Bài giảng Điện tử công suất – Chương 0: Nhập môn

Bài giảng Điện tử công suất – Chương 0: Nhập môn. Chương này gồm có những nội dung chính sau: Điện tử công suất, đặc điểm linh kiện bán dẫn công suất (khóa công suất), linh kiện bán dẫn công suất lý tưởng, hệ quả do chuyển mạch (đóng cắt khóa cs), hệ quả do sóng hài, sự kết hợp giữa điện tử công suất & vi điều khiển.

1 ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

2 ĐẶC ĐIỂM LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT (KHÓA CÔNG

SUẤT)

3 LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT LÝ TƯỞNG

4 HỆ QUẢ DO CHUYỂN MẠCH (ĐÓNG CẮT KHÓA CS)

5 HỆ QUẢ DO SÓNG HÀI

6 SỰ KẾT HỢP GIỮA ĐTCS & VI ĐIỀU KHIỂN (P, DSP, C)

1 Chế độ khóa (Blocking mode)

2 Chuyển mạch (Commutation)

3 Bộ chuyển mạch (Commutation circuit)

4 Chuyển mạch phụ thuộc lưới (line commutation)

5 Chuyển mạch cưỡng bức (Forced commutation)

6 Quá trình kích đóng Thyristor (Thyristor turn-on)

7 Quá trình ngắt Thyristor (Thyristor turn-off)

8 Thời gian ngắt dòng (Turn-off time)

9 Tỷ số đóng (Duty cycle)

1 Chỉnh lưu (Rectifier, Redresseur)

2 Chỉnh lưu điều khiển (Controlled Rectifier)

3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều (AC Voltage Controller,

Gradateur)

4 Bộ biến đổi điện áp một chiều (Chopper, Hacheur)

5 Bộ nghịch lưu (Inverter, Onduleur)

6 Bộ biến tần (Frequency Converter, Convertisseur de

frequence)

1 DIODE COÂNG SUAÁT

• Linh kiện không điều khiển

• Có cấu tạo gồm một lớp chuyển tiếp p-n, 2 điện cực

ngoài

• Phương pháp chế tạo : Khuyếch tán nguyên tử tạp

chất loại p vào một mặt của phiến tinh thể Si loại n

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

• Quá trình đóng ngắt : Nếu VAK > 0 (điện áp Anode

dương hơn điện áp Cathode) thì diode dẫn (đóng), ngược lại diode ngắt

1 DIODE CÔNG SUẤT: ĐẶC ĐIỂM

+ Khả năng điều khiển dòng điện

(vài A  vài

kA )

+ Khả năng khóa điện áp (vài chục V  vài kV )

1 DIODE COÂNG SUAÁT : ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPÈRE

Thời gian cần thiết để diode phục hồi khả năng chịu áp khoá khi quá trình dẫn thuận chấm dứt

– phục hồi nhanh

- phục hồi chậm

1 DIODE COÂNG SUAÁT: THỜI GIAN PHỤC HỒI TÍNH NGHỊCH

T ính toán trr để đánh giá khả năng đóng ngắt với tần số phù hợp.

(Example 2.1 – PE Handbook)

Bài tập : Xem Tutorial 2.1 p.19, 20 PE Handbook

Gi á trị dv/dt tra từ thông số kỹ thuật của linh kiện.

1 DIODE COÂNG SUAÁT: ĐỊNH MỨC LINH KIỆN

2 TRANSISTOR CÔNG SUẤT

- Linh kiện điều khiển bằng dòng và có ba cực ngoài: Collector (C) , Emitter (E) và cổng điều khiển Base (B)

+ Mạch công suất nối giữa 2 cực C và E + Xung điều khiển cấp vào giữa 2 cực B và E

- Transistor vận hành như một khóa đóng cắt bán dẫn

- BJT công suất được định mức đến 1200V và 400A Chúng thường được sử dụng

trong các bộ biến đổi vận hành đến 10kHz

2 TRANSISTOR COÂNG SUAÁT :ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPÈRE

2 TRANSISTOR COÂNG SUAÁT : ĐẶC TÍNH ĐỘNG

2 TRANSISTOR COÂNG SUAÁT : MẠCH BẢO VỆ

2 TRANSISTOR COÂNG SUAÁT : MẠCH KÍCH

- TẠO DẠNG XUNG ĐIỀU

KHIỂN TỐI ƯU

2 TRANSISTOR DARLINGTON

Điều khiển dòng công suất IC bằng dòng điều khiển IB trị số thấp.

h FE = I C/ I B

3 MOSFET COÂNG SUAÁT- ĐẶC ĐIỂM

3 MOSFET COÂNG SUAÁT- ĐẶC ĐIỂM

Sử dụng trong các bộ nguồn, bộ biến đổi DC-DC, bộ điều khiển động cơ

3 MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM

+ Linh kiện điều khiển

bằng áp Điện áp

gate-source V GS đủ lớn sẽ đóng

MOSFET.

+ V DS > 0 v à V GS > 0  ON

V GS ≤ 0  OFF

3 MOSFET CÔNG SUẤT - ĐẶC ĐIỂM

+ MOSFET có cấu trúc

diode ngược ký sinh

3 MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM

+ Công suất tổn hao nhiệt ở

trạng thái đóng của

MOSFET cao h ơn BJT

MOSFET điện áp thấp sẽ

có điện trở lúc dẫn R DS (on)

nhỏ hơn 0.1, tuy nhiên các

MOSFET cao áp có điện

trở dẫn lên đến vài .

+ Định mức MOSFET

khoảng 1000V và 50A.

3 MOSFET COÂNG SUAÁT - Đặc tuyến Volt- Ampere

3 MOSFET CÔNG SUẤT - Đặc tính động

MOSFET đóng cắt nhanh và được sử dụng trong các bộ biến đổi vận hành với tần số đến 100kHz và hơn

3 MOSFET COÂNG SUAÁT - Mạch kích

4 TRANSISTOR IGBT

4 TRANSISTOR IGBT

4 TRANSISTOR IGBT

- V CE > 0 và V GE > 0  ON

V GE ≤ 0  OFF

-Không có khả năng khóa áp

ngược giá trị lớn hơn 10V

-Định mức IGBT áp U <= 1200 V,

dòng I <= 1 KA

-Tần số đóng ngắt cao hơn so với

BJT nhưng thấp hơn MOSFET

-IJBT có thể làm việc với tần số

đóng cắt lên đến 20kHz

4 TRANSISTOR IGBT

+ Giống MOSFET , khác ở điện

trở lúc IGBT đóng R CE ( ON ) nhỏ

hơn nhiều so với R DS(ON) MOSFET

vì cấu trúc IGBT có lớp chuyển

tiếp pn  có sự dẫn điện bằng

hạt dẫn không cơ bản  dòng I

điều khiển được đối với IGBT lớn

hơn 5, 10 lần so với MOSFET

+ Có tín hiệu áp điều khiển V GE

 dòng qua lớp pn phân cực

thuận từ cực C  E

5 THYRISTOR

5 THYRISTOR

5 THYRISTOR

- dùng cho mạch công suất lớn;

- 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 ;

- linh kiện điều khiển bằng dòng Xung dòng IG kích đóng SCR;

- không kích ngắt, dòng qua SCR đang dẫn if bị ngắt khi giá trị dòng này thấp hơn dòng duy trì If < Ih  0

- định mức SCR : áp vài kV, dòng vài kA

5 THYRISTOR

Ba trạng thái của SCR:

a Trạng thái khóa áp ngược ( SCR ngắt )

V

R

A

5 THYRISTOR

Ba trạng thái của SCR:

b Trạng thái khóa áp thu ận ( SCR ngắt )

5 THYRISTOR

Ba trạng thái của SCR:

c Trạng thái d ẫn ( SCR đĩng )

5 THYRISTOR

Quá trình đóng ngắt

a Hiện tượng đóng mạch xảy ra ( chuyển từ ngắt  đóng ) khi

- SCR được đặt ở trạng thái khóa áp thuận

- Xung dòng IG > 0 đưa vào cổng GK

Mạch tương đương của SCR gồm 2 transistor mắc đối Collector và

Base với nhau, xung IG làm 2 transistor nhanh chóng dẫn bão hòa Lúc SCR dẫn, trạng thái của nó giống diode nên dòng IG không còn cần thiết nữa để duy trì trạng thái đóng SCR.

5 THYRISTOR

Quá trình đóng ngắt

b Hiện tượng ngắt mạch gồm 2 giai đoạn; Chuyển từ đóng  ngắt

Giai đoạn 1: Giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu bằng cách thay đổi

điện trở hoặc điện áp giữa anode và cathode ( đặt áp ngược )

Giai đoạn 2: khôi phục khả năng khóa của SCR Sau khi dòng thuận bị

triệt tiêu SCR cần có 1 thời gian ngắt an toàn (tq) để SCR có thể

chuyển sang trạng thái khóa áp thuận an toàn.

5 THYRISTOR - ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE

5 THYRISTOR - ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE

5 THYRISTOR - THỜI GIAN NGẮT AN TỒN tq

tq : sau khi phục hồi lớp điện trở nghịch của J1 và J3 quá trình ngắt

vẫn chưa chấm dứt, cần có thêm một thời gian nữa để khôi phục khả năng khóa áp thuận tức là khôi phục điện trở nghịch của lớp J2

Thời gian ngắt an toàn vì vậy sẽ được định nghĩa : tq- Nó bắt đầu khi dòng thuận trở về không cho đến khi xuất hiện điện áp khóa thuận mà SCR vẫn không bị đóng trở lại khi chưa có xung dòng điều khiển IG.

G

5 THYRISTOR - MẠCH BẢO VỆ

di/dt

6 GTO – Gate turn off thyristor

6 GTO – Gate turn off thyristor

- Thyritor GTO cũng giống như SCR, được đóng bằng xung dòng cổng Gate nếu điện áp anode- cathode dương

- GTO có khả năng điều khiển ngắt bằng dòng cổng Gate giá trị âm

- Dòng âm ngắt GTO cần phải ngắn (vài s), 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

- Đặc tuyến V-A cho GTO giống của SCR

- Định mức GTO : dòng vài kA , áp vài kV: Dùng cho mạch công suất lớn

6 GTO – Gate Turn Off Thyristor

U1

U2 R1

6 TriAc

- Linh kiện điều khiển dòng xoay chiều và có 1 cổng điều khiển.

- Kích đóng bằng xung dòng điều khiển giống SCR

- Ngắt tự nhiên bằng áp ngược

G

A1

A2