Giáo trình điện tử công suất

Giáo trình “Điện Tử Công Suất” trinh bày về các khái niệm, các lĩnh vực cơ bản của điện tử công suất, về các mạch biến đổi điện như: Các mạch chỉnh lưu không điều khiển, các mạch chỉnh l

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

HUỲNH ĐỨC CHẤN

Tháng 04/2015

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là lĩnh vực điện tử Ngày càng có nhiều thiết bị bán dẫn hiện đại được xuất hiện trong mọi lĩnh vực sản xuất và sinh hoạt Muốn tiếp cận, sử dụng và vận hành tốt các phương tiện kỹ thuật hiện đại ứng dụng trong thực tế, mỗi sinh viên cần có những hiểu biết cơ bản về kỹ thuật điện

tử nói chung và điện tử công suất nói riêng

Giáo Trình Điện tử công suất do tập thể giáo viên bộ môn Kỹ Thuật Điện- Điện

Tử, Khoa Cơ Điện- Điện Tử, Trường Đại Học Lạc Hồng, Biên Hoà- Đồng Nai biên soạn và biên dịch Giáo trình này được sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên các khối ngành kỹ thuật và các ngành có liên quan đến kỹ thuật Nội dung giáo trình đề cặp một cách có hệ thống và tổng hợp các kiến thức cơ bản và hiện đại làm nền tảng cho việc học tập các môn chuyên ngành

Giáo trình được biên soạn bổ sung và hiệu đính với sự hổ trợ của các bạn đồng nghiệp và dựa trên các tài liệu tham khảo đó là các bài giảng của thầy ThS Trần Dũng, Trường Đại Học Lạc Hồng, giáo trình Điện tử công suất của PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Trường Đại Học Bách khoa TPHCM và Hoàng Ngọc Văn, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

Giáo trình “Điện Tử Công Suất” trinh bày về các khái niệm, các lĩnh vực cơ bản của điện tử công suất, về các mạch biến đổi điện như: Các mạch chỉnh lưu không điều khiển, các mạch chỉnh lưu có điều khiển, các mạch biến đổi, đóng ngắt điện áp xoay chiều, các mạch biến đổi điện áp DC-DC, các mạch nghịch lưu, biến tần…Giáo trình chỉ trình bày kiến thức cơ sở cơ bản của lĩnh vực điện tử bán dẫn công suất Những vấn đề ứng dụng cụ thể chuyên sâu của lĩnh vực điện tử công suất trong công nghiệp

và đời sống không trình bày trong tài liệu này

Theo chương trình đào tạo, số giờ dành cho khâu lên lớp rất ít, vì vậy khi biên soạn tác giả đã cố gắng trình bày phần lý thuyết cơ bản, cốt yếu nhất, khi đọc sinh viên cần tìm hiểu, nắm được các vấn đề cơ bản, không nên đầu tư nhiều thời gian vào vấn đề hạn hẹp và phức tạp khi quỹ thời gian không cho phép, tuy nhiên nếu cần nghiên cứu sâu hơn, sinh viên có thể tìm đọc các tài liệu khác ở phần tài liệu tham khảo hoặc trên các trang web

Ngoài phần lý thuyết, trong các chương còn có một số phần bài tập ví dụ và các bài tập ở cuối chương giúp cho sinh viên tự hệ thống các kiến thức đã học

Thay mặt nhóm biên soạn, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến các đồng nghiệp ở bộ môn Kỹ Thuật Điện- Điện Tử, đặc biệt là giảng viên ThS.Trần Dũng và

các giáo viên khoa Cơ Điện- Điện Tử, các cựu sinh viên đã giúp đỡ tư vấn và đóng

góp nhiều ý kiến quý báu cho việc hoàn thành cuốn sách này

Do thời gian hạn chế, chắc chắn cuốn sách này không tránh khỏi những sơ suất

nhỏ Chúng tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các bạn đọc để khi tái bản

sẽ tốt hơn

Địa chỉ liên hệ: Bộ Môn Kỹ Thuật Điện- Điện Tử, khoa Cơ Điện- Điện Tử Trường

Đại Học Lạc Hồng, Biên Hoà- Đồng Nai

Địa chỉ email: Huynhducchan@gmail.com

Đồng Nai, tháng 04 năm 2015 Chủ biên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: CÁC HỆ THỨC VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 18 

1.1.  Khái niệm 18 

1.2.  Đối tượng khảo sát và kết đạt được trong quá trình khảo sát 18 

1.3.  Các đại lượng cơ bản và hệ thức liên quan 19 

1.3.1.  Giá trị trung bình của một đại lượng 19 

1.3.2.  Giá trị hiệu dụng của một đại lượng 20 

1.4.  Những tải thường gặp cần xét đến 22 

1.4.1.  Tải R thuần 22 

1.4.2.  Tải L thuần 22 

1.4.3.  Tải RL (Tải R nối tiếp L) 22 

1.4.4.  Tải RLE nối tiếp 23 

1.5.  Phân tích Fourier cho một đại lượng tuần hoàn không sin thường áp dụng  trong điện tử công suất 23 

1.6.  Một số vấn đề về công suất 24 

1.7.  Các hệ số cần quan tâm 25 

1.7.1.  Hệ số méo dạng, kí hiệu DF (Distortion Factor) 25 

1.7.2.  Độ  méo  dạng  tổng  do  hài  gây  ra;  kí  hiệu  THD  (Total  Harmonic  Distortion)  25 

