Điện tử công suất: Linh kiện đtcs và các khái niệm cơ bản

 1930: Chỉnh lưu dùng đèn hơi thủy ngân công suất 3MW được lắp đặt cho hệ thống tàu điện ngầm New York dùng để điều khiển động cơ DC của xe điện  1931: Hệ thống cycloconverter dùng đèn

 1930: Chỉnh lưu dùng đèn hơi thủy ngân công suất 3MW được lắp đặt cho hệ thống tàu

điện ngầm New York (dùng để điều khiển động cơ DC của xe điện)

 1931: Hệ thống cycloconverter dùng đèn hơi thủy ngân được ứng dụng trong hệ thống tàu

điện tại Đức

 1948: Transistor được phát minh tại Bell Labs

 1956: Diode công suất dùng bán dẫn Silic ra đời

 1958: GE giới thiệu thyristor (SCR) thương phẩm đầu tiên

 1971: Kỹ thuật điều khiển vector động cơ không đồng bộ (lý thuyết) được giới thiệu

Vài nét về lịch sử phát triển ĐTCS và các ứng dụng

 1975: Transistor luỡng cực (BJT) công suất lớn được chế tạo bởi TOSHIBA

 1980: GTO công suất lớn ra đời tại Nhật

 1981: Cấu hình nghịch lưu đa bậc (diode clamped) ra đời

 1983: IGBT ra đời

 1983: Kỹ thuật điều rộng xung vector không gian (Space Vector PWM) ra đời

 1986: Kỹ thuật điều khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control – DTC) động cơ không

đồng bộ ra đời

 1996: IGCT được giới thiệu lần đầu bởi ABB

ĐTCS và các lãnh vực liên quan ngày nay

CHỈNH LƯU HƠI THỦY NGÂN

Sơ đồ khối một hệ thống ĐTCS

Sơ đồ khối một hệ thống ĐTCS

Nhiệm vụ của một hệ thống điện tử công suất (ĐTCS) là kiểm soát và điều khiển dòng năng

lượng điện bằng cách cung cấp cho tải điện áp và dòng điện dưới dạng tối ưu nhất

Ngõ vào của hệ thống ĐTCS thường là điện lưới một pha hoặc 3 pha, tần số 50 hoặc 60Hz Ngõ

ra (điện áp, tần số, dòng điện, số pha) thường được thiết kế để phù hợp với tải

Phần mạch động lực sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất Phần mạch điều khiển sử dụng kỹ

thuật mạch tích hợp tuyến tính (linear integrated circuits) và/hoặc mạch xử lý số (digital signal

processor)

Trong những năm gần đây, lãnh vực điện tử công suất đã có những thành tựu lớn nhờ vào sự phát

triển của:

- Kỹ thuật vi điều khiển (microcontroller, digital signal processor - DSP)

- Kỹ thuật bán dẫn công suất lớn (power semiconductor)

Lãnh vực ứng dụng của ĐTCS

1 Bộ nguồn xung và bộ nguồn liên tục (UPS): Sự phát triển của kỹ thuật chế tạo vi mạch

dẫn đến sự phổ biến rộng rãi của các thiết bị điện tử như máy tính, thiết bị thông tin và

thiết bị điện tử dân dụng, tất cả đều cần cung cấp bằng nguồn một chiều (dc) ổn áp hoặc

trong nhiều ứng dụng còn đòi hỏi cấp nguồn liên tục

2 Bộ biến đổi năng lượng: ứng dụng trong:

- Chiếu sáng: cung cấp cho đèn huỳnh quang (ballast điện tử), hoặc đèn LED

- Điều khiển tốc độ động cơ: thay đổi lưu lượng lưu chất bằng cách thay đổi tốc độ

bơm/quạt, điều khiển tốc độ hoặc vị trí cho những ứng dụng công nghiệp nhằm tư động

hoá, nâng cao hiệu suất và sự linh hoạt trong sản xuất

3 Giao thông vận tải: xe điện, tàu điện

4 Gia nhiệt công nghiệp: hàn điện, mạ điện, điện phân, gia nhiệt cao tần (tôi cao tần, lò cảm

ứng, v.v )

5 Hệ thống điện (Utility): truyền tải điện DC cao áp (HVDC), các hệ thống bù tĩnh

(STATCOM – Static Compensator), bộ lọc công suất (Active Power Filer) dùng để lọc

sóng hài trên lưới điện, các ứng dụng trong lãnh vực năng lượng tái sinh (Renewable

