môn học điện tử công suất

Tụ điện và cuộn cảm❖ Công suất hấp thụ trong một chu kỳ của cuộn cảm ❖ Điện áp trung bình qua cuộn cảm trong một chu kỳ 2 1... Tụ điện và cuộn cảm❖ Công suất hấp thụ trong một chu kỳ của

Trang 1

MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Trang 2

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Điện tử công suất, NXB Khoa học

Kỹ thuật, 2007

2 Daniel W Hart, Power Electronics, McGraw-Hill, 2010.

3 Timothy J Maloney, Model Industrial Electronics, Prentice Hall, 2006.

4 Antoneta Iuliana Bratcu, Iulian Munteanu, Seddik Bacha, Power

Electronic Converters Modeling and Control with Case Studies,

Springer, 2013

Trang 3

NỘI DUNG MÔN HỌC

Chương 1 Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản Chương 2 Bộ chỉnh lưu

Chương 3 Bộ biến đổi xung áp một chiều

Chương 4 Bộ biến đổi xung áp xoay chiều

Chương 5 Nghịch lưu

Trang 4

MỘT SỐ LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Trang 5

MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Công suất và năng lượng

❖ Công suất tức thời

❖ Công suất trung bình

❖ Công suất nguồn một chiều

Trang 6

Tụ điện và cuộn cảm

❖ Công suất hấp thụ trong một chu kỳ của cuộn cảm

❖ Điện áp trung bình qua cuộn cảm trong một chu kỳ

2 1

Trang 7

Tụ điện và cuộn cảm

❖ Công suất hấp thụ trong một chu kỳ của tụ điện

❖ Dòng điện trung bình qua tụ điện trong một chu kỳ

2 1

Trang 8

Giá trị hiệu dụng

Tương tự:

2 2

Trang 9

Chương 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN

1 Diode

2 Transistor BJT

3 Transistor trường FET

4 Thyristor

Trang 10

Diode

Trang 11

• Phân cực cho Diode

Diode

Trang 12

CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MỘT DIODE

1 Giá trị trung bình cực đại dòng điện thuận: ID

2 Giá trị điện áp ngược cực đại: Ung.max

3 Thời gian phục hồi tr: Thời gian cần thiết để dòng điện chuyển

mạch giảm về không

Qr - Điện tích phục hồi cần đưa ra khỏi cấu trúc để diode khoá

Ir – Dòng điện phục hồi ngược

Trang 13

❖ Cấu trúc:

Transistor công suất BJT

Trang 14

Trang 15

Đặc tính ra: IC = f(UCE) với thông số biến thiên là dòng IB Đặc tính vẽ với các giá trị khác nhau của I trong vùng 1.

Trang 16

Tranzito trường - FET

Khái niệm chung

• Tranzito trường - FET (Field Effect Transistor) là một cấu kiện điện tử gồm 3 cực, trong đó có một cực điều khiển.

• Khác với BJT sử dụng hai loại hạt dẫn đồng thời (n và p) và điều khiển bằng dòng thì FET chỉ dùng một loại hạt dẫn (hoặc n hoặc p) và điều khiển bằng điện áp.

• FET đặc biệt có nhiều ưu điểm như tiêu thụ rất ít năng lượng, trở kháng vào lớn, thuận tiện trong công nghệ chế tạo.

Trang 19

JFET kênh N khi chưa phân cực

N

Drain (D)

Gate (G)

Trang 20

JFET kênh N khi đặt điện áp vào D và S, chân G để hở

Drain (D)

Source (S)

Gate (G)

❖ Xuất hiện dòng điện trong kênh

dẫn chạy từ D tới S (hạt dẫn điện tử

Trang 21

JFET kênh N khi phân cực bão hòa

Drain (D)

Source (S)

Gate (G)

❖ Dòng điện trong kênh dẫn mạnh dần theo sự

gia tăng của điện áp VDS

❖ Miền nghèo giữa 2 lớp bán dẫn P-N được

mở rộng về phía D, nghĩa là kênh dẫn hẹp lại

về phía D

❖ Tới một giá trị VDS xác định thì dòng trong

Tranzito trường - JFET

Trang 22

JFET kênh N phân cực UGS < 0

Drain (D)

Source (S)

Gate (G)

❖ Đặt nguồn điện áp âm giữa G và

S còn nguồn điện áp dương giữa D

và S

❖ Dòng điện trong kênh dẫn có giá

trị nhỏ hơn và sớm bão hòa hơn

trong trường hợp VGS = 0 (nếu cùng

chung giá trị VDS) Dòng điện trong

kênh được điều khiển bởi điện áp

VGS, JFET làm việc như phần tử

khuếch đại.

Trang 23

JFET kênh N bị thắt kênh dẫn

Drain (D)

Gate (G)

❖ Nếu tiếp tục tăng VGS theo

chiều âm thì tới một giá trị

và tiếp xúc nhau → JFET ở

trạng thái ngắt (khóa điện tử

Trang 24

Các tham số của JFET

Trang 25

• D-MOSFET (Depletion type MOSFET): MOSFET kênh đặt sẵn

– Kênh dẫn được hình thành sẵn trong quá trình chế tạo.

– Hoạt động cả trong chế độ làm nghèo và chế độ làm giầu hạt dẫn.

– Kênh không được chế tạo trước mà hình thành khi đặt một điện áp nhất định lên cực G Quá trình hình thành kênh chính là quá trình làm giầu hạt dẫn nhờ hiện tượng cảm ứng tĩnh điện từ cực G.

– Chỉ làm việc được ở chế độ làm giầu (E-mode).

Tranzito trường - MOSFET

Trang 26

MOSFET kênh có sẵn (DMOSFET)

• Kênh dẫn được cách ly với đế bằng tiếp xúc p-n phân cực ngược nhờ điện áp phụ đưa đến cực đế (thường được nối chung với cực S).

• Cấp VDS sao cho các hạt dẫn đa số trong kênh dẫn có chiều từ S sang D (VDS > 0 với DMOSFET kênh N).

• VGS điều khiển hoạt động của DMOSFET hoạt động trong chế độ giàu hạt dẫn

hoặc nghèo hạt dẫn.

Trang 27

Chế độ nghèo

U GS (V)

U GS(off) U GS(off) /2

I DSS Chế độ giàu

IDSS/4

Đặc tuyến ra của DMOSFET Đặc tuyến truyền đạt

DMOSFET cú quan hệ I D = f(U GS ):

Tranzito trường - MOSFET MOSFET kờnh cú sẵn (DMOSFET)

Trang 28

Máng Kim loại

Đế (thân)

Cực đế SS (Substrate)

S

SS G

D

S SS

G

D

S

Kênh N Kênh P

a) Cấu trúc vật lý EMOSF ET kênh N b) Ký hiệu EMOSF ET

MOSFET kờnh cảm ứng (EMOSFET)

Cấu tạo, ký hiệu

Trang 29

• Khi UGS = 0: Kênh dẫn có tác dụng như một điện trở Khi tăng UDS đến 1điện áp xác định, dòng ID đạt giá trị bão hoà (IDSS).

Trang 30

Tranzito trường - MOSFETMOSFET kênh cảm ứng (EMOSFET)

Nguyên lý hoạt động

Trang 31

• Phương trình đặc tuyến truyền đạt:

• k: Hằng số [A/V 2 ]

• UGS : Điện thế phân cực cổng nguồn

• UT: Điện thế ngưỡng

MOSFET kênh cảm ứng (EMOSFET)

D on

GS on T

I k

U U

=

−

Trang 32

Thyristor

Trang 34

❖ Thyristor (T) có 3 lớp tiếp giáp J1, J2 và J3 và 3 cực A, K

Trang 35

Mở Thyristor

❖ Chuyển nó từ trạng thái không dòng điện sang trạng thái có dòng điện

❖ Điều kiện:

+ U AK > 0

+ Có dòng điện điều khiển đưa vào cực G

Khi T đã mở, nếu tồn tại IDT (dòng điện duy trì) thì T tiếp tục dẫn,không cần tác động dòng điều khiển Có thể đ/k mở T bằng xung dòng

Trang 37

• Một số sơ đồ tổng quát khoá Thyristor

IT

IN

Hở mạch dòng điện Ngắn mạch tiristor Tạo dòng ngược: IT + IN = 0

Thyristor

Trang 38

CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA THYRISTOR

1 Dòng IV: Dòng trung bình cho phép chạy qua T

Trang 39

2 Điện áp ngược cho phép lớn nhất (U Ng.max ): UNg.max = (1,2 đến 1,5)U

sử dụng thực tế trong mạch

3 Thời gian phục hồi: t = 1,5.trr – 2.trr

4 Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/micro giây)

+ Với T tần số thấp dU/dt = 50 đến 200 V/micro giây

+ Với T tần số cao dU/dt = 500 đến 2000 V/micro giây

5 Độ tăng dòng cho phép dI/dt (A/micro giây)

+ Với T tần số thấp dI/dt = 50 đến 200 A/micro giây

Thyristor

Trang 40

CHƯƠNG 2 CHỈNH LƯU

2.1 Giới thiệu chung

2.2 Chỉnh lưu Điốt

2.3 Chỉnh lưu có điều khiển

Trang 41

• Định nghĩa, cấu trúc

• Phân loại

• Các thông số cơ bản của mạch chỉnh lưu

• Nguyên tắc dẫn của các van bán dẫn

Trang 43

Phân loại

✓ Theo số pha: một pha, hai pha, ba pha, sáu pha…

✓ Theo loại van sử dụng:

▪ Chỉnh lưu không điều khiển: sử dụng Diode

▪ Chỉnh lưu có điều khiển: sử dụng Thyristor

▪ Chỉnh lưu bán điều khiển (chỉnh lưu điều khiển không đối xứng): một nửa Thyristor, một nửa Diode

✓ Phân loại theo công suất

Trang 44

Các thông số cơ bản của mạch chỉnh lưu

• Điện áp TB chỉnh lưu:

• Dòng TB chỉnh lưu:

• Công suất 1 chiều tải nhận được: Pd = Ud.Id

• Dòng TB chảy qua 1 van: Itbv

• Điện áp ngược mà van chịu khi làm việc: UN

• Công suất biểu kiến của biến áp:

( )



=

T d

Trang 45

2.2 CHỈNH LƯU ĐIÔT

2.2.1 Nguyên tắc chung

2.2.2 Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ

2.2.3 Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ

2.2.4 Chỉnh lưu ba pha hình tia

2.2.5 Chỉnh lưu cầu ba pha

2.2.6 Chỉnh lưu m pha tổng quát

Trang 46

2.2.1 Nguyên tắc chung

❖Nhóm van nối chung Cathode

• Điện áp Anode van nào dương

hơn Diode ấy dẫn Khi đó điện

thế điểm A bằng điện thế Anode

dương nhất.

❖Nhóm van nối chung anode

• Điện áp Cathode van nào âm

hơn Diode ấy dẫn Khi đó điện

thế điểm Cathode bằng điện thế

Trang 47

1 Trường hợp tải thuần trở

• Sơ đồ và các đường cong

2.2.2 Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ

Trang 48

1 Trường hợp tải thuần trở R

• Thông số của sơ đồ:

Trang 49

• Sơ đồ và các đường cong:

2 Trường hợp tải R-L

Trang 50

td cb

t m

di(t)

PT Kirchoff : L R.i(t) V sin t (1)

dt NghiÖm PT (1) :

Trang 51

3 Trường hợp tải R-E

Trang 52

2 2

V

V sin t E

PT dßng qua t¶i : i

RPT

ièt :

1I

3 Trường hợp tải R-E

Trang 53

3 Trường hợp tải L-E

Trang 54

Sơ đồ và dạng sóng chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ, tải R-L-E

3 Trường hợp tải R-L-E

Trang 55

td cb td cb _ ac cb _ dc

t m

E Khi ièt dÉn : u V sin E sin

V di(t)

PT Kirchoff : L E R.i(t) V sin t

3 Trường hợp tải R-L-E

Trang 56

Sơ đồ và dạng sóng chỉnh lưu sử dụng biến áp thứ cấp điểm giữa

2.2.3 Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ

Trang 57

Trang 58

2V (ChØnh lu sö dông biÕn ¸p)

• Thông số của sơ đồ

Trang 59

2 Trường hợp tải thuần trở R-L và R-L-E

Trang 60

2 Sơ đồ chỉnh lưu tải R-L và R-L-E

Trang 61

2 Sơ đồ chỉnh lưu tải R-L và R-L-E

v (t) V V c os(n t ) ; Víi :

2V 1 1

n 1 n 1 V

(T¶i R L) R

I

V V

(T¶i R L E) R

Trang 62

Ví dụ:

Người ta dùng thiết bị chỉnh lưu cầu một pha để nạp điện cho acquy, có sức điện động E = 120V, dòng nạp Id = 40A.

Trị hiệu dụng của điện áp nguồn là 220V, tần số f = 50Hz.

a) Tính t1 là thời điểm thiết bị chỉnh lưu bắt đầu cung cấp dòng nạp cho acquy trong từng

nửa chu kỳ và τ là thời gian dẫn dòng của mỗi điốt trong một chu kỳ.

b) Điện trở R phải bằng bao nhiêu để đảm bảo dòng nạp yêu cầu.

c) Tính trị hiệu dụng của dòng tải.

Trang 63

Ví dụ:

Trang 64

Ví dụ:

Trang 65

Ví dụ:

Cho 2 sơ đồ chỉnh lưu điôt một pha, hai nửa chu kỳ và cầu một pha.

Tri hiệu dụng của điện áp nguồn xoay chiều U1 = 240V

Tải là một điện cảm lớn, tiêu thụ dòng điện Id = 12A = const

Điện áp trên tải là Ud = 150V Giả thiết điện áp rơi trên mỗi điôt là 0.7V

Hãy tính toán chi tiết 2 sơ đồ trên và so sánh?

Trang 66

Ví dụ:

Trang 67

Ví dụ:

Trang 68

Ví dụ:

Trang 69

2.2.4 Chỉnh lưu ba pha hình tia

• Sơ đồ và các dạng sóng

Trang 70

VI

Trang 71

2.2.5 Chỉnh lưu ba pha hình cầu

• Sơ đồ và các dạng sóng

Trang 72

( )

2 3

3 2

Trang 73

Một bộ chỉnh lưu điôt cầu 3 pha được nuôi từ nguồn điện xoay chiều có điện

áp dây 380V, thông qua máy biến áp 3 pha nối tam giác – sao.

Giả thiết điện áp rơi trên mỗi điôt là 0,7V và dòng tải được nắn thẳng, Id = 60A Điện áp tải là 300V Hãy tính:

a) Trị trung bình của dòng điện điôt ID và điện áp ngược mỗi điôt phải chịu b) Trị hiệu dụng của dòng qua mỗi cuộn cuộn thứ cấp? Tỉ số biến áp? Trị

hiệu dụng chảy trong mỗi cuộn sơ cấp?

Ví dụ:

Trang 74

Trả lời:

Trang 75

Trả lời:

Trang 76

❖ Chỉnh lưu hình tia

❖ Chỉnh lưu hình cầu

• m chẵn:

• m lẻ:

❖ Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu

2.2.6 Chỉnh lưu m pha tổng quát

Trang 77

2.3 CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN

2.3.1 Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ có điều khiển

2.3.2 Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển

2.3.3 Chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển

2.3.4 Chỉnh lưu m pha hình tia có điều khiển

2.3.5 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển

2.3.6 Chỉnh lưu bán điều khiển

2.3.7 Quá trình chuyển mạch van và ảnh hưởng của điện cảm xoay chiều La

Trang 78

1 Sơ đồ chỉnh lưu tải thuần trở R

Sơ đồ và dạng sóng chỉnh lưu thuần tải R

2.3.1 Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ có điều khiển

Trang 79

V 1

V V sin t.d t (1 cos )

sin 2 V

1

V V sin t d t 1

V P

Trang 80

2 Sơ đồ chỉnh lưu tải R-L

Trang 81

Trang 82

3 Sơ đồ chỉnh lưu tải R-L-E

Sơ đồ và dạng sóng chỉnh lưu thuần tải R-L-E

Trang 83

V Gãc dÉn nhá nhÊt : u V sin V sin

V di(t)