CHƯƠNG 2:LINH  KIỆN  BÁN  DẪN  TRONG  LĨNH  VỰC  ĐIỆN  TỬ  CÔNG  SUẤT 29 

2.1.  Chức năng, phân loại linh kiện bán dẫn công suất 29 

2.1.1.  Chức năng linh kiện trong mạch công suất 29 

2.1.2.  Phân loại 29 

2.2.  Khảo sát một số linh kiện điện tử công suất 30 

2.2.1.  Diode 30 

2.2.2.  Transistor loại BJT 34 

2.2.3.  Transistor  loại  MOSFET  (Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor)  39 

2.2.4.  Transitor loại hiện đại IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 42 

2.2.5.  Thyristor (SCR: Silicon Controlled Rectifier) 43 

2.2.6.  SCS (Silicon Controlled Switching) 49 

2.2.7.  GTO (Gate Turn Off  SCR) 51 

2.2.8.  DIAC (Diode AC Semiconductor Switching) 53 

2.2.9.  TRIAC (Triode AC Semiconductor Switching) 55 

2.2.10.  LASCR (Light Activated SCR) 57 

CHƯƠNG 3: BỘ CHỈNH LƯU (RECTIFIER) 63 

3.1.  Chức năng, phân loại và ứng dụng của các mạch chỉnh lưu 63 

3.1.1.  Chức năng bộ chỉnh lưu 63 

3.1.2.  Phân loại 63 

3.1.3.  Ứng dụng 64 

3.1.4.  Công thức tính giá trị trung bình 64 

3.2.  Khảo sát các mạch chỉnh lưu không điều khiển (dùng diode) 64 

3.2.1.  Mạch chỉnh lưu 1 pha 64 

3.2.2.  Mạch chỉnh lưu 1 pha toàn kỳ (dùng diode) 67 

3.3.  Mạch chỉnh lưu 3 pha 74 

3.3.1.  Mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia (dùng 3 diode) 74 

3.3.2.  Mạch chỉnh lưu 3 pha cầu  (dùng 6 diode) 75 

3.4.  Khảo sát các mạch chỉnh lưu có điều khiển (dùng SCR) 84 

3.4.1.  Tính chất của tải cảm và góc kích 84 

3.4.2.  Mạch chỉnh lưu 1 pha 85 

3.4.3.  Mạch chỉnh lưu 3 pha 90 

CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU (DC) SANG MỘT CHIỀU (DC) 104 

4.1.  Chức năng và ứng dụng 104 

4.1.1.  Bộ biến đổi áp DC – DC  là gì 104 

4.1.2.  Ứng dụng của bộ biến đổi 104 

4.1.3.  Ưu nhược điểm 104 

4.1.4.  Nhắc lại hai loại nguồn một chiều 105 

4.2.  Khảo sát nguyên tắc hoạt động của bộ băm xung áp một chiều 105 

4.2.1.  Bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp 105 

4.2.2.  Bộ băm xung áp  làm việc ở chế độ tăng áp 108 

4.3.  Khảo sát bộ khoá điện tử H 108 

4.4.  Các mạch điều khiển cơ bản 109 

4.4.1.  Mạch một kênh: Tạo sóng vuông bằng Op-amp 109 

4.4.2.  Mạch dùng IC CMOS: Tạo sóng vuông bằng cổng NAND 111 

4.4.3.  Mạch dùng IC 555: Tạo sóng vuông bằng IC 555 111 

4.5.  Phương pháp điều khiển cơ bản 112 

4.6.  Khảo sát một số mạch converter cơ bản 112 

4.6.1.  Bộ biến đổi kép tổng quát dạng mạch cầu 112 

4.6.2.  Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng 113 

4.6.3.  Bộ biến đổi kép dạng đảo áp 114 

4.6.4.  Mạch converter dùng 1 BJT 116 

4.6.5.  Mạch converter dùng bộ biến đổi đẩy kéo 119 

4.7.  Mạch lọc cho bộ biến đổi điện áp một chiều 120 

4.7.1.  Mạch lọc điện áp ngõ vào 120 

4.7.2.  Mạch lọc điện áp ngõ ra 121 

CHƯƠNG  5: BỘ  BIẾN  ĐỔI  ĐIỆN  ÁP  XOAY  CHIỀU  SANG  XOAY  CHIỀU  (AC-AC) 129 

5.1.  Chức năng và ứng dụng 129 

5.1.1.  Bộ biến đổi điện áp AC – AC  là gì 129 

5.1.2.  Ứng dụng 129 

5.2.  Bộ biến đổi xoay chiều sang xoay chiều 129 

5.2.1.  Bộ biến đổi xoay chiều một pha 129 

5.2.2.  Bộ biến đổi xoay chiều ba pha 132 

5.3.  Một số phương pháp điều khiển 134 

5.3.1.  Phương pháp điều khiển pha 134 

5.3.2.  Phương pháp điều khiển tỉ lệ thời gian 135 

5.4.  Một số ứng dụng 135 

5.4.1.  Relay bán dẫn SSR (Solid State Relay) dùng để đóng ngắt tải AC 135  5.4.2.  Điều chỉnh áp trên tải 136 

CHƯƠNG 6: BỘ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN 144 

6.1.  Khái niệm chung 144 

6.1.1.  Biến tần trực tiếp (còn gọi là biến tần phụ thuộc) 144 

6.1.2.  Biến tần gián tiếp (còn gọi là biến tần độc lập ) 144 

6.1.3.  Ứng dụng của bộ nghịch lưu và biến tần 145 

6.2.  Phân loại bộ nghich lưu 145 

6.3.  Khảo sát về bộ nghịch lưu 146 

6.3.1.  Nghịch lưu 1 pha 146 

6.3.2.  Nghịch lưu 3 pha 148 

6.4.  Phân tích bộ nghịch lưu áp 148 

6.4.1.  Phân tích điện áp bộ nghịch lưu áp ba pha 148 

6.4.2.  Phân tích bộ nghịch lưu áp 1 pha 151 

6.5.  Các phương pháp điều chế dùng cho biến tần 2 bậc 159 

6.5.1.  Phương pháp điều chế theo bề rộng xung truyền thống (PWM) 159 

6.5.2.  Phương pháp điều khiển sáu bước 160 

6.5.3.  Phương pháp điều chế vector không gian 161 

6.6.  Khảo sát sơ đồ biến tần áp gián tiếp 3 pha 168 

6.6.1.  Sơ đồ khối tổng quan của một biến tần 3 pha 168 

6.6.2.  Sơ chi tiết  của một biến tần 3 pha 169 

6.6.3.  Giải thích chức năng của các khối 170 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Dạng sóng điện áp u(t) 19 

