dụ mạch điều chỉnh ánh sáng dùng Triac:

55

Chương 2: Mạch chỉnh lưu

◎ Giới thiệu chung về mạch chỉnh lưu

◎ Chỉnh lưu Diode (không điều khiển)

◎ Chỉnh lưu Tiristor (có điều khiển)

◎ Hiện tượng trùng dẫn và chế độ

2.1 Giới thiệu chung về MCL

– Theo số pha: 1, 2, 3, 6 pha

– Theo loại van bán dẫn: Toàn D, Toàn T, T+D

– Theo sơ đồ mắc: hình tia (Số van = số pha), hình cầu (Số van =2*số pha)

 Luật dẫn của van:

– Mạch van đều tuân theo 2 kiểu mắc KC hoặc AC, do vậy chỉ cần nhận biết 2 quy luật dẫn này ta có thể phân tích toàn bộ các mạch van chỉnh lưu có trong thực tế

57

Luật dẫn của van

MBA có điểm giữa)

Chỉnh lưu tia 3 pha

59

Chỉnh lưu

cầu 1 pha

Chỉnh lưu cầu 3 pha

Xét nguồn điện áp xoay chiều hình sin:

5/6

- 𝟏

𝟐U 2m

Các loại tải

Tải R

Tải thuần trở

+ + + +

u d =u R +u L =R.i d +L.di d /dt

* Năng lượng từ trường lưu trữ trong cuộn kháng E L =L.i 2 /2

Chỉnh lưu tia 1 pha dùng Diode

65 Nguyên lý hoạt động sơ đồ CL tia 1 pha tải R

Nguyên lý:

 Nửa chu kỳ đầu của điện áp nguồn:  =0  (+2k  ): u2>0  D phân cực thuận nên D dẫn,

uD 0, điện áp nguồn u2 đặt lên tải ud=u2; Dòng điện tải id  0

 Nửa chu kỳ sau của điện áp nguồn:  =  2  (+2k  ): u2<0 

D phân cực ngược  D khóa

D chịu điện áp ngược của nguồn đặt lên: uD<0 Điện áp tải

Trường hợp tải điện cảm: Z t =RL

 Các thông số của sơ đồ

 Điện áp tải:

 Dòng điện tải: Id = Udc/Rd

 Dòng điện chạy qua diod: ID = Id

 Điện áp ngược của van:

 Công suất biến áp:

2

cos 1

U 45 , 0 t d t sin U

2 2

1

0

2 d

Chỉnh lưu tia 2 pha không điều khiển

u 21 = 𝟐𝑼𝟐𝒔𝒊𝒏𝜽

u 22 =- 𝟐𝑼𝟐𝒔𝒊𝒏𝜽 = −𝒖𝟐𝟏

69

Nguyên lý hoạt động

 ½ chu kỳ đầu của điện áp nguồn: u21>0, u22<0: D1

phân cực thuận, D2 phân cực ngược

 D1 dẫn đặt điện áp u21 lên tải, ud=u21;

id=ud/R=iD1; iD2=0 D2 chịu điện áp ngược

 ½ chu kỳ sau của điện áp nguồn: u21<0, u22>0: D1

phân cực ngược, D2 phân cực thuận

 D2 dẫn đặt điện áp u22 lên tải, ud=u22;

id=ud/R=iD2; iD1=0 D1 chịu điện áp ngược

BA BA

2

74 , 1 23 , 1 2

2



Chỉnh lưu không điều khiển với tải RL

Sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì

với biến áp có trung tính

• Sơ đồ và các đường cong

Chỉnh lưu tia 2 pha tải RE

 Sơ đồ mạch (tải RE):

E

+ -

b Tính khoảng dẫn của các van D1, D2 trong 1 chu kỳ?

c Tính Ud, Id và công suất trung bình trên tải?

c Vẽ dạng sóng ud, id, iD1, uD2?

Chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển

Nguyên lý hoạt động

(Góc mở tự nhiên): *= /6; 5/6; 9/6 (điểm giao

nhau của các điện áp pha u2a = u 2b = u 2c = 𝟏

𝟐.U2m) (Tổng quát: 𝜽∗ = 𝝅

Bài tập áp dụng:

 BT3: MCL tia 3 pha sử dụng 3 Diode cấp nguồn cho tải R có điện áp làm việc định mức là 150V Điện trở công suất R=0,5

2.3 Chỉnh lưu có điều khiển (dùng T)

2.3.1 Chỉnh lưu tia 1 pha dùng T:

2.3.1.1 Tải R (tải thuần trở)

2.3.1.2 Tải RL (tải trở – cảm)

2.3.1.3 Tải RE (tải pin - ắc quy)

2.3.1.4 Tải tổng quát RLE (tải động cơ điện một chiều)

 Chỉnh lưu tia: 1 pha, 2 pha, 3 pha, 6 pha…

 Chỉnh lưu cầu: 1 pha, 3 pha (điều khiển hoàn toàn, bán điều