Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Điện tử công nghiệp - Sơ cấp) - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ

(NB) Giáo trình Điện tử công suất với mục tiêu giúp các bạn có thể trình bày được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số linh kiện điện tử công suất và mạch điện tử công suất. Mời các bạn cùng tham khảo!

(Ban hành kèm theo Quyết định số: 228A/QĐ-CĐNKTCN – ĐT ngày 02 tháng 8

năm 2016 của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội)

Hà Nội, năm 2016

3

LỜI GIỚI THIỆU

Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở trình độ Sơ cấp,

giáo trình Điện tử công suất là một trong những giáo trình mô đun đào tạo chuyên ngành

được biên soạn theo nội dung chương trình chi tiết mô đun Điện tử công suất Nội dung biên

soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau

Giáo trình được thiết kế theo từng bài trong hệ thống mô đun của chương trình, có

mục tiêu học tập, thực tập cho mô đun, phần lý thuyết cơ bản học viên cần phải nắm vững

để thực hành, thực tập Cuối mỗi bài sau phần lý thuyết cơ bản đều có phần bài tập thực hành

để giáo viên và học sinh sinh viên thực hiện

Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan

đến nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và

thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiễn

cao

Nội dung giáo trình được bố cục bao gồm 5 bài với nội dung như sau:

Bài 1: Van bán dẫn

Bài 2: Chỉnh lưu không điều khiển

Bài 3: Chỉnh lưu có điều khiển

Bài 4: Điều chỉnh điện áp

Bài 5: Nghịch lưu

Trong giáo trình này tác giả đã sử dụng nhiều tài liệu tham khảo và biên soạn theo

một trật tự logic nhất định Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị tại

trường có thể sử dụng cho phù hợp Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được

mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết.Rất mong nhận được đóng

góp ý kiến của quý thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện

hơn.Các ý kiến đóng góp xin gửi về Khoa Điện tử điện lạnh Trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật

Công nghệ

Xin trân trọng cảm ơn

Hà Nội, ngày 20 tháng 06 năm 2016

BAN BIÊN SOẠN

4

MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU 3

Bài 1: Van bán dẫn 9

1 Diode công suất: 9

1.1.Đặc tuyến V - A 10

1.2.Ví dụ 10

1.3.Hệ số hình dáng 11

1.4.Công suất trên diode khi dẩn điện 12

1.5.Ví dụ: 12

1.6.Điều kiện chuyển mạch và điện áp nghịch 13

1.7.Phân loại diode công suất 14

2 Transistor MOSFET 14

2.1 Cấu tạo MOSFET 14

2.2 Nguyên lý hoạt động 15

2.3 Đặc tính V- A 15

3 Thyristor 15

3.1 Cấu tạo và ký hiệu 15

3.2.Nguyên lý hoạt động 16

3.3 Các thông số cơ bản 19

4 Triac và Điac 20

4.1 Triac 20

4.2 Điac 23

5 IGBT 24

5.1 Cấu tạo 24

5.2 Nguyên lý hoạt động 25

5.3 Đặc tính đóng cắt IGBT 26

5.4 Thông số IGBT 26

6 GTO 27

6.1 Cấu tạo 27

6.2 Nguyên lý hoạt động 28

5

Bài 2: Chỉnh lưu không điều khiển 30

1 Khái niệm cơ bản 30

1.1 Phân loại 31

1.2 Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu 31

1.3 Luật dẫn của van 32

2 Chỉnh lưu công suất 1 pha không điều khiển 33

2.1 Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ 33

2.2 Chỉnh lưu công suất hai nửa chu kỳ có điểm giữa (M2) 38

2.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha (B2) 39

3 Chỉnh lưu công suất ba pha không điều khiển 42

3.1 Mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia (M3) 42

3.2 Chỉnh lưu cầu ba pha 47

BÀI 3: CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT CÓ ĐIỀU KHIỂN 74

1.Tổng quan mạch điều khiển chỉnh lưu công suất 74

1.1 Nguyên tắc cơ bản 74

1.2 Điều khiển chuỗi xung 74

1.3 Điều khiển góc pha 81

2.Chỉnh lưu công suất một pha có điều khiển 88

2.1 Chỉnh lưu một nửa chu kỳ có điều khiển 88

2.2 Chỉnh lưu công suất hai nửa chu kỳ có điều khiển 89

2.3.Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển 90

3.Chỉnh lưu công suất ba pha có điều khiển 91

3.1 Chỉnh lưu 3 pha hình tia có điều khiển 91

3.2 Chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển(B6) 97

BÀI 4: MẠCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 119

1 Mạch điều áp một chiều 119

1.1.Bộ giảm áp 119

1.2.Bộ tăng áp 123

2 Mạch điều áp xoay chiều một pha 126

2.1 Điện áp xoay chiều một pha tải thuần trở 126

2.2 Điện áp xoay chiều một pha tải RL 127

6

4 Biến đổi điện thế AC một pha sử dụng TRIAC 132

BÀI 5: NGHỊCH LƯU 134

1 Bộ Nghịch Lưu Áp Một Pha: 134

2.Bộ Nghịch Lưu Áp Ba Pha: 139

3.Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 142

TÀI LIỆU THAM KHẢO 147

7

GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN

Tên mô đun: Điện tử công suất

Mã mô đun: MĐ 05

* Vị trí, tính chất của mô đun:

- Vị trí: Mô đun được bố trí dạy cuối chương trình sau khi học xong các môn học/mô đun cơ bản như: Kỹ thuật điện, linh kiện điện tử, mạch điện tử cơ bản, đo lường điện tử, kỹ thuật xung - số

- Tính chất: Là mô đun bắt buộc

* Mục tiêu của mô đun:

+ Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp

* Nội dung của mô đun:

1 Nội dung tổng quát và phân bổ thời gian:

Số

TT Tên các bài trong mô đun

Thời gian (giờ)

Tổng

số

Lý thuyết

Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập

Thi/ Kiểm tra

Bài 2: Chỉnh lưu không điều khiển

1 Các khái niệm cơ bản

2 Chỉnh lưu công suất một pha không

Bài 3: Chỉnh lưu có điều khiển

1 Tổng quan mạch điều khiển chỉnh

lưu công suất

2 Chỉnh lưu công suất một pha có điều

* Mục tiêu:

- Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính của linh kiện điện tử công suất

- Đo, kiểm tra được chất lượng của linh kiện điện tử công suất

- An toàn cho người, thiết bị, rèn luyện tác phong công nghiệp, tinh thần làm việc theo nhóm, tính tư duy, sáng tạo và vệ sinh công nghiệp

* Nội dung chính:

1 Diode công suất:

Khác với diode thuờng, về mặt cấu tạo diode công suất bao gồm 3 vùng bán dẩn silic với mật độ tạp chất khác nhau gọi là cấu trúc PsN, giữa hai vùng bán dẩn PN là một vùng có mật độ tạp chất rất thấp (vùng S) (hình 2.1)

Hình 2.1 Cấu tạo và ký hiệu điện diode công suất PsN

10

1.1 Đặc tuyến V - A

Đường đặc tính diode công suất rất gần với đặc tính lý tưởng (hình 2.2), trong đó đoạn đặc tính thuận có độ dốc rất thẳng đứng (hình 2.2b) vì vây, nhiệt độ trên diode xem như không đổi, điện áp thuận trên diode là tổng giữa điện áp ngưỡng U(TO) không phụ thuộc dòng điện với thành phần điện áp tỉ lệ với dòng điện thuận chảy qua diode Giả sử nhiệt độ là hằng số, điện áp thuận trên diode được tính theo công thức gần đúng sau :

UF = U(TO) + rF.IF

Với rF : Điện trở động theo chiều thuận

Các ký hiệu thường dùng trong thiết kế : F = Forward để chỉ trạng thái dẩn theo chiều thuận, R = Reverse để chỉ trạng thái khóa trong vùng nghịch

Hình 2.2 a) Đặc tính diode lý tưởng ; b) đặc tính diode thực tế

1.2 Ví dụ

Một diode công suất có đặc tính như sau:

Điện áp ngưỡng U(TO) = 0,85v

Điện trở động rF = 8mQ

Với dòng chảy qua cố định IF = 50A, suy ra điện áp thuận trên diode là:

Trong ví dụ 1.2, dòng qua diode có giá trị cố định là trường hợp hiếm khi xảy ra Trên thực tế, dòng qua diode có dạng xung và gồm hai giá trị: Giá trị hiệu dụng và giá trị trung bình, như trong trường hợp chỉnh lưu 3 pha bán kỳ (M3) thời gian dẩn của mỗi diode là T/3 Hình 2.3 trình bày các giá trị của iF đo bằng dụng cụ đo chỉ thị kim

Hình 2.3: Đồ thị dòng thuậncủa diode, giá trị trung bình và hiệu dụng

Trong số tay tra cứu thường cho giá trị trung bình IFAV của diode Hình 2.3 cho thấy các giá trị này được tính từ chuổi xung dòng qua diode

Mặt khác giá trị hiệu dụng IFRMS được đo bằng đồng hồ

12

Sự khác nhau giữa dòng điện đo bằng đồng hồ với dòng tính toán được thể hiện bởi hệ

số hình dáng F, đó là tỉ số giữa giá trị hiệu dụng với giá trị trung bình Theo hình 2.3