Hình 1.2: Dạng sóng điện áp chỉnh lưu 20 

Hình 1.3:  Quá trình dòng điện 21 

Hình 1.4: Dạng sóng điện áp chỉnh lưu 22 

Hình 1.5: Mô tả các thành phần thường tồn tại trong hệ thống tín hiệu, chuổi Fourier  của tín hiệu dao động tuần hoàn 23 

Hình 2.1: Biểu diễn trạng thái làm việc của linh kiện bán dẫn 29 

Hình 2.2: Mô tả cấu tạo và mạch tương đương của diode 30 

Hình 2.3: Minh họa hình dạng thực tế của diode loại đơn 30 

Hình 2.4: Minh họa hình dạng thực tế của diode cầu  loại 1 pha 30 

Hình 2.5: Hình dạng thực tế của diode cầu loại 3 pha và bảng thông số 31 

Hình 2.6: Cách kết nối bên trong của diode 3 pha 31 

Hình 2.7: Đặc tuyến Volt-Amp tĩnh và mô tả phân cực của diode 31 

Hình 2.8: Mô tả thời gian phục hồi khi diode đổi trạng thái 32 

Hình 2.9: Dạng sóng dòng và áp trên diode trong quá trình đóng ngắt 33 

Hình 2.10: Cấu tạo và ký hiệu transistor NPN và PNP 34 

Hình 2.11: Hình dạng thực tế tượng trưng cho Transistor 35 

Hình 2.12: Đặc tuyến V-A khi BJT phân cực 35 

Hình 2.13: Mô tả dạng sóng điện áp và dòng của BJT đóng cắt theo thời gian 36 

Hình 2.14: Mạch tăng cường kích đóng 37 

Hình 2.15: Mô tả mạch kích ngắt cho BJT 38 

Hình 2.16: Minh họa mạch bảo vệ cho BJT 38 

Hình 2.17: Mạch cách ly dùng máy biến áp xung 38 

Hình 2.18: Mạch cách ly dùng optron 39 

Hình 2.19: Cấu tạo FET 39 

Hình 2.20: Phân loại FET 40 

Hình 2.21: Ký hiệu các loại FET 40 

Hình 2.22: Ảnh thực tế của MOSFET 40 

Hình 2.23: Mạch phân cực của FET 41 

Hình 2.24: Họ đặc tuyến của FET 41 

Hình 2.25: Mạch kích đóng 41 

Hình 2.26: Mạch kích ngắt 42 

Hình 2.27: Ký hiệu và mạch tương đương của IGBT 42 

Hình 2.28: Hình ảnh tượng trưng của IC tích hợp 43 

Hình 2.29: Mô tả cấu tạo, kí hiệu và mạch tương đương của  SCR 43 

Hình 2.30: Hình dạng thực tế và các thông số của linh kiện SCR  44 

Hình 2.31: Đặc tính tĩnh V-A của SCR 44 

Hình 2.32: Mô tả đặc tính động (thời gian đóng và thời gian ngắt của SCR) 46 

Hình 2.33: Mạch bảo vệ cho SCR 47 

Hình 2.34: Mô tả mạch kích dùng máy biến áp xung 47 

Hình 2.35: Mô tả mạch kích có bộ phận cách ly cho SCR 47 

Hình 2.36: Mô tả mạch kích SCR trực tiếp 48 

Hình 2.37: Mô tả cấu tạo, kí hiệu, mạch tương đương của SCS 49 

Hình 2.38: Mạch dao động tích thoát 50 

Hình 2.39: Mô tả  kí hiệu và mạch tương đương của GTO 51 

Hình 2.40: Đặc tuyến V-A của GTO 52 

Hình 2.41: Mạch tương đương của GTO 52 

Hình 2.42: Mạch bảo vệ cho GTO 52 

Hình 2.43: Mạch bảo vệ dòng sự cố ngắn mạch 53 

Hình 2.44: Mô tả kí hiệu, mạch tương của Triac 55 

Hình 2.45: Mô tả đặc tính V-A của TRIAC 56 

Hình 2.46: Mô tả cấu tạo, kí hiệu, mạch tương đương của Diac 54 

Hình 2.47: Mô tả đặc tuyến V-A của Diac 54 

Hình 2.48: Mô tả mạch ứng dụng của Diac 55 

Hình 3.1: Phân loại bộ chỉnh lưu 63 

Hình 3.2: Sơ đồ chỉnh lưu một pha bán kỳ dùng 1 diode 65 

Hình 3.3: Dạng sóng chỉnh lưu được mô phỏng bằng phần mềm PSIM từ hình 3.2 khi  đã gắn tụ lọc và tải là thuần trở 65 

Hình 3.4: Dạng sóng chỉnh lưu được mô phỏng bằng phần mềm PSIM từ hình 3.2 khi  chưa gắn tụ lọc và tải là thuần trở 66 

Hình 3.5: Sơ đồ chỉnh lưu một pha toàn kỳ dùng 2 diode 67 

Hình 3.6: Dạng sóng chỉnh lưu được mô phỏng bằng phần mềm PSIM từ hình 3.5 khi  chưa gắn tụ lọc và tải sử dụng là thuần trở 68 

Hình 3.7: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cầu dùng diode 69 

Hình 3.8: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.7 khi chưa gắn tụ lọc 69 

Hình 3.9: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.7 khi đã gắn tụ lọc 69 

Hình 3.10: Dạng sóng chỉnh lưu đối với tải RE khi có E =50v, R =100 70 

Hình 3.11: Dạng sóng chỉnh lưu đối với tải RLE khi có E =50v, L=0.05H, R =10070  Hình 3.12: Dạng sóng chỉnh lưu đối với tải RLE khi có E =50v, L=0.11H 71 

Hình 3.13:  Sơ đồ chỉnh lưu ba pha cầu dùng 3 diode 74 

Hình 3.14: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.13 khi chưa gắn tụ lọc 74 

Hình 3.15: Sơ đồ chỉnh lưu ba pha cầu dùng diode 76 

Hình 3.16: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.15 khi chưa gắn tụ lọc 77 

Hình 3.17: Sơ đồ chỉnh lưu một pha bán kỳ dùng 1 SCR 85 

Hình 3.18: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.17 khi chưa gắn tụ lọc 85 

Hình 3.19: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cầu dùng 4 SCR 86 

Hình 3.20: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.19 khi chưa gắn tụ lọc 87 

Hình 3.21: Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia dùng SCR 90 

Hình 3.22: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.21 khi chưa gắn tụ lọc 90 

Hình 3.23: Sơ đồ chỉnh lưu ba pha cầu dùng SCR 91 

Hình 3.24: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.23 khi chưa gắn tụ lọc 92 

Hình 3.25: Sơ đồ chỉnh lưu ba pha cầu không đối xứng 92 

Hình 3.26: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.25 khi chưa gắn tụ lọc 93 

Hình 4.1: Mô tả sơ đồ khối của bộ biến đổi DC-DC 104 

Hình 4.2: Mô tả giá trị công suất của các loại mạch 104 

Hình 4.3: Mô tả nguồn dc loại nguồn dòng và nguồn áp 105 

Hình 4.4: Sơ đồ khối của mạch giảm áp 106 

Hình 4.5: Mô tả chu kỳ làm việc của mạch điều khiển 106 

Hình 4.6: Mô tả mạch làm việc ở chế độ tăng áp 108 

Hình 4.7: Mô tả cấu tạo của bộ H 108 

Hình 4.8: Mô tả hai dạng sóng tạo ra từ mạch kích dùng để kích cho SP, SC  của mạch ở  hình 4.7 109 

Hình 4.9: Mạch tạo sóng vuông bằng Op-Amp 110 

Hình 4.10: Sơ đồ mạch tương đương của R4 110 

Hình 4.11: Mạch tạo sóng vuông bằng cổng NAND 111 

Hình 4.12: Mạch tạo sóng vuông bằng IC 555 111 

Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý  và giản đồ kích đóng bộ biến đổi kép dạng mạch cầu 112 

Hình 4.14: Dạng sóng áp và dòng điện khi được kích công tắc theo giản đồ hình 4.13 113 

Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi kép dạng đảo dòng 114 

Hình 4.16: Dạng sóng điện áp và dòng điện của giản đồ đóng kích công tắc S1, S4 114  Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi kép dạng đảo áp 115 

Hình 4.18: Giản đồ kích đóng các công tắc và đồ thị điện áp trên tải 115 

Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lý  của bộ biến đổi công suất 116 

Hình 4.20: Mạch converter dùng bộ biến đổi đẩy kéo 119 

Hình 4.21: Mạch lọc điện áp ngõ vào 120 

Hình 4.22: Mạch lọc điện áp ngõ ra 121 

Hình 5.1: Sơ đồ khối mô tả bộ biến đổi AC-AC 129 

Hình  5.2:  Mạch  biến  đổi  điện  áp  xoay  chiều  thông  qua  tín  hiệu  điều  khiển  từ  mạch  điều khiển 129 

Hình 5.3: Mô tả dạng sóng của hình 5.1 với tần số điều khiển là 100hz  130 

Hình 5.4: Mô tả dạng sóng của hình 5.1 với tần số điều khiển là 1000hz 130 

Hình 5.5: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 133 

Hình 5.6: Dạng sóng điện áp điện áp trên tải thuần trở R 133 

Hình 5.7: Dạng sóng điện áp điện áp trên tải thuần trở RL 134 

Hình 5.8: Dạng sóng áp ra từ sơ đồ hình 5.1 bằng phương pháp điều khiển pha 134 

Hình 5.9: Dạng sóng điện áp và dòngđiện trên tải khi dùng phương pháp điều khiển tỉ  lệ thời gian 135 

Hình 5.10: Sơ đồ minh họa relay bán dẫn SSR 136 

Hình 5.11: Sơ đồ cơ bản làm dimmer 136 

Hình 6.1: Sơ đồ khối biến tần gián tiếp 144 

Hình 6.2: Sơ đồ đặc trưng của bộ nghịch lưu một pha dùng 146 

Hình 6.3: Sơ đồ đặc trưng của nghịch lưu một pha cầu dùng  SCR 147 

Hình 6.4: Mô tả loại nghịch lưu dòng và áp 148 

Hình 6.5: Sơ đồ động lực của nghịch lưu áp 3 pha 148 

Hình 6.6: Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu 151 

Hình 6.7: Dạng sóng kích và điện áp, dòng điện trên tải 152 

Hình 6.8: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển trong bộ biến tần sử dụng PWM 159 

Hình 6.9: Mạch so sánh điều chế PWM 160 

Hình 6.10: Sóng dạng điện áp ngõ ra 160 

Hình 6.11: Nghịch lưu 6 bước 160 

Hình 6.12: Kết quả của dạng sóng nghịch lưu 161 

Hình 6.13: Giản đồ vector điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu 163 

Hình 6.14: Quỹ đạo của vector không gian sẽ tròn hơn khi tăng tần số chuyển mạch 164 

Hình 6.15: Vector không gian được tính theo các vector cơ bản 165 

Hình 6.16: So sánh điều chế PWM kinh điển với điều chế vector không gian 166 

Hình 6.17: Phương thức so sánh tạo xung đóng cắt trong điều chế vector không gian 167 

Hình 6.18: Sơ đồ khối trình bày nguyên lý làm việc của phương pháp điều chế vector  không gian (SVPWM) 168 

Hình 6.19: Sơ đồ khối bên trong của biến tần 168 

Hình 6.20: Sơ đồ chi tiết mạch công suất của biến tần 169 

Hình 6.21: Bộ lọc nhiễu AC 170 

Hình 6.22: Bộ chỉnh lưu 3 pha ngõ vào 171 

Hình 6.23: Bộ lọc nhiễu DC 171 

Hình 6.24: Bộ nghịch lưu 172 

Hình 6.25: Các tụ lọc nhiễu AC ngõ ra 173 

Hình 6.26: Board nguồn và Board kích cho bộ nghịch lưu 173 

Hình 6.27: Board xử lý và điều khiển, board vào/ra 173 

CHƯƠNG 1: CÁC HỆ THỨC VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Hầu  hết  các  sơ  đồ chỉnh  lưu  trong  chương  này  thường  thấy  ở  các  thiết  bị điện  tử  như tivi, đầu máy, thiết bị lưu trữ điện, biến tần,…Phần điện tử công suất này còn gọi 

là bộ biến đổi điện tử. Bộ biến đổi điện tử thường gặp có chức năng biến đổi. 

Bảng 1.1: Thống kê bộ biến đổi điện tử

Bộ biến đổi điện tử thường gặp Chức năng biến đổi của bộ biến đổi

1.2 Đối tượng khảo sát và kết đạt được trong quá trình khảo sát

Đối tượng khảo sát và kết đạt được [1], [2]

- Đối tượng cần khảo sát gồm: 

1.3 Các đại lượng cơ bản và hệ thức liên quan

1.3.1 Giá trị trung bình của một đại lượng

Đại lượng tức thời trong mạch điện như biểu thức điện áp u(t), dòng điện i(t), công suất p(t)  Chúng biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tc (c: cycle). Thông 

thường trong quá trình vận hành, thiết kế máy móc người ta chú ý đến các đại lượng trung bình (kí hiệu: Uav, Iav, Pav, av: average), giá trị hiệu dụng (kí hiệu: U=Urms, I=Irms, P= Prms … ),  hay giá trị cực đại đỉnh (kí hiệu: Um, Im, Pm…. ) [1],[2], [3]. 

Cách tính một đại lượng trung bình nào đó đang xét đến bằng cách lấy tích phân 

Ví dụ 1.1: Cho hàm như sau:   

1 0 0 0 0, 0 1( )

U

c

T t

t c

Ví dụ 1.2: Nguồn  điện  áp  xoay  chiều  Việt  Nam  có  dạng u(t)220 2.Sin314t

( f 50hz) được chỉnh lưu qua sơ đồ 1 diode với kết quả dạng sóng như hình 1.2. Hãy tìm điện áp trung bình ngõ ra? 

0,02 0,01s 

100v   

314 sin 2 220 02 , 0

1 ).

( 02 , 0

1 ).

(

1 0 0

dt t dt

t u dt

t u T U

c T t

t c

)12cos(.2.2202

2

sin.2.2202

2

sin.2.2202

0 0

d t

t c

av u t i t T

P

0

0

) ( ).

(

1

hoặc  P av U av *I av Trong  trường  hợp  dòng  điện  qua  tải  hay  điện  áp  đặt  trên  tải  không  thay  đổi  theo thời gian thì i = const = Iav và u = const = Uav  

1.3.2 Giá trị hiệu dụng của một đại lượng [1], [2]

Giá trị hiệu dụng của một đại lượng Y nào đó biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tc (với Y là đại lượng như I, U, P  ) thì giá trị hiệu dụng của đại lượng đó 

là Y và được tính theo công thức sau:  

Y rms =  

T c t

t c

dt q T

 

2202

m rms

Ví dụ 1.5: Xét quá trình dòng điện trên hình 1.3. Hãy tìm trị trung bình dòng điện  cho bởi hệ thức?

Điện áp tức thời trên tải là UR = R.iR

Điện áp trung bình trên tải là Uav  = R.Iav 

Tính chất: Dòng điện và điện áp của tải cùng pha nhau. Hệ số công suất bằng 1.  1.4.2 Tải L thuần

1.4.3 Tải RL (Tải R nối tiếp L)

Tải này thường gặp ở mạch kích từ của  máy điện một chiều, máy  phát điện đồng 

Điện  áp  trên  tải  R  nối  tiếp  L  nhanh  pha  hơn  dòng  điện  của  nó  một  góc  nhỏ  hơn 

Hình 1.5: Mô tả các thành phần thường tồn tại trong hệ thống tín hiệu, chuổi Fourier

của tín hiệu dao động tuần hoàn

Giả  sử  đại  lượng  dòng  điện  I  tuần  hoàn  nhưng  không  sin  thì  theo  Fourier  có  thể triển khai thành tổng các đại lượng thành phần của nó và bằng: 

2

t k B

t k A I

t

k k

).

(

1

t d t k t

).

(

1

t d t k t

2

1

k k av

1.6 Một số vấn đề về công suất [1], [2] [3]

Mạch điện trong thực tế thì công suất toàn phần ngõ ra là:  

2 0

P  V I Cos  là do điện áp V1, dòng điện I1và cos 1tạo ra. 

Công suất 

2

1 2



Cos I U m

P  * * *  là công suất tiêu thụ với m là số pha.  



Sin I U m

Q * * *  là công suất phản kháng với m là số pha.  

I U m

S * *  là công suất biểu kiến.           (1.7) Theo cơ bản của mạch điện ta có S  P2 Q2 ; giá trị S trong trường hợp này là mạch  điện  đang  xét  không  có  đại  lượng  nào  biến  dạng.  Điều  này  là  lý  tưởng,  trong thực tế thường xuất hiện ít nhất một thông số thay đổi có thể là do nhiều nguyên nhân khác nhau, có thể ảnh hưởng từ bên ngoài mạch hay chính bản thân của mạch điện đó hay  do  tính  chất  đóng  ngắt  các  linh  kiện  công  suất  gây  nên  công  suất  bị  biến  dạng. Chính các nguyên nhân trên gây ra sóng hài bậc cao của dòng điện. Tùy theo tính chất mức độ hài xuất hiện mà mức độ biến dạng khác nhau. Giá trị méo biến dạng này gọi 

Đặt: P2Q2 m U I2 2 (1)2 và  2 2 2 2

( ) 2

Khử nhiễu: phương pháp lọc sóng hài được áp dụng khi các sóng hài có giá trị từ khoảng  Khz  đến  hàng  Mhz.  Nguyên  nhân  gây  nhiễu  nên  thường  do  các  mạch  điều khiển phát sóng tần số cao hay hiện tượng đóng ngắt của linh kiện điện tử công suất trong các thiết bị công nghiệp hoặc do mạch phát sóng điện từ làn truyền qua thiết bi xung quanh và chính bản thân nó. Để khử nhiễu ta thường dùng tụ điện, bọc dây dẫn hoặc dùng lưới chống nhiễu cho thiết bị. 

I

I THD k

) 1 (

2 ) 1 ( 2

I

I I

BÀI TẬP CHƯƠNG 1

Câu 1.1: Bộ biến đổi điện tử bao gồm những chức năng biến đổi nào? Mỗi bộ biến đổi điện tử gồm mấy phần? 

Câu  1.9:  Xác  định  công  suất  trung  bình  trên  tải.  Cho  biết  điện  áp  tải  không  đổi u=12VDC  và  dòng  điện  qua  tải  tuần  hoàn  có  hàm  biểu  diễn  trong  mỗi  chu  kỳ T=100ms như sau:  

0;         0 50

4 ;     50 100

t ms i

công suất tiêu thụ trung bình trên phần tử trên nếu phần tử hai cực là:  

a. Điện trở 5Ω.  

b. Cuộn dây có cảm kháng 10mH.  

c. Sức điện động E=6V.   

Câu  1.11:  Dòng  điện i = 2 + 20.sin 100π.t A   đi  qua  mạch  RLE  mắc  nối  tiếp.  Xác    

định  công  suất  tiêu  thụ  trung  bình  trên  mỗi  phần  tử  R,  L  và  E,  cho  biết  R=3Ω, L=10mH và E = 12V.  

Câu  1.12:  Một  lò  điện  trở  công  suất  1.500W  khi  sử  dụng  nguồn 

u = 220 2.sin 100π.t V  Nếu điều khiển công suất lò điện theo chu kỳ 12 phút với trình tự đóng điện 5 phút và ngắt điện 7 phút. Hãy xác định:  

a.  Công suất tức thời cực đại.  

b.  Công suất tiêu thụ trung bình.  

c.  Năng lượng tiêu thụ dưới dạng nhiệt trong mỗi chu kỳ.  

Câu 1.13: Xác định điện áp hiệu dụng và dòng điện hiệu dụng khi biết hàm biểu diễn của chúng tuần hoàn theo chu kỳ T=100ms có dạng:  

CHƯƠNG 2: LINH KIỆN BÁN DẪN TRONG LĨNH VỰC

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

2.1 Chức năng, phân loại linh kiện bán dẫn công suất

2.1.1 Chức năng linh kiện trong mạch công suất

Linh kiện thường làm việc ở hai trạng thái Hiện tượng của linh kiện

Ngắt (nghĩa là ngưng dẫn, khóa  hay còn gọi 

là “off”)

Linh kiện không làm việc tức là hở mạch 

Ở  trạng  thái  đóng  lý  tưởng  (hình  2.1a),  bản  thân  linh  kiện  sẽ  nối  mạch.  Lúc  này điện  trở  có  được  trên  mối  nối  đó  rất  nhỏ  (r 0 )  nên  điện  áp  rơi  trên  nó  cũng  nhỏ (U  0v). Trên thực tế linh kiện khảo sát có công suất nhỏ, điện áp rơi trên nó khoảng 0,2 đến 0,7 volt. Giá trị điện áp rơi này tùy thuộc vào chất Si, Ge chế tạo nên chúng và công suất của nó. Linh kiện có công suất lớn thì điện áp rơi trên nó khoảng từ 1 đến 2 volt hoặc có thể lớn hơn [1], [3]. 

a) Trạng thái đóng b) Trạng thái ngắt Hình 2.1: Biểu diễn trạng thái làm việc của linh kiện bán dẫn

Ở trạng thái ngắt như hình 2.1b, bản thân linh kiện sẽ không nối mạch nên điện trở 

ở hai đầu linh kiện rất lớn (). Do đó điện áp rơi trên mối hỡ này phù thuộc vào mạch hoạt động và dòng điện qua nó [1]. 

2.1.2 Phân loại [1], [2]

Thực tế cho thấy xuất hiện nhiều linh kiện có cổng (cực) điều khiển và những linh kiện không có cổng điều khiển. Dựa vào đó ta có thể chia thành 3 nhóm sau: 

2.2 Khảo sát một số linh kiện điện tử công suất

2.2.1 Diode [1], [2], [3]

2.2.1.1 Cấu tạo

a) Cấu tạo b) Mạch tương đương c) Ký hiệu

Hình 2.2: Mô tả cấu tạo và mạch tương đương của diode

Hình 2.5: Hình dạng thực tế của diode cầu loại 3 pha và bảng thông số

Hình 2.6: Cách kết nối bên trong của diode 3 pha

2.2.1.3 Đặc tuyến Volt-Amp tĩnh và mô tả phân cực của diode [1], [2], [3]

Có 2 trạng thái phân cực  

Hình 2.7: Đặc tuyến Volt-Amp tĩnh và mô tả phân cực của diode

a) Diode có 6 chân b) Diode có 5 chân

Trong đó:  

PCT - viết tắt là diode phân cực thuận;  PCN - viết tắt là diode phân cực ngược  

2.2.1.4 Các thông số đặc trưng cần quan tâm [1], [2], [3]

Khi diode phân cực thuận (PCT) cần quan tâm:

Hình 2.8: Mô tả thời gian phục hồi khi diode đổi trạng thái.

Ngoài ta cần quan tâm đến điện áp rơi trên diode U ( 1 2)volt 

Tức là U AK 0 và đủ lớn (A là đầu P của diode, K là đầu N của diode, ”đủ lớn” nghĩa là tùy theo chất làm nên diode đang xét và thông số đó do nhà sản xuất qui đinh nó). 

