Bài giảng môn Điện tử Công suất (Điện - Điện tử) | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

lOMoAR cPSD| 58457166
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------------------- Nguyễn Trung Hiếu
Nguyễn Đức Việt BÀI GIẢNG
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
(Dành cho sinh viên chuyên ngành Điện-Điện tử) Hà Nội, 6-2010 lOMoAR cPSD| 58457166 LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng các linh kiện bán dẫn
công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch vào quá trình biến đổi điện năng. Hiểu về điện tử công
suất sẽ hỗ trợ cho chúng ta khả năng phân tích, thiết kế các mạch điện-điện tử với độ chính xác
cao, hoạt động ổn định.
Cuốn bài giảng Điện tử công suất này đƣợc biên soạn phục vụ cho chƣơng trình đào tạo
hệ đại học chuyên ngành Điện-Điện tử của Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn thông.
Tài liệu này giúp cho sinh viên các kiến thức cơ bản về điện tử công suất, các linh kiện
điện tử, các mạch biến đổi điện-điện tử từ đó làm tiền đề cho sinh viên hiểu, biết phân tích và
thiết kế các mạch điện tử công suất.
Nội dung bài giảng gồm 7 chƣơng: Chƣơng
1: Các khái niệm cơ bản
Chƣơng 2: Các linh kiện bán dẫn
Chƣơng 3: Chỉnh lƣu và lọc điện
Chƣơng 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều
Chƣơng 5: Nghịch lƣu và biến tần Chƣơng 6: Ổn áp nguồn
Chƣơng 7: Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
Do hạn chế về mặt thời gian cũng nhƣ kiến thức nên không thể tránh khỏi những thiếu sót
trong lần biên soạn đầu tiên này, chúng tôi xin chân thành cảm ơn và mong đợi ý kiến đóng góp
của bạn đọc gửi về theo địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật điện tử, Khoa Kỹ thuật điện tử 1, Học viện
Công nghệ Bƣu chính Viễn thông. lOMoAR cPSD| 58457166 MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... - 1 -
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................................ iv
CHƢƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN .............................................................................. 1
1.1. TRỊ TRUNG BÌNH CỦA DÕNG ĐIỆN, ĐIỆN ÁP, CÔNG SUẤT ............................... 1
1.2. TRỊ HIỆU DỤNG CỦA DÕNG ĐIỆN, ĐIỆN ÁP .......................................................... 3
1.3. HỆ SỐ CÔNG SUẤT ...................................................................................................... 4
1.3.1. Một số khái niệm ...................................................................................................... 4
1.3.2. Công suất tín hiệu ..................................................................................................... 4
1.3.2. Cách nâng cao hệ số công suất ................................................................................. 5
1.4. ĐỘ MÉO DẠNG TÍN HIỆU ........................................................................................... 6
1.5. HIỆN TƢỢNG NHIỄU VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC .............................................. 8
CHƢƠNG 2: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN ............................................................................ 9
2.1. ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT ....................... 9
2.2. DIODE ............................................................................................................................. 9
2.3. TRANSISTOR ............................................................................................................... 11
2.3.1. BJT công suất ......................................................................................................... 11
2.3.2. MOSFET công suất ................................................................................................ 15
2.4. THYRISTOR ................................................................................................................. 17
2.5. TRIAC ........................................................................................................................... 23
2.6. GTO, IGCT, MCT ......................................................................................................... 25
2.6.1. GTO (Gate Turn Off Thyristor) .............................................................................. 25
2.6.2. IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) ..................................................... 27
2.6.3. MCT (Mos Controlled Thyristor) ........................................................................... 29
2.6.4. Một số linh kiện khác ............................................................................................. 31
2.7. SO SÁNH KHẢ NĂNG HỌAT ĐỘNG CỦA CÁC LINH KIỆN ................................ 32
2.78. TỔN HAO CÔNG SUẤT TRÊN CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT .......... 32
2.9. VẤN ĐỀ LÀM MÁT VAN BÁN DẪN ........................................................................ 32
CHƢƠNG 3: CHỈNH LƢU VÀ LỌC ĐIỆN .......................................................................... 33
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................................... 33
3.1.1. Khái niệm ............................................................................................................... 33
3.1.2. Cách mắc các van bán dẫn ...................................................................................... 34
3.2. CÁC DẠNG MẠCH CHỈNH LƢU CƠ BẢN .............................................................. 36
3.2.1. Chỉnh lƣu một pha không điều khiển ..................................................................... 36
3.2.2. Chỉnh lƣu ba pha không điều khiển ....................................................................... 46
3.2.3. Chỉnh lƣu một pha có điều khiển ........................................................................... 51
3.2.4. Chỉnh lƣu ba pha có điều khiển ............................................................................. 57
3.3. CHỈNH LƢU BỘI ÁP ................................................................................................... 65
3.4.1. Chỉnh lƣu bội áp nửa sóng ..................................................................................... 65
3.4.2. Sơ đồ chỉnh lƣu bội áp một pha toàn sóng ............................................................. 66
3.4. GHÉP NỐI TIẾP VÀ SONG SONG CÁC BỘ CHỈNH LƢU ...................................... 67
3.4.1. Bộ chỉnh lƣu cầu 2 pha nối tiếp ............................................................................. 67
3.4.2. Bộ chỉnh lƣu cầu 2 pha song song ......................................................................... 69
3.5. BỘ LỌC ......................................................................................................................... 70 lOMoAR cPSD| 58457166
3.5.1. Bộ lọc san bằng ....................................................................................................... 70
3.5.2. Các loại bộ lọc san bằng ......................................................................................... 71
CHƢƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU ........................................................... 74
4.1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................................... 74
4.2. BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FORWARD ................................................... 74
4.2.1. Bộ biến đổi làm việc một phần tƣ mặt phẳng tải ................................................... 75
4.2.2. Bộ biến đổi làm việc hai phần tƣ mặt phẳng tải I và II .......................................... 80
4.2.3. Bộ biến đổi làm việc bốn phần tƣ mặt phẳng tải.................................................... 82
4.2.4. Bộ biến đổi làm việc tại hai phần tƣ I và IV .......................................................... 85
4.2.5. Sóng hài áp dòng trên tải RLE ................................................................................ 86
4.2.6. Ghép song song các bộ biến đổi ............................................................................. 87
4.3. BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FLYBACK .................................................... 89
4.4. MẠCH TẮT SCR .......................................................................................................... 90
4.4.1. Ví dụ mạch tắt SCR ................................................................................................ 90
4.4.2. Sơ đồ chuyển mạch cứng các SCR ......................................................................... 91
4.4.3. Sơ đồ chuyển mạch mềm các SCR ......................................................................... 94
4.5. ỨNG DỤNG .................................................................................................................. 98
4.5.1. Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi ........................................................................... 98
4.5.2. Điều khiển động cơ một chiều ................................................................................ 99
4.5.3. Các bộ nguồn một chiều - cấp điện hay ổn áp xung ............................................. 100
4.5.4. Nghịch lƣu ............................................................................................................ 101
TÓM TẮT ........................................................................................................................... 101
CHƢƠNG 5: NGHỊCH LƢU VÀ BIẾN TẦN ..................................................................... 101
5.1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................................. 101
5.1. PHÂN LOẠI NGHỊCH LƢU ..................................................................................... 102
5.1.1. Nghịch lƣu song song và nối tiếp ......................................................................... 102
5.1.2. Nghịch lƣu nguồn dòng và nguồn áp ................................................................... 103
5.3. NGHỊCH LƢU NGUỒN DÕNG ................................................................................ 104
5.3.1. Sơ đồ một pha ....................................................................................................... 104
5.3.2. Sơ đồ 3 pha ........................................................................................................... 109
5.4. NGHỊCH LƢU NGUỒN ÁP ...................................................................................... 111
5.4.1. Sơ đồ một pha ....................................................................................................... 111
5.4.2. Sơ đồ ba pha ......................................................................................................... 112
5.4.3. Nghịch lƣu đa bậc ................................................................................................ 115
5.4.4. Tính toán gần đúng nghịch lƣu nguồn áp............................................................. 118
5.5. ĐIỀU KHIỂN ÁP RA VÀ HẠN CHẾ SÓNG HÀI ..................................................... 118
5.5.1. Phân tích sóng hài điện áp .................................................................................... 118
5.5.2. Điều khiển áp ra .................................................................................................... 119
5.5.3. Hạn chế sóng hài đầu ra ........................................................................................ 123
5.6. MẠCH ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU ....................................................................... 124
5.6.1. Mạch tạo logic ba pha ........................................................................................... 124
5.6.2. Mạch tạo áp chuẩn hình sin dùng ROM và DAC (biến đổi số tƣơng tự) ............ 125
5.6.3. Mạch điều khiển nghịch lƣu dung chƣơng trình ROM ....................................... 126
6.7. BIẾN TẦN ................................................................................................................... 127
5.8. ỨNG DỤNG ................................................................................................................ 130 lOMoAR cPSD| 58457166
5.8.1. Các bộ nguồn tần số cao ....................................................................................... 130
5.8.2. Bộ nguồn xung sử dụng nghịch lƣu ..................................................................... 130
5.8.3. Bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn UPS (bộ lƣu điện) .................................. 131
CHƢƠNG 6: ỔN ÁP NGUỒN.............................................................................................. 132
6.1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................................. 132
6.2. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƢNG ............................................................................... 132
6.3. ỔN ÁP NGUỒN SỬ DỤNG PHẦN TỬ HIỆU CHỈNH ............................................. 134
6.3.1. Sơ đồ khối chung .................................................................................................. 134
6.3..2. Bộ ổn định điện áp với hiệu chỉnh nối tiếp, không khuếch đại so sánh .............. 135
6.3.3. Bộ ổn định điện áp với hiệu chỉnh nối tiếp có khuếch đại so sánh ....................... 136
6.3.4. Bộ ổn áp với hiệu chỉnh nối tiếp, dùng IC KĐTT làm bộ khuếch đại so sánh ..... 138
6.3.5. Các mạch bảo vệ hạn chế dòng, áp ....................................................................... 140
6.4. BỘ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP DÙNG VI MẠCH TÍCH HỢP 3 CHÂN ............................ 143
6.4.1. Giới thiệu chung về vi mạch tích hợp 3 chân ....................................................... 143
6.4.2. Các mạch ổn định điện áp dùng vi mạch tích hợp 3 chân .................................... 145
6.4.3. Các mạch nâng cao điện áp ra và dòng ra ............................................................ 147
6.5. NGUỒN ỔN ÁP ĐỐI XỨNG ..................................................................................... 148
6.6. MẠCH ỔN DÕNG ...................................................................................................... 150
6.6.1. Mạch ổn dòng dùng transistor .............................................................................. 150
6.6.2. Mạch ổn dòng dùng IC ổn định 3 chân ................................................................ 151
CHƢƠNG 7: CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT ...................... 152
7.1. HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ DC – BỘ CHỈNH LƢU ....................................... 152
7.2. TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU (HVDC) ............................................................. 152
7.2.1. Giới thiệu .............................................................................................................. 152
7.2.2. Nguyên lý của hệ thống HVDC ............................................................................ 152
7.2.3. Cấu tạo của hệ thống HVDC ................................................................................ 153
7.2.4. Ƣu nhƣợc điểm và ứng dụng ............................................................................... 154
7.3. BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM .............................................................................................. 155
7.4. BỘ BIẾN TẦN CÔNG NGHIỆP ................................................................................ 155
7.5. NGUỒN LIÊN TỤC (UPS) ......................................................................................... 155
7.5.1. Giới thiệu chung về UPS ...................................................................................... 155
7.5.2. Ứng dụng của UPS trong thực tế .......................................................................... 157
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 158
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current BBĐ Bộ biến đổi lOMoAR cPSD| 58457166 DAC Digital Analog Converter DC Direct Current ETO Emitter Turn Off Thyristor GTO Gate Turn Off Thyristor HVDC High Voltage Direct Current IGCT
Integrated Gate Commutated Thyristor KĐTT Khuếch đại thuật toán MCT Mos Controlled Thyristor MTO Mos Turn Off Thyristor NL Nghịch lƣu ROM Read Only Memory SCR Controlled Rectifier TRIAC Triode Alternative Current UPS Uninterrupted Power Supply lOMoAR cPSD| 58457166
CHƢƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Giới thiệu chung
- Tên môn học: Điện tử công suất (Power Electronics)
- Điện tử công suất là một bộ phận của điện tử ứng dụng hay điện tử công nghiệp.
- Thành phần chính cần nghiên cứu là các bộ biến đổi trong hình 1.1. Phân loại bộ
biến đổi theo mục đích ta có: Chỉnh lƣu (AC DC), nghịch lƣu (DC AC), Biến đổi điện
áp DC (DC DC), Biến đổi điện áp AC, biến tần (AC AC). Mạch điện tử Nguồn Tải công suất Điều khiển Bộ biến đổi Hình 1.1:
Bộ biến đổi = Mạch điện tử công suất + Bộ điều khiển.
Mạch ĐTCS giới hạn ở các sơ đồ sử dụng linh kiện điện tử làm việc ở chế độ đóng
ngắt, là các bán dẫn điện tử dùng cho biến đổi năng lƣợng điện.
Bộ điều khiển = Mạch điều khiển vòng kín (nếu có) + Mạch phát xung.
Ví dụ bán dẫn điện tử: Diode, transistor, SCR,…
*) Nội dung khảo sát mạch điện tử công suất: -
Đầu vào khảo sát: Mạch ĐTCS + tín hiệu điều khiển bán dẫn điện tử + đặc tính tải. -
Đầu ra: Hoạt động của mạch u(t), i(t) các phần tử => các đặc trƣng dòng, áp, công suất.
Dƣới đây ta đi tìm hiểu một số khái niệm cơ bản.
1.1. TRỊ TRUNG BÌNH CỦA DÕNG ĐIỆN, ĐIỆN ÁP, CÔNG SUẤT
Gọi i(t) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp. Trị trung bình của đại
lƣợng i, viết tắt là I0 đƣợc xác định theo hệ thức: 1 t 0 Tp
I0 T pt 0 i t dt( ). (1.1) lOMoAR cPSD| 58457166
Với t0 là thời điểm đầu của chu kỳ đƣợc lấy tích phân.
Ta có điện áp trung bình U0, dòng điện trung bình I0 tính theo công thức tính (1.1).
Ví dụ 1.1: Trị trung bình của dòng điện
Xét quá trình dòng điện trên hình vẽ H0.1 , trị trung bình dòng điện cho bởi hệ thức: 1 0.5 1 0.3 Id 0.5 0 i t dt( ).
0.5 0 10.dt 6 [ ]A I(A) 10 0 0,3 0,5 t(ms) Hình 1.1
Trong nhiều trƣờng hợp, thực hiện tích phân theo hàm biến thời gian phức tạp hơn thực
hiện tích phân theo biến góc X với X cho bởi hệ thức:
X= .t với là tần số góc.
Khi ấy, trị trung bình đại lƣợng theo góc X tính theo hệ thức: 1 t0 Tp 1 X0 X p
Id T pt 0 i t dt( ). X pX 0 i X dX( ). (1.2)
Với X0 = .t0; Xp = .Tp; X = .t; dX = d( .t)
Ví dụ 1.2: Trị trung bình của điện áp
Tính trị trung bình điện áp chỉnh lƣu của bộ chỉnh lƣu cầu 1 pha không điều khiển. Hàm
điện áp chỉnh lƣu có dạng u = Um.|sin( .t)|; với Um= 220 2 [V]; = 314[rad/s]. Giải:
Dễ dàng thấy rằng, chu kỳ của dạng áp trên là Tp = 0.01[s]. Đặt X=314.t; Xp = 314 x 0,01= [rad]. 1 X X 1 0 p Ta có: Ud
Xp X 0 u X dX . 0 220 2sinX.dX 198 [V] lOMoAR cPSD| 58457166
1.2. TRỊ HIỆU DỤNG CỦA DÕNG ĐIỆN, ĐIỆN ÁP
Gọi i(t) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp. Trị hiệu dụng của đại
lƣợng i, viết tắt là IR đƣợc xác định theo hệ thức: 1 t0 Tp 2
IR Tpt 0 i t( ) .dt (1.1)
Với t0 là thời điểm đầu của chu kỳ đƣợc lấy tích phân.
Ta có điện áp hiệu dụng UR, dòng điện trung bình IR tính theo công thức tính (1.3). Ví dụ 1.3:
a) Tính trị hiệu dụng của điện u Um.sin(314 )t 220 2.sin(314 ) ( )t V ?
b) Xác định trị trung bình và hiệu dụng của các điện áp u1 và u2 sau: u ; u 0 u ; u 0 u1 ; ; u ; 0 u 0 u 0 2 u Hƣớng dẫn:
a) Chu kỳ của điện áp u là 2p [rad]. Trị hiệu dụng điện áp cho bởi hệ thức:
URMS T1 t0 TP 2. 1 .2
(Um.sin X) .2 dX . u dt 2 P t 0 0
Lấy tích phân ta thu đƣợc kết quả: Um 220 ( )V URMS 2 U1AV 21 U m 220 2 99
( )V Um.sin .x dx 0 b) lOMoAR cPSD| 58457166 U U .sin. xdx 2 AV m 0 1 2 1 1 cos2 x 1 1 sin2 x U ( U .sin). x dx U. . dx U. x 1 rms 2 m 2 2 4 0 0 0 1 220 U 155,56 1 rms V 2 2 1 2 2 1 cos2 x 2 1 sin2 x U ( U .sin). x dx U. . dx U. x 2 rms m 2 2 4 0 0 0 2 U . U 220 2 rms U V 1 Um 2 2 2 220 198 ( )V
1.3. HỆ SỐ CÔNG SUẤT
1.3.1. Một số khái niệm
- Công suất tác dụng P: biểu thị năng lƣợng sử dụng trong một đơn vị thời gian. 1 P T T v t i t dt( ). ( ).
- Công suất biểu kiến S: tính bằng tích số giá trị hiệu dụng dòng và áp, biểu thị năng
lƣợng sử dụng trong một đơn vị thời gian nếu xem tải là thuần trở. S V IR R.
- Hệ số công suất hay PF (Power Factor) đối với một tải đƣợc định nghĩa bằng tỉ số giữa
công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải đó. P PF S
Trong trƣờng hợp tín hiệu xoay chiều hình sin, ta có: PF cos với là góc lệch giữa
dòng điện và điện áp trong mạch.
1.3.2. Công suất tín hiệu
Có nhiều công thức tính công suất trong mạch điện tử công suất, phụ thuộc vào mục đích sử dụng. lOMoAR cPSD| 58457166
+ Công suất của tín hiệu một chiều (P0 hay PDC) V I P0
0 0. ; V0 và I0 là điện áp trung bình và dòng điện trung bình.
+ Công suất của tín hiệu xoay chiều (hình sin):
1 P1 V I1 1. .cos 1; V1, I1 là biên độ điện áp và dòng điện; 1là góc lệch pha giữa 2
dòng điện và điện áp.
+ Công suất toàn phần ở đầu ra, gồm thành phần một chiều và sóng hài bậc cao. 1
P T T v t i t dt( ). ( ). P0 n
1V In. n.cos n
Ở các bộ biến đổi đầu ra áp một chiều, thì V0, I0, PDC là các thành phần mong muốn, sóng
hài bậc cao (các thành phần hình sin) là không mong muốn, chỉ tạo ra các tác dụng phụ.
