Bài giảng môn Điện tử công suất

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Tài liệu tham khảo

• Điện tử công suất – Lê Văn Doanh • Giáo trình điện tử công suất – Nguyễn Văn Nhờ • Điện tử công suất – Nguyễn Bính

dqvinh@dng.vnn.vn 0903 586 586

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU – CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1.1 Khái niệm chung

Điện tử Công suất lớn

Các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong các mạch động lực – công suất lớn

Sự khác nhau giữa các linh kiện điện tử ứng dụng (điện tử điều khiển) và điện tử công suất

• Công suất: nhỏ – lớn • Chức năng: điều khiển – đóng cắt dòng điện công suất lớn

Động lực Điều khiển

Các linh kiện điện tử công suất chỉ làm chức năng đóng cắt dòng điện – các van IC

• Thời điểm • Công suất

Transistor điều khiển: Khuyếch đại

IC

R

UCE = UCE1

B

iC

U R

U

C

iB

UCE = U - RIC

IB2 > IB1

A

uCE

IB1 > 0

B

A

E

IB = 0

iE

uBE

U

UCE1

IB2

UBE < 0

IB

UCE

Transistor công suất: đóng cắt dòng điện

Đặc tính Volt – Ampe của van công suất lý tưởng

b i

c a điều khiển

Đối tượng nghiên cứu của điện tử công suất

• Các bộ biến đổi công suất • Các bộ khóa điện tử công suất lớn

Chỉnh lưu

• BBĐ điện áp xoay chiều (BĐAX) • Biến tần BBĐ điện áp một chiều (BĐXA)

Nghịch lưu

1. 2. Các linh kiện điện tử công suất

1.2.1 Chất bán dẫn - Lớp tiếp giáp P - N Chất bán dẫn:

Ở nhiệt độ bình thường có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện

Loại P: phần tử mang điện là lỗ trống – mang điện tích dương Loại N: phần tử mang điện là các electron – mang điện tích âm

+ + + + - - - -

P N + - - - - + + +

- - - - + + + +

+ + + - - -

+ - - - + + P N

Miền bão hòa - Cách điện

- - - + + +

Phân cực ngược

N P

+ + + - - -

+

-

+ - - - + +

Miền bão hòa - Cách điện

- - - + + +

N P

+ -

+

-

- +

Miền bão hòa - Cách điện

- +

Phân cực thuận

N P

+ + + - - -

-

+ - - - + +

Miền bão hòa - Cách điện

- - - + + +

-

1.2.2 Diode

Cấu tạo, hoạt động

Katode K

Anode A

Hướng thuận

Hướng ngược

R: reverse – ngược F: forward – thuận

Đặc tính V – A

Nhánh thuận – mở

Diode lý tưởng

Hai trạng thái: mở – đóng

IF [A]

Nhánh ngược – đóng

100

Diode thực tế

Nhánh thuận – mở

UR [V]

UF [V]

U[BR]

1,5

800

400

Nhánh ngược – đóng

r R

= 160 C j = 30 C j

dU dI

r = F

URRM

dU dI

IR [mA]

URSM

UTO: điện áp rơi trên diode

điện trở thuận trong diode

điện trở ngược trong diode UBR: điện áp đánh thủng

Đặc tính động của diode

• UK: Điện áp chuyển mạch • trr: Thời gian phục hồi khả năng đóng • irr: Dòng điện chuyển mạch – phục hồi

+

-

rrt

: điện tích chuyển mạch

Q r

i rr

S g n ó Ð

∫=

trr

I = F i

0,1 irrM

O

irr

Quá áp trong

r r i

irr

O

uR = Uk

uRM

Bảo vệ chống quá áp trong

V

Mở

Đóng

R

C

O

iRC

L

V

irr

iRC t

O

irr

+

-

−

di L dt

Các thông số chính của diode

IF [A]

Điện áp:

100

Nhánh thuận – mở

UR [V]

UF [V]

U[BR]

1,5

800

400

• Giá trị điện áp đánh thủng UBR • Giá trị cực đại điện áp ngược lập lại: URRM • Giá trị cực đại điện áp ngược không lập lại: URSM

Dòng điện - nhiệt độ làm việc

Nhánh ngược – đóng

= 160 C j = 30 C j

URRM

IR [mA]

URSM

• Giá trị trung bình cực đại dòng điện thuận: IF(AV)M • Giá trị cực đại dòng điện thuận không lập lại: IFSM