Tần số: Quá trình phát nhiệt trên diode còn phù thuộc vào tần số đóng cắt của nó. 

Trong các khoảng thời gian diode mở ra hay khóa lại công suất tổn hao tức thời p(t) = u(t).i(t) có giá trị rất lớn (xem hình 2.9), giá trị này lớn hơn giá trị công suất khi diode 

đã dẫn hay khi đã khóa. Do đó khi lựa chọn diode trong các mạch đóng cắt với tần số cao ta cần lưu ý. 

  

Hình 2.9: Dạng sóng dòng và áp trên diode trong quá trình đóng ngắt

Diode ở trạng thái khóa trong khoảng (1) và (6), lúc này diode chịu điện áp ngược, dòng qua nó bằng 0; Khoảng đầu của (2) diode bắt đầu dẫn dòng, khi lượng điện tích 

đã đủ lớn độ dẫn điện làm điện trở bên trong nó giảm xuống, dòng đi qua diode tạo áp trên  nó  có  giá  trị  từ  0,3volt  đến  2volt  (tùy  theo  cấu  tạo  và  công  suất  của  diode); Khoảng (3) là diode dẫn ổn định. Quá trình khóa diode bắt đầu từ khoảng (4) kéo dài đến hết khoảng (5) còn gọi là thời gian phục hồi (t rr), trong khoảng thời gian này tạo 

ra công suất phát nhiệt làm nóng diode nhiều nhất.Nếu tần số đóng ngắt lớn thì công suất tức thời càng dồn dập làm nóng diode. Đây là thông số quan trọng cần quan tâm.  Thời gian phục hồi (trr) này tỉ lệ thuận với giá trị điện tích chuyển mạch (Qr). Với 

Độ  lớn quá  áp  trên  diode  có  thể  được  hạn  chế  bằng  bộ  lọc  RC.  Mạch  RC  có  tác dụng sau khi phục hồi điện trở nghịch của diode làm cho quá trình cắt dòng qua cảm kháng diễn ra chậm hơn. 

Diode công suất chia thành 2 loại: diode dùng ở tần số công nghiệp (diode chỉnh lưu),  khả  năng  nó  chịu  áp  khoảng  vài  kilovolt  và  dòng  điện  khoảng  vài  kiloampere. Khi dẫn dòng điện thì sụt áp trên nó thấp, tuy nhiên thời gian phục hồi tăng lên. Diode dùng trong các mạch đóng ngắt tần số cao. 

Bảng 2.1: Mô tả một số thông số của diode

Loại 

mã 

Điện áp định mức (V) 

Dòng trung bình định mức 

Điện áp rơi trên diode khi dẫn 

Thời gian phục hồi Loại Schottky 

Điều kiện dẫn của BJT ở hình 2.10c: VE > VB > VC 

Trong lĩnh vực điện tử công suất, Transistor làm việc ở chế độ bảo hòa (đóng vai trò đóng ngắt) và thường gặp transistor mắc theo mạch E chung, cực B coi như cổng điều khiển, cực C-E  đóng vai trò như công tắc không tiếp điểm.  

Khoảng bc thuộc vùng khuếch đại nên BJT ở chế độ khuếch đại tín hiệu.  

Hệ số khuếch đại:   

B

C fe

I

I

h  Khi ở ranh giới bảo hòa thì hệ số này là  CS

fesat BS

I h I

hệ số h fesat này dùng để tính toán dòng kích đóng BJT:  CS

BS fesat

I I h

Trên thực tế, chọn độ lớn IB để kích cần có hệ số an toàn k s  2  4, I  B k s I BS Khi BJT làm việc sẽ có hai thành phần công suất làm tổn hao: U BE.I B (thành phần nhỏ), U CE.I C (thành phần lớn). Do đó tổng công suất là P BJT I B.U BE I C.U CE 

Qua đó cho thấy, nếu chọn k s quá lớn sẽ không làm giảm điện áp U CE bao nhiêu nhưng nó làm tăng đáng kể điện áp U BE. Công suất  gây ra tổn thất ở cực B lớn .Vậy ta nên chọn k s 2. Thông thường các BJT có công suất lớn thì   10  20. Do đó để giảm  bớt  dòng  kích  cho  mà  hệ  số  khuếch  đại  tăng  ta  nên  ghép  BJT  theo  kiểu darlington. Điểm bất lợi theo kiểu ghép này là độ sụt áp trên mối nối CE khi BJT đóng 

sẽ cao và tần số đóng ngắt giảm do độ trể tăng. Khi thời gian quá độ lớn (tf, tr  như hình 2.13) sẽ giới hạn tần số làm việc. 

Hình 2.13: Mô tả dạng sóng điện áp và dòng của BJT đóng cắt theo thời gian

2.2.2.4 Các thông số đặc trưng cần quan tâm [1], [2]

Dòng góp ICmax  là dòng BJT chịu đựng tối đa. Khi BJT dẫn bảo hòa IC = ICSAT lúc này UCE  rất nhỏ (<1volt ). Đối với  BJT công suất lớn, UCE bằng (từ 1 đến 2 volt). Công  suất  của  BJT  là:  PBJT  =IB.UBE  +  IC.UCE  sẽ  gây  tổn  thất  khi  BJT  đóng,  ngắt. Trong đó,  thành phần chủ yếu là IC.UC 

Thời gian tính từ lúc BJT đóng (on) đến lúc BJT ngắt (off) hoàn toàn được gọi là tf 

(fall) xem hình 2.13 

U U

R R

U U

.

R R

R U

5

;5

;5

2 1 2

1

1 2 2 2 2

1 2 1

2 1 1 1 1

C R R

R R t

Tần số đóng cắt lớn nhất của BJT sẽ là: 

2 1 2 1 max

2 , 0 1

Mạch tăng cường kích ngắt

Hình 2.15: Mô tả mạch kích ngắt cho BJT

Khi BJT dẫn dòng IC lớn lúc này UD khá lớn UC = UD  

Khi BJT ngắt, IB = 0, UC  chưa kịp xả  UE = UD = UE > UB  BJT ngắt.  

Hình 2.17: Mạch cách ly dùng máy biến áp xung

Theo hình 2.17 ở cuộn thứ cấp của  máy biến áp xung (BAX) có thể có  một hoặc nhiều cuộn dây để kích các BJT khác nhau. Tiêu chuẩn của BAX là cảm kháng tản nhỏ 

2.2.3.1 Cấu tạo, phân loại và hình dáng

 Cấu tạo

Hình 2.19: Cấu tạo FET

Loại transistor này có  khả năng đóng, ngắt nhanh (vài ns đến vài  trăm ns) và  tổn thất thấp. Nó linh kiện được dùng trong mạch công suất nhỏ (vài KW). Muốn có công suất  cao  (vài  chục  đến  vài  trăm  KW)  thì  linh  kiện  này  đem  kết  hợp  với  công  nghệ GTO (Gate turn off) để chế tạo ra linh kiện MTO (Mosfet turn off Thyristor).  

Linh kiện MOSFET có cấu trúc cơ bản như hình 2.19 cho thấy cực G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn. Không giống như Transistor (BJT), MOSFET nhận tín 

Ở tần số vài chục Khz với điện áp 300 volt đến 400 volt thì MOSFET tỏ ra ưu điểm hơn BJT.  

Nếu điện áp yêu cầu lớn hơn 500volt đến 600volt thì các van cĩ điện trở nhỏ hơn như IGBT sẽ chiếm ưu thế so với MOSFET. 

Loại N

Loại N

Tự dẫn

EMOSFET MOSFET

DMOSFET

Loại P

Tự ngắt FET

2.2.3.2 Minh họa mạch phân cực và họ đặc tuyến của FET

Hình 2.23: Mạch phân cực của FET

.

R R R

R U

Mạch bảo vệ cho MOSFET: Do cấu tạo khác biệt của MOSFET so với BJT làm 

cho linh kiện này hoạt động tốt hơn mà không cần bảo vệ  nhiều như BJT. Song để hạn chế các gai điện áp và các xung nhiễu dao động thâm nhập khi đóng ngắt người ta có thể  dùng  mạch  RC  có  giá  trị  nhỏ  mắc  song  song  với  chúng.  Tương  tự  như  BJT, MOSFET có thể dùng máy biến áp xung, Optron để tạo mạch cách ly giữa mạch điều khiển và mạch công suất. 

2.2.4 Transitor loại hiện đại IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

        a) Ký hiệu b) Mạch tương đương

Hình 2.27: Ký hiệu và mạch tương đương của IGBT

Việc điều khiển đóng ngắt IGBT được thực hiện nhờ phần tử MOSFET ngõ vào và hai BJT ngõ ra như hình 2.27. Do đó nó cũng được kích bằng điện áp tại cực G.  

Đặc tuyến V-A tĩnh của nó giống như đặc tính V-A tĩnh của MOSFET. 

Ưu  điểm  của  IGBT  là  khả  năng  đóng  ngắt  nhanh  phù  hợp  sử  dụng  nó  trong  các mạch điều chế độ rộng xung tần số cao. Nếu xét về cấu tạo của một transistor, IGBT 

có độ sụt áp khi dẫn điện lớn hơn so với các linh kiện thuộc họ Thysistor như GTO.  Tuy vậy trong công nghiệp nó thường dùng vì phạm vị công suất lên đến 10MW. IGBT  có  khả  năng  hoạt  động  tốt  mà  không  cần  đến  mạch  bảo  vệ.  Giống  như MOSFET, IGBT hạn chế công suất tổn hao khi đóng ngắt (do có điện trở dẫn lớn). So với BJT, IGBT có độ sụt áp thấp khi nó dẫn (khoảng 23 volt với điện áp định mức 1Kvolt)  nhưng  lại  cao  hơn  so  với  GTO.  Khả  năng  chịu  áp  khóa  tuy  cao  nhưng  thấp hơn với SCR. IGBT và GTO có khả năng chịu áp ngược cao. Thời gian đáp ứng đóng, ngắt  của  IGBT  rất  nhanh  khoảng  vàisvà  điện  áp  cơ  thể  đạt  từ  4,5Kv  đến  6  Kv  và dòng đạt từ 2kA đến vài ngàn kA [1], [2], [3]. 

Ngoài ra trong lĩnh vực công suất người ta chế tạo bằng công nghệ tích hợp mà bên trong  linh  kiện  gồm  có  mạch  kích  mạch  bảo  vệ,  cảm  biến  dòng  và  có  độ  tin  cậy  rất cao. Linh kiện tích hợp này gọi là Module IGBT thông minh. Trong lĩnh vực công suất cao  thì  công  nghệ  chế  tạo  IGBT  đang  phát  triển  mạnh  và  sẽ  dần  thay  thế  GTO.  Để chuyên  dùng  hơn  thì  hiện  nay  người  ta  thiết  kế  các  mạch  kích  bằng  IC  công  nghiệp nhằm hạn chế tối đa nhiễu và thích ứng cao như hình 2.28  

Hình 2.28: Hình ảnh tượng trưng của IC tích hợp

2.2.5 Thyristor (SCR: Silicon Controlled Rectifier) [1], [2], [3]

2.2.5.1 Cấu tạo và mạch tương đương

a) Cấu tạo b) Ký hiệu c) Mạch tương đương Hình 2.29: Mô tả cấu tạo, kí hiệu và mạch tương đương của SCR

Thyristor là họ linh kiện có ít nhất 4 lớp với SCR là đại diện. SCR bên trong gồm 

4 lớp bán dẫn khác nhau loại PN ghép nối tiếp nhau và đưa ra 3 chân như hình 2.29 

2.2.5.2 Hình dạng thực tế và các thông số kèm theo

Hình 2.30: Hình dạng thực tế và các thông số của linh kiện SCR

2.2.5.3 Đặc tính Volt-Amp tĩnh

Hình 2.31: Đặc tính tĩnh V-A của SCR