Giáo trình điện tử công suất

Ơû trạng thái xác lập, điện áp hoặc dòng điện ngõ ra của các bộ biến đổi công suất nói chung là một hàm số tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T, như vậy ta có: = ,..... Đối với các bộ

CHƯƠNG I CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN

1.1 CÁC TÍNH CHẤT, KHÁI NIỆM, HỆ THỨC CƠ BẢN:

¾ Ghi chú: Trường hợp trên dòng điện i được biểu diễn bằng một hàm duy nhất trong suốt chu kỳ T Nếu trong chu kỳ T :

( ) ( ) t i i T t t

t i i t

' 2 1

' 1

,

, 0

Tương tự tính trị trung bình của áp; Udc

2 Trị hiệu dụng (rms – root mean square):

¾ Ghi chú: Ghi chú: Trường hợp trên dòng điện i được biểu diễn bằng một hàm duy nhất trong suốt chu kỳ T Nếu trong chu kỳ T :

( ) ( )t i i T t t

t i i t

' 2 1

' 1,

,0

Tương tự tính trị hiệu dụng của áp; Urms

Ví dụ1.1 :

H.1.1 Dạng sóng dòng điện có dạng như trên H.1.1 Tính trị trung bình, trị hiệu dụng và giá trị tức thời lớn nhất (giá trị đỉnh) của dòng điện này

H1.2 Dạng sóng dòng điện có dạng như trên H.1.2 Tính trị trung bình, trị hiệu dụng và giá trị tức thời lớn nhất (giá trị đỉnh) của dòng điện này

3 Khái niệm về quá trình quá độ và trạng thái xác lập :

Khái niệm thường gặp trong ĐTCS, liên quan đến quá trình đóng ngắt của các khoá công suất, còn được gọi là quá trình chuyển trạng thái khoá công suất từ đóng sang ngắt hoặc ngược lại Quá trình quá độ là quá trình xảy ra ngay sau khi đóng (ngắt) khoá công suất, diễn ra trong khoảng thời gian ngắn và liên quan đến tính chất động (thời gian khóa chuyển sang trạng thái đóng tON và thời gian khóa chuyển sang ngắt toff ) của các linh kiện bán dẫn công suất

Trạng thái xác lập của mạch ĐTCS là trạng thái diễn ra trong khoảng thời gian tương đối dài (so với thời gian đóng ngắt khoá), khi khoá công suất ở trạng thái đóng hoàn toàn hoặc ngắt hoàn toàn

4 Sự liên tục và gián đoạn:

Khái niệm liên quan đến tính dẫn điện một chiều của khoá công suất (BJT, IGBT, SCR, GTO…) Khi dòng đi qua theo chiều thuận của khoá vẫn còn lớn hơn 0 ta có dòng liên tục Nếu dòng giảm xuống giá trị nhỏ hơn 0 ⇒ khoá ngắt ⇒ ta có hiện tượng dòng gián đoạn Trường hợp gián đoạn của dòng điện yêu cầu giải tích mạch phức tạp hơn và bất lợi cho quá trình điều khiển

5 Phân tích Fourier : Nhằm mục đích xác định các thành phần một chiều và các thành phần sóng hài của điện áp, dòng điện

Ơû trạng thái xác lập, điện áp (hoặc dòng điện) ngõ ra của các bộ biến đổi công suất nói chung là một hàm số tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T, như vậy ta có:

)()

=

,

2 , 1

0

2)(

0 0

1)(

2

t d t v dt

t v T a

2

t td n t v tdt

n t v T a

2

t td n t v tdt

n t v T b

T

Nếu n = 1 – ta có hài cơ bản

n≥ 2 – hài bậc cao Phép phân tích Fourier được sử dụng để đánh giá thành phần một chiều và xoay chiều của đại lượng điện áp (dòng) ngõ ra bộ biến đổi công suất (thường không có dạng chuẩn một chiều hoặc xoay chiều) và thông qua đó có thể đánh giá so sánh chất lượng các đại lượng điện này

Ví dụ 1.3 Phân tích Fourier cho dạng sóng vuông có dạng đối xứng so với trục α = 0 Do giản đồ hoàn toàn xoay chiều (thành phần dc bằng 0) nên chuỗi Fourier chỉ chứa các sóng hài bậc lẻ của hàm số cosin Do tính đối xứng nên phép tích phân được lấy ¼ chu kỳ, nghĩa là từ 0÷π/2 Kết quả phân tích Fourier cho điện áp tức thời u có dạng như sau:

13cos3

1cos4

.3,7,11,

ncho -

1,5,9,

ncho

14]

[sin14cos

2/

0

2 / 0 )

(

α α

α π

π

α π

α α

π

d

d d

d n

U u

U n U

n n d

n U

a

Bài tập : Viết phương trình hài cơ bản của điện áp có giản đồ sau (H1.3a):

5 , 3 , 1

100sin1600

6 Các hệ số phẩm chất :

a Hệ số hài (HFn) của sóng hài thứ n : Tỷ lệ trị hiệu dụng sóng hài bậc n so với sóng hài cơ bản

1

n n

V V

c Hệ số công suất λ : Tỷ lệ công suất sử dụng (tải) so với công suất biểu kiến (nguồn)

7 Hiện tượng sóng nhiễu và biện pháp khắc phục :

a Các vấn đề thường gặp ví dụ với bộ biến tần :

• Nguyên nhân : Nguyên lý vận hành các bộ biến đổi công suất phần lớn dựa trên nguyên lý đóng ngắt của các khoá công suất (BJT, IGBT, MOSFET, Thyristor …) ở tần số cao Hơn nữa, hoạt động của bộ biến đổi làm méo dạng áp (dòng) ngõ vào, ngõ ra so với dạng chuẩn

• Hậu quả: Điều đó gây ra nhiễu cao tần (sự xuất hiện các sóng hài bậc cao của áp và dòng) trong cáp dẫn và bức xạ sóng điện từ ảnh hưởng đến phía nguồn và phía cổng ra bộ biến đổi công suất

H1.4 Nhiễu truyền trong cáp dẫn và nhiễu tia

b Giải pháp :

- Phía nguồn : Sử dụng bộ lọc RFI khử nhiễu sóng dẫn và sóng bức xạ loại tia

- Bộ biến đổi công suất : Sử dụng tủ kim loại (lồng Faraday)

- Phía cổng ra bộ biến đổi đến tải: Sử dụng cáp bọc

Đối với các bộ biến đổi công suất dạng khác ta cũng gặp hiện tượng này do hoạt động của bộ biến đổi với khả năng chuyển đổi dạng năng lượng và điều khiển các tham số điện làm méo dạng điện áp (dòng) so với dạng chuẩn (một chiều hoặc sin)

1.2 PHẦN GIỚI THIỆU:

1 Định nghĩa : Điện tử công suất (ĐTCS) là công nghệ chuyển đổi (hoặc/ và điều khiển) năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác nhờ ứng dụng các linh kiện bán dẫn công suất lớn

2 Đặc điểm linh kiện ĐTCS:

+ Phát triển cùng với công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn công suất lớn

+ Là thành phần cơ bản của các bộ biến đổi công suất tĩnh

+ Làm việc như khoá công suất và thường chỉ làm việc ở chế độ đóng ngắt (dựa vào tính chất của bán dẫn : làm việc như chất cách điện tương đương trạng thái khóa ngắt, làm việc như chất dẫn điện tương đương trạng thái khóa đóng)

+ Ưu điểm so với công tắc cơ học với các tiếp điểm chuyển động: công tắc bán dẫn có độ bền vững cao hơn, độ chính xác cao hơn và tần số đóng ngắt cao hơn

+ Ứng dụng khóa bán dẫn : là cấu phần của các bộ biến đổi công suất dùng để điều khiển các tham số ra như áp, dòng, công suất, tần số và dạng sóng

3 Phân loại các khoá công suất:

• Theo đặc tính điều khiển: Các khóa công suất được chia làm các loại khóa :

+ Không điều khiển được trạng thái đóng ngắt (ví dụ diode công suất) + điều khiển trạng thái đóng ngắt bằng tín hiệu điều khiển (đóng ngắt bởi mạch điều khiển) : tùy theo khả năng điều khiển đóng hoặc ngắt hoặc cả hai, linh kiện còn được chia thành khóa điều khiển hoàn toàn (điều khiển quá trình đóng ngắt bằng tín hiệu điều khiển) hoặc khóa điều khiển bán phần (chỉ kích đóng được nhưng không kích ngắt được bằng tín hiệu điều khiển)

• Theo chiều dòng điện chạy qua: Khóa được chia làm các loại khóa :

BBĐ

M

• Tín hiệu điều khiển: Đối với các loại khóa bán dẫn có điều khiển, tín hiệu điều khiển được chia làm hai dạng

+ Tín hiệu liên tục (cho BJT, IGBT, MOSFET): muốn duy trì khóa ở trạng thái đóng cần phải duy trì tín hiệu điều khiển trong suốt khoảng thời gian này,

+ Tín hiệu xung (cho Thyristor, GTO, TriAC) : chỉ cần kích đóng linh kiện bằng tín hiệu điều khiển dạng xung hẹp, sau đó có thể tắt xung điều khiển mà linh kiện vẫn tiếp tục ở trạng thái đóng điện cho đến khi điều kiện ngắt thỏa

4 Phân loại các bộ biến đổi công suất tĩnh :

• Bộ chỉnh lưu (Rectifier, Redresseur) - AC/DC : Biến đổi năng lượng dạng xoay chiều thành năng lượng dạng một chiều

• Bộ biến đổi điện áp một chiều (Chopper, Hacheur) - DC/DC : Biến đổi áp một chiều ngõ vào có giá trị không đổi thành dạng điện áp một chiều điều khiển được,

• Bộ biến đổi điện áp xoay chiều (AC Voltage Controller, Gradateur) AC/AC: Biến đổi áp xoay chiều ngõ vào có trị hiệu dụng không đổi thành dạng điện áp xoay chiều điều khiển được trị hiệu dụng (nhưng không điều khiển tần số),

• Bộ nghịch lưu (Inverter, Onduleur) DC/AC : Biến đổi năng lượng dạng một chiều thành năng lượng dạng xoay chiều,

• Bộ biến tần (Frequency Converter, Convertisseur de fréquence) AC/AC hoặc AC/DC/AC : Biến đổi áp xoay chiều tần số không đổi ở ngõ vào thành điện áp xoay chiều có tần số khác (hoặc điều khiển được) ở ngõ ra, song song đó có khả năng điều khiển cả giá trị hiệu dụng áp hài cơ bản ngõ ra

5.Tính chất tĩnh và tính chất động : Khóa được phân làm hai loại:

+ Khoá công suất lý tưởng + Khoá công suất thực tế

a Tính chất tĩnh: Công suất nhiệt tiêu tán khi khoá ở trạng thái đóng (Pon) và ngắt (Poff)

+ đối với khóa lý tưởng Pon và Poff =0 + đối với khóa thực tế :

Khi khóa đóng : điện áp rơi trên khoá khác không (do khóa có cấu trúc các lớp bán dẫn ghép nối với nhau) suy ra

Pon = Vf If ≠ 0 (1.12) Với Vf – điện áp rơi trên hai điện cực công suất của khóa ở trạng thái dẫn điện

If - dòng qua khóa công suất khi dẫn điện

Khi khóa ngắt : dòng rò qua khoá khác không, suy ra

Poff = Vbl Ir ≠ 0 (1.13) Với Vbl – điện áp rơi trên hai điện cực công suất của khóa ở trạng thái khóa dòng

Ir - dòng rò qua khóa công suất khi ngắt điện

b Tính chất động: được đặc trưng bằng thời gian khoá chuyển trạng thái từ ngắt sang đóng điện ton và ngược lại toff- các giá trị này khác nhau cho mỗi loại khóa công suất

Hệ quả: + Thời gian khóa chuyển trạng thái ton, toff làm giới hạn tần số đóng ngắt khoá và tần số làm việc của bộ biến đổi công suất;

+ Phát sinh công suất tiêu tán nhiệt khi chuyển trạng thái gọi là công suất tổn hao động hay công suất tổn hao do đóng cắt

1.3 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN : www.semikron.com ; www.eupec.com ;

www.fujielectric.com

1 DIODE CÔNG SUẤT

1.1 Cấu tạo- đặc điểm :

c) Các dạng vỏ diode H1.5 Diode công suất

• 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,

• Tiết diện của phiến bán dẫn Si quyết định khả năng chịu dòng của diode,

• Điện trở của nguyên liệu ban đầu (ví dụ phiến bán dẫn loại n) và chiều dày quyết định khả năng chịu áp khoá của diode,

• Các tham số cơ bản : + Khả năng điều khiển dòng điện (vài A → vài kA ) + Khả năng khóa điện áp (vài chục V → vài kV ) + Thời gian phục hồi tính nghịch : thời gian cần thiết để diode phục hồi khả năng chịu áp khoá khi quá trình dẫn thuận chấm dứt : chia làm 2 loại

– phục hồi nhanh : sử dụng trong các mạch có tần số làm việc cao

- phục hồi chậm : sử dụng trong mạch làm việc với tần số thấp (tần số công

Kim loại

Gốm cách điện

H1.6 Đặc tuyến Volt-Ampère của diode công suất

Các tham số: VTO – điện áp đóng diode (turn -on)

VBR – điện áp ngược đánh thủng lớp pn (break- down)

f

f fdi

du

r = - điện trở vi phân thuận (1.14)

r

r r

1.4 Thời gian phục hồi tính nghịch Trr:

Trong các hiện tượng quá độ, quá trình ngắt diode đóng vai trò quan trọng Ta khảo sát một diode đang dẫn điện, nó được ngắt điện bằng một nguồn điện áp ngược Vng đặt lên Cathode –Anode khi đóng khoá S, dòng qua diode theo chiều thuận có giá trị là IF Ở thời điểm:

t = 0 : khoá S ngắt; i = IF

t = t0 : đóng khoá S, áp ngược Vng đặt lên diode và dòng thuận giảm dần;

t = t1 : dòng thuận giảm về 0, IF = 0 Do sự tồn tại chuyển động các hạt dẫn không cơ bản nên diode tiếp tục dẫn, cho dòng ngược đi qua;

t = t2 : các hạt dẫn không cơ bản tiêu tán hết, diode khôi phục nhanh khả năng khoá áp ngược;

t = t3 : dòng ngược giảm về 0 Quá trình ngắt diode kết thúc

Thời gian phục hồi tính nghịch được định nghĩa là: trr = t3 – t1 =ta+tb (1.16) Thời gian phục hồi ngược trr thường nhỏ hơn 1µs Hiện tượng này trở nên quan trọng cho các ứng dụng có tần số làm việc cao Diode phục hồi nhanh được sử dụng trong trường hợp này với trr nhỏ hơn so với thời gian phục hồi của diode tần số công nghiệp 50Hz

Sụt áp lúc dẫn điện

Nhánh dẫn Dòng rò

Nhánh khóa Điện áp đánh thủng

kiểu thác

S

LD

H1.7 Khảo sát thời gian phục hồi tính nghịch của diode công suất

1.5 Mạch bảo vệ :

Khi dòng ir giảm đột ngột (ở thời điểm t=t2) ta có thể quan sát hiện tượng quá áp trên diode (nếu trong mạch diode có cảm kháng mắc nối tiếp):

dt

di L V

ng

tốc độ giảm dòng lớn quá mức có thể làm hỏng diode

Người ta có thể hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng quá áp và bảo vệ cho linh kiện diode công suất bằng mạch lọc RC mắc song song với diode làm quá trình tắt dòng diễn

ra chậm hơn (xem hình H1.7.a) (mạch RC không cho phép điện áp tăng đột ngột trên hai đầu điện cực diode) Trong các diode hiện nay, module diode công suất chứa mạch

RC tích hợp bên trong lúc sản xuất

1.6 Một số vấn đề phụ :

• Khả năng chịu áp tải và dòng tải ⇒ ghép nối tiếp các diode để tăng khả năng khóa áp và ghép song song các diode để tăng khả năng tải dòng;

• Các loại diode đặc biệt trong công nghiệp: diode cao áp, tần số đóng ngắt cao (trr

nhỏ, giá thành cao), diode Schottky… có thể xuất hiện trong các dạng mạch đặc biệt Schottky diode với lớp chuyển tiếp kim loại –bán dẫn thay vì lớp p-n Sụt áp trên diode Schottky khoảng 0.3V và thường được sử dụng trong các ứng dụng điện áp thấp, khi sụt áp trên diode cần xét đến Điện áp ngược tối đa trong trường hợp này khoảng 100V Lớp chuyển tiếp kim loại –bàn dẫn không có quá độ lúc phục hồi nên đóng ngắt nhanh hơn các diode với lớp chuyển tiếp p-n

2 TRANSISTOR CÔNG SUẤT

2.1 Cấu tạo:

H1.8 Cấu trúc BJT H1.9 (a) BJT(NPN) (b) Đặc tuyến V-A (c ) Đặc tuyến BJT lý

tưởng (d) Mắc Darlington

• BJT có hai loại : npn và pnp, tuy nhiên npn (H1.8) thường dùng hơn vì với cùng định mức áp và dòng thì loại này có kích thước nhỏ gọn hơn;

• Linh kiện điều khiển hoàn toàn và có ba cực ngoài Collector (C) , Emitter (E) và cổng điều khiển Base (B) (H1.9a)

+ Mạch công suất nối giữa 2 cực C và E + Mạch điều khiển nối giữa 2 cực B và E 2.2 Đặc điểm:

+ Transistor vận hành như một khóa đóng cắt bán dẫn được sử dụng trong điện tử công suất và như vậy thường chỉ làm việc ở chế độ đóng ngắt;

+ BJT công suất được định mức đến 1200V và 400A Chúng thường được sử dụng trong các bộ biến đổi vận hành đến 10kHz BJT công suất có định mức cao hơn MOSFET + Không có khả năng khoá áp ngược trị số lớn ⇒ chuyên dùng khoá áp thuận (áp VCE > 0)

+ Đặc tính của BJT được trình bày trên H1.9b BJT chuyển sang trạng thái dẫn khi cấp cho nó một dòng cổng Base đủ lớn để BJT dẫn bão hoà Điện áp bão hoà collector-emitter khoảng 1 – 2V đối với BJT công suất Dòng Base bằng 0 làm BJT ngắt

+ BJT là một linh kiện điều khiển bằng dòng, có hệ số khuếch đại hFE thấp, thường nhỏ hơn 20 Sự vận hành của khoá được đặc trưng bởi dòng vào ở cực điều khiển IB để đóng dòng IC ở cực chính

20

H1.10 Đặc tuyến Volt-Ampère của BJT + Đặc tuyến Volt-Ampère (V-A) trình bày trên H1.10: Đó là mối quan hệ giữa dòng collector IC vào áp giữa hai đầu cực công suất VCE phụthuộc tham số điều khiển là dòng

IB

+ Hai vùng làm việc tương ứng với trạng thái đóng ngắt của BJT: vùng ngắt và vùng bão hoà

2.4 Thời gian đóng ngắt : Tính chất động được khảo sát thông qua đáp ứng của dòng IC so

với dòng điều khiển IB (H1.11)

H1.11 Thời gian đóng cắt BJT

t1 – t0 : thời gian trễ của quá trình chuyển sang đóng

t – t : thời gian đóng t – khoảng vài µs

IB

Nhiệm vụ mạch kích : + giảm thời gian khóa chuyển trạng thái tON và tOFF , dạng dòng cổng thường có dạng như trên H1.12

H1.12

+ đủ dòng IB min để đóng BJT bão hòa – cần có khâu khuếch đại tín hiệu

+ cách ly điện giữa mạch điều khiển và mạch công suất : sử dụng biến áp xung hoặc linh kiện quang điện tử (optocoupleur)

Các dạng mạch kích : + mạch kích đóng : dòng kích cổng base có gai nhọn như trên H1.12 có thể được tạo bởi mạch như trên H1.13 Khi điện áp V1 xuất hiện ở ngõ vào, dòng cổng base chỉ bị hạn chế bởi điện trở R1 và giá trị ban đầu là:

1

1 1

R

V V

1

R R

V V

2 1

R R

R V

1 2 1 1

R R

C R R

H1.13 Mạch kích trên H1.14 trình bày chức năng khuyếch đại tín hiệu dùng Transistor và cách

ly dùng biến áp xung

ba cuộn dây Cuộn sơ cấp ký hiệu là C1 và C2 Để điều khiển đóng BJT Q4, điện áp có giá trị dương được cấp cho đầu A làm cho Transistor Q3 đóng, cuộn C1 tích điện, diện áp dương xuất hiện trên cuộn C3 Đồng thời cuộn C2 không có dòng đi qua vì Q2 ngắt

do Q1 đóng và nối tắt cổng Base của Q2 xuống masse Khi xung áp điều khiển ở đầu A giảm xuống 0, cả hai BJT Q1 và Q3 ngắt Khi Q3 ngắt cuộn C1 hở và không được cấp nguồn, Q1 ngắt làm cuộn C2 được cấp điện do Q2 đóng Do khác cực tính nên cuộn C3 xuất hiện điện áp ngược ngắt Q4

2.6 Mạch bảo vệ:

+ Để bảo vệ quá áp trong quá trình ngắt mạch ta có thể sử dụng các mạch sau:

di/dt

Công dụng của tụ C mắc nối tiếp với điện trở R (H1.15a) hoặc diode D (H1.115b) là giảm tốc độ tăng áp khoá tên BJT trong quá trình ngắt (dV/dt quá lớn có thể làm hỏng linh kiện) Mạch còn gọi là mạch đệm (snubber) Quá trình nạp tụ : dòng nạp đi qua D,C vàTransistor chuyển sang trạng thái ngắt; quá trình xả tụ dòng phóng điện qua mạch C, R,Transistor ở lần đóng tiếp theo

+ Để bảo vệ quá dòng di/dt khi đóng mạch (nếu cần thiết): sử dụng cuộn cảm mắc nối tiếp với linh kiện trên H1.15c

L giảm tốc độ tăng dòng, tích năng lượng Mạch xả năng lượng năng lượng tích lũy trong cuộn L giải phóng qua mạch L, R,

D 2.7 Mắc Darlington:

Ta có hệ số khuyếch đại hFE = IC/IB thường có giá trị không lớn Vì thế nếu cần điều khiển dòng Ic có trị số cao (ví dụ IC = 200 A) ⇒ ta cần thiết kế mạch điều khiển tạo dòng IB khá cao (IB =10A) để kích đóng linh kiện ⇒ mạch điều khiển sẽ thiết kế khó và hiệu suất kém Vì thế có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách dùng cách mắc Darlington (H1.9d) Mạch gồm 2 Transistor: BJT chính và BJT phụ dùng điều khiển BJT chính Ví dụ BJT phụ cũng có hệ số hFE =20, ta chỉ cần dòng IB=10/20=0.5A để điều khiển dòng công suất 200A của BJT chính

3 MOSFET

3.1 Cấu tạo: Đặc điểm khác BJT

+ Linh kiện điều khiển bằng áp, chỉ cần dòng điều khiển rất nhỏ ở cổng điều khiển ( vài mA ) để duy trì MOSFET ở trạng thái đóng Điện áp gate-source đủ lớn sẽ đóng MOSFET Mạch kích MOSFET thường đơn giản hơn mạch kích BJT Ơû trạng thái dẫn, sự biến thiên vDS tỷ lệ thuận với sự biến thiên dòng iD

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

+ MOSFET có cấu trúc diode ngược ký sinh (do cấu trúc bán dẫn) đôi khi có lợi cho một số mạch ứng dụng

+ Sụt áp khi dẫn điện của BJT thấp hơn so với MOSFET ⇒ công suất tổn hao nhiệt ở trạng thái đóng của MOSFET cao hơn MOSFET điện áp thấp sẽ có điện trở lúc dẫn RDS(on) nhỏ hơn 0.1Ω, tuy nhiên các MOSFET cao áp có điện trở dẫn lên đến vài Ω

+ Giá trị áp, dòng chịu được của BJT lớn hơn MOSFET Định mức MOSFET khoảng 1000V và 50A

MOSFET lý tưởng

H1.16 MOSFET công suất

3.2 Đặc tuyến VA:

+Đặc tuyến VA tương tự như BJT ( thay đổi ký hiệu các cực , D ⇒ C, S⇒ E, G⇒ B ) (H1.16c) +Khi áp điều khiển VGS >0 và áp khóa VDS >0 ⇒ MOSFET đóng ⇒ dòng ID chảy qua cực công suất DS

+Khái niệm điện trở RDS ở trạng thái đóng: Do không có lớp chuyển tiếp p – n mà chỉ có n nên phiến bán dẫn được xem như điện trở Điện áp 2 đầu cực ở trạng thái dẫn và công suất tổn hao tĩnh:

VF = ID RDS( ON )

P = I2

D RDS ( ON)

Do RDS(ON) cao ⇒ Tại sao MOSFET điều khiển áp và dòng kém hơn BJT

3.3 Quá trình đóng ngắt MOSFET

3.4 Mạch bảo vệ: ( Giống như trường hợp BJT )

Quá trình quá độ khi ngắt, dòng nạp tụ chạy từ cực D ⇒ cực G ⇒ MOSFET dẫn ngoài ý muốn ⇒ quá áp nếu dV/dt cao ( ic = C dV/dt )

Quá trình quá độ khi đóng MOSFET có thể gây nên quá áp ở giai đoạn diode ngược phục hồi tính

xung dòng phóng điện qua diode zener Z2 (làm việc như diode thường), điện dung tổng Gate- Source sẽ đóng MOSFET Điện áp trên cực Gate được giới hạn bởi diode zener Z1 Khi P → 0, biến áp xung sẽ không bão hòa và xung dòng phóng điện từ tụ C qua diode Z2 Khi điện áp tụ C bắt đầu âm, diode Z1 dẫn điện (như diode thường) và hạn chế điện áp âm công Gate nhỏ hơn 1V

H1.18 Mạch kích MOSFET

4 IGBT

4.1.Cấu tạo, đặc điểm:

IGBT (H1.19) là mạch tích hợp một MOSFET và một BJT Mạch kích BJT giống như mạch kích MOSFET, trong khi đặc tính đóng của nó giống như của BJT

IJBT có thể làm việc với tần số đóng cắt lên đến 20kHz và thay thế BJT trong nhiều ứng dụng

a)

b) Sơ đồ tương đương c) Ký hiệu H1.19 IGBT

- Kết hợp ưu điểm của BJT và MOSFET

- Linh kiện điều khiển bằng áp ( giống MOSFET ) ⇒ mạch điều khiển giống như MOSFET

- Điện áp rơi trên hai điện cực CE lúc đóng nhỏ hơn MOSFET

- 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, tON IGBT ≅ tON MOSFET , tOFF IGBT >

tOFF MOSFET

4.2 Nguyên lý đóng cắt :

+ Giống MOSFET , khác ở điện trở lúc IGBT đóng RCE ( ON ) nhỏ hơn nhiều so với RDS(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 VGE ⇒ dòng qua lớp pn phân cực thuận từ cực C ⇒ E

4.3 Đặc tuyến VA: Giống BJT và MOSFET

- 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

Ba trạng thái của SCR:

- Trạng thái khóa áp ngược ( SCR ngắt )

- Trạng thái khóa áp thuận ( SCR 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

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

5.3 Đặc tuyến Volt-Ampère: Đó là mối quan hệ giữa IAK vào áp VAK phụ thuộc tham số điều khiển là xung dòng IG Đặc tuyến V-A phản ảnh ba trạng thái làm việc của SCR

I F

I G

a)

b) H1.21

Các thông số :

• VBO - áp thông dòng: Khi điện áp VAK đủ dương để đóng SCR mà không cần tín hiệu điều khiển (BO- Break Over) Khi thay đổi giá trị dòng kích thì áp thông dòng thay đổi theo IG2

> IG1 > IG0 = 0 ⇒ VB02 < VB01 < VB0

• IL - Dòng chốt : Khi dòng thuận qua SCR iF lớn hơn giá trị dòng chốt iL mới có thể tắt xung điều khiển (L- latching)

5.4 Các tính chất động

• dvBL / dt : SCR xử lý như 1 tụ điện, nếu dVBL/ dt quá lớn dẫn đến SCR dẫn ngoài ý muốn

Vì thế người ta giới hạn tốc độ thay đổi điện áp khóa trong khoảng 10 – 100V/µs

• diF / dt: Nếu diF / dt lớn quá sẽ làm tiết diện SCR bị quá tải ở chổ nối với cổng làm hỏng

SCR Vì thế người ta giới hạn độ tăng của dòng thuận trong khoảng 10 – 100A/µs

• 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 : t q- 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.

5.5 Mạch bảo vệ:

- Để giảm độ dốc diF/ dt có thể dùng cảm kháng mắc nối tiếp với SCR

- Việc quá áp có thể được hạn chế bằng mạch dùng RC hoặc mạch D, R, C để giới hạn độ dốc của dvBl / dt

6 GTO

6.1 Đặc điểm cấu tạo

Thyritor GTO trên H.1.24 cũng giống như SCR, được đóng bằng xung dòng cổng Gate nếu điện áp anode- cathode dương Tuy nhiên, khác với SCR, GTO có khả năng điều khiển ngắt bằng dòng cổng Gate giá trị âm Vì vậy, GTO thích hợp cho một số ứng dụng khi yêu cầu điều khiển cả hai quá trình đóng và ngắt khóa bán dẫn 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

H1.24

6.2 Đặc điểm đóng ngắt: Kích đóng tương tự SCR thường

Kích ngắt bằng dòng tương đối lớn 6.3 Mạch kích:

U1

U2 R1

6.4 Mạch bảo vệ: Tương tự SCR

7 TRIAC:

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

CHƯƠNG II: BỘ CHỈNH LƯU

I TỔNG QUÁT :

1.Chức năng của bộ chỉnh lưu và ứng dụng:

a Chức năng: Biến đổi dòng điện xoay chiều một pha, ba pha thành dòng một chiều

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

H2.2 Bộ chỉnh lưu dạng cầu

c Theo số pha:

- Bộ chỉnh lưu một pha

- Bộ chỉnh lưu ba pha

- Bộ chỉnh lưu nhiều pha

II BỘ CHỈNH LƯU (BCL) MẠCH TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN

1 Sơ đồ mạch: Gồm nguồn xoay chiều ba pha, ba diode công suất, tải một chiều tổng quát R,L,E

H2.3 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển

2 Các giả thiết khi khảo sát BCL:

- Nguồn áp lý tưởng ( áp hài cơ bản, hệ thống nguồn xoay chiều ba pha 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

3 Nguồn: Điện áp pha có phương trình :

; sin

3 2 1

π ω

π ω ω

u

t U

u

t U

u

m m

- Xác định trình tự đóng ngắt của các khóa diode trong một chu kỳ áp nguồn

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

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

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

4.1.Trình tự đóng ngắt của các khoá Diode:

Xét xem diode nào dẫn trong khoảng XY = [ π/6, 5π/6 ] Điều kiện : chỉ 1 diode dẫn,

2 diode còn lại ngắt

- Giả sử V2 đóng, V 1 , V 3 ngắt ⇒ uV2 = 0

Aùp rơi trên V1: uV1 = u1 – u2 > 0 ⇒ V1 dẫn⇒ mâu thuẫn với giả thiết ⇒ V2 không thể đóng trong khoảng này

- Giả sử V3 đóng, V 1 , V 2 ngắt : ⇒ uV3 = 0 , uV1 = u1 – u3 >= 0 ⇒ V1 dẫn⇒ mâu

thuẩn với giả thiết ⇒ V3 không thể đóng trong khoảng này

⇒ V1 đóng Ta có : uV1 = 0 , uV2 = u2 – u1 < 0 ⇒ V2 ngắt

Kết luận : Vậy trong khoảng [ π/6, 5π/6 ] chỉ có thể V1 dẫn , V2, V3 ngắt

Chứng minh tương tự ⇒ trong khoảng ⎢⎣ ⎡ + ÷ + 3 ⎥⎦ ⎤

2 6

5 3

2 6

π π π

2 dẫn, V1, V3 ngắt ⇒ trong khoảng ⎢⎣ ⎡ + ÷ + 3 ⎥⎦ ⎤

4 6

5 3

4 6

π π π

3 dẫn, V1, V2 ngắt

Như vậy trình tự đóng ngắt các khóa là V1, V2, V3, …

Kết luận : Pha có giá trị áp tức thời lớn nhất thì diode pha đó dẫn , các diode còn lại ngắt

4.2.Phương trình trạng thái áp và dòng:

1 2 2

V

V

i

u u u

1 3 3

V

V

i

u u u

V

i i

2 1 1

V

V

i

u u u

2 3 3

V

V

i

u u u

V

i i

3 1 1

V

V

i

u u u

3 2 2

V

V

i

u u u

⇒ Aùp ngược lớn nhất mà diode phải chịu

U U

4.3.Đồ thị phân tích ở xác lập: Giả thiết cảm kháng tải L vô cùng lớn nên có thể xem id

được nắn phẳng Id = const Giản đồ áp và dòng chỉnh lưu (trên tải), áp và dòng qua linh kiện được trình bày trên H2.3b

H2.3b Giản đồ áp ud và dòng chỉnh lưu id, áp trên linh kiện uV1 và dòng qua các linh

kiện iV1, iV2, iV3

fσ(1) = = 3 , với p là số xung chỉnh lưu (2.6)

Trị trung bình áp chỉnh lưu (áp tải)

td U

π π

ω ω π

π

632

33sin

2

3 5 /66 /

=

=

Với U : Trị hiệu dụng áp pha nguồn

Trị trung bình dòng chỉnh lưu

R

E U

d

−

¾ Linh kiện : Để tính toán chọn linh kiện, cần phải xác định các thông số sau:

Áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu: xem (H2.3) , công thức (2.5)

U

U RWM = 6 Dòng trung bình qua linh kiện : mỗi diode dẫn 1/3 chu kỳ áp nguồn (1200) (H2.3)

31

d dV

I

Để định mức linh kiện :

với Ki > 1 : hệ số an toàn về dòng

¾ Nguồn: Trong trường hợp này dòng qua pha nguồn bằng dòng qua linh kiện Trị hiệu dụng dòng nguồn

3

.2

1 5 /66 /

2

I t d I

π

ω

III BỘ CHỈNH LƯU TIA BA PHA ĐIỀU KHIỂN

1 Sơ đồ mạch:

Cấu hình mạch động lực của bộ chỉnh lưu tia ba pha điều khiển gồm nguồn xoay chiều ba pha dạng sao, 3 thyristor và tải một chiều Các khối điều khiển đưa xung điều khiển kích đóng các thyristor Các thyristor điều khiển giá trị điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu

H2.4 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu tia ba pha điều khiển

2 Các giả thiết: ( tương tự phần II.2)

3 Phân tích:

a Góc điều khiển α :

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

Trạng thái áp và dòng được dời đi 1 góc α so với chỉnh lưu tia dùng diode

Phạm vi điều khiển góc α :

Để đóng SCR cần thoả 2 điều kiện:

- Điện áp khóa thuận VAK> 0

- Xung điều khiển IG > 0

Giả sử ở thời điểm V3 đang đóng ta có áp khóa thuận trên V1 :

uv1 = u1 – u3

uv1 ≥ 0 khi u1 ≥ u3 ⇒ phạm vi thay đổi góc điều khiển α là 0 ≤ α ≤ π

b Trình tự đóng ngắt: V1 , V2 , V3 …

c Đồ thị phân tích:

H2.5a Giản đồ áp nguồn, vị trí xung kích các thyristor và áp, dòng chỉnh lưu ứng với

góc điều khiển 600

Hz f

p f

ω ω π

π α π α

2

63sin

2

3 5 /66 /

(2.13)

Nhận xét : Khi thay đổi góc điều khiển trong khoảng [ 0…π] thì trị trung bình áp chỉnh lưu thay đổi trong phạm vi :

U U

π α

2

6 3 2

6 3

- Trị trung bình dòng tải :

R

E U

d AV T

(không phụ thuộc giá trị cụ thể R, L, E) khi dòng tải liên tục

- Đặc tuyến tải được định nghĩa là Ud( ) α = f ( Id( ) α ), thông số là α

4 Chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu:

Theo hệ thức (2.13) trị trung bình áp chỉnh lưu có thể có giá trị từ dương đến âm khi α thay đổi Trị trung bình của dòng chỉnh lưu dương vì Thyristor chỉ cho dòng đi qua theo một chiều Xét công suất trung bình nguồn cung cấp cho tải

0

5 Góc an toàn : Khi góc điều khiển tăng, thời gian SCR dùng để khôi phục khả năng khóa sẽ giảm Nếu ta tăng góc α đến giá trị đủ lớn để SCR không còn đủ thời gian để khôi phục khả năng khóa của mình , sự cố nguy hiểm sẽ xảy ra ( SCR đóng không theo ý muốn ) ⇒ trạng thái điện áp BCL xấu đi ⇒ dòng điện tăng lớn và có thể làm cháy hỏng thiết bị và cần phải được ngắt bởi thiết bị bảo vệ

Góc an toàn: là góc điện nhỏ nhất phải có khi SCR chịu tác dụng của áp nghịch để khôi phục khả năng khóa của nó một cách an toàn ( γ ) Giá trị tới hạn γcrit = ω.tq với tq – thời gian ngắt

an toàn của SCR

IV BỘ CHỈNH LƯU TIA VỚI DIODE KHÔNG V 0

1 Sơ đồ mạch:

H2.6 Bộ chỉnh lưu tia với diode V0

2 Phân tích:

* Khi α ≤ π /6 : V0 không có tác dụng điện áp ud luôn dương

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

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

uv1 = 0 ; iv1 = id

uv2 = u2 – u1; iv2 = 0

uv3 = u3 – u1; iv3 = 0

ud = u1 = -uv0

Tương tự cho trạng thái V2, V3

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

uv0 = ud = 0; iv0 = id

uv1 = u1 ; iv1 = 0

H2.7 Đặc tính áp và dòng

2

36 /

π α π

ω ω π

π π α

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

4 Đặc điểm của V0

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

- Làm tăng hệ số công suất nguồn λ

- Không cho phép chế độ nghịch lưu

V BỘ CHỈNH LƯU MẠCH CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN

1 Sơ đồ mạch:

H2.8 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn

- Nguồn 3 pha lý tưởng

- 6 SCR chia làm 2 nhóm ( Anode : V1, V3,V5 , Cathode: V2, V4, V6 )

Trước tiên ta chứng minh rằng 2 nhóm linh kiện làm việc 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

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 (H2.9)

u2 u3

u1

udA id

a) Chỉnh lưu tia nhóm Anode

b) Chỉnh lưu tia nhóm Cathode H2.9

Do áp tải ud = udA – udk ta có thể xem BCL mạch cầu 3 pha như dạng mắc nối tiếp BCL mạch tia nhóm Anode và BCL mạch tia nhóm Cathode

Giản đồ phân tích : Khảo sát tương tự mạch tia (H2.10)

p f

fσ(1) = s⋅ = 6 ⋅ s = 300

Trị trung bình áp chỉnh lưu:

u u

α π

2

6 3 cos

2

6 3

(2.17) Khi thay đổi α, ta điều khiển trị trung bình áp chỉnh lưu:

U U

π π

Aùp ngược lớn nhất trên linh kiện : U RWM = 6⋅U

Dòng trung bình qua linh kiện :

3) (

d T AV

I

¾ Nguồn: Trị hiệu dụng dòng qua nguồn

d V

H2.10 Giản đồ áp và dòng bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn

VI BỘ CHỈNH LƯU MẠCH CẦU 3 PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN

Khi thay nhóm linh kiện Anode ( hoặc Cathode ) trong BCL mạch cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn bằng diode công suất ta được 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

1 Sơ Đồ:

H2.11 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển bán phần

2 Phân tích:

Trong trường hợp trên ta xem diode như 1 thyristor bình thường với góc điều khiển

α = 0 Việc phân tích tiến hành tương tự chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn Mạch có cấu trúc gồm hai bộ chỉnh lưu tia ba pha: điều khiển và không điều khiển

3 Hệ quả : Aùp chỉnh lưu trung bình

α π

2

6 3 cos

2

6 3 cos

2

6 3

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

0

VII MẠCH CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN

1 Sơ đồ mạch:

H2.12 Giản đồ áp và dòng của bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn

2 Phân tích :

Mạch cầu có cấu trúc tương đương 2 mạch tia 2 pha mắc nối tiếp (H2.13) 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:

( ) ( ω π )

t

U u

m m

sin 2

; sin 2

H 2.13b Giản đồ phân tích áp và dòng được trình bày trên H2.12 phụ thuộc góc điều khiển α

ω π

π α α

α = 1 ∫+U sin t d t = 2⋅ 2⋅U⋅cos

Phạm vi điều khiển áp tải :

U U