1.3.2. Cách nâng cao hệ số công suất
Các bộ biến đổi công suất là những thiết bị có tính phi tuyến. Giả sử nguồn điện áp
cung cấp có dạng sin và dòng điện qua nó có dạng tuần hoàn không sin. Dựa vào phân
tích Fourier áp dụng cho dòng điện i, ta có thể tách dòng điện thành các thành phần sóng
hài cơ bản I(1) cùng tần số với nguồn áp và các sóng hài bậc cao I(2), I(3),... Dễ dàng thấy
rằng, sóng điện áp nguồn và sóng hài cơ bản của dòng điện tạo nên công suất tiêu thụ của tải:
P = P1 = m.U.I(1).cos 1 với 1 là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện sóng hài cơ bản.
Các sóng hài còn lại (bậc cao) tạo nên công suất ảo. Ta có:
S 2 ( . . )mU I 2 m U2.2.(I(1)2 I(2)2 I(3)2 ...)
S 2 m U I2.2. (1)2 m U2.2. I(2j) m U I2.2. (1)2 .cos2 1 m U I2.2. (1)2 .sin2 1 m U2. 2. I(2j) j 2 j 2
S 2 P2 Q12 D2 Với
P mU I. . (1).cos 1 : Công suất tiêu thụ của tải. lOMoAR cPSD| 58457166
Q1 mU I. . (1).sin 1 : công suất phản kháng (công suất ảo do sóng hài cơ bản của dòng điện tạo nên). . D m U2. 2
I 2(j) : công suất biến dạng (công suất ảo do các sóng hài bậc cao của j 2 dòng điện tạo nên). P P
Từ đó ta suy ra hệ số công suất: PF S P2 Q12 D2
Muốn tăng hệ số công suất, ta có thể:
Giảm Q1 (công suất ảo của sóng hài cơ bản) bằng cách thực hiện bù công suất phản
kháng. Các biện pháp thực hiện nhƣ bù bằng tụ điện, bù bằng máy điện đồng bộ kích
từ dƣ hoặc dùng thiết bị hiện đại bù bán dẫn (SVC - Static Var Compensator);
Giảm D (công suất ảo của các sóng hài bậc cao): Tuỳ theo phạm vi hoạt động của
dãy tần số của sóng hài bậc cao đƣợc bù, ta phân biệt các biện pháp sau đây:
• Lọc sóng hài: áp dụng cho các sóng hài bậc cao lớn hơn sóng hài cơ bản đến
giá trị khoảng kHz. Có thể sử dụng các mạch lọc cộng hƣởng LC. Ví dụ dùng
mạch lọc LC cộng hƣởng với bậc 5, 7, 11..mắc song song với nguồn cần lọc.
• Khử nhiễu: đề cập trong mục 1.5.
Ngoài ra, có thể biểu diễn hệ số công suất theo hệ thức sau: I(1) PF cos 1 I
1.4. ĐỘ MÉO DẠNG TÍN HIỆU a) Sóng hài bậc cao v t( ) V0 An sin n t Bn cos n t V0
vn n 1 n 1 2 2 V Với vn nsin
nt n , An T T v t( ).sin nt dt., Bn T T v t( ).cos nt dt. , An , VR V02 1 Vn2 lOMoAR cPSD| 58457166
Vn An2 Bn2 , n tg 1 Bn 2 n 1 trong đó:
V0 : trị số trung bình ( thành phần một chiều ) của v(t)
: tần số góc của v(t), chu kỳ T 2 /
vn: sóng hài bậc n - có tần số n .
An , Bn : các thành phần sin, cos của sóng hài bậc n
Vn , n: biên độ và lệch pha của sóng hài bậc n
VR : Trị hiệu dụng của v(t).
b) Hệ số hình dạng ( form factor ): tỉ số giữa giá trị hữu dụng và giá trị hiệu dụng.
+ Đối với bộ biến đổi có đầu ra một chiều: V0 KFDC VR
Với V0 : điện áp trung bình đầu ra; VR : điện áp hiệu dụng đầu ra.
+ Đối với bộ biến đổi có đầu ra xoay chiều: V1 ; KFAC VR
Với V1: điện áp hiệu dụng sóng hài bậc 1 (cơ bản) đầu ra; VR : điện áp hiệu dụng đầu ra.