Diode thực tế: IDB30E60 – Infineon Technologies

1.2.3 Transistor lưỡng cực (BT) (Bipolar Transistor)

Cấu tạo, hoạt động

C

P

N

B

N

B

P

N

E

R

iC

U

C

iB

uEC

uCE

B

E

iE

uEB

uBE

Đặc tính Volt – Ampe

Miền mở bão hòa

IC

UCE = UCE1

Mở

B

U R

UCE = U - RIC

IB2 > IB1

A

• Đặc tính ngoài IC = f(UCE) • Đặc tính điều khiển IC = f(IB)

IB1 > 0

A

IB = 0

Đóng

U

UCE1

IB2

UBE < 0

IB

UCE

Miền đóng bão hòa

ICE

UBR(CE0)

IB = 0

UBR(CER)

UBR(CES)

UBR(CEU)

ICE0 ICER ICES ICEU

UCES

UCE0

UCER

UCEU

UCE c)

ICEU

-

+

-IB

UBE

-IB

UBE

+

-

• 0 … Hở mạch B – E (IB = 0) • R … Mạch B – E theo hình b) • S … Ngắn mạch B – E (RB →0) • U … Mạch B – E theo hình c)

Quá trình quá độ của transistor

0.9IB

0.1IB

uCE

0.1IC

0.9IC

ton

toff

Mạch trợ giúp đóng mở

Các thông số chính

Điện áp:

• Giá trị cực đại điện áp colector – emitor UCE0M khi IB = 0 • Giá trị cực đại điện áp emitor – bazơ UEB0M khi IC = 0

Dòng điện: Giá trị cực đại của các dòng điện IC, IB, IE

(Điện tử công suất – Nguyễn Bính)

Transistor thực tế - MJW3281A (NPN) – ON Semiconductor

1.2.4 Transistor trường MOSFET

(Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor)

D

N

iD

P

N

S

G

OXID

S

G

OXID

uGS

D

iD

G

uDS

uGS

S

Đặc tính động

D

R

CGD

iD

+

RG

G

on

CDS

+

-

uGS

uDS

S

CGS

U

off

-

UG

GS

0.9UG

UG

UGS(th)

0.1UG

t

uDS

0.9U

iD

0.9U

U

0.1U

tr

tf

td(on)

td(off)

toff

ton

MOSFET thực tế - 19MT050XF – International Rectifier

1.2.5 Transistor lưỡng cực cổng cách ly - IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

C

G

E

iC

Đặc tính động

R

C

RG

on

U

G

E

off

uCE

UG

uGE

0.9UG

UG

uGE

UGE(th)

0.1UCM

t

uCE

iC

U

0.9ICM

ICT

0.1ICM

ICM

0.1ICM

tr

tf

td(on)

td(off)

ton

toff

IGBT thực tế 1MB-30-060 – Fuji Electric

1.2.6 Thyristor

Cấu tạo – Hoạt động

u R

N P

J1 J2 J3

P N P N

G iG

uAK

Trạng thái: • Mở • Đóng • Khóa

Hướng ngược

Ký hiệu

• T: Thuận • D: Khóa • R: Ngược

Hướng thuận

iT iD uT uD

Điều kiện để mở Thyristor

• UAK > 0 • Xung điều khiển đưa vào cực điều khiển.

Điều kiện để đóng Thyristor

Đặt điện áp ngược lên A – K

Đặc tính Volt - Ampe

Nhánh thuận – mở

Thyristor lý tưởng

Ba trạng thái: đóng – mở – khóa

Nhánh ngược – đóng

Thyristor thực tế

[A]

10 2

Nhánh thuận – mở

UBR: điện áp ngược đánh thủng UBO: điện áp tự mở của thyristor UTO: điện áp rơi trên Thyristor

Nhánh khóa – khóa

10 -1

IG = 0

10 -2

[V]

IH: Dòng duy trì (holding) IL: Latching

IG = 25 mA

10 -3

U[BR]

u Nhánh khóa – khóa

Các thông số chính

U[BR]

IG = 0

-3

[V]

U[TD]

-2

IG = 25 mA

-1

Tương tự như diode. URRM = UDRM

[A]

