Trong các bộ biến đổi công suất dùng thyristor, thyristor và mạch tạo xung kích vào cổng điều khiển của nó cần cách điện .tương tự như các mạch kích cho transistor, ta có t[r]
Trang 1un: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Mã số của mô đun: MĐ 18
Thời gian mô đun: 75 giờ; (Lý thuyết: 15g ; Thực hành:57 g; kiểm tra: 3g)
I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN:
* Vị trí của mô đun: đây là mô đun thứ 18 trong chương trình đào tạo ngành
điện tử công nghiệp
* Tính chất của mô đun: Là mô đun bắt buộc
II MỤC TIÊU CỦA MÔ ĐUN:
Sau khi học xong mô đun này học viên có năng lực
* Về kiến thức:
- Giải thích được nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử công suất
- Tra cứu được các thông số kỹ thuật của linh kiện
- Phân tích được nguyên lý làm việc của mạch điện tử công suất
* Về kỹ năng:
- Kiểm tra được chất lượng các linh kiện điện tử công suất
- Lắp được các mạch điện tử công suất ứng dụng trong công nghiệp
- Kiểm tra sửa chữa đạt yêu cầu về thời gian với độ chính xác
- Thay thế các linh kiện, mạch điện tử công suất hư hỏng
- Nêu được ứng dụng của từng mạch điện vào trong thực tế
* Năng lực tự chủ và chịu trách nhiệm:
- Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp
III NỘI DUNG CHI TIẾT
BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ NGHỆ II KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN:
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
(Dùng cho trình độ Cao đẳng, Trung cấp và liên thông)
GVBS: MAI THỊ BÍCH VÂN
TPHCM, tháng 03 năm 2018
Trang 2BÀI I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mục tiêu của bài:
- Nhận dạng được các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện, điện tử
- Xác định được điện áp, dòng điện, công suất của tải
- Trình bài được nội dung của các thông số kỹ thuật của các linh kiện điện
tử công suất
Nội dung chính
Giới thiệu:
Điện tử công suất là một chuyên ngành của điện tử học nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất trong sơ đồ các bộ biến đổi nhằm biến đổi
và khống chế nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được, cung cấp cho các phụ tải điện
I TỔNG QUAN
Nhiệm vụ của điện tử công suất là xử lý và điều khiển dòng năng lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải Tải
sẽ quyết định các thông số về điện áp, dòng điện, tần số, và số pha tại ngõ ra của
bộ biến đổi Thông thường, một bộ điều khiển có hồi tiếp sẽ theo ngõ ra của bộ biến đổi và cực tiểu sai lệch giữa giá trị thực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt)
Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mịn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều
Trang 3chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được
Các khái niệm cơ bản
Các thành phần của công suất gồm có:
Công suất biểu kiến: S = U.I Công suất thực: P = U.I.cosφ Công suất phản kháng: Q = U.I.sinφ
Từ các biểu thức trên ta có được mối quan hệ 2 2
.
S U I P Q
Vấn đề chúng ta cần quan tâm ở đây, các ứng dụng của bộ biến đổi thường cho ra các dáng điệu dòng điện và điện áp không sin, thì cần thiết phải đưa thêm một số định nghĩa
Thành phần dao động cơ bản đóng góp vào trong công suất thực:
P = U.I1.cosφ1
Do đó, các thành phần công suất được mô tả bởi các vector và được biểu diễn như
hình dưới đây:
Hình 1.1: Các thành phần công suất của bộ biến đổi chuyển mạch lưới
II PHÂN LỌAI LINH KIỆN BÁN DẪN THEO KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN
Các linh kiện được phân lọai theo hai chức năng cơ bản: đóng và ngắt dòng điện đi qua nó Trạng thái linh kiện đóng: có tác dụng như một điện trở bé Trạng thái linh kiện ngắt: có tác dụng như một điện trở rất lớn Dòng điện
đi qua chúng hầu như không đáng kể Độ lớn điện áp đặt lên linh kiện phụ thuộc vào trạng thái họat động của mạch điện bên ngòai
Trang 4Do đó, linh kiện bán dẫn họat động với hai chế độ làm việc đóng và ngắt dòng điện được xem là lý tưởng nếu ở trạng thái dẫn điện nó có độ sụt áp bằng 0
và ở trạng thái không dẫn điện, dòng điện đi qua nó bằng 0
Các linh kiện có thể tự chuyển đổi trạng thái làm việc của mình, chuyển từ trạng thái không dẫn sang trạng thái dẫn điện và ngược lại thông qua tác dụng kích thích của tín hiệu lên cổng điều khiển của linh kiện Ta gọi đây là linh kiện
có tính điều khiển Tín hiệu điều khiển có thể tồn tại dưới nhiều dạng: dòng điện, điện áp, ánh sáng với công suất nhỏ hơn nhiều so với công suất của nguồn
và tải
Nếu linh kiện không chứa cổng điều khiển thì ta gọi là linh kiện không điều khiển như diode, diac
Nếu thông qua cổng điều khiển, tín hiệu chỉ tác động đến chức năng đóng dòng điện mà không thể tác động ngắt dòng điện đi qua nó, gọi là linh kiện không có khả năng kích ngắt như: SCR, TRIAC
Ngòai ra linh kiện có khả năng thay đổi trạng thái từ dẫn điện sang ngắt điện và ngược lại thông qua tác dụng của tín hiệu điều khiển được gọi là linh kiện có khả năng kích ngắt(tự chuyển mạch): BJT, MOSFET, IGBT, GTO,IGCT, MCT, MTO
Với những nhận xét ở trên , các linh kiện bán dẫn công suất , theo chức năng đóng ngắt đóng ngắt dòng điện và khả năng điều khiển các chức năng này,
có thể chia làm 3 nhóm chính :
_Nhóm một: gồm các linh kiện không điều khiển như diode, diac _Nhóm hai : gôm các linh kiện điều khiển kích đóng được như thyristor, triac
_Nhóm ba: gồm các linh kiện điều khiển kích ngắt được như transitor (BJT,MOSFET,IGBT)GTO
Ngòai ra,dạng mạch phức tạp gồm SCR và bộ chuyển mạch có khả năng đóng ngắt dòng điện qua nó nhờ tác dụng của các tín hiệu điều khiển Về khía cạnh điều khiển ,mạch phức hợp này cùng với các linh kiện nhóm ba tạo thành nhóm công tắc tự chuyển mạch
1 DIODE
Trang 5Hình 1.2 hình dáng diode
Power diodes:
Hình 1.3 đặc tuyến của diode
Trang 6Hình 1.4 Hình dáng của học diode
Mô Tả Và Chức Năng
Diode được cấu tạo thành bởi mối nối p_n Lớp p thiếu điện tử và chứa các phần tử mang điện dạng lỗ trống Tương tự , lớp n thừa điện tử Các lớp p_n trong cấu trúc diode đạt được bằng cách thêm tạp chất vào trong các phiến silic .Để tạo quá trình dẫn điện đi qua mối nối p_n ,các hạt mang điện được tạo thành
và tham gia quá trình dẫn điện , một điện áp được áp dụng sao cho lớp p mắc vào cực dương và lớp n vào cực âm Lực điện trường làm cho lỗ hổng từ lớp p
di chuyển vựơt qua mối nối p_n để vào lớp n vào lớp p
Trường hợp phân cực ngược lại, các lỗ hổng và điện tử bị kéo ra xa khỏi mối nối và tạo thành sức điện động bên trong mối nối Sức điện động này tác dụng không cho dòng điện tích qua dide diode bị ngắt
Chiều thuận và chiều nghịch :nếu như diode ở trạng thái dẫn điện thì nó chịu tác dụng của điện áp thuận và dòng điện thuận nếu đi qua
Khả năng chịu tải địên áp định mức :được xác định bởi điện thế nghịch cực đại Urrm khi thiết kế mạch bảo vệ chống lại quá áp nghịch ngẫu nhiên , ta dịnh mức theo điện thế nghịch không thể lặp lại URSM Khi diode làm việc , ta không cho phép xuất hiện áp lớn hơn ursm