Vì hệ số hình dáng phụ thuộc vào dạng dòng điện nên trong thực tế đối với các dạng tín hiệu thông dụng khi biết F và một trong hai giá trị, có thể tìm được giá trị còn lại một cách dể dàng (hình 2.4)

Hình 2.4 Hệ số hình dáng các dạng dòng điện quan trọng

1.4 Công suất trên diode khi dẩn điện

Công suất rơi trên diode được tính theo công thức

1.5 Ví dụ:

Một diode công suất có: IFAV = 25A, IFRMS = 48A, U(TO) = 0,75v và rF = 8111Q được

xử dụng trong một mạch chỉnh lưu cầu với tải điện trở có Id = 40A Kiểm tra khả năng chịu đựng của diode

Giải:

Trong mạch nắn cầu dòng chảy qua mỗi diode chỉ trong khoãng thời gian một bán kỳ

Do đó

13

Từ hình 2.4 suy ra: F = 1,57

IFRMS = F IFAV = 1,57 20A = 31,4A < 48A

Cả hai giá trị dòng điện đều nhỏ hơn trị số cho phép, công suất rơi trên diode được tính như sau:

1.6 Điều kiện chuyển mạch và điện áp nghịch

Một diode được điều khiển dẩn hay tắt là do cực tính điện áp đặt trên nó, nhưng diode chỉ chuyển sang trạng thái tắt khi dòng qua diode bằng 0 (hình 2.5)

Hình 2.5 Diode như 1 công tắc điều khiển bằng điện áp

Trong hình trình bày một công tắc diode lý tưởng đáp ứng được các điều kiện sau:

14

Nếu ngõ ra mạch chỉnh lưu có dùng tụ lọc thì điện áp nghịch đặt trên diode bằng 2 lần giá trị đỉnh của điện áp xoay chiều ở ngõ vào

URRM » (1,5 2) U

1.7 Phân loại diode công suất

Dựa trên lỉnh vực ứng dụng, các diode công suất được chia thành các loại như sau:

- Diode tiêu chuẩn (tốc độ chậm) dùng cho các yêu cầu thông thường với tần số làm việc từ 50 60Hz

- Diode công suất lớn với dòng cho phép đến 1,5KA

- Diode điện áp cao với điện áp nghịch cho phép đến 5KV

- Diode tốc độ nhanh với thời gian trì hoãn ngắn, có đặc tính động và hiệu suất cao

- các diode cho phép làm việc với xung điện áp nghịch trong một khoãng thời gian ngắn

Tranzito có 3 cực: Bazơ ( B ), colectơ ( C ), emitơ ( E )

Cấu trúc và ký hiệu tranzito được thể hiện trên (hình 2.6)

Nếu điện áp điều khiển UGS < 0 thì vùng bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các lỗ

do đó dòng điện giữa cực máng và cực gốc vẫn hầu như không có

Khi điện áp điều khiển UGS > 0 và đủ lớn vùng bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử Như vậy một kênh dẫn thực sự đã hình thành Dòng điện giữa cực máng và cực gốc lúc này sẽ phụ thuộc vào điện áp UDS

2.2.2 Khảo sát hoạt động MOSFET

a Thiết bị và dụng cụ chuẩn bị

- Mudun linh kiện chứa MOSFET công suất

- Tải đèn

- Dây có chốt cắm hai đầu

- Khối nguồn AC, DC

- Máy hiện sóng

b.Qui trình thực hiện

- Cấp nguồn cung cấp DC, nguồn vào AC và nối tải bóng đèn tại đầu ra như hình vẽ Thay đổi biên độ tín hiệu đầu vào Quan sát và đo điện áp ở đèn

- Ngắt nguồn vào AC Thay đổi biên độ tín hiệu đầu vào Quan sát và đo điện áp ở đèn

- Kết luận hoạt động MOSFET

2.3 Đặc tính V- A

Đặc tính V – A được vẽ trên hình 2.6 Đặc tính này có dạng tương tự với đặc tính V – A của BJT

3 Thyristor

3.1 Cấu tạo và ký hiệu

Cấu trúc và ký hiệu của SCR được thể hiện trên (hình 2.7)

16

Hình 2.7: Cấu trúc và ký hiệu của SCR

a.Cấu tạo b.ký hiệu

SCR là linh kiện bán dẫn có cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra ba tiếp giáp p-n: J1, J2, J3

17

điện trở tương đương trong mạch anot – catot sẽ giảm đột ngột và dòng qua SCR sẽ hoàn toàn

do mạch ngoài xác định

Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn

và không phải lúc nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị Uth.max Điều này dẫn tới sẽ xảy

ra trường hợp SCR tự mở ra dưới tác dụng của các xung của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên không định trước được

Phương pháp 2:

