GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Định nghĩa: Điện tử công suất đề cập đến điều khiển Control và chuyển đổi Converter năng lượng điện của các linh kiện bán dẫn trong đó các linh kiện này hoạt động như công tắc hoặc khó

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY ĐÔ

-

MÔN HỌC

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

CẦN THƠ, tháng 8 năm 2015

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU

1.1 Định nghĩa:

Điện tử công suất đề cập đến điều khiển (Control) và chuyển đổi (Converter) năng lượng điện của các linh kiện bán dẫn trong đó các linh kiện này hoạt động như công tắc hoặc khóa (Switch)

Nhiệm vụ chính của ĐTCS: điều khiển và chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang

dạng khác Các ứng dụng của nó chiếm toàn bộ lĩnh vực hệ thống điện với khoảng công suất từ vài VA/W đến vài MVA/MW

Ví dụ: UPS chuyển điện áp 12V DCtừ acquy sang 220V AC/50Hz

- DC/DC (Chopper): Chuyển đổi áp một chiều ngõ vào có giá trị không đổi thành dạng điện áp một chiều điều khiển được

Ví dụ: Tạo điện áp 5V từ 12V DC

- AC/AC (Cycloconverter): Biến đổi áp xoay chiều tần số không đổi ở ngõ vào thành điện áp xoay chiều có tần số khác (hoặc điều khiển được) ở ngõ ra, song song đó có khả năng điều khiển cả giá trị hiệu dụng áp hài cơ bản ngõ ra

Ví dụ: Mạch Dimmer điều khiển ánh sáng đèn, điều khiển tốc độ mô tơ

1.2 Khái niệm ĐTCS:

Ta xem xét vấn đề: Thiết kế mạch tạo ra điện áp DC 3V từ acquy 9V

- Đặt vấn đề: Cung cấp điện áp 3V đến điện trở tải

- Giải quyết vấn đề:

Để cho đơn giản ta dùng cầu chia điên áp như Hình 1-1

Mạch này có 2 nhược điểm:

i Công suất hấp thụ trên 2RL

bằng 2 lần trên tải RL, dẫn đến hiệu suất của mạch chỉ đạt 33%

ii Khi giá trị RL thay đổi, điện

áp ngỏ ra sẽ thay đổi Hình 1-1: Cầu chia điện áp

Để khắc phục nhược điểm thứ 2 ta sử dụng mạch ở Hình 1-2

Transistor Q được điều khiển để điện áp ngang qua nó là 6V nên ngỏ ra duy trì 3V Mạch này tuy khắc phục được nhược điểm thứ 2, nhưng hiệu suất vẫn chỉ đạt 33%

Để đạt được hiệu suất mong muốn ta xem xét mạch ở Hình 1-3

Khi SW đóng  vx = 9V SW hở  vx = 0V Nếu thời gian SW đóng bằng 1/3 chu

Tuy nhiên mạch chưa tạo ra điện áp DC 3V Dạng sóng của nó có thể được biểu diễn thành chuổi Fourier chứa thành phần DC và các hài hình sin của nó Do vậy để được 3V, mạch phải qua bộ lọc hạ thông (Low Pass Filter) như Hình 1-4

Nếu bộ lọc lý tưởng, không suy hao thì hiệu suất mạch là 100% Nhưng trong thực

tế, bộ lọc hấp thụ 1 số công suất và linh kiện SW cũng không lý tưởng nên hiệu suất mạch giảm xuống nhưng vẫn còn > 90%

Quá trình chuyển đổi công suất thường bao gồm cả hệ thống điều khiển Các đại lượng ngỏ ra của bộ chuyển đổi như điện áp, dòng điện được đo kiểm và các thông số hoạt động được điều chỉnh để đạt được ngỏ ra mong muốn Ví dụ, nếu điện áp 9V ở Hình

1-4 giảm còn 6V, thời gian đóng SW phải bằng ½ chu kỳ thì V x mới bằng 3V Một hệ

thống điều khiển hồi tiếp sẽ phát hiện nếu V x < 3V thì điều khiển thời gian đóng và mở