Dòng điện định mức: diode khi hoạt động phát sinh tổn hao Tổn hao chủ yếu do dòng điện thuận gây ra Tổn hao do dòng nghịch gây ra không đáng kể
và công suất tổn hao do quá trình ngắt sẽ có độ lớn đáng kể khi tần số đóng ngắt lớn hơn khoảng 400hz Công suất tổn hao tổng không được phép làm nóng mạch diode lên quá nhiệt độ cực đại,nếu không lớn PN sẽ bị phá hỏng
Khả năng chịu quá dòng một thông số khác ảnh hưởng lên khả năng quá dòng là năng lượng tiêu hao, xác định bằng tích phân theo thời gian, lượng năng lượng này tỉ lệ với năng lượng tiêu mà bản bán dẫn có khả năng hấp thụ dưới dạng nhiệt trong thời gian qui định (khoảng 10ms) mà không bị hỏng
Các Diode Đặc Biệt Schottky diode:độ sụt áp theo chiều thuận thấp (khoảng 0,3v) Do đó ,nó
được sử dụng cho các mạch điện áp thấp Điện áp ngược chịu được khoảng 50-100v VD: MBR6030L (Uđm max=30v, Iđm tb=60A)
Diode phục hồi nhanh: áp dụng trong các mạch hoạt động tần số cao Khả
năng chịu áp khoảng vài volt và dòng vài trăm ampere, thời gian phục hồi khoảng vài nguy giây VD: 1N3913 (Uđm max=400v, Iđm tb=30A)
Diode tần số công nghiệp: các diode tần số công nghiệp được chế tạo để
đạt độ sụt áp thấp khi dẫn điện Hệ quả ,thời gian phục hồi tăng lên khả năng chịu áp của chúng khoảng vài KV và dòng điện vài kiloampere
Trang 72 TRANSISTOR
Mạch mắc chung cực E
Mạch mắc chung cực C
Hình 1.5 phân cực và hình dáng của trans
Có 2 lớp p_n, dựa theo cấu tạo lớp này ta phân biệt hai loại transistor: transistor p_n_p và transistor n_p_n Các lớp p_n giữa từng điện cực được gọi
là lớp emitter và các lớp collector Mỗi lớp có thể được phân cực theo chiều thuận, chiều nghịch dưới tác dụng của điện thế ngoài Sự dịch chuyển của dòng collector Ic khi qua lớp bị phân cực nghịch chịu ảnh hưởng rất lớn của dònG Ib
dẫn qua lớp phân cực thuận Hiện tượng này tạo thành tính chất cơ bản được sử
Trang 8dụng nhiều của transistor và được gọi là hiện tượng điều chế độ dẫn điện của lớp bị phân cực nghịch
Trong lãnh vực điện tử công suất, transittor BJT được sử dụng như công tắc (khoá) đóng ngắt các mạch điện và phần lớn được mắc theo dạng mạch có chung emitter
Trên điện cực BE là điện áp điều khiển UBE Các điện cực CE được sử dụng làm công tắc đóng mở mạch công suất Điện thế điều khiển phải tác dụng tạo ra dòng Ib đủ lớn để điện áp giữa cổng CE đạt giá trị bằng đặc tính ngõ ra của transistor mắc chung cực emetter
Các tính chất động
Khảo sát cac hiện tượng quá độ khi đóng và ngắt transistor có ý nghĩa quan trọng Quá trình dòng collecotor Ic khi kích đóng có dạng xung vuông.Thời gian đóng Ton kéo dài khoảng vài nguy giây,thời gian ngắt toff vượt quá 10 nguy giây
Một hệ quả bất lợi trong các hiện tượng quá độ là việc tạo nên công suất tổn hao do đóng và ngắt transistor Công suất tổn hao làm giới hạn dảy tần số hoạt động của transistor Gía trị tức thời của công tổn hao trong quá trình đóng ngắt tương đối lớn, vì dòng điện đi qua transistor lớn và điện áp trên transistor ở trạng thái cao Để theo dõi một cách đơn giản , ta có thể hình dung quá trình đóng ngắt như sự chuyển đổi điểm làm việc từ vị trí ngắt đến vị trí đóng
Khả năng chịu tải
Công suất hao tổn :công suất tổn hao tạo nên trong hoạt động của transistor không được phép làm nóng bán dẫn vượt quá giá trị nhiệt độ cho phép 150oc Vì thế ,cần làm mát transistor và toàn bộ công suất hao tổn phải nhỏ.Công suất tổn hao chủ yếu do công suất tổn hao trên collector ,Pc =Uce.I
3 MOSFET
Cấu tạo :
Trang 9* Ký hiệu
* Đặc tính V-A