Nội dung của phương pháp này là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giưa cực điều khiển và catot Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của SCR từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anot – catot nhỏ.Khi đó nếu dòng qua anot – catot lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì Idt thì SCR sẽ tiếp tục ở trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển Điều này cho thấy có thể điều khiển mở các SCR bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định Phương pháp này được áp dụng trong thực

tế

-Trường hợp SCR khóa:

Để khóa SCR lại cần giảm dòng anot – catot về dưới mức dòng duy trì Idt bằng cách đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa anot và catot Sau khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên anot và catot ( UAK < 0 ) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi tr , sau đó SCR mới có thể cản trở dòng điện theo cả hai chiều

Thời gian phục hồi là một trong những thông số của SCR Thời gian này xác định dải tần

số làm việc của SCR Nó có giá trị khoảng từ 5 đến 50µs đối với các SCR tần số cao và từ 50 đến 500µs đối với các SCR tần số thấp

- Đổi cực nguồn cấp Quan sát hiện tượng của đèn Nhận xét

- Thay nguồn 12VDC bằng nguồn 24VDC Quan sát hiện tượng ở đèn Đo Uđèn và USCR Vẽ dạng sóng ra trên tải

- Thay đổi nguồn tín hiệu cấp ở cực G cho 2 trường hợp trên Quan sát hiện tượng ở đèn và kết luận Vẽ dạng sóng ra trên tải

- Kết luận hoạt động SCR

3.2.3 Đặc tính V- A

Đặc tính V- A của SCR gồm 2 phần:

- Đặc tính thuận: Nằm trong góc phần tư thứ I, tương ứng với trường hợp điện áp UAK > 0

- Đặc tính ngược nằm trong góc phần tư thứ II, tương ứng với trường hợp UAK < 0

Khi dòng vào cực điều khiển bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển sẽ cản trở dòng điện ứng với cả 2 trường hợp phân cực điện áp UAK

Khi điện áp UAK < 0, hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận Lúc này SCR sẽ giống như 2 điốtmắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua SCR sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò

Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ung.max sẽ xảy ra hiện tượng SCR bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn SCR đã bị hỏng

Z

G

19

Khi tăng điện áp UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện nhỏ chạy qua, gọi là dòng

rò Điện trở tương đương mạch anot – catot vẫn có giá trị rất lớn Tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến khi điện áp UAK tăng đến giá trị điện áp thuận lớn nhất

Uth.max sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch A – K đột ngột giảm, dòng chạy qua SCR sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài Nếu khi đó dòng qua SCR lớn hơn một mức tối thiểu gọi là dòng duy trì Idt thì khi đó SCR sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận giống như đường đặc tính thuận ở điốt

Hình 2.8 Đặc tính V- A

3.3 Các thông số cơ bản

Khi sử dụng SCR ta cần quan tâm tới các thông số cơ bản sau:

1.Dòng điện thuận cực đại: IA max

Đây là trị số dòng điện IA cực đại qua SCR mà SCR có thể chịu đựng liên tục, quá trị số này SCR sẽ bị hư

2.Điện áp ngược cực đại

Đây là điện ấp ngược lớn nhất có thể đặt vào giữa A và K mà SCR chưa bị đánh thủng, nếu vượt qua trị số này SCR sẽ bị phá hủy Điện áp ngược cực đại của SCR thường khoảng 100V đến 1000V

3.Dòng điện kích cực G cực tiểu.:IGmin

20

Để SCR có thể dẫn điện trong trường hợp điện áp thấp thì phải có dòng điện kích cho cực

G của SCR Dòng điện kích cực tiểu là trị số dòng nhỏ nhất tùy đủ để điều khiển SCR dẫn điện Dòng điện kích cực tiểu có trị số lớn hay nhỏ s tùy thuộc vào công suất của SCR Nếu SCR có công suất càng lớn thì dòng kích cực tiểu càng lớn Thông thường nó có giá trị từ 1mA đến vài chục mA

4.Thời gian mở SCR:ton

Là thời gian cần thiết hay độ rộng xung của xung kích để SCR có thể chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn Thời gian mở khoảng vài µs

5.Thời gian tắt:toff

Theo nguyên lý, SCR sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện sau khi được kích Muốn SCR đang

ở trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái ngưng thì phải cho IG bằng không và cho điện áp UAK

bằng không Để SCR có thể tắt được thì thời gian cho UAK phải đủ lớn nếu không khi UAK tăng lên cao lại ngay thì SCR sẽ dẫn điện trở lại Thời gian tắt của SCR khoảng vài chục µs

Triac có thể điều khiển mở dẫn dòng bằng cả xung dòng dương hoặc xung dòng âm Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn nghĩa là dòng chỉ có thể chạy qua triac khi điện áp giưa T1 và t2 phải lớn hơn một giá trị nhất định, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển

dương Nguyên lý thực hiện được biểu diễn như

P P

N

N G

M T

M T b)

M T

M T

G

P

P N N G

MT2

MT1

MT2

MT1G

c)

- Cấp nguồn 12VDC, nối tải bóng đèn và triac như hình vẽ Quan sát hiện tượng ở đèn

Đo Uđèn và Utriac Dùng máy hiện sóng quan sát dạng tín hiệu trên tải bóng đèn Vẽ dạng sóng đặt trên bóng đèn.Nhận xét

T

G

Zt

Đặc tuyến gồm 2 đoạn đặc tuyến ở góc phần tư thứ I và thứ II, mỗi đoạn đều giống như đặc

tính thuận của một SCR như (hình 2.13)

Hình 2.12: Đặc tuyến V – A

4.2 Điac

4.2.1 Cấu tạo - kí hiệu quy ước

Cấu tạo diac tương tự triac nhưng không có cực khống chế G, gồm 2 cực MT1 và MT2 hoàn toàn đối xứng nhau như Hình 7.14 khi lắp vào mạch AC, ta không cần phân biệt thứ tự Thực

tế khi sử dụng Diac, ta nhớ quan tâm hai thông số: dòng tải và áp giới hạn Thực tế áp giới hạn

của Diac khoảng 20V 40V (cụ thể ta tra cứu sổ tay linh kiện để biết chính xác).Kí hiệu và đặc tuyến của Diac như Hình 2.13

24

Hình 2.13: Cấu tạo Diac

4.2.2 Nguyên lý hoạt động của Diac:

Mạch mô tả nguyên lý hoạt động của Diac như hình 2.14

Hình 2.14 Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của Diac

Ta thấy khi Uđạt đến giá trịUBo hoặc - UBo thì dòng I tăng vọt với giá trị | UBo | xác lập, tức ngưởng ổn áp Giống đặc tuyến làm việc của 2 Diốt zene ổn áp dương và ổn áp âm

Vì vậy, ta có thể ghép đối tiếp (nối tiếp và đối đầu ) 2 điốt Zene để thay thế Diac khi cần thiết hình 2.15

Hình 2.15 Thay thế Diac bằng nối tiếp đối đầu hai điốt zener

5 IGBT

5.1 Cấu tạo

Cấu trúc và ký hiệu của IGBT được thể hiện trên (hình 2.16)

Có thể nói IGBT tương đương với 1 tranzito PNP với dòng bazo được điều

khiển bởi MOSFET

5.2 Nguyên lý hoạt động

5.2.1 Nguyên lý

Về mặt điều khiển IGBT gần như giống hoàn toàn MOSFET tức được điều khiển bằng điện

áp , do đó CS điều khiển yêu cầu cực nhỏ

Nếu UGE > 0 ( điện áp điều khiển) kênh dẫn các hạt mang điện là các điện tử được hình thành Các điện tử di chuyển về phía colector vượt qua tiếp giáp n-- p như ở cấu trúc giữa bazo

và colector ở tranzito thường, tạo nên dòng colector

5.2.2.Khảo sát hoạt động MOSFET

G

C

E G

26

- Máy hiện sóng

b Các bước thực hiện

- Cấp nguồn 12VDC, cấp nguồn tín hiệu vào cực G và nối tải bóng đèn Quan sát hiện tượng

ở đèn Đo Uđèn và UG Vẽ dạng sóng ra trên tải

- Đổi cực nguồn cấp Quan sát hiện tượng của đèn Nhận xét

Để xét quá trình đóng mở của IGBT ta khảo sát theo sơ đồ thử nghiệm :

Hình 2.17

5.4 Thông số IGBT

- Điện áp cực đại CE khi GE ngắn mạch: UCSE

- Điện áp GE cực đại cho phép khi CE ngắn mạch: UGSE

- Dòng điện một chiều cực đại: IC

- Dòng điện đỉnh của colecto: ICmax

- Công suất tổn hao cực đại: Pmax

GTO có thêm cổng kích ngắt mắc song song với cổng kích dẫn

Để GTO dẫn thì dòng kích dẫn phải được duy trì khi nó dẫn

Khi dòng kích vượt quá giá trị cho phép thì GTO sẽ không kích ngắt được

GTO được sử dụng cho các mạch công suất lớn có thể lên tới 6000- 7000A

Hình 2.18 : Cấu tạo của GTO

Để kích dẫn hoặc ngắt công tắc bán dẫn ởcông suất rất cao, nên dùng thyristor GTO Ví dụ, GTO có thểchuyển mạch tại dòng có cường độ850A và chịu hiệu điện thế 4500V Ngoài ra GTO còn là một công tắt điện có thể điều khiển mà chịu được một điện áp ngược bằng điện áp thuận

Thyristor GTO là công tắc có thể điều khiển dùng trong mức công suất cao nhất Để kích dẫn GTO cần có một xung dòng dương từ cực G Để ngắt GTO, cần cung cấp cho GTO một xung dòng âm Cần duy trì một dòng điện cực G đủlớn đểGTO duy trì trạng thái hiện tại

- Ký hiệu GTO tương tự như ký hiệu Thyristor, như đã xem trong tài liệu mạch điều khiển pha và Thyristor, ngoại trừ dấu gạch xiên nhỏ được thêm vào

28

Hình 2.19: Ký hiệu của GTO Thyristor

6.2 Nguyên lý hoạt động

6.2.1 Nguyên lý

Trường hợp 1: Khi chưa có dòng điều khiển

- Nếu UA > UK thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa giống như SCR

- Nếu UA < UK thì tiếp giáp p+ -n ở sát anốt sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp rất thấp tức GTO không thể chịu được điện áp ngược

Trường hợp 2: Khi có dòng điều khiển và ( A+ ; K-)

- Giống như SCR thường Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì ở GTO cao hơn ở SCR thường Do đó, dòng điều khiển phải có biên độ lớn hơn và duy trì trong thời gian dài hơn để dòng qua GTO kịp vượt xa giá trị dòng duy trì

nguồn cung cấp

- GTO cũng như SCR thường, sau khi GTO đã dẫn thì dòng điều khiển không còn tác dụng , do đó có thể mở GTO bằng các xung ngắn với CS không đáng kể

Trường hợp 3: Khoá GTO

Để khoá GTO 1 xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển Kết quả dòng anốt sẽ bị giảm cho đến khi về đến không, dòng đều khiển được duy trì 1 thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khoá

6.2.2.Khảo sát hoạt động GTO

a Thiết bị và dụng cụ chuẩn bị

- Đổi cực nguồn cấp Quan sát hiện tượng của đèn Nhận xét

- Thay nguồn 12VDC bằng nguồn 24VDC Quan sát hiện tượng ở đèn Đo Uđèn và UGTO Vẽ dạng sóng ra trên tải

- Thay đổi nguồn tín hiệu cấp ở cực G cho 2 trường hợp trên Quan sát hiện tượng ở đèn và kết luận Vẽ dạng sóng ra trên tải

- Kết luận hoạt động GTO

Zt

G

Phân biệt các điễm khác nhau giữa các mạch chỉnh lưu

Hiểu đuợc ảnh huởng của các loại tải đến dòng điện, điện áp trong mạch chỉnh lưu

Có khả năng tính toán đuợc một mạch chỉnh lưu điển hình theo yêu cầu cho truớc

Nội dung bài học

1 Khái niệm cơ bản

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng xoay chiều thành năng lượng dòng một chiều Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu trên hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu

Trong sơ đồ MBA làm hai nhiệm vụ chính là:

- Chuyển từ điện áp của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu của tải Tuỳ theo tải mà MBA có thể là tăng áp hoặc giảm áp

Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây:

- Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha, sáu pha…

- Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch van: Hiện nay chủ yếu dùng Thysistor và điốt, vì thế có ba loại mạch sau:

+ Mạch van dùng toàn điốt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển;

+ Mạch van dùng toàn Thysistor, gọi là chỉnh lưu điều khiển;

+ Mạch van dùng cả hai loại Thysistor và điốt, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển;

- Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau Có hai kiểu mắc van:

+ Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van sẽ bằng số pha nguồn cấp cho mạch van Tất

cả các van đều đấu chung một đầu nào đó với nhau - hoặc catốt chung, hoặc Anốt chung

+ Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van Trong đó một nửa mắc chung nhau catốt, nửa kia mắc chung nhau Anốt

1.2 Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu

Các tham số này dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật trong phân tích mạch chỉnh lưu

)(2

1)

(

1

d u dt

t u T

T d d

+ Id: giá trị dòng trung bình của dòng điện từ mạch van cấp ra:

1

d i

+ Pd là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu:

32

Pd = Ud.Id

- Về phía van

+ Giá trị dòng trung bình của dòng điện chảy qua van: IV;

+ Ungmax: điện áp ngược cực đại mà van chịu được khi làm việc

- Về phía nguồn:

+ Công suất biểu kiến của MBA: Smba

- Ngoài ra còn có hệ số đập mạch:

d dm

U

U

với Ud: điện áp trung bình chỉnh lưu; U2: điện áp hiệu dụng của nguồn;

1.3 Luật dẫn của van

a, Nhóm van đấu Catốt chung

Van có khả năng dẫn là van có điện thế Anốt của nó dương nhất trong nhóm, tuy nhiên

nó chỉ dẫn được nếu điện thế của anốt này dương hơn điện thế ở điểm Catốt chung φKC Thí dụ

ở thời điểm hiện tại ta có:

φA1 > φA2 > φA3 > > φAn

và đồng thời φA1 > φKC thì van D1 sẽ dẫn Lúc đó nếu coi sụt áp trên van bằng 0 thì khi D1 dẫn

ta thấy φKC = φA1 Điều này dẫn đến điện áp trên các van còn lại sẽ âm:

φAK2 = φA2 - φKC = φA2 – φA1 < 0

φAKn = φAn - φKC = φAn – φA1 < 0 Như vậy các van còn lại sẽ khoá không dẫn được

b, Nhóm van đấu Anốt chung

- Biết được nguyên lý mạch chỉnh lưu công suất một nửa chu kỳ

- Biết được nguyên lý mạch chỉnh lưu công suất hai nửa chu kỳ

- Mạch chỉnh lưu công suất một pha

2.1 Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ

Trong hình 2.3 vì không điều khiển được nên van V10 chỉ bắt đầu dẩn khi điện áp anode dương hơn cathode, điều này chỉ diễn ra trong suốt bán kỳ dương của điện áp xoay chiều và tạo nên dòng một chiều chảy ngang qua tải Rload Giả sử rF << Rload ; u (ac) = u (dc) tại mọi thời điểm của bán kỳ dương Trong khoảng thời gian bán kỳ âm Rload << RR ≈ ∞, lúc này mạch không dẫn

34

Hình 2.4 Điện áp DC ngỏ ra và AC ngỏ vào của mạch chỉnh lưu bán kỳ

Trong thực tế, trị trung bình của điện áp DC ở ngỏ ra rất quan trọng, đối với mạch M1 giá trị này được tính như sau :

2 2

0 2 2

0

45.0

2)

sin(

22

1)

(2

1

U U

t d t U

t d t u

Điện áp được làm phẳng bằng cách dùng các điện dung nếu không thì thông thường kỹ thuật chỉnh lưu sẻ không có ý nghĩa Vì đối với tải dòng lớn tụ cũng phải có điện dung rất lớn nên trong các mạch biến đổi công suất dòng điện được làm phẳng bằng cuộn cảm

Đỉnh điện áp nghịch URRM đặt lên diode bằng với đỉnh âm của điện áp xoay chiều

C Số xung và hệ số gợn sóng

Số xung p có nghĩa là số khối điện áp DC xảy ra trong cùng một chu kỳ với điện áp nguồn AC Trong mạch chỉnh lưu bán kỳ giá trị p = 1 và chỉ có 1 xung xuất hiện có nghĩa là một bán kỳ hình sin trong mỗi chu kỳ, ở bán kỳ thứ hai không có điện áp, khoảng trống điện áp lớn này biểu thị điện áp gợn sóng và hệ số gợn sóng của điện áp DC trong mạch chỉnh lưu

* Xác định hệ số gợn sóng w

Với điện trở có trị số 100 W nối vào nguồn xoay chiều có u = 220 V, công suất rơi trên

35

điện trở là

Nếu bây giờ nối điện trở này vào cùng điện áp như trên và nối tiếp với một diode thì chỉ có 50% công suất là 242 W rơi trên điện trở

Công suất 1 chiều được tính như sau

Trong trường hợp này, công suất sai biệt hoặc công suất dư là

Từ đó suy ra điện áp gợn song

Hệ số gợn sóng của mạch

* Khảo sát dòng điện

Một cách tổng quát, thành phần DC được cung cấp bởi một mạch biến đổi công suất được tạo nên từ các thành phần từ các van kế cận, các van này được nối với nhau ở anode hoặc cathode Số lượng các mạch nhánh này còn được gọi là số “đảo mạch” q Số q ở đây phải là 1 Dòng điện thành phần trong mạch nhánh bằng với dòng thuận trung bình IFAV của một diode (trừ trường hợp các diode nối song song với nhau)

Trong mạch chỉnh lưu bán kỳ, thời gian dòng điện chảy qua diode 0 = 1800 trong suốt một nữa chu kỳ T/2

Vì đối với tải thuần trở, dòng Id và điện áp một chiều Ud quan hệ với nhau bởi định luật ohm, có nghĩa là Ud = Id x Rload

36

Tỉ số dòng điện

Cũng thường được xem là một thông số quan hệ, trong mạch chỉnh lưu bán kỳ tỉ số này chính là:

Nếu bao gồm biến áp như ở hình 2.3 khi khảo sát dòng điện sẻ phát sinh một mâu thuẩn ngay cả khi trong biến áp không có tổn hao và tỉ số biến áp r = 1 thì giá trị hiệu dụng bên sơ cấp Imains cũng nhỏ hơn trị hiệu dụng dòng thứ cấp I Điều này được giải thích từ hình 2.5

Hình 2.5 Dòng thứ cấp I trong mạch chỉnh lưu bán kỳ tải thuần trở

Như đã biết, dòng vào của mạch là dòng hổn hợp bao gồm thành phần DC và

AC Tuy nhiên, do biến áp chỉ làm việc với dòng xoay chiều , thành phần một chiều chỉ chảy bên cuộn thứ cấp sẻ tạo nên từ trường một chiều trong lỏi thép

Trong trường hợp lý tưởng, đồ thị dòng sơ cấp Imains có thể được xác định bằng cách

37

dịch chuyển trục thời gian của dòng hổn hợp thứ cấp I điều này cần thiết để diện tích phần dương và âm của dòng điện theo thời gian bằng nhau Tuy nhiên, trong thực tế kết quả nhận được giống như trình bày trong hình 2.6

Hình 2.6 Dạng dòng điện sơ cấp của mạch chỉnh lưu M1 tải thuần trở

Hệ số gợn sóng w là 121%, dòng xoay chiều sơ cấp trong điều kiện lý tưởng là : Dòng hỗn hợp bên thứ cấp được tính theo công thức

Mặc dù số vòng dây bên sơ và thứ cấp bằng nhau (N1 = N2), tỉ số dòng điện cũng không bằng 1, nhưng :

Như đã lưu ý ở các phần trước, kết quả này có 1 ý nghĩa đặc biệt trong quá trình tính toán biến áp

* Khảo sát công suất:

Đối với điện áp và dòng điện DC lý tưởng, công suất DC được tính theo công thức

Pd = Ud x Id Tuy nhiên, khi điện áp DC có dạng xung

Pm = Um x Im Điều này đã được chứng minh trong trường hợp không có tổn hao, giá trị này bằng với công suất xoay chiều P

Công suất biểu kiến S bên cuộn thứ cấp

Với tỉ số biến áp là r, công suất ngỏ vào là

Việc tính toán biến áp dựa trên công suất biểu kiến S = U x I Không cần quan tâm đến hệ

số công suất cos ọ bởi vì mạch từ và sự cách ly được thiết kế dựa trên biên độ của điện áp cung cấp trong khi phần dẩn điện và các đại lượng làm nguội được xem là hàm của dòng điện hiệu

38

dụng

Trong kỹ thuật điện truyền thống, đối với biến áp lý tưởng thì công suất biểu kiến bên sơ

và thứ cấp bằng nhau Cơ sở của sự bằng nhau này sự giả định điện áp và dòng điện là hình sin Tuy nhiên, với một giả định như thế ít được áp dụng trong điện tử công suất Điện áp hình sin xuất hiện trong biến áp của bộ biến đổi công suất nhưng dòng điện thì lại không phải là hình sin

và thường khác nhau ở bên sơ và thứ cấp

Trên cơ sở bằng nhau này, thuật ngữ “công suất ước lượng máy biến áp” được đề nghị trong điện tử công suất, để tính đến các hiệu ứng đặc biệt do thành phần DC bên thứ cấp Trong trường hợp chỉnh lưu bán kỳ

Lưu ý : Trong nhiều sổ tay kỹ thuật thường cho biết tỉ số công suất và ST được thay bằng PT

2.2 Chỉnh lưu công suất hai nửa chu kỳ có điểm giữa (M2)

Phần tử cơ bản trong mạch M2 là một biến áp có điễm giữa bên cuộn thứ cấp như trình bày trong hình 2.7 Trên nguyên tắc mạch này gồm hai mạch M1 ghép song song với nhau

Hình 2.7 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ M2

Cuộn thứ cấp đuợc xem nhu là cuộn dây 2 pha với các điện áp pha là Uphase 1 và Uphase 2 Điện áp giữa hai pha này là

U = Uphase 1 + Uphase 2 Điện áp một chiều ở ngỏ ra bằng hai lần so với khi dùng cuộn dây 1 pha

39

Điện áp trên các diode cũng bằng 2 lần, một ưu điểm của sơ đồ là các diode có cùng điện

áp và có thể được gắn trực tiếp trên cùng cánh tỏa nhiệt Đặc tính của mạch M2 được tóm tắt ở trong hình 2.8 điện áp DC ngõ ra được vẽ bởi đường liên tục và điện áp xoay chiều giữa hai pha

Theo hình 2.9 cho thấy V10 và V40 dẩn điện trong khoảng thời gian bán kỳ duơng trong khi V20 và V30 trong khoảng thời gian bán ký âm của điện áp luới, nếu kể đến điện áp rới trên các diode, ta có :

Ud = U - 2UF

Nếu điện áp một chiều có giá trị cao, có thể xem gần dung

Ud ͌ U