bài giảng điện tử công suất

Nguyên lý hoạt động của tranzitor • Dòng điện điều khiển Ibđược xác định Ib= IC/ • Trong điện tử công suất, dòng điện lớn nên transistor làm việc ở chế độ đóng cắt nên khi mở phải thoả

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG

1 Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh: “Điện tử

công suất” Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2004.

2 Trần Trọng Minh: “Giáo trình Điện tử công suất” Nhà xuất

bản giáo dục, Hà Nội, 2015

3 Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi: “Phân tích và giải mạch

điện tử công suất” Nhà xuất bản giáo dục, Hà Nội, 2007.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

2

CHƯƠNG 1CÁC LINH KIỆN BÁN

1.1 Đặc tính cơ bản của các phần tử công suất.

• Dòng điện làm việc: phải lớn hơn dòng tải.

• Điện áp ngược chịu được

• Thời gian dẫn thời gian tắt

• Điện áp rớt trên phần tử công suất khi dẫn

• Tổn hao công suất

1.2 Diod công suất

• Nguyên lí cấu tạo

Phân cực cho mối nối p-n

• Thông số của diode:

• U – sụt áp thuận, trong khoảng (0,7 - 2)V

• P – tổn hao công suất; P = U.I (đến hàng kW)

• Irò – dòng điện rò, tới vài trăm mA

Một số Điốt thông dụng thường gặp

Điốt Zener còn gọi là điốt ổn áp, là một loại Điốt bán dẫn làm

việc ở chế độ phân cực ngược trên vùng điện áp đánh thủng

Điện áp này còn gọi là điện áp Zener hay thác lở Khi đó giá trị

điện áp ít thay đổi

Nó được chế tạo sao cho khi phân cực ngược thì điốt Zener sẽ

ghim một mức điện áp gần cố định bằng giá trị ghi trên diode,

làm ổn áp cho mạch điện

Diode xung Trong các bộ nguồn xung thì ở đầu ra của biến áp

xung , ta phải dùng Diode xung để chỉnh lưu diode xung là diode

làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz , diode nắn điện

thông thường không thể thay thế vào vị trí diode xung được,

nhưng ngựơc lại diode xung có thể thay thế cho vị trí diode

thường, diode xung có giá thành cao hơn diode thường nhiều lần

Về đặc điểm , hình dáng thì Diode xung không có gì khác biệt

với Diode thường, tuy nhiên Diode xung thường có vòng dánh

dấu đứt nét hoặc đánh dấu bằng hai vòng

Diode nắn điện Là Diode tiếp mặt dùng để nắn điện trong các bộ

chỉnh lưu nguồn AC 50Hz , Diode này thường có 3 loại là 1A, 2A

và 5A

1.3 Transistor lưỡng cực BJT Bibolar Junction Transistor

1 Nguyên lí, cấu tạo.

2 Đặc tính, thông số

3 Đặc điểm cấu tạo

4 Sơ đồ darlington

1 Nguyên lí cấu tạo BJT

• Cấu tạo của transistor có dạng như hình vẽ

p n p

Emitter Colector

Base a)

n p n

Emitter

Colector

Base b)

Hoạt động của transistor

Nguyên lý hoạt động của tranzitor

• Dòng điện điều khiển Ibđược xác định Ib= IC/

• Trong điện tử công suất, dòng điện lớn nên transistor làm việc ở

chế độ đóng cắt nên khi mở phải thoả mãn điều kiện:

• Ib= kbh IC/ (kbh= 1,2  1,5 - hệ số bão hoà),

• điện áp bão hoà CE khoảng 1-1,5 V Ib = IC/

• Do cần hệ số khuếch đại lớn nên BJT thường cấu tạo dạng

darlington

Thông số

• IC– dòng điện định mức, ( tới 1000A)

•  - hệ số khuếch đại dòng điện

• IB= IC/ β – dòng điện base mA

• U – sụt áp thuận; (khoảng (0,7 - 2)V)

• P – tổn hao công suất sinh nhiệt (đến hàng kW)

• Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giáp khoảng

2000C

• UCE- điện áp CE; Trong khoảng (50-1500)V

• UBE- điện áp BE; hàng vôn

3 Sơ đồ darlington

• Từ đặc tính tĩnh ở trên thấy rằng hệ số khuếch đại dòng điện

của các transistor công suất nhỏ chỉ khoảng hàng chục Do đó

cần mắc hai transistor nối tiếp nhau như hình vẽ

• Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn

p-n-p-n tạo thành.