SW cho phù hợp như ở Hình 1-5

1.3 Các loại khóa bán dẫn SW (Switch):

Một khóa bán dẫn được đặc trưng bởi hai trạng thái ON (đóng) và OFF (ngắt)

(dựa vào tính chất của bán dẫn : làm việc như chất cách điện tương đương trạng thái

OFF, làm việc như chất dẫn điện tương đương trạng thái ON)

Hình 1-4: Thêm bộ lọc LPF cho Hình 1-3

Hình 1-5: Đường hồi tiếp điều khiển SW và duy trì điện áp ra

1.2.1 Diode:

Kí hiệu và đặc tuyến V-A cho ở Hình 1-6

- Cấu tạo gồm một lớp chuyển tiếp p-n, 2 điện cực ngoài

- Cực Anode nối với lớp p, Cathode nối với lớp n

Từ đặc tuyến, diode có 3 vùng hoạt động:

- Dẫn (trạng thái ON): Diode được phân cực thuận V AK > 0 (Forward-bias)

- Ngưng (trạng thái OFF): Diode được phân cực nghịch V AK ≤ 0 (Reverse-bias)

- Bị đánh thủng (Breakdown): Điện áp phân cực nghịch lớn hơn điện áp nghịch đỉnh (PIV) của diode Lúc này diode bị hỏng

Có 2 thông số quan trọng khi chọn diode:

- Điện áp nghịch đỉnh PIV (Peak Inverse voltage)

- Dòng điện trung bình tối đa

1.2.2 Thyristor:

1.2.2.1 SCR:

Cấu tạo, kí hiệu và sơ đồ tương đương cho ở Hình 1-7

Hình 1-7: Cấu tạo, kí hiệu và sơ đồ tương đương SCR

(a)

Hình 1-6: a) Đặc tuyến V-I b) Kí hiệu Diod c) Đặc tuyến V-I lý tưởng

- Cấu tạo gồm bốn lớp p, n với 3 cực ngoài Anode (A), Cathode (K) và Gate (G)

- Mạch điều khiển được nối giữa cực G&K Mạch công suất được nối giữa A&K Các trạng thái hoạt động:

- Trạng thái khóa áp ngược (SCR ngắt) (Hình 1-8a)

- Trạng thái khóa áp thuận (SCR ngắt) (Hình 1-8b)

- Trạng thái đóng (ON) dẫn thuận (Hình 1-8c)

Đặc tuyến V-A cho ở Hình 1-9

1.2.2.2 GTO:

Thyritor GTO (Hình 1-10) cũng giống như SCR,

được đóng bằng xung dòng cổng Gate nếu điện áp

Anode-Cathode dương Tuy nhiên, khác với SCR, GTO có khả

năng điều khiển ngắt bằng dòng cổng Gate giá trị âm Vì

vậy, GTO thích hợp cho một số ứng dụng khi yêu cầu điều

khiển cả hai quá trình đóng và ngắt khóa bán dẫn Dòng âm ngắt GTO cần phải ngắn (vài µs), nhưng biên độ phải rất lớn so với dòng đóng GTO và thông thường dòng kích ngắt GTO khoản 1/3 dòng anode ở trạng thái dẫn

13

Hình 1-11: Sơ đồ tương đương và kí hiệu Triac

Hình 1-12: Cấu tạo Diac và kí hiệu Hình 1-13: Đặc tuyến V-A của Diac

1.2.3 Transistor công suất:

1.2.3.1 BJT:

Cấu tạo và kí hiệu cho ở Hình 1-14

Có hai loại : npn và pnp, ba cực ngoài Collector (C) , Emitter (E) và cổng điều khiển Base (B)

Chiều dòng điện I B , I C và I E của BJT npn cho ở Hình 1-15a Đối với pnp thì có chiều ngược lại

Hình 1-15: a) BJT NPN b) Đặc tuyến V-A của BJT c) Đặc tuyến V-A lý tưởng

- Đặc tuyến của BJT được trình bày trên Hình 1-15b BJT chuyển sang trạng thái

dẫn khi cấp cho nó một dòng cổng I B đủ lớn để BJT dẫn bão hoà Điện áp bão

hòa V CE khoảng 1 –2V đối với BJT công suất Dòng I B = 0 làm BJT ngắt

- BJT là một linh kiện điều khiển bằng dòng, có hệ số khuếch đại h FE thấp, thường nhỏ hơn 20 Sự vận hành của khoá được đặc trưng bởi dòng vào ở cực điều khiển

1.2.3.2 MOSFET:

Cũng giống như BJT có 2 loại MOSFET kênh P và N, ba cực ngoài Drain (D), Source (S) và cổng điều khiển Gate (G) Kí hiệu và đặc tuyến V-A cho ở Hình 1-16

- MOSFET được điều khiển bằng áp, chỉ cần dòng điều khiển rất nhỏ ở cổng điều

khiển (vài mA) để duy trì MOSFET ở trạng thái đóng Điện áp V GS đủ lớn sẽ

đóng MOSFET Ở trạng thái dẫn, sự biến thiên V DS tỷ lệ thuận với sự biến thiên

IGBT (Hình 1-17) là mạch tích hợp một MOSFET và một BJT, ba cực ngoài

Collector (C), Emitter (E) và cổng điều khiển Gate (G)

IGBT có tần số đóng cắt lớn hơn BJT nhưng nhỏ hơn MOSFET, bình thường

1.4 Chọn lựa SW:

Việc chọn lựa linh kiện công suất không chỉ tùy thuộc vào điện áp và dòng điện mà còn thông số chuyển mạch của nó

- Điều khiển được cả 2 chiều ON và OFF: BJT và GTO

- Điều khiển chỉ 1 chiều ON: SCR

- Không điều khiển: Diod

Tốc độ chuyển mạch và suy hao công suất rất quan trọng trong mạch ĐTCS Tốc độ chuyển mạch của MOSFET cao hơn BJT, thời gian trễ nhỏ hơn, suy hao chuyển mạch thấp hơn, do đó MOSFET được sử dụng nhiều hơn BJT

Khi chọn linh kiện SW, xem xét đầu tiên điểm hoạt động và đặc trưng ON/OFF Ví

dụ 1.1 cho ta thấy phương pháp chọn lựa SW

Ví dụ 1.1: Mạch ở Hình 1-18 có 2 SW S1 và S2 S1 đóng (Close - ON) thì S2 mở (Open - OFF) và ngược lại Tần số điều khiển SW là 200kHz Chọn linh kiện cho mỗi

SW, xác định điện áp và dòng điện tối đa trên mỗi SW

 Điểm hoạt động của S1 nằm ở góc phần tư thứ I của hệ trục tọa độ (v 1 ,i 1 ): v 1>0 &

i 1>0, linh kiện sử dụng cho S1 phải điều khiển được cả 2 chiều ON và OFF Đặc tuyến

V-A của BJT và MOSFET ở Hình 1-15c và 1-16c thỏa mãn điều kiện  có thể chọn BJT hoặc MOSFET cho S1 Do yêu cầu tần số chuyển mạch cao, điện áp và dòng điện thấp (24V/2A) nên ta chọn MOSFET

 Điểm hoạt động của S2 nằm ở góc phần tư thứ II của hệ trục tọa độ (v 2 ,i 2 ): v 2<0

& i 2>0 Đặc tuyến V-A của Diod ở Hình 1-6c thỏa mãn điều kiện  chọn Diod cho S2

 Mạch được trình bày ở Hình 1-20

Hình 1-20: Chọn Diod cho S2

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT 2.1 Giới thiệu:

Tính toán công suất là điều cần thiết trong việc phân tích và thiết kế mạch ĐTCS Khái niệm công suất cơ bản được xem xét trong chương này, với sự nhấn mạnh đặc biệt vào tính công suất cho các mạch điện với điện áp và dòng điện không Sin Xử lý thêm cho một số trường hợp đặc biệt có thể bắt gặp thường xuyên trong ĐTCS

2.2 Công suất và Điện năng:

Công suất tức thời:

p t v t i t    (2.1) Công suất tức thời là 1 đại lượng thay đổi theo thời gian

p t   > 0 : thiết bị đang hấp thụ công suất

p t   < 0 : thiết bị đang cung cấp công suất

Điện năng hoặc năng lượng:

Công suất tác dụng hoặc công suất trung bình:

Các hàm điện thế và dòng điện tuần hoàn sinh ra Công suất tức thời tuần hoàn Công suất tác dụng là giá trị trung bình của p t   trên một hoặc nhiều chu kỳ

Ví dụ 2.1: Cho mạch ở Hình 2-1, điện thế và dòng điện ở Hình 2-2a,b

(a) Xác định Công suất tức thời p t   được hấp thụ bỡi thiết bị

(b) Xác định điện năng hấp thụ trong 1 chu kỳ

(c) Xác định Công suất tác dụng

2 1

Đơn vị của cuộn dây là H (Henry)

Do cuộn cảm là phần tử tích trữ năng lượng nên ở thời điểm t 0 nào đó có thể nó đã

trữ một năng lượng từ trường ứng với dòng điện i(t 0 )

Biểu thức viết lại:

0

0

1 t t

i t i t v t dt

L

Và mạch tương đương của cuộn cảm được vẽ lại ở Hình 2-3b

Năng lượng từ trường tích trữ trong cuộn cảm:

Khi dòng điện tuần hoàn: i t  0  T   i t  0

Viết lại biểu thức (2.8):

0 0

1 t T

avgL t

Đơn vị của tụ điện là F (Farad)

Do tụ điện là phần tử tích trữ năng lượng nên ở thời điểm t 0 nào đó có thể nó đã trữ

một năng lượng điện trường ứng với hiệu thế v(t 0 )

Biểu thức viết lại:

Và mạch tương đương của tụ điện được vẽ lại ở Hình 2-4

Năng lượng điện trường tích trữ trong tụ điện:

Khi điện áp tuần hoàn: v t 0Tv t 0

Viết lại biểu thức (2.12):

0 0

1 t T

avgC t

Ví dụ 2.2: Dòng điện trong 1 cuộn cảm 5mH ở Hình 2-5a là sóng tam giác tuần

hoàn ở Hình 2-5b Xác định điện áp, công suất tức thời và công suất trung bình của cuộn cảm

Theo (2.10), (2.11), điện áp và công suất trung bình của cuộn cảm = 0

2.4 Phục hồi năng lượng:

Cuộn cảm và tụ điện phải được cung cấp và giải phóng năng lượng trong 1 vài ứng dụng của ĐTCS Ví dụ, 1 cuộn Solenoid phun nhiên liệu trong một ô tô được nạp năng lượng trong khoảng thời gian đặt bỡi BJT SW Năng lượng được lưu trữ trong cuộn Solenoid khi dòng điện được thiết lập Mạch phải được thiết kế loại bỏ năng lượng dự trữ trong cuộn cảm để bảo vệ BJT khi nó ngắt Hiệu quả của mạch có thể được cải tiến nếu năng lượng dự trữ được truyền tới tải hoặc nguồn hơn là tiêu tán trong mạch trở kháng Khái niệm phục hồi năng lượng dự trữ được mô tả bỡi các mạch thiết kế trong phần này Mạch cho ở Hình 2-6a, giả sử điện trở nội trong cuộn cảm là không đáng kể, BJT

SW và diod là lý tưởng Nhánh diod – điện trở loại bỏ năng lượng trong cuộn cảm và bảo

vệ BJT khi nó ngắt

Hình 2-6:

(a) Mạch cung cấp năng lượng cho cuộn cảm và sau đó truyền năng lượng dự trữ cho điện trở

(b) Mạch tương đương khi BJT dẫn (ON)

(c) Mạch tương đương khi BJT ngưng (OFF) và diod dẫn

Giả sử BJT ON ở t = 0 và OFF ở t = t 1 Ta tiến hành phân tích mạch

 Dòng điện qua cuộn cảm và nguồn tăng tuyến tính khi BJT ON

 BJT ngưng OFF (t 1 < t < T) : Mạch tương đương Hình 2-6c

Diode: phân cực thuận, ON

Công suất trung bình được cung cấp từ nguồn, áp dụng (2.5):

