Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Điện công nghiệp và Điện tử công nghiệp - Cao đẳng): Phần 1 - Trường CĐ nghề Đà Nẵng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:56

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 các linh kiện điện tử công suất; Giải thích được các thông số kỹ thuật của linh kiện; Phân biệt được các bộ biến đổi công suất; Phân tích được nguyên lý làm việc của mạch điện tử công suất; Kiểm tra được chất lượng các linh kiện điện tử công suất. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 giáo trình.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Điện công nghiệp và Điện tử công nghiệp - Cao đẳng): Phần 1 - Trường CĐ nghề Đà Nẵng

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐÀ NẴNG GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Nghề: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Trình độ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số /QĐ-CĐN ngày tháng năm của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng nghề Đà Nẵng) Đà Nẵng, năm…. 1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 1
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Điện tử công suất là giáo trình được biên soạn ở dạng cơ bản và tổng quát cho học sinh, sinh viên nghề Điện công nghiệp, Điện tử công nghiệp, Điện tử dân dụng từ kiến thức nền cho đến kiến thức chuyên sâu. Giáo trình giúp học sinh, sinh viên có được kiến thức chung rất hữu ích khi cần phải nghiên cứu chuyên ngành sâu hơn. Mặc khác giáo trình cũng đã đưa vào các nội dung mang tính thực tế giúp học sinh, sinh viên gần gũi, dễ nắm bắt vấn đề khi va chạm trong thực tế. Trong quá trình biên soạn giáo trình, tác giả đã tham khảo rất nhiều các tài liệu của các tác giả khác nhau cả trong và ngoài nước. Tác giả cũng xin chân thành gởi lời cảm ơn đến lãnh đạo nhà trường Trường Cao đẳng nghề Đà Nẵng đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả hoàn thành giáo trình này. Đặc biệt là sự giúp đỡ hỗ trợ nhiệt tình của tập thể giáo viên bộ môn Điện tử, khoa Điện – Điện tử của trường cũng như các bạn đồng nghiệp đã nhiệt tình đóng góp ý kiến trong quá trình biên soạn. Đà Nẵng, tháng Tham gia biên soạn Chủ biên: ThS. Nguyễn Thị Mỹ Dung 2
MỤC LỤC GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN .................................................................................... 5 BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT .......................................... 7 I. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN ................................................................. 7 II. NGUYÊN TẮC BIẾN ĐỔI TĨNH ........................................................ 9 1. Sơ đồ khối ............................................................................................... 9 2. Các loại tải ............................................................................................ 10 3. Các van biến đổi.................................................................................... 11 III. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN ................................................. 11 1. Trị trung bình (Average) ....................................................................... 11 2. Trị hiệu dụng (Root Mean Square-rms) ................................................. 12 3. Công suất trung bình ............................................................................. 13 BÀI 2: CÔNG TẮC ĐIỆN TỬ ......................................................................... 15 I. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ................................................. 15 1. Phân loại ............................................................................................... 15 2. Diode công suất ..................................................................................... 16 3. BJT Công Suất (Bipolar Juntion Transistor) .......................................... 19 4. MOSFET (Metal – Oxide – Semiconductor Field Effect Transistor) ..... 26 5. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ............................................. 