Anot: A, Katot: K, cực điều khiển: G.

Cấu tạo của thyristor

1.4 Thyristor (SCR)

3 Mở thyristor

• Tăng điện áp thuận UAKcho đến khi lớn hơn Uthmaxkhi đó điện

trở nội của tiristor giảm mạnh, dòng qua tiristor sẽ do mạch ngoài

xác định Phương pháp này trong thực tế không dùng (cần phải

tránh) do những nguyên nhân sau:

– Không phải khi nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị

Uthmax

– Trường hợp này thường xảy ra do tác dụng của xung áp tại

một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước

• Tăng tốc độ biến thiên điện áp du/dt

• Đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào cực điều khiển

(UGK>0) Đây là phương pháp điều khiển tiristor được áp dụng

trong thực tế

4 Khoá thyristor

• Khi một tiristor đã mở, sự hiện diện của tín hiệu điều

khiển Ig là không cần thiết, để khoá tiristor có 2 cách:

• Giảm dòng qua tiristor xuống dưới giá trị dòng duy trì Idt

• Đặt một điện áp ngược lên tiristor (biện pháp thường

• Chịu được điện áp cao;

• Công suất điều khiển nhỏ;

1.5 Triac

• Cấu trúc và kí hiệu

• Triac là linh kiện có thể dẫn dòng điện ở hai chiều Vì vậy,

định nghĩa dòng thuận và dòng ngược không có ý nghĩa

tương tự cho các khái niệm điện áp ngược Việc kích dẫn

triac thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cực điều khiển

G, điều khiển để Triac đóng điện là đưa xung dòng kích

vào cực điều khiển trong điều kiện tồn tại điện áp trên

linh kiện khác zero

• Giống như Thyristor, không thể điều khiển ngắt dòng qua

triac Triac sẽ ngắt theo quy luật đã được giải thích đối với

Thyristor

a)

• Đặc tính Volt-Ampere của TRIAC bao gồm hai đoạn đặc tính ở

góc phần tư thứ nhất và thứ ba, mỗi đoạn đều giống như đặc tính

thuận của một thyristor

• TRIAC có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương

(dòng đi vào cực điều khiển) lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực

điều khiển) Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém

hơn, nghĩa là để mở được TRIAC sẽ cần một dòng điều khiển âm

lớn hơn so với dòng điều khiển dương Vì vậy trong thực tế để

đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua TRIAC thì sử dụng

dòng điện dương là tốt hơn cả

• Ứng dụng: Người ta dùng triac để điều chỉnh ánh sáng điện, nhiệt

Hoạt động

điện tử của nền P về phía giữa của hai vùng bán dẫn N.

• Khi lực hút đủ lớn thì số điện tử bị hút nhiều hơn, đủ để

nối liền hai vùng bán dẫn N thì kênh dẫn được hình

thành.

Hiện nay đã chế tạo MOSFET:

+ dòng lớn: 1900A x 200V

+ điện áp cao: 900V x 85A

+ loại trung bình: 300A x 300V

Ưu:

+ điều khiển bằng áp

+ công suất điều khiển nhỏ

+ tham số ít phụ thuộc nhiệt độ

+ có thể không cần điện áp âm ở

+ Khả năng chịu điện áp ở trạng thái khóa thấp

+ Van một cực tính

1.7 Insulated Gate Bipolar Transistor

Ưu:

• Điều khiển bằng điện áp;

• Công suất điều khiển nhỏ;

• Chịu được điện áp khá cao;

• Sụt áp dẫn nhỏ (2-4V tương đương một

điôt và điện trở nối tiếp);

• Tham số ít phụ thuộc vào nhiệt độ;

• Tần số chuyển mạch cao đến 30kHz ( thấp

hơn MOSET, nhưng cao hơn các van họ

thyristor và BT-Dalinhtơn)

• Dễ mắc song song;

• Công nghệ cho phép nhanh chóng chế tạo

với cấp điện áp và dòng lớn hơn nữa;

Th«ng sè IGBT

• 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 chièu cực đại

• ICmax- Dòng điện đỉnh của colector;

• Pm- Công suất tổn hao cực đại;