Hình 1.6 cấu tạo, ký hiệu và đặc tuyến của diode
Loại transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp
được gọi là metal-oxede-semiconductor field emffect transistor với công điều khiển bằng điện trường (điện áp) MOSFET được sử dụng nhiều trong các ứng dụng công suất nhỏ (vài kw) và không thích hợp để sử dụng cho các công suất lớn Tuy nhiên, linh kiện MOTFET khi kết hợp với công nghệ linh kiện GTO lại phát huy hiệu quả cao và chúng kết hợp với nhau tạo nên linh kiện MTO có ứng dụng cho các tải công suất lớn
Linh kiện MOSFETcó thể cấu trúc pnp và npn Giữa các kim loại mạch cổng và các mối nối n và p có lớp điện môi silicon oxid SiO Điểm thuận lợi cơ bản của MOSFET là khả năng điều khiển kích đóng ngắt linh kiện bằng xung điện áp ở mạch cổng Khi điện áp dương áp đặt lên giữa cổng G và Source (emitter ) tác dụng của điện trường(FET) sẽ kéo các electron từ lớp n+và lớp p tạo điều kiện hình thành môt kênh nối gần cổng nhất ,cho phép dòng điện dẫn từ cực drain (collector) tới cực Source (emiter)
MOSFETđòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch công kích thấp ,tốc độ kích đóng nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp Tuy nhiên , MOSFETcó điện trở khi dẫn điện lớn Do đó công suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nó không thể phát triển thành linh kiện công suất lớn
Trang 10Với tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao thấp vì vậy với mức điện áp từ 300v
400v, f = vài chục hz thì Mosfet có nhiều ưu điểm hơn BJT
Thông số kỹ thuật của mosfet:
Điện áp cực đại: 1000v
Dòng điện cực đại vài chục ampere
Điện áp điều khiển tối đa 20v
cực đại
Dòng điện trung bình định mức
IRFZ48 IRF510
60
100
50 5.6
4 IGBT
Ký hiệu
Hình 1.7 cấu tạo của IGBT IGBT là transistor công suất hiện đại, nó có khả chịu đựng được điện áp và dòng điện cao và độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện
Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cực kích G
Ưu điểm của loại linh kiện này là khả năng đóng ngắt nhanh, nó được sử dụng trong các bộ biến đổi điều chế độ rộng xung có tần số cao IGBT được ứng dụng nhiều trong công nghiệp với công suất lên đến 10MW
So với SCR thì thời gian đóng ngắt của IGBT rất nhanh, khoảng vài nguy giây và khả năng chịu tải lên đến 4,5kv, 2000A IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần mạch bảo vệ Mạch kích cho IGBT tương tự như mạch kích cho MOSFET
Các thông số kỹ thuật:
Loại Điện áp định Dòng điện trung Thời gian mở (
Trang 11mức cực đại bình định mức nguy giây) HGT 32 N60
E2
CM400HA-12E
5 SCR
Hình 1.8 ký hiệu và đặc tuyến của SCR
Về mặt cấu tạo linh kiện SCR đã được học ở môn linh kiện điện tử Trong phần này chỉ nói trọng tâm vào một số tính chất quan trọng của SCR
Các tính chất và trạng thái cơ bản:
Hiện tượng đóng SCR có thể được thực hiện nếu thỏa cả hai điều kiện sau: SCR ở trạng thái khóa Có xung dòng kích vào cực g dương
Hiện tượng ngắt SCR bao gồm hai giai đoạn:
Giai đoạn làm dòng điện thuận bị triệt tiêu thực hiện bằng cách thay đổi điện trở hoặc điện áp giữa a not và katot
Giai đoạn khôi phục khả năng khóa của SCR Sau khi dòng thuận bị triệt tiêu thì cần phải có một thời gian để chuyển SCR vào trạng thái khóa
Để đóng SCR khỏang đầu xung dòng kích phải có giá trị đủ lớn Các xung điều khiển được cung cấp từ biến áp xung có nhiệm vụ là tách mạch công suất khỏi nguồn tạo xung kích
Ngòai các linh kiện trên còn có các linh kiện công suất khác như: TRIAC, GTO, IGCT( dạng cải tiến của GTO)…