28 6. SCR (Silicon Controlled Rectifier) ........................................................ 29 7. Triac ...................................................................................................... 33 8 GTO ....................................................................................................... 34 II. CÔNG TẮC XOAY CHIỀU .............................................................. 34 1. Đại cương ............................................................................................. 34 2. Công tắc xoay chiều .............................................................................. 34 III. CÔNG TẮC MỘT CHIỀU ............................................................... 35 1. Đại cương ............................................................................................. 35 2. Công tắc DC dùng transistor ................................................................. 35 3. Công tắc DC dùng GTO thyristor .......................................................... 36 4. Công tắc DC dùng thyristor ................................................................... 36 BÀI 3: CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT KHÔNG ĐIỀU KHIỂN .......................... 37 I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ............................................................... 37 II. CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT MỘT PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN ....... 37 3
2. Chỉnh lưu công suất hai nửa chu kỳ ................................................... 40 III. CHỈNH LƯU 3 PHA VỚI CÁC LOẠI TẢI ..................................... 45 1. Chỉnh lưu 3 pha hình tia ...................................................................... 45 2. Chỉnh lưu 3 pha cầu............................................................................. 49 BÀI 4: MẠCH CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT CÓ ĐIỀU KHIỂN ...................... 54 I. TỔNG QUAN MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT ..... 54 II. CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN ............... 55 1. Chỉnh lưu công suất một nửa chu kỳ .................................................. 55 2. Chỉnh lưu công suất hai nửa chu kỳ có điều khiển ............................ 57 3. Chỉnh lưu công suất cầu một pha có điều khiển ................................. 59 III. CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT BA PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN ................. 61 1. Chỉnh lưu 3 pha hình tia có điều khiển ............................................... 61 2. Chỉnh lưu 3 pha cầu có điều khiển ..................................................... 65 BÀI 5: ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU ............................................. 70 II. ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA .......................... 71 1. Trường hợp tải thuần trở ....................................................................... 71 2. Trường hợp tải L ................................................................................... 73 3. Trường hợp tải RL ................................................................................ 74 III. ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU BA PHA............................ 75 IV. BIẾN TẦN....................................................................................... 78 1. Đại cương ............................................................................................ 78 2. Biến tần gián tiếp .................................................................................. 79 3. Biến tần trực tiếp ................................................................................... 79 BÀI 6: NGHỊCH LƯU ..................................................................................... 83 I. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI ........................................................... 83 II. NGHỊCH LƯU ĐIỀU KHIỂN NGUỒN DÒNG ................................. 83 1. Bộ nghịch lưu dòng một pha ................................................................. 83 2. Bộ nghịch lưu dòng ba pha .................................................................... 84 III. NGHỊCH LƯU ĐIỀU KHIỂN NGUỒN ÁP ...................................... 84 1. Bộ nghịch lưu áp một pha ............................................................... 84 2. Bộ nghịch lưu áp ba pha .................................................................. 90 3. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp ...................................... 93 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................... 97 4