Energy) như các hệ thống điện gió (wind-electric system) hoặc điện mặt trời (photovoltaic

system)

Lãnh vực ứng dụng của ĐTCS

1 Các thiết bị gia dụng

 Tủ lạnh, tủ đông

 Gia nhiệt, sưởi

 Hệ thống điều hòa không khí

 Lò nấu

 Chiếu sáng

 Các thiết bị điện tử dân dụng (TV, máy

tính, các thiết bị nghe nhìn, giải trí…)

2 Trang thiết bị cho cao ốc

 Các hệ thống sưởi, thông gió, điều hòa

 Hệ thống điều hòa trung tâm

 Máy tính và các thiết bị văn phòng

 UPS (Uninterruptible Power Supply)

 Thang máy

3 Công nghiệp

 Bơm

 Máy nén

4 Giao thông vận tải

 Điều khiển động cơ xe hơi điện

 Nạp acquy xe hơi điện

 Các hệ thống tàu điện, tàu điện ngầm

6 Hàng không

 Hệ thống điện tàu con thoi

 Hệ thống điện của các vệ tinh

 Hệ thống điện máy bay

• Công suất tổn hao lớn trên điện trở phân áp  mạch có hiệu suất thấp

• Điện áp ngõ ra thay đổi khi điện áp ngõ vào hoặc điện trở tải thay đổi

Xét mạch sử dụng điện trở phân áp

Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính và ổn áp xung

• Transistor công suất được điều khiển hoạt động tương tự như một điện trở

biến đổi  điện áp ra được ổn định khi điện áp vào hoặc điện trở tải thay đổi,

Xét mạch với bộ biến đổi dc-dc (t-t)

Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính và ổn áp xung

Dạng sóng điện áp tại usĐiện áp ngõ ra Uo= giá trị trung bình của us = D.Ud

Mạch lọc L-C để lọc bỏ sóng hài điện áp tần số cao ở ngõ ra và giữ

lại thành phần trung bình của us.

Xét mạch với bộ biến đổi dc-dc (t-t)

Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính và ổn áp xung

Phân loại bộ biến đổi công suất

Phân loại theo tần số điện áp ngõ vào và ngõ ra: các bộ biến đổi công suất (converter) cơ bản (gọi

tắt là bộ biến đổi – BBĐ) bao gồm:

1 ac  dc (chỉnh lưu – rectifier)

2 dc  ac (nghịch lưu – inverter)

3 dc  dc

4 ac  ac

Trong thực tế, một bộ biến đổi công suất có thể bao gồm nhiều bộ biến đổi cơ bản và các phần tử

trữ năng lượng (tụ điện, cuộn cảm)

Chiều truyền công suất của bộ biến đổi có thể là một chiều (nguồn  tải hoặc tải  nguồn) hoặc

hai chiều

Phân loại bộ biến đổi công suất

Phân loại bộ biến đổi công suất

Phân loại theo tần số hoạt động:

1 Bộ biến đổi tần số lưới (chuyển mạch tự nhiên – naturally commutated converters): ngõ vào

hoặc ngõ ra của bộ biến đổi loại này được cung cấp từ lưới, và các khoá bán dẫn được tắt nhờ

cực tính của điện áp lưới thay đổi (ví dụ: chỉnh lưu có điều khiển, bộ biến đổi điện áp xoay

chiều ) Tần số đóng ngắt của linh kiện phụ thuộc vào tần số lưới (50 hoặc 60Hz)

2 Bộ biến đổi chuyển mạch cuỡng bức (force-commutated converters): tần số đóng ngắt của các

khoá bán dẫn không phụ thuộc và cao hơn nhiều so với tần số lưới

3 Bộ biến đổi cộng hưởng hoặc tựa cộng hưởng (resonant or quasi-resonant converters): các

khoá bán dẫn đóng và/hoặc ngắt tại điện áp và/hoặc dòng điện bằng zero

Các khái niệm cơ bản

Giá trị trung bình của đại lượng i:

Các khái niệm cơ bản

Cơng suất tức thời:

Xét quá trình dòng điện trên hình sau:

Trị trung bình dòng điện cho bởi hệ thức:

Ví dụ tính tốn

Ví dụ 0.2: Tính trị trung bình điện áp chỉnh lưu của bộ chỉnh lưu

cầu 1 pha không điều khiển Hàm điện áp chỉnh lưu có dạng

u=Um.sin(.t) ; với Um=220 2 [V]; =314[rad/s]

Ví dụ tính tốn

Ví dụ 0-4

Cho một điện áp dạng u U m sin( 314 t ) 220 2 sin( 314 t )[ V ]

a.Tính trị hiệu dụng của điện áp trên ?

Cho hàm u1 và u2 với tính chất sau:

;

0

0 u

; u

0 u

; u

2 m

Tp 0 t 0 t

2 p

2

1 dt u

U

0

m AV

220 2

;

0

T t 0

U T

1 dt ).

t ( u

T

1

T 0

T T

2 2

m T

0

2

rms

Lấy trị trung bình hai vế ta có:

URAV=R.IRAV

Ở chế độ xác lập iL(t0)=iL(t0+Tp)

Trị trung bình điện áp trên L được xác định bằng cách lấy tích phân hai vế biểu thức trên

trong một chu kỳ, kết quả: U LAV =0  Điện áp trung bình trên điện cảm L = 0

Lưu ý là tích phân theo thời gian của điện áp trên L chính là từ thơng trong cuộn dây này

Do đĩ, ý nghĩa vật lý của việc điện áp trung bình trên L bằng zero là: ở trạng thái xác lập tổngđộ

biến thiên từ thơng của cuộn dây L trong một chu kỳ bằng zero (trên hình: diện tích A = diện tích

Ở chế độ xác lập iC(t0)=iC(t0+Tp)

Trị trung bình dịng điện qua C được xác định bằng cách lấy tích phân hai vế biểu thức trên

trong một chu kỳ, kết quả: I CAV =0  Dịng trung bình qua tụ C = 0

Lưu ý là tích phân theo thời gian của dịng điện qua C chính là điện tích trên tụ

Do đĩ, ý nghĩa vật lý của việc dịng trung bình qua tụ C bằng zero là: ở trạng thái xác lập tổngđộ

biến thiên điện tích trên tụ C trong một chu kỳ bằng zero (trên hình: diện tích A = diện tích B)

UtAV=R.ItAV+ULAV=R.ItAV

Từ đó: ItAV=UtAV/R

Trị trung bình dịng qua tải RL chỉ phụ thuộc vào R và giá trị

trung bình của điện áp ut

Một số trường hợp thường gặp

Tải RLE:

E dt

Với E là sức điện động không đổi: E=const

Kết quả: UtAV=R.ItAV+E hay ItAV=(UtAV-E)/R

Trị trung bình dịng qua tải RLE chỉ phụ thuộc vào R, E và giá trị

trung bình của điện áp ut

Mạch một pha với dịng, áp dạng sin

U

u u

Mạch ba pha cân bằng (dòng, áp dạng sin)

Công suất trên 1 pha:

Hệ số cơng suất

Hệ số công suất  hoặc PF (Power Factor) đối với một tải được định

nghĩa bằng tỉ số giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà

nguồn cấp cho tải đó

biến tần 3-pha kiểu

điều rơng xung

(PWM) điển hình.

Dịng điện khơng sin i(t) cĩ thể triển khai thành các thành phần

hình sin theo phân tích Fourier:

) X n cos(

B ) X n sin(

n 1 i cos( n X ) dX B

Biên độ sóng hài bậc n của đại lượng i được xác định theo hệ

thức:

2 2

) n (





Trị trung bình đại lượng i chính là hệ thức IAV

Trị hiệu dụng đại lượng i cho bởi hệ thức:

2 m ) n ( 2

AV 1

n

2 ) n (

2

AV

I I

I I

I

Phân tích Fourier

Gọi u, i và p là điện áp, dòng điện và công suất với u,i có dạng

tuần hoàn không sin

) n (

I.

U I.

U

P  AV AV   ( n ) ( n ) n _ U  n _ I

Phân tích Fourier

Với tải RL, quan hệ giữa điện áp hài U(n)và dòng điện hài I(n) :

2 2

m ) n ( )

U Z

) n ( )

n (

) n ( )

n

(

) L n ( R

U Z

Trong đó, I(j) là trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j>=2 và I1là trị hiệu

dụng thành phần hài cơ bản dòng điện

Quan hệ giữa DF và THD:

2

) THD

Các bộ biến đổi cơng suất là những thiết bị cĩ tính phi tuyến

Giả sử nguồn điện áp cung cấp cĩ dạng sin và dịng điện qua nĩ cĩ dạng

tuần hồn khơng sin

Dựa vào phân tích Fourier áp dụng cho dịng điện i, ta cĩ thể tách dịng

điện thành các thành phần sĩng hài cơ bản I(1) cùng tần số với nguồn áp

và các sĩng hài bậc cao I(2), I(3), …

Sĩng điện áp nguồn và sĩng hài cơ bản của dịng điện tạo nên cơng suất

tiêu thụ của tải:

P=P1=m.U.I(1).cos 1

 : gĩc lệch pha giữa điện áp và dịng điện sĩng hài cơ bản

j j

P=m.U.I(1).cos1 : công suất tiêu thụ của tải

Q1=m.U.I(1).sin 1 : công suất phản kháng ( công suất ảo do sóng hài cơ

bản của dòng điện tạo nên)

2 2 2

( ) 2

. j

j



  : công suất biến dạng ( công suất ảo do các sóng

hài bậc cao của dòng điện tạo nên)

Khái niệm biến dạng (deformative) xuất hiện từ ý nghĩa tác dụng gây ra

biến dạng điện áp nguồn của các thành phần dòng điện này vì khi đi vào

Méo dạng do sóng hài

Từ đó, ta rút ra biểu thức tính hệ số công suất theo các thành phần công

suất như sau:

2 2 1

P

P S

Muốn tăng hệ số công suất và giảm méo dạng, ta có thể:

- Giảm Q1 - công suất ảo của sóng hài cơ bản, tức thực hiện bù

công suất phản kháng Các biện pháp thực hiện như bù bằng tụ

điện, bù bằng máy điện đồng bộ kích từ dư hoặc dùng thiết bị hiện

đại bù bán dẫn (SVC - Static Var Compensator);

- Giảm D - công suất ảo của các sóng hài bậc cao

Ví dụ: Ảnh hưởng của dòng nguồn không sin

Xét mạch chỉnh lưu cầu diode 1 pha với tụ lọc ở ngõ ra

Ví dụ: Ảnh hưởng của dòng nguồn không sin

Dạng dòng ngõ vào iscủa cầu chỉnh lưu là không sin  chứa nhiều

sóng hài

u d

u s

Xét mạch chỉnh lưu cầu diode 1 pha với tụ lọc ở ngõ ra

Ví dụ: Ảnh hưởng của dòng nguồn không sin

Xét mạch chỉnh lưu cầu diode 1 pha với tụ lọc ở ngõ ra

Thành phần hài trong dòng iSgây ra sụt áp do sóng hài trên Ls1, có

thể làm méo dạng áp uPCCtại điểm nối chung với các tải khác

Ví dụ: Ảnh hưởng của dòng nguồn không sin

Xét mạch chỉnh lưu cầu diode 1 pha với tụ lọc ở ngõ ra

Các công thức thường dùng

sin(A B ) sin cos A Bcos sinA B cos(A B ) cos cos A Bsin sinA B

sin 2A2sin cosA A cos 2A 1 2sin2A2cos2A 1

sin sin 2sin cos

CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT

Giới thiệu về bán dẫn công suất

Linh kiện bán dẫn điện tử công suất chỉ hoạt động ở hai chế độ: dẫn (ON) và tắt

(OFF) Do đó, chúng còn được gọi là khoá bán dẫn (power switch)

Với khoá bán dẫn lý tưởng:

 Ở chế độ dẫn: uT = 0  Tổn hao trên khoá bán dẫn pT = uT iT = 0,

 Ở chế độ tắt: iT = 0  Tổn hao trên khoá bán dẫn pT = uT iT = 0

Những yêu cầu của một linh kiện bán dẫn điện tử công suất:

 Không có tổn hao khi dẫn

 Không có tổn hao khi tắt

 Không có tổn hao khi chuyển mạch (tắt  dẫn hoặc dẫn  tắt)

 Công suất điều khiển nhỏ

 Thời gian chuyển mạch (turn-on time, turn-off time) thấp

 Điện áp, dòng điện định mức phù hợp với ứng dụng

Giới thiệu về bán dẫn công suất

Phân loại linh kiện bán dẫn theo khả năng điều khiển:

 Linh kiện không điều khiển: quá trình chỉ chuyển mạch phụ thuộc nguồn cung cấp, ví dụ:

diode, diac…

 Linh kiện chỉ kích dẫn được, không có khả năng kích tắt, ví dụ: SCR, triac

 Linh kiện có khả năng kích dẫn và kích tắt (Self-commutated device), ví dụ: transistor,

GTO (Gate Turn-off Thyristor), IGCT…

Những thông số quan trọng của linh kiện bán dẫn ĐTCS:

 Điện áp đánh thủng (breakdown voltage) cao

 Điện trở dẫn (ON resistance) thấp

 Thời gian chuyển mạch thấp

Tuy nhiên, các thông số trên có ảnh hưởng đến nhau khi chế tạo linh kiện, không thể cải tiến

thông số này mà không gây ảnh hưởng lên thông số khác

Giới thiệu về bán dẫn công suất

Các linh kiện làm việc trên nguyên lý hạt tải đa số (majority carrier) như MOSFET, Schottky

diode có điện áp đánh thủng không cao để điện trở dẫn ở mức chấp nhận được, đổi lại, linh kiện

có thời gian chuyển mạch thấp

Các linh kiện làm việc trên nguyên lý hạt tải thiểu số (minority carrier) như transistor, SCR,

GTO, v.v…có điện trở dẫn thấp và có thể chế tạo với điện áp đánh thủng cao Tuy nhiên, chúng

cần thời gian chuyển mạch lớn hơn nhiều so với linh kiện làm việc theo nguyên lý hạt tải đa số

nói trên, vì cần thời gian để bơm hoặc rút các hạt tải thiểu số vào vùng không hạt tải (depletion

layer) tương ứng với việc điều khiển dẫn hoặc tắt linh kiện

Diode

Diode công suất:

 Loại lưỡng cực (mối nối p-n): dùng cho bộ biến đổi công suất cao, có thể chế tạo với điện

áp và dòng làm việc lớn Dòng định mức từ 1A lên tới hơn 5000A, điện áp định mức từ

10V lên đến 10kV hoặc hơn nữa

 Loại Schottky diode: tần số hoạt động cao, điện áp bão hoà thấp (0.3V  0.5V), tuy nhiên

chỉ có thể chế tạo với điện áp làm việc thấp

 Sử dụng trong các mạch chỉnh lưu và mạch biến đổi dc-dc

Diode

Diode luỡng cực

Diode

Diode Schottky

Diode

t rr: thời gian phục hồi tính chất khoá của diode Dòng qua diode trong thời gian này

là dòng chuyển mạch (hoặc dòng phục hồi của diode)

Đặc tính chuyển mạch của diode

Các dạng diode thực tế

Diode

 Dẫn như một diode khi được phân cực thuận và có xung kích đưa vào cực Gate Tắt khi bị

phân cực ngược hoặc dòng giảm xuống đến zero

 Điện áp UAK khi SCR dẫn khoảng 1-2 Volts

 Kích dẫn bằng xung dòng vào cực Gate (cỡ vài mA đến vài trăm mA)

 Thời gian tắt từ vài µs đến 200 µs

 Được chế tạo với dòng định mức từ 10A tới 5000A, và điện áp định mức từ 200V tới 6kV

hoặc cao hơn

SCR (Silicon Controlled Rectifier)

 Triac là linh kiện bán dẫn công suất 3 cực, có cấu trúc giống như hai SCR mắc song song

ngược nhưng được điều khiển bởi một cực Gate Xung kích đưa vào cực gate có thể âm

hoặc dương

Triac

VBD VBD

Đặc tính Volt-Ampere của Triac

BJT (Bipolar Junction Transistor)

 Dẫn dòng collector (theo một chiều) và ở trạng thái bão hòa khi cung cấp đủ dòng vào cực

Base: IC ≤ β IB Lưu ý là β < 10 với BJT công suất lớn

 Điều khiển bằng dòng vào cực B (IB)  cần công suất điều khiển lớn

 Được chế tạo với dòng định mức từ 0.5A đến 500A (hoặc cao hơn) và điện áp từ 30 đến

1200V Lưu ý: transistor thường không thể chịu đựng điện áp ngược lớn hơn khoảng vài

chục Volts, nên không được phân cực ngược transistor

 Điện áp bão hoà (UCE,sat ) cỡ 0.5-2.5 Volts Transistor Darlington có UCE,sat lớn hơn

transistor đơn có cùng công suất  tổn hao nhiều hơn

 Thời gian tắt (toff) từ 0.5 s đến 100s

 Ứng dụng trong các bộ biến đổi dc-dc hoặc dc-ac Tuy nhiên, BJT hiện được thay thế bởi

MOSFET (trong ứng dụng công suất thấp) và IGBT (trong ứng dụng công suất cao)