1

1

2 1

V t W

Một phương pháp khác để loại bỏ năng lượng dự trữ trong cuộn cảm được trình bày

ở Hình 2-8 Hai BJT dẫn và ngưng đồng thời, các diod tạo đường dẫn năng lượng lưu trữ

trong L quay về nguồn cung cấp Giả sử các BJT dẫn ở t = 0 và ngưng ở t = t 1

 Các BJT dẫn ON (0 < t < t 1 ): Mạch tương đương Hình 2-8b

Các diod phân cực ngược, OFF

 Dòng điện qua cuộn cảm và nguồn tăng tuyến tính khi các BJT ON

 Các BJT ngưng OFF (t 1 < t < T ): Mạch tương đương Hình 2-8c

Các diode phân cực thuận, ON

 Dòng điện qua cuộn cảm giảm tuyến tính khi các BJT OFF và bằng 0 khi

t=2t 1 , lúc đó các diod ngưng dẫn i L giữ bằng 0 cho đến khi BJT dẫn lần nữa

Khi các BJT OFF và diod ON: i S (t) = -i L (t) (2.30)

Hình 2-8:

(a) Mạch cung cấp năng lượng cho cuộn cảm và sau đó phục hồi năng lượng dự

trữ trở lại nguồn

(b) Mạch tương đương khi các BJT dẫn (ON)

(c) Mạch tương đương khi các BJT ngưng (OFF) và diod dẫn

 Nguồn đang hấp thụ công suất

222

Mạch ở Hình 2-8 không có tổn thất năng lượng vốn có để thiết kế và vì thế hiệu quả hơn mạch Hình 2-6

Ví dụ 2.3: Mạch ở Hình 2-6a có V CC = 90 V, L = 200 mH, R = 20 Ω, t 1 = 10 ms và

T = 100 ms Xác định:

(a) Dòng điện đỉnh và năng lượng lưu trữ đỉnh trong cuộn cảm

Hình 2-9: Dạng sóng của i L (t) và i S (t)

(b) Công suất trung bình hấp thụ bỡi điện trở

(c) Công suất trung bình và đỉnh của nguồn

(d) So sánh kết quả với Hình 2-8a

L R

Thời gian BJT OFF: T – t 1 = 100 – 10 = 90 ms = 9τ

 Toàn bộ năng lượng lưu trữ trong cuộn cảm cơ bản được truyền tới R:

W R = W L = 2.025 J

Công suất trung bình hấp thụ bỡi điện trở theo (2.4):

2.025

20.25 W0.1

R R

W P T

 Công suất đỉnh của nguồn tại t 1 = 10 ms: p S,max  p S t1 405 W

Công suất trung bình của nguồn:

Cũng cho qua nhánh có điện trở R đó 1 dòng điện DC I trong 1 thời gian T, ta có:

T

Ví dụ 2.4: xác định giá trị rms của dãy xung

tuần hoàn có tỉ lệ dẫn D như Hình 2-11

b Chỉnh lưu toàn sóng v t    Vmsin    t

c Chỉnh lưu nữa sóng v t    Vmsin    t với 0 < t < T/2 và còn lại = 0

Tương tự câu (a), ta có:

2

m rms

Trường hợp điện thế là tổng của 2 dạng sóng tuần hoàn, v t    v t1   v t2 , giá trị

rms của v t   được xác định từ công thức (2.36):

Giải:

a 2 21:

Từ (2.35) ta có:

1 1

2

0 2

m m

m m

Từ công thức (2.35):

1

2 2

2

T

m m

26

T m

m m

I

I  Đây là công thức chung cho dạng tam giác

b Gọi dòng điện ở câu (a) là i t1  và I1m 2A, ta viết biểu thức cho dòng điện ở câu (b):

rms

I         A

 

2.6 Công suất biểu kiến và hệ số công suất:

Công suất biểu kiển (còn được gọi là công suất toàn phần):

2.7 Tính toán công suất cho mạch AC tín hiệu Sin:

Nói chung, điện thế và dòng điện trong mạch ĐTCS là không Sin Tuy nhiên, một dạng sóng tuần hoàn không Sin có thể được biễu diễn bỡi một chuỗi Fourier Sin Do đó, việc hiểu để tính toán công suất cho mạch AC Sin là cần thiết

cos cos

Công suất tức thời:

Để đặc trưng cho cường độ quá trình trao đổi năng lượng điện từ trường, trong tính toán ta đưa ra khái niệm công suất phản kháng Q:

 Q = 0 (sinφ = 0, pf = 1): Tải thuần kháng

 Q > 0 (sinφ > 0, pf trễ – pf lagging): Tải cảm kháng

 Q < 0 (sinφ < 0, pf sớm – pf leading): Tải dung kháng

Công suất phức:

2 2

2.8 Tính toán công suất cho tín hiệu không Sin:

0 0

0 0

T n

   

0

a là hằng số, giá trị trung bình của f t   và đại diện cho điện thế hoặc dòng điện

DC Hệ số C1 là biên độ của tần số cơ bản 0 C2,C3,… biên độ của các hài có tần số 0

Công suất trung bình:

Nếu ta có điện áp và dòng điện được biểu diễn bằng chuỗi Fourier sau:

Từ (2.3):    

0

1 T

P v t i t dt T

Nguồn không Sin và tải tuyến tính:

Nếu 1 điện áp tuần hoàn không Sin áp vào tải là các phần tử tuyến tính, công suất hấp thụ bỡi tải có thể được xác định bằng cách sử dụng nguyên lý chồng chập Điện áp tuần hoàn không Sin tương đương 1 chuỗi các điện thế của chuỗi Fourier như ở Hình 2-

13 Dòng điện trong tải có thể xác định bằng nguyên lý chồng chập và công thức (2.53) được áp dụng để tính công suất trung bình Chú ý khi các nguồn có cùng tần số, không sử dụng nguyên lý chồng chập để tính công suất

Ví dụ 2.8: Một điện áp tuần hoàn không Sin có chuỗi Fourier v(t) =

10 20 cos 2 60  t25 30cos 4 60 t20 V Điện áp này nối tới tải là điện trở 5Ω

và cuộn dây 15mH mắc nối tiếp như Hình 2-14 Xác định công suất hấp thụ bỡi tải

Nguồn Sin và tải không tuyến tính:

Điện áp ngỏ vào: v t V1sin0t1

Hình 2-13: Mạch tương đương cho phân tích Fourier Hình 2-14

Dòng điện trên tải không tuyến tính sẽ là không Sin nhưng có thể biểu diễn theo chuỗi Fourier:

Chú ý: chỉ có phần tử công suất ở tần số của điện thế áp vào là khác 0

Hệ số công suất của tải được tính từ (2.40)

, ,

1 1

I I

rms

I I THD

I



Trong trường hợp thành phần DC = 0, ta có:

2 2 1

n n

I THD

(b) Hệ số công suất:

70.72

14

rms rms

I pf

rms rms

I DF

2 2 1, 1,

1514

9.142

CHƯƠNG III: CHỈNH LƯU NỬA SÓNG

3.1 Giới thiệu:

Chỉnh lưu là quá trình chuyển đổi điện thế hay dòng điện AC sang DC

Chỉnh lưu nửa sóng thường được ứng dụng trong các mạch công suất thấp Hiểu biết rõ về mạch chỉnh lưu nửa sóng sẽ giúp chúng ta tiến tới phân tích các mạch phức tạp hơn tương đối dễ dàng

sin2

- Công suất trung bình hấp thụ trên R:

Giá trị đỉnh của nguồn: Vm  Vs rms, 2  120 2  169.7 V

(a) Dòng tải trung bình:

10.85

m DC

Chỉnh lưu nửa sóng với tải cảm ứng RL cho ở Hình 3-2a

Ở bán kỳ dương diod phân cực thuận, viết KVL cho mạch:

Để tìm i tf  , chuyển (3.4) sang vec tơ pha ta được:

nguồn Các dạng sóng điện áp của mỗi phần tử được cho ở Hình 3-2b

Ta thấy diod vẫn duy trì phân cực thuận với thời gian > π, do v L âm khi dòng điện giảm Đến thời điểm  t   , diode phân cực nghịch → i = 0