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên Mô đun: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã Mô đun: ĐCN13 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun: - Vị trí: + Mô đun Điện tử công suất được bố trí sau khi hoàn thành các môn học thuộc nhóm môn cơ sở. + Mô đun này có ý nghĩa bổ trợ các kiển thức cần thiết về lĩnh vực điện tử cho học viên ngành điện. làm cơ sơ để tiếp thu các môn học, mô đun khác như: PLC cơ bản, kỹ thuật cảm biến.... - Tính chất: + Là môn học chuyên môn trong chương trình đào tạo. Mục tiêu của môn học/mô đun: - Trình bày được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử công suất - Giải thích được các thông số kỹ thuật của linh kiện. - Phân biệt được các bộ biến đổi công suất. - Phân tích được nguyên lý làm việc của mạch điện tử công suất. - Kiểm tra được chất lượng các linh kiện điện tử công suất. - Lắp được các mạch điện tử công suất ứng dụng trong công nghiệp. - Kiểm tra sửa chữa đạt yêu cầu về thời gian với độ chính xác. - Thay thế các linh kiện, mạch điện tử công suất hư hỏng. - Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc. - Tuân thủ các quy tắc an toàn khi lắp đặt các mạch điện, điện tử. - Sử dụng được các thiết bị đo lường điện điện tử. - Kiểm tra và thử mạch. Phát hiện được sự cố và có biện pháp khắc phục. - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác, tư duy khoa học và sáng tạo trong học tập. - Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. 5
Nội dung của mô đun: Thời gian Thực Số hành, thí Tên bài/mục Tổng Lý TT nghiệm , Kiểm tra số thuyết thảo luận, Bài tập 1 Tổng quan về điện tử công 3 3 0 0 suất 2 Công tắc điện tử (van bán 12 4 8 0 dẫn công suất) 3 Chỉnh lưu công suất không 15 2 12 1 điều khiển 4 Chỉnh lưu công suất có 15 2 13 0 điều khiển 5 Điều chỉnh điện áp xoay 15 2 12 1 chiều 6 Nghịch lưu 15 2 12 1 Cộng 75 15 57 3 6
BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mục tiêu: - Trình bày được bản chất, yêu cầu của quá trình điều khiển theo nội dung đã học. - Giải thích được cấu trúc, đặc tính các khâu cơ bản trong hệ thống theo nội dung đã học. - Chủ động, sáng tạo trong học tập. Nội dung chính: 1. Quá trình phát triển 2. Nguyên tắc biến đổi tĩnh 3. Các đại lượng điện cơ bản I. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN Điện tử công suất có thể được xếp vào phạm vi các môn thuộc về kỹ thuật năng lượng của ngành kỹ thuật điện nói chung. Tuy nhiên việc nghiên cứu không chỉ dừng lại ở phần công suất mà còn được ứng dụng trong các lỉnh vực điều khiển khác Kể từ khi hiệu ứng nắn điện của miền tiếp xúc PN được công bố bởi Shockley vào năm 1949 thì ứng dụng của chất bán dẩn càng ngày càng đi sâu vào các lĩnh vực chuyên môn của ngành kỹ thuật điện và từ đó phát triển thành ngành điện tử công suất chuyên nghiên cứu về khả năng ứng dụng của chất bán dẩn trong lĩnh vực năng lượng Với sự thành công trong việc truyền tải dòng điện 3 pha vào năm 1891, dòng điện một chiều được thay thế bởi dòng điện xoay chiều trong việc sản xuất điện năng, do đó để cung cấp cho các tải một chiều cần thiết phải biến đổi từ dòng điện xoay chiều thành một chiều, yêu cầu này có thể được thực hiện bằng hệ thống máy phát - động cơ như vẻ ở hình 1.1. Hiện nay phương pháp này chỉ còn áp dụng trong kỹ thuật hàn điện. Hình 1.1. Nguyên lý hệ biến đổi quay Thay thế cho hệ thống máy điện quay nói trên là việc ứng dụng đèn hơi thủy ngân để nắn điện kéo dài trong vòng 50 năm và sau đó chấm dứt bởi sự ra đời của thyristor. Điện tử công suất nghiên cứu về các phương pháp biến đổi dòng 7
điện và cả các yêu cầu đóng/ngắt và điều khiển, trong đó chủ yếu là kỹ thuật đóng/ngắt trong mạch điện một chiều và xoay chiều, điều khiển dòng một chiều, xoay chiều, các hệ thống chỉnh lưu, nghịch lưu nhằm biến đổi điện áp và tần số của nguồn năng lượng ban đầu sang các giá trị khác theo yêu cầu (hình 1.2) Hình 1.2. Dòng năng lượng trong hệ biến đổi tĩnh Ưu điểm của các mạch biến đổi điện tử so với các phương pháp biến đổi khác được liệt kê ra như sau: - Hiệu suất làm việc cao - Kích thước nhỏ gọn - Có tính kinh tế cao - Vận hành và bảo trì dể dàng - Không bị ảnh hưỡng bởi khí hậu, độ ẫm nhờ các linh kiện đều được bọc trong vỏ kín - Làm việc ổn định với các biến động của điện áp nguồn cung cấp - Dễ dự phòng, thay thế - Tuổi thọ cao - Không có phần tử chuyển động trong điều kiện tỏa nhiệt tự nhiên, có thể làm mát bằng quạt gió để kéo dài tuổi thọ - Đáp ứng được các giá trị điện áp và dòng điện theo yêu cầu bằng cách ráp song song và nối tiếp các thyristor lại với nhau. - Chịu được chấn động cao, thích hợp cho các thiết bị lưu động - Phạm vi nhiệt độ làm việc rộng, thông số ít thay đổi theo nhiệt độ - Đặc tính điều khiển có nhiều ưu điểm 8
II. NGUYÊN TẮC BIẾN ĐỔI TĨNH 1. Sơ đồ khối Trong lỉnh vực điện tử công suất, để biểu diễn các khối chức năng người ta dùng các ký hiệu sơ đồ khối, điện năng truyền từ nguồn (có chỉ số 1) đến tải (có chỉ số 2) 1.1 Chỉnh lưu Nhiệm vụ của mạch chỉnh lưu nhằm biến đổi năng lượng nguồn xoay chiều một pha hoặc ba pha sang dạng năng lượng một chiều (hình 1.3) Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ chỉnh lưu 1.2 Nghịch lưu Nhiệm vụ mạch nghịch lưu nhằm biến đổi năng lượng dòng một chiều thành năng lượng xoay chiều một pha hoặc ba pha (hình 1.4) Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ nghịch lưu 1.3 Các hệ biến đổi Các mạch biến đổi nhằm thay đổi dòng xoay chiều có điện áp, tần số và số pha xác định sang các giá trị khác (hình 1.5) 9
Hình 1.5. Sơ đồ khối hệ biến đổi Dòng một chiều có điện áp xác định sang dòng một chiều có giá trị điện áp khác (converter DC to DC) Mạch biến đổi thường là sự kết hợp từ mạch chỉnh lưu và mạch nghịch lưu. Do đó, lại được chia làm hai loại: Biến đổi trực tiếp và biến đổi có khâu trung gian 2. Các loại tải Tính chất của tải có ảnh hưởng rất quan trọng đến chế độ làm việc của các mạch đổi điện, người ta chia tải thành các loại như sau: 2.1 Tải thụ động Tải thuần trở chỉ bao gồm các điện trở thuần, đây là loại tải đơn giản nhất, dòng điện qua tải và điện áp rơi trên tải cùng pha với nhau. Loại này được ứng dụng chủ yếu trong lỉnh vực chiếu sáng và trong các lò nung. Tải cảm kháng có đặc tính lưu trữ năng lượng, tính chất này được thể hiện ở hiện tượng san bằng thành phần gợn sóng có trong điện áp một chiều ở ngỏ ra của mạch nắn điện và xung điện áp cao xuất hiện tại thời điểm cắt tải Các ứng dụng quan trọng của loại tải này là: Các cuộn kích từ trong máy điện (tạo ra từ trường), trong các thiết bị nung cảm ứng và các lò tôi cao tần. Trong các trường hợp này điện cảm thường được mắc song song với điện dung để tạo thành một khung cộng hưởng song song 2.2 Tải tích cực Các loại tải này thường có kèm theo một nguồn điện áp (hình 1.6) như các van chỉnh lưu ở chế độ phân cực nghịch. Ví dụ: Quá trình nạp điện bình ắc quy và sức phản điện của động cơ điện. 10
Hình 1.6 Sơ đồ tương đương của một tải trở kháng với sức phản điện 3. Các van biến đổi Các van điện là những phần tử chỉ cho dòng điện chảy qua theo một chiều nhất định. Trong lĩnh vực điện tử công suất đó chính là các diode bán dẫn và thyristor kể cả những transistor công suất 3.1 Van không điều khiển được (diode) Một diode lý tưởng chỉ cho dòng điện chạy qua nó khi điện áp anode dương hơn cathode, điện áp ngõ ra của diode chỉ phụ thuộc theo điện áp ngõ vào của diode đó 3.2 Van điều khiển được (thyristor) Một chỉnh lưu có điều khiển lý tưởng vẫn không dẫn điện mặc dù giữa anode và cathode được phân cực thuận (anode dương hơn cathode). Điều kiện để các van này dẫn điện là đồng thời với chế độ phân cực thuận phải có thêm xung kích tại cực cổng (UAK dương và UGK dương). Điện áp ngõ ra không những phụ thuộc theo điện áp vào mà còn phụ thuộc theo thời điểm xuất hiện xung kích (đặc trưng bởi góc kích α) III. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN 1. Trị trung bình (Average) Cho dòng điện i(t) và điện áp u(t) có chu kỳ T. Trị trung bình của dòng và áp được tính bằng công thức: I = ∫ i(t) dt (1.1) U = ∫ u(t) dt (1.2) Với: t0 – là thời điểm đầu của chu kỳ lấy tích phân. Ở chế độ xác lập trị trung bình điện áp trên L bằng 0. Vì thế trị trung bình dòng không phụ thuộc vào giá trị L mà chỉ phụ thuộc vào R và dòng trung bình qua tải được tính bằng công thức: 11
⋃ I = (1.3) 2. Trị hiệu dụng (Root Mean Square-rms) I = ∫ i (t) dt (1.4) U = ∫ u (t) dt (1.5) Ví dụ 1: Cho dòng điện có dạng như hình H1 với Ip = 100A, T = 20ms, T0 = 10ms. Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng của dòng điện. Hình H1 Giải: Dòng điện trung bình : . I = ∫ i(t) dt = ∫ i(t) dt = ∫ dt = = = 50A Dòng điện hiệu dụng : I = ∫ i (t) dt = dt = = 100 = A √ Ví dụ 2: Cho điện áp có dạng như hình H2 với u (t ) = U m sinωt (V). Um = 220V. Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng của điện áp. Hình H2 12
Giải: Điện áp trung bình: √ U = ∫ u(t) dt = ∫ sin( t) d(ωt) = = = 99V Điện áp hiệu dụng: U = ∫ u (t) dt = ∫ [ sin ( )] dt(ωt) ( ) = ∫ [sin ( )] dt(ωt) = ∫ (ωt) = = 110√2 V 3. Công suất trung bình Công suất tức thời của tải được xác định bằng công thức: p(t) = u(t).i(t) (1.6) Vì thế công suất trung bình của tải được xác định bằng công thức: p = ∫ u(t)i(t) dt (1.7) Nếu dòng tải không đổi theo thời gian thì công suất trung bình của tải được tính bằng công thức: Pd = Ud.Id (1.8) Tụ điện và cuộn kháng không tiêu hao công suất. 3.4. Hệ số công suất Là tỷ số giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải. λ= (1.9) Nếu nguồn áp có dạng sin và tải tuyến tính chứa các phần tử R, L, C có giá trị không đổi thì dòng điện qua tải cũng có dạng sin và lệch pha vối điện áp một góc là φ .Ta có biểu thức tính hệ số công suất như sau: P = m.U.I.cos φ ; S = m.U.I λ= (1.10) Trong đó: U, I: lần lượt là trị hiệu của điện áp và dòng điện qua tải. m: là tổng số pha 13
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP Câu hỏi ôn tập: Câu 1: Trình bày quá trình phát triển của điện tử công suất ? Câu 2: Vẽ sơ đồ khối của hệ chỉnh lưu, hệ nghịch lưu và hệ biến đổi năng lượng ? Câu 3: Công thức tính dòng điện và điện áp trung bình ? Câu 4: Công thức tính dòng điện và điện áp hiệu dụng ? Bài tập Bài 1: Cho điện áp có dạng như hình H3 với u (t ) = U m sin ωt (V). Um = 220V. Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng của điện áp. Hình H3 Bài 2: Cho điện áp có dạng như hình H4 với u (t ) = U m sin ωt (V). Um = 220V. Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng của điện áp. Hình H4 14
BÀI 2: CÔNG TẮC ĐIỆN TỬ Mục tiêu : - Phát biểu được đặc tính, nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử công suất theo nội dung đã học. - Kiểm tra chất lượng của linh kiện điện tử công suất đúng yêu cầu kỹ thuật. - Thực hiện bảo vệ quá dòng, quá áp, và quá nhiệt cho linh kiện công suất hoạt động trong thời gian lâu dài. - Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, an toàn trong học tập. Nội dung chính: 1. Linh kiện điện tử công suất 2. Công tắc xoay chiều 3. Công tắc một chiều I. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1. Phân loại Các linh kiện bán dẫn công suất có hai chức năng cơ bản là ĐÓNG và NGẮT dòng điện đi qua nó. Trạng thái linh kiện dẫn điện (ĐÓNG): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất bé (gần bằng không). Trạng thái linh kiện không dẫn điện (NGẮT): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất lớn. Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái không dẫn điện và ngược lại thông qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển của linh kiện. Ta gọi là linh kiện có điều khiển được. Tín hiệu điều khiển có thể là dòng điện, điện áp hay ánh sáng với công suất nhỏ hơn nhiều so với công suất của nguồn và tải. Nếu linh kiện không có cổng điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất ở ngõ ra, ta gọi linh kiện thộc loại không điều khiển được. Đối với các linh kiện điều khiển được, nếu tín hiệu điều khiển chỉ là cho nó dẫn dòng điện mà không thể tác động ngắt dòng điện qua nó, ta gọi linh kiện không có khả năng kích ngắt (SCR, TRIAC). Ngược lại, nếu linh kiện có thể chuyển trạng thái làm việc từ đóng sang ngắt hay từ ngắt sang đóng thông qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển gọi là linh kiện có khả năng kích ngắt (BJT, MOSFET, IGBT, GTO…). Ta có thể phân ra thành ba nhóm linh kiện như sau : - Nhóm các linh kiện không điều khiển như Diode, DIAC. 15
- Nhóm các linh kiện điều khiển kích đóng được như SCR, TRIAC. - Nhóm các linh kiện điều khiển kích ngắt được như BJT, MOSFET, IGBT, GTO. 2. Diode công suất 2.1. Nguyên lý cấu tạo và làm việc : Hình 2.1. Cấu tạo và kí hiệu diode Diode được cấu tạo bằng mối nối P-N, lớp N thừa điện tử, lớp P thiếu điện tử đồng thời chứa các phần tử mang điện dạng lỗ trống tạo ra hàng rào điện thế vào khoảng 0,6 V (hoặc 0,2V). a. Phân cực thuận b. Phân cực ngược Hình 2.2. Sơ đồ phân cực cho diode Khi ta đặt một điện áp lên diode, cực dương gắn với lớp P và cực âm gắn với lớp N (hình H2.2a), khi đó điện tử được chuyển từ lớp N qua lớp P. Còn các hạt mang điện được chuyển từ lớp P sang lớp N và như vậy có một dòng điện chạy qua diode. Khi điện áp ngược được đặt lên diode (cực dương gắn với lớp N và cực âm gắn với lớp P – hình H2.2b), điện tử và phần tử mang điện dạng lỗ trống và các điện tử tự do bị kéo ra xa mối nối, kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua. Khi điện áp ngược tiếp tục tăng các điện tích cũng tăng gia tốc gây lên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng và diode mất tính chất dẫn điện theo một chiều (diode bị hỏng). Trên hình vẽ, đầu ra của lớp P gọi là Anode (A) và lớp N là Cathode (K). 16
2.2.Đặc tính Volt – Ampere (V – A) a. Thực tế b. Lý tưởng Hình 2.3. Đặc tính V-A Đặc tính có hai nhánh: nhánh thuận tương ứng với trạng thái dẫn điện (nằm ở góc phần tư I) và nhánh nghịch tương ứng với trạng thái ngắt (nằm ở góc phần tư III) như trên hình H2.3. Trong đó, hình H2.3a là đặc tính V – A thực tế, hình H2.3b là đặc tính lý tưởng. - U0: điện áp khóa của diode, U0 = 0,3V - 0,6V tùy theo chất bán dẫn. - UF: điện áp thuận của diode - UR: điện áp ngược của diode (điện áp đánh thủng) - IF: dòng điện thuận chạy qua diode. 2.3.Trạng thái đóng ngắt Khi điện áp đặt vào anode và cathode lớn hơn điện áp khóa của diode thì diode sẽ dẫn điện, ngược lại thì diode sẽ khóa (không dẫn điện). - UAK > U0: diode dẫn điện. - UAK < U0: diode ngưng dẫn. 2.4. Các tính chất động Quá trình chuyển mạch: là quá trình diode chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái ngắt. 17
Hình 2.4. Quá trình chuyển mạch của diode Trong khoảng [ 0 ÷ t0 ] diode dẫn và dòng qua nó là dòng thuận IF Tại thời điểm t0 diode ngắt, dòng qua diode (dòng thuận) giảm dần về 0. Khi t = t1 : dòng thuận tiến tới 0, nhưng do chuyển động của các hạt dẫn nên diode tiếp tục dẫn với dòng có chiều ngược lại. Khi t = t2: các hạt dẫn tiêu tán hết, diode khôi phục khả năng khoá áp ngược. Khi t = t3 : dòng ngược giảm về 0. Qúa trình ngắt diode kết thúc. Thời gian phục hồi tính nghịch : tph = t3 – t1 ≤ 1µs1. 2.5. Mạch bảo vệ diode Hình 2.5. Mạch bảo vệ diode Để hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng quá áp và bảo vệ cho diode công suất, ta mắc song song với diode mạch lọc RC. Tuy nhiên, các diode công suất trên thực tế đã tích hợp sẳn mạch RC. 2.6. Các đại lượng định mức của diode Điện áp định mức: là điện áp ngược lớn nhất (URM) có thể lặp lại tuần hoàn trên diode. Dòng điện định mức: là dòng điện thuận lớn nhất (IFM) chạy qua diode mà không làm cho diode bị hỏng. Để tăng khả năng chịu áp tải ta ghép nối tiếp các diode, để tăng khả năng chịu dòng tải ta ghép song song các diode. 18
Hình 2.6. Một số hình dạng thực tế của diode 3. BJT Công Suất (Bipolar Juntion Transistor) 3.1. Nguyên lý cấu tạo và làm việc Transistor được cấu tạo bởi cấu trúc 3 lớp dạng n-p-n (hình H2.7a) hoặc p-n- p (hình H2.7b). Nhưng dạng n-p-n được sử dụng nhiều hơn vì loại này có kích thước nhỏ hơn với cùng một mức điện áp và dòng điện. Transistor có 3 cực: cực Base (B), cực Collector (C) và cực Emitter (E) và là linh kiện được điều khiển hoàn toàn thông qua cực B và E. Mạch công suất nối giữa 2 cực C và E. 19