Nhánh ngược – đóng

Đặc tính điều khiển của thyristor:

iG

40 iG

IG

2π

ωt

R

UG[V] 30

uG

U

(PGM)Ψ=π/12

20 (PGM)Ψ=π/6

UG=U-RIG

iG

-400C

UGT

O

1

2 IG[A]

IGT

0 t

Đặc tính động

Tổn thất công suất khi mở thyristor

Mở thyristor

Khóa thyristor

A

uD

+

P

J1

N

t

O

G

J2

C uD

P

J3

iC

N

iC

-

iC

t

O

K

Đóng thyristor

toff

• Bảo vệ quá áp trong • Thời gian đóng thyristor – Góc an toàn

Thyristor thực tế - 22RIA SERIES – International Rectifier

1.2.7 GTO Gate Turn Off Thyristor

A

P

J1

iFG

G

N P

J2 J3

N

iRG

G

ur (uD)

uFG

ir (iD)

iRG

K

uRG

K

Đặc tính động

Mở GTO

tgd

tgr

uD

ir

UD

0.9UD

0.1UD

t

O

tgt

IFG÷10Α

iFG

0.2IFG

O

Đóng GTO

tgs

iT

tgf

uD

IT=I

Mạch trợ giúp

0.9IT

ITQ

UDP

iD

O

t

uD

I

tgq

ttq

L

iT

iRG

O

iRG

uRG

IRG

uRG

iRG

uRG

QGQ

GTO thực tế - FG3000FX-90DA – Misubishi Electric

1.2.8 Triac

Hướng ngược

Điện áp thuận Điện áp khóa Dòng điện thuận Dòng điện khóa

Dòng điện và điện áp cực điều khiển

Hướng thuận

Dòng điện thuận Dòng điện khóa

Điện áp thuận Điện áp khóa

Đặc tính Volt - Ampe

Nhánh mở

UG > 0; IG > 0

Nhánh khóa

UD > 0

UG < 0; IG < 0

UG > 0; IG > 0

UDR > 0

UG < 0; IG < 0

Nhánh khóa

Nhánh mở

Triac thực tế - 2N6344 - ON Semiconductor

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

2.1 Năng lượng tích lũy vào cuộn kháng

và giải phóng từ cuộn kháng

t 1

);

( u dt Q t =

t 1

∫

di L dt

Ψ dt

(

)

(

)

i L

t 1

)

( t

= Ψ

− Ψ

−

( Q t L

Ψ = L

di L

i L

t 1

( ) t 1

[ L i L

]

∫

(

)

(

)

i L

2.2 Nhịp và sự chuyển mạch

Nhánh chính – Nhánh phụ Linh kiện ĐTCS chính – Linh kiện ĐTCS phụ

Nhịp là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp thay đổi trạng thái của linh kiện điện tử công suất trong mạch. Tên của nhịp là tên của linh kiện đang dẫn điện.

Chuyển mạch là trạng thái điện từ xảy ra trong mạch bộ biến đổi, được đặc trưng bằng việc dòng điện trong một nhánh chuyển sang một nhánh khác trong khi dòng điện tổng chảy ra từ nút giữa hai nhánh vấn không đổi.

Nhánh chính

Nhánh phụ

Nhánh chính

• Điện áp chuyển mạch • Chuyển mạch ngoài – Chuyển mạch tự nhiên • Chuyển mạch trong • Chuyển mạch trực tiếp • Chuyển mạch gián tiếp • Chuyển mạch nhiều tầng • Thời gian chuyển mạch – Góc chuyển mạch • Chuyển mạch tức thời

2.3 Các đường đặc tính

Đặc tính ngoài (Đặc tính tải): Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và dòng điện đầu ra của bộ biến đổi

Đặc tính điều khiển: Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và đại lượng điều khiển của bộ biến đổi

2.4 Hệ số công suất của bộ biến đổi

… Hệ số công suất PF (Power Factor)

=λ

P S

P: Công suất hữu công S: Công suất biểu kiến

P = mUI(1)cosϕ(1)

m: số pha U: Giá trị hiệu dụng điện áp điều hòa của pha I(1): Giá trị hiệu dụng của thành phần bậc 1 dòng điện pha ϕ(1): Góc chậm pha của thành phần bậc 1 dòng điện pha so với điện áp

S = mUI

∞

I: Giá trị hiệu dụng dòng điện pha

2 nI )(

∑

1 =

∞

2 m U

2 n ( )

2 2 2 m U I (1)

2 n ( )

∑