PT Kirchoff : L V R.i(t) V sin t

3 Sơ đồ chỉnh lưu tải R-L-E

Trang 84

Sơ đồ và dạng sóng chỉnh lưu thuần tải R

2.3.2 Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển

Trang 85

• Thông số của sơ đồ:

Trang 86

Trang 87

( )

( t ) m

V sin( t ) sin( ).e ; t

Trang 88

• Sơ đồ và các đường cong

2.3.3 Chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển

Trang 89

• Thông số của sơ đồ

2.3.3 Chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển

Trang 90

Sơ đồ và dạng sóng chỉnh lưu hình tia m pha

2.3.4 Chỉnh lưu m pha hình tia có điều khiển

Trang 91

Trang 92

2.3.5 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển

Trang 93

2 d

Trang 94

2.3.6 Chỉnh lưu bán điều khiển

1 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển Tiristor mắc Cathode chung

Trang 95

1 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển Tiristor mắc Cathode chung

• Do có thời điểm T1Đ1; T2Đ2 cùng dẫn nên bị ngắn mạch: ud = 0

• Dòng id liên tục vì dòng id chạy quẩn qua 2 van thẳng hàng mà không

về nguồn; năng lượng không trả về nguồn mà được giữ lại ở tải

U I

R

=

Trang 96

2 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển Tiristor mắc thẳng hàng

Trang 97

2 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển Tiristor mắc thẳng hàng

• Do có thời điểm Đ1Đ2 cùng dẫn nên bị ngắn mạch: ud = 0

• Điện áp tải:

• Dòng điện tải:

• Các van dẫn trong những khoảng khác nhau:

2 d

U I

Trang 98

3 Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển

Trang 99

• Khi α ≤ 60 o thì ud > 0

• Khi α > 60 o thì có thời điểm 2 van thẳng hàng đồng thời dẫn:

• Mạch cầu tương đương với 2 mạch chỉnh lưu hình tia nối tiếp:

3 Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển

1 2 3 3

5 6 2 2

: T § dÉn : T § dÉn u 0 : T § dÉn

Trang 100

1 Hiện tượng trùng dẫn

2.3.7 Quá trình chuyển mạch van và ảnh hưởng của

điện cảm xoay chiều La

Sơ đồ và dạng sóng khi nguồn xoay chiều là lý tưởng (La = 0)

Trang 101

1 Hiện tượng trùng dẫn

Trang 102

2 Quy luật của chuyển mạch trùng dẫn

a Quy luật điện áp

Trang 103

a Quy luật dòng điện

u V sin

u u 2.V sin sin 2

Trang 104

a Quy luật dòng điện

V sin

Trang 105

3 Ảnh hưởng của chuyển mạch trùng dẫn

( ) ( )

Trang 106

Chương 3

BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU

Trang 108

3.1.1 Cấu trúc

❖ Ưu điểm

• Hiệu suất biến đổi cao vì tổn hao công suất không đáng kể.

• Độ chính xác cao, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ mô trường vì đối tượng điều chỉnh là thời gian đóng/cắt khóa K mà không phải là giá trị điện trở.

• Chất lượng điện áp tốt hơn các bộ biến đổi liên tục.

Trang 109

3.1.2 Phân loại

❖ Theo giá trị điện áp ra

• Bộ biến đổi xung áp có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào.

• Bộ biến đổi xung áp có điện áp ra lớn hơn điện áp vào.

• Bộ biến đổi xung áp có điện áp ra lớn/ nhỏ hơn điện áp vào.

❖ Theo dấu điện áp ra

• Bộ biến đổi xung áp không đảo chiều.

3.1 Cấu trúc và phân loại

Định dạng
Số trang	289
Dung lượng	37,27 MB