• TCP- Nhiệt độ cho phép;

• IL- Dòng điện tải cảm cực đại;

• Ir- Dòng điện rò

• UGEng- Điện áp ngưỡng GE

• GTO (Gate Turn Off Thyristor)

Là một phần tử bán dẫn có 4 lớp bán dẫn PNPN như SCR

Về cơ bản GTO giống như tiristo, nghĩa là nó có khả năng đóng

cắt dòng điện rất lớn, chịu được điện áp cao, ngoài ra nó có khả

năng chủ động hoàn toàn thời điểm mở và khoá dưới tác động

của tín hiệu điều khiển

Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp P, anot được bổ xung thêm

các lớp bán dẫn n+ Khi chưa có dòng điều khiển nếu anot có

điện áp dương hơn K thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở

giữa Nếu K có điện áp dương hơn A thì tiếp giáp p+- n sẽ bị đánh

thủng ngay ở điện áp thấp nghĩa là GTO không thể chịu được điện

áp ngược

• Để khoá GTO cần lấy một xung dòng ra khỏi cực điều khiển

Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn

điện tích sinh ra do hiện tượng bắn phá của các điện tích tạo

lên vùng dẫn điện Bằng cách lấy đi một số lượng lớn các điện

tích qua cực điều khiển vùng dẫn điện sẽ bị co hẹp và bị ép về

phía vùng n+ của K và n+ của A Kết quả là dòng điện A sẽ

bị giảm cho đến khi về 0 Dòng điều khiển cần được duy trì

một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khoá

Mạch lực Tải

Mạch điều khiển

Đầu ra:

- AC

- DC Được điều khiển

Đầu vào :nguồn

Cấu trúc thiết bị điện tử công suất

Điện tử công suất là kỹ thuật biến đổi và điều khiển năng

lượng điện víi hiệu quả cao nhất

33

Phần lực các chủng loại thiết bị điện tử công suất –

các dạng biến đổi năng lượng điện cơ bản

TÓM TẮT LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Chủ yếu làm việc với điện áp lưới

xoay chiều => phát xung mở van

Thyristor dựa vào tần số lưới điện,

Van bán dẫn là một phần tử khi hoạt động chỉ có hai

trạng thái chính:

• Van dẫn dòng: cho dòng điện đi qua nó đưa năng

lượng điện ra tải với sụt áp trên van nhỏ nhất có thể

(lý tưởng bằng 0 )

• Van khoá (không dẫn dòng), không cho dòng điện đi

qua, lý tưởng nếu dòng này bằng không.

Phần lực sử dụng các van bán dẫn đấu thành mạch thực hiện quá

trình biến đổi năng lượng điện.

I Đặc điểm các van bán dẫn công suất

37

Các van bán dẫn công suất hiện nay

1 Van không điều

3 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

+ điện áp cao: 900V x 85A

+ loại trung bình: 300A x 300V

Ưu:

+ điều khiển bằng áp

+ công suất điều khiển nhỏ

+ tham số ít phụ thuộc nhiệt độ

+ có thể không cần điện áp âm ở

+ Khả năng chịu điện áp ở trạng thái khóa thấp

+ Van một cực tính

42

4 Insulated Gate Bipolar Transistor

(IGBT – 1985 )

Tr¹ng th¸i van:

• lµm viÖc víi Uce>0.

• dÉn : Uge> 0 ; b·o hoµ tèt nÕu Uge=15V

• kho¸ Uge 0 , kho¸ tèt nÕu Uge= -7V

43

Đánh giá về IGBT

Ưu:

• Điều khiển bằng điện áp;

• Công suất điều khiển nhỏ;

• Chịu được điện áp khá cao;

• Sụt áp dẫn nhỏ (2-4V tương đương

một điôt và điện trở nối tiếp);

• Tham số ít phụ thuộc vào nhiệt độ;

• Tần số chuyển mạch cao đến 30kHz (

thấp hơn MOSET, nhưng cao hơn các

van họ thyristor và BT-Dalinhtơn)

• Dễ mắc song song;

• Công nghệ cho phép nhanh chóng chế

tạo với cấp điện áp và dòng lớn hơn

nữa;

Nhược:

• Van một cực tính;

• Cấp điện áp vẫn thấp hơn họ thyristor;

Hiện nay đã chế tạo IGBT : + điện áp cao: 6500V x 600A

5 THYRISTOR ( 1958 )

45

Đặc điểm van Thyristor

Trạng thái van:

• Khoá cả hai chiều điện áp.

