Bài giảng điện tử công suất

MOSFET COÂNG SUAÁT- ĐẶC ĐIỂMSử dụng trong các bộ nguồn, bộ biến đổi DC-DC, bộ điều khiển động cơ..... MOSFET CÔNG SUẤT - Đặc tính độngMOSFET đóng cắt nhanh và được sử dụng trong các bộ

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

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

Xem ví dụ 2.2 p.18 PE Handbook

Định mức áp : VRRM – giá trị áp ngược tức thời lớn nhất trên diode Định mức dòng : IAV – giá trị trung bình dòng qua diode

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

đủ lớn sẽ đóng MOSFET.

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

áp thấp sẽ có điện trở lúc dẫn

nhiên các MOSFET cao áp có

điện trở dẫn lên đến vài Ω.

+ 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

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

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:

5 THYRISTOR

Ba trạng thái của SCR:

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.

5 THYRISTOR - MẠCH KÍCH SCR

VCC

A -

X1 R1

R2 R3

K A 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 µs), 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

R7 Q5 Q4A

Q2A C1

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

BỘ CHỈNH LƯU

b Ứng dụng:

-Truyền động động cơ điện một chiều có điều khiển (công suất –đến hàng MW)

- Nguồn cho mạch kích từ máy phát điện

- Các hệ thống giao thông dùng điện một chiều

- Công nghệ luyện kim màu, công nghệ hóa học

- Thiết bị hàn điện một chiều, mạ kim loại, nạp điện acquy

- Là bộ phận của thiết bị biến tần

2 Phân loại: Các dạng bộ chỉnh lưu cơ bản được phân loại theo :

a Tính năng điều khiển

-Bộ chỉnh lưu không điều khiển ( dùng toàn diode trong cấu hình

mạch động lực)

-Bộ chỉnh lưu điều khiểu hoàn toàn ( dùng toàn Thyristor )

-Bộ chỉnh lưu điều khiển bán phần ( dùng Diode + Thyristor )

b Dạng mạch:

- Bộ chỉnh lưu mạch tia ( có điểm giữa )

- Bộ chỉnh lưu mạch cầu ( gồm khóa công suất nhóm Cathode + nhóm

Anode )

- Bộ chỉnh lưu ghép nối tiếp, song song

- Bộ chỉnh lưu kép

Bộ chỉnh löu tia

Bộ chỉnh lưu cầu

c Theo số pha:

- Bộ chỉnh lưu một pha

- Bộ chỉnh lưu ba pha

- Bộ chỉnh lưu nhiều pha

u1 u2 u3

L

E

Các giả thiết :

• Nguồn áp lý tưởng ( áp hài cơ bản, hệ thống nguồn xoay chiều bapha cân bằng, đối xứng, điện trở trong của nguồn bằng 0 )

• Các linh kiện bán dẫn lý tưởng

• Các dây nối và các bộ phận khác của mạch cũng lý tưởng

Phân tích :

Giả thiết dòng tải liên tục và mạch ở trạng thái xác lập

Trình tự tiến hành phân tích :

1 Xác định khoảng dẫn và trình tự đóng ngắt của các khóa diode

trong một chu kỳ áp nguồn

2 Thiết lập các phương trình trạng thái áp, dòng cho tải, linh kiện,

nguồn

3 Dựng các giản đồ áp và dòng ở xác lập cho tải, linh kiện, nguồn

4 Các hệ thức, hệ quả ở xác lập đối với tải, linh kiện, nguồn

Mô phỏng Bộ chỉnh lưu tia ba pha dùng phần mềm PSIM

• Tải một chiều

• Các khối điều khiển đưa xung điều khiển kích đóng các thyristor

Phân tích:

a Góc điều khiển α :

Nếu như các xung điều khiển thyristor được đưa vào trễ so với góc mànếu ở vị trí đó các diode sẽ đóng, góc trễ đó gọi là góc điều khiển αhay góc trễ của quá trình chuyển mạch Giá trị α phụ thuộc vào thờiđiểm gởi tín hiệu điều khiển

Trạng thái áp và dòng được dời đi một góc α so với chỉnh lưu tia dùngdiode

b Phạm vi điều khiển góc α :

Để đóng SCR cần thoả 2 điều kiện:

Điện áp khóa thuận dương : VAK> 0

Xung điều khiển kích đĩng SCR : IG > 0

R V3

V2 V1

u3 u2

E L V0

* Khi α > π /6 : Dòng tải qua V0 trong các khoảng mà áp trên tảisẽ âm nếu trong mạch không có V0.

¾ Trạng thái V1: V1 đóng V2 , V3, V0 ngắt , V2, V3

¾ Trạng thái V0: V0 đóng, V1,V2, V3 ngắt

uv0 = ud = 0; iv0 = id

uv1 = u1 ; iv1 = 0

uv2 = u2 ; iv2 = 0

uv3 = u3 ; iv3 = 0

Các hệ thức :

¾ Trường hợp α < π /6 : tương tự chỉnh lưu tia ba pha

Trị trung bình áp tải:

Phạm vi điều khiển góc α : π/6 ≤ α ≤ 5π/6

2

3

6 /

π α

π

ω

ω π

π

π α

- Làm giảm giá trị hiệu dụng thành phần xoay chiều của ápchỉnh lưu qua việc ngắt bỏ phần áp âm

- Làm tăng hệ số công suất nguồn λ

- Không cho phép chế độ nghịch lưu

ud id

- 6 SCR chia làm 2 nhóm ( Anode : V1, V3,V5 , Cathode: V2,

V4, V6 )

- Tải R, L, E

- Giả thiết dòng qua tải liên tục, tách mạch cầu thành 2

nhóm linh kiện Anode và nhóm Cathode Điện áp phụ được đưavào khảo sát là udA và udK Ở một thời điểm, 1 SCR nhóm anode + 1 SCR nhóm Cathode dẫn

độc lập với nhau và mỗi nhóm làm việc như một mạch tia 3 pha Giả thiết dòng Id đi qua tải và ta theo dõi nhóm anode

Giả thiết trong nhóm V1 đóng, V3,V5 ngắt

uv3 = u2 – u1 ; iv3 = 0

uv5 = u3 – u1 ; iv5 = 0

udA = u1

không phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt của các Thyristornhóm Cathode

Chứng minh tương tự cho V3, V5

Chứng minh tương tự cho nhóm Cathode

- Như vậy ta có thể tách mạch cầu ba pha thành 2 mạch tia

ba pha nhóm anode và cathode

α π

2

6 3 cos

2 6 3

Trị trung bình dòng tải :

Aùp ngược lớn nhất trên linh kiện :

Dòng trung bình qua linh kiện :

U

3

) (

d T

AV

I

¾ Nguồn: Trị hiệu dụng dòng qua nguồn

d V

1 1

mạch cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn bằng diode công suất tađược BCL mạch cầu 3 pha điều khiển bán phần.

Ưu điểm : Kinh tế hơn vì giá thành diode thấp hơn SCR

Khuyết điểm: Vùng điều khiển hẹp hơn

Trong trường hợp trên ta xem diode như 1 thyristor bình thường vớigóc điều khiển α = 0 Việc phân tích tiến hành tương tự chỉnh lưucầu ba pha điều khiển hoàn toàn Mạch có cấu trúc gồm hai bộ

chỉnh lưu tia ba pha: điều khiển và không điều khiển

Hệ quả : Aùp chỉnh lưu trung bình

Khi thay đổi góc kích , ta thay đổi điện áp chỉnh lưu trung bình :

u u

α π

2

6 3

cos 2

6 3

cos 2

6 3

Mạch cầu có cấu trúc tương đương 2 mạch tia 2 pha mắc nối tiếp

Nguồn áp một pha u được phân tích thành hai nguồn xoay chiều tương đương u 1 và u 2 có phương trình như sau:

U u

m

m

sin 2

;

sin 2

2 1

id

id

-Aùp chỉnh lưu trung bình

-Phạm vi điều khiển áp tải :

- Dòng chỉnh lưu trung bình:

π

ω

ωπ

π α

α

α = 1 ∫+U sin t d t = 2⋅ 2 ⋅U ⋅ cos

U U

- Dòng trung bình qua linh kiện : Mỗi SCR dẫn ½ chu kỳ áp lưới

- Aùp ngược cực đại trên linh kiện:

¾Nguồn: Trị hiệu dụng dòng qua nguồn

( )

2

d AV

2 1

1

Cấu trúc đối xứng Cấu trúc bất đối xứng

a) b)

¾ Tải:

-Aùp chỉnh lưu trung bình

-Phạm vi điều khiển áp tải :

- Dòng chỉnh lưu trung bình:

π

ω

ω π

π α

- Cả hai cấu hình đều làm mất phần áp âm trên tải Sóng dợn vì thế thuận lợi hơn cho các ứng dụng Chế độnghịch lưu không xảy ra Hệ số công suất cao hơn so vớichỉnh lưu cầu một pha điều khiển toàn phần với cùng góckích α;

- Thời gian ngắt an toàn tq : Mạch không đối xứng an toàn hơn mạch có cấu trúc đối xứng và chỉnh lưu điều

khiển hoàn toàn nên góc αđk có phạm vi điều khiển lớn

hơn;

Nhận xét:

- Mạch cầu 1 pha với diode chuyển mạch (diode V0) : Diode

V0 trong mạch cầu 3 pha hoặc 1 pha điều khiển bán phần cótác dụng mở rộng trong phạm vi điều khiển điện áp chỉnh lưuđến giá trị 0 Diode V0 cho dòng tải id đi qua trong các

khoảng thời gian mà trong trường hợp mạch không chứa V0thì dòng tải sẽ không đi qua áp nguồn mà đi qua cặp diode –thyristor ( thí dụ V1 V4 ) Do đó làm tăng khoảng thời gian

ngắt an toàn cho các SCR

không thể thay đổi đột ngột Hiện tượng chuyển mạch diễn ra với một khoảng thời gian nào đó và hình thành trạng thái các nhánh cùng dẫn điện Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng trùng dẫn.

u dt

di L u

I i

i

u dt

di L u

u dt

di L u

V V

d V

V

d V

d V

3 3

1 1

3 1

3 3

1 1

−

=

−

= +

=

−

=

−

-Hiện tượng chuyển mạch làm giảm áp tải trong thời gian

U

I L

3

2 cos

arccos

Các mạch của bộ chỉnh lưu trong các phần trước đây có thể làm việc

với điện áp chỉnh lưu dương hoặc âm , nhưng dòng điện chỉ cóthể đi theo một chiều Điểm làm việc vì thế chỉ có thể dịchchuyển trong một vùng (quadrant) hoặc hai vùng mặt phẳng Ud ,

Id và ta gọi bộ chỉnh lưu một vùng hoặc hai vùng

Bằng cách kết hợp hợp lý các bộ chỉnh lưu 2 vùng với nhau , ta có

thể tạo điều kiện cho dòng điện đi qua tải hai chiều Ta gọi

mạch kết hợp này là bộ chỉnh lưu bốn vùng

+ Phương pháp không dùng dòng cân bằng : ở một thời điểm chỉ có 1

bộ chỉnh lưu làm việc và tải dòng id , bộ còn lại bị khóa hoàn toànbởi xung cổng bị cấm

+ Phương pháp dùng dòng cân bằng có những ưu điểm sau:

¾ Dòng cân bằng duy trì chế độ dẫn điện liên tục của 2 bộ chỉnh

lưu không phụ thuộc tính chất tải, trong suốt cả vùng điều khiểnBởi vì 1 bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu và bộ còn lạilàm việc chế độ nghịch lưu , công suất có thể được truyền bất cứchiều nào ở bất cứ chiều nào ở bất kỳ thời điểm nào

• Cả hai BCL đều làm việc liên tục nên đáp ứng thời gian khi

chuyển vùng làm việc nhanh hơn ( thích hợp cho việc điều khiểnvận tốc động cơ một chiều với yêu cầu đảo chiều quay với đặctính động cao)

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

ngõ ra bộ biến đổi có nguồn ngõ vào có dạng điện áp xoay chiềukhông đổi.

BBĐ

-Các động cơ không đồng bộ công suất nhỏ và trung bình (truyền

động của các máy quạt, máy bơm, máy xay)

-Các truyền động nhỏ với các động cơ vạn năng công suất nhỏ (dụngcụ điện cầm tay, máy sấy, máy trộn)

-Hệ thống bù nhuyễn công suất phản kháng

1 Theo số pha:

1 pha

3 pha

m pha

2 Theo dạng mạch:

Cơ bản (đối xứng)

Tiết kiệm (không đối xứng)

3 Nguyên tắc điều khiển bộ biến đổi:Điều khiển pha

Điều khiển theo thời gian

Các loại khoá xoay chiều bán dẫn:

2 Phân tích :

- Xác định các khoảng dẫn linh kiện

- Thiết lập phương trình áp và dòng

- Vẽ các giản đồ

- Các hệ quả

Bộ biến đổi áp xoay chiều một pha : Tải R

1 Sơ đồ :

1 Trạng thái 0: [0 … α]

; 0

; 0 sin

; 0

; 0 sin

; 0

; 0

2 1

2

1 1

V V

V m

V

z z

i t

U u

u

i t

U u

u

i u

ω ω

Bộ biến đổi áp xoay chiều một pha : Tải R

2 Trạng thái V1: [α - π]

;0

;0

;

;

;sin

;0

2 2

1 1

z z

z V

m z

V

i u

R

u i

i i

t U

u u

3 Trạng thái 0: [ π …π+α ]

;0

;0sin

;0

;0sin

;0

;0

2 1

2

1 1

V V

V m

V

z z

i t

U u

u

i t

U u

u

i u

ω ω

Bộ biến đổi áp xoay chiều một pha : Tải R

4 Trạng thái V2: [π+α …2π ]

;0

;0

;

;

;sin

;0

1 1

2 2

z z

z V

m z

V

i u

R

u i

i i

t U

u u

Trị hiệu dụng điện áp trên tải :

π

α π

α ω

ω π

π

2

sin1

.sin

Trị hiệu dụng dòng tải :

α

2

2 sin

1 − +

⋅

=

=

Heä soá coâng suaát nguoàn :

π

α π

α λ

2

2

sin1

U R

U S

z z z

Đặc tuyến điều khiển trị hiệu dụng điện áp tải và hệ số công suất

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Goc dieu khien alpha, [rad]

Bộ biến đổi áp xoay chiều ba pha : Tải R,L,RL

1 Các sơ đồ

Bộ biến đổi áp xoay chiều ba pha : Tải R,L,RL

1 Điều khiển pha : Tương tự điều khiển bộ chỉnh lưu SCR

Các phương pháp điều khiển

2 Điều khiển theo số nguyên lần chu kỳ :

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

Chức năng : Dùng để điều khiển trị hiệu dụng điện áp xoay chiềungõ ra bộ biến đổi có nguồn ngõ vào có dạng điện áp xoay chiềukhông đổi.

BBĐ

-Các thiết bị nhiệt điện (lò điện, thiết bị tiêu thụ nhiệt điện trong giađình)

-Đóng ngắt đèn và điều khiển độ sáng (trên sân khấu, đèn quảng

cáo…)

-Các động cơ không đồng bộ công suất nhỏ và trung bình (truyền

động của các máy quạt, máy bơm, máy xay)

-Các truyền động nhỏ với các động cơ vạn năng công suất nhỏ (dụngcụ điện cầm tay, máy sấy, máy trộn)

-Hệ thống bù nhuyễn công suất phản kháng