• Dẫn dòng nếu đảm bảo hai điều kiện

đồng thời;

- điện áp trên thyristor dương.

- có dòng điều khiển Ig.

• Khoá nếu điện áp âm,

• trong trường hợp điện áp dương vẫn

có thể khoá van nếu đảm bảo hai điều

kiện nối tiếp :

- giảm dòng qua thyristor dưới giá trị duy

trì.

- trong thời gian van phục hồi tính chất

khoá điện áp trên van không được dương.

46

• Chịu được điện áp cao;

• Công suất điều khiển nhỏ;

• Van hai cực tính.

Nhược

• Van bán điều khiển (chỉ đk mở, không đk khóa);

• Tần số chuyển mạch thấp

Van đĩa 4500V/800A và 4500V/1500A

Hiện đã chế tạo Thyristor:

Cao áp: 12kV x 2360A

Dòng lớn: 8200A x 5kV

Tham số ứng dụng của các van bán dẫn hiện đại

49

CHƯƠNG 2 CHỈNH LƯU

Trang 50

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Định nghĩa: chỉnh lưu là thiết bị để biến đổi năng

lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng

điện một chiều.

Cấu trúc chỉnh lưu

51

PHÂN LOẠI CHỈNH LƯU

Theo số pha của nguồn xoay chiều đấu vào

+ Chỉnh lưu không điều khiển: dùng toàn diode

+ Chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn: dùng toàn Thyristor

+ Chỉnh lưu bán điều khiển: dùng cả hai loại van diode và thyristor

CÁC SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN

Qui luËt chung:

53

CÁC SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN VÀ BÁN ĐIỀU KHIỂN

Qui luËt chung:

Ud=Udof(α)

Udo=ks®U2

α -gãc điÒu khiÓn 54

CÁC DẠNG TẢI THÔNG DỤNG CỦA CHỈNH LƯU

1 Tải thuần trở

2 Tải có tính cảm kháng RdLd

3 Tải vừa có RL vừa có sức

điện động Ed (gọi là tải RLE)

55

CÁC THAM SỐ CHỈNH LƯU

1 Tham số đánh giá tải

+ Giá trị điện áp Ud và dòng điện tải Id, hoặc điện áp và công suất chỉnh

lưu yêu cầu (Ud, Pd)

2 Các thông số về van

+ Dòng điện trung bình qua van ID, biểu diễn qua dòng chỉnh lưu

+ giá trị điện áp ngược lớn nhất trên van Ungmax, biểu diễn qua điện áp

chỉnh lưu yêu cầu

3 Các thông số đánh giá chất lượng của điện áp chỉnh lưu

+ Số lần đập mạch: Số lần đập mạch càng lớn càng tốt vì sẽ dễ dàng làm

phẳng điện áp chỉnh lưu hơn.

CÁC THAM SỐ CHỈNH LƯU

4 Các tham số máy biến áp

57

+ Công suất tính toán máy biến áp: để xác định kích thước, trọng lượng

sắt của mạch từ máy biến áp

+ Điện áp trên cuộn sơ cấp, thứ cấp của máy biến áp: xác định số vòng

dây cuốn của mỗi cuộn dây.

+ Giá trị hiệu dụng dòng sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp: xác định

tiết diện dây cuốn với mật độ dòng điện thường lấy từ 2 đến 2,5 A/mm 2

5 Các thông số xác định ảnh hưởng của sơ đồ chỉnh lưu đối với lưới

a Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ, tải thuần trở

+ Phân tích nguyên lý hoạt động

của một sơ đồ chỉnh lưu đơn giản

nhất.

+ Giả sử tải thuần trở Rt: Dòng

điện lặp lại dạng như điện áp.

b Chỉnh lưu tia hai pha, tải thuần trở

Tải R

61

c Chỉnh lưu cầu 1 pha, tải thuần trở

62

d Chỉnh lưu tia 3 pha, tải thuần trở

63 Biến áp đấu Y/Y

e Chỉnh lưu cầu 3 pha, tải thuần trở

66

e Chỉnh lưu cầu 3 pha, tải thuần trở

67

f Chỉnh lưu tia 6 pha, tải thuần trở

2.3 CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN DÙNG THYRISTOR

Trang 71

1.3.1 Khái niệm về góc điều khiển

TIA 2 PHA

Điểm mở tự nhiên của Thyristor: là thời

điểm UAKbắt đầu dương

Góc điều khiển α: là góc tính từ thời điểm

mở tự nhiên đến thời điểm thyristor được

phát xung vào cực điều khiển để mở van

a Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ

75

b Chỉnh lưu hình tia 2 pha

Tải R

Lưu ý: Trong mạch chỉnh lưu nhiều pha, góc điều khiển α của thyristor phải bằng nhau.

Sự sai lệch giữa chúng được đánh giá bằng độ mất đối xứng (không vượt quá 1 o –2 o

điện).

Nhận xét: Với tải thuần trở, dạng dòng điện Id tương tự dạng điện áp Ud, ta thấy dòng

c Chỉnh lưu cầu 1 pha

sẽ có đoạn bằng 0, vì vậy khi với tải

thuần trở dòng điện Id sẽ gián đoạn.

e Chỉnh lưu hình tia 3 pha

Nhận xét: Với α < 30 o điện áp Ud luôn lớn hơn 0 Như vậy với tải thuần

trở, dòng điện Id sẽ luôn tồn tại và chảy liên tục qua tải Dạng dòng điện

này gọi là dòng điện liên tục

f Chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha

Tải R

81 Điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha bằng xung kép

f Chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha

82

TH2: α < 60 o

f Chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha

83

f Chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha

 Vẽ giản đồ điện áp, dòng điện trên tải với sơ đồ chỉnh lưu có

điều khiển tia 3 pha tải R, với α=15, α=45

 Vẽ giản đồ điện áp, dòng điện trên tải với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3

pha có điều khiển tải R, α=45, α=75

Bài tập về nhà

Trang 85

2.3.3 CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN VỚI TẢI RL

Trang 86

 Chỉnh lưu diode là trường hợp riêng của chỉnh lưu điều khiển

dùng thyristor Vì thế khi phân tích mạch chỉnh lưu với các dạng

tải khác tải thuần trở sẽ dựa trên mạch chỉnh lưu điều khiển với

α khác 0 là dạng tổng quát Để có mạch chỉnh lưu diode ở dạng

tải tương đương, ta chỉ cần thay chỉ số α = 0 vào các biểu thức

tổng quát

 Sự hiện diện của Ld làm thay đổi cả dạng điện áp Ud và dòng

điện Id Nguyên nhân do tính chất cản trở sự biến thiên đột ngột

của dòng điện đi qua điện cảm

Giới thiệu chung

87

a Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ với tải RdLd

Khi Thyristor dẫn: hay

a Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ với tải R d L d

Trang 89

 Dòng điện Id gồm hai thành phần: dòng cưỡng bức và dòng tự do:

• Dòng cưỡng bức chịu sự tác động của nguồn U2 theo quy luật quen

thuộc:

• Thành phần tự do là hàm tắt dần theo thời gian:

 Vậy dòng điện tải:

a Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ với tải RdLd

Trang 90

• Hệ số A xác định từ điều kiện đóng mạch có điện cảm Id(θ=α) =0:

 Cuối cùng ta có:

(2.36)

 Về bản chất, sau thời điểm α,

dưới tác dụng của nguồn U2,

dòng điện Id sẽ tăng dần từ 0,

mà không tăng đột biến, do tác

động của điện cảm Ld

 Sức điện động tự cảm EL của

điện cảm này luôn chống lại sự

biến thiên của dòng điện đi qua

nó (đồ thị ngược lại so với Ud)

Vì vậy dòng điện Id biến thiên

chậm pha hơn so với U2

a Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ với tải RdLd

Trang 91

 Tại thời điểm π, mặc dù nguồn bằng 0, song dòng Id >0 

Thyristor chưa khóa lại được Chỉ đến thời điểm > π, khi Id=0

 Thyristor mới bắt đầu khóa

 Giá trị λ xác định từ biểu thức

2.36 với điều kiện

Đây là phương trình siêu việt

và chỉ có thể giải gần đúng (λ

sẽ phụ thuộc vào Q và nhỏ

hơn 2π)

a Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ với tải RdLd

 Biểu thức tính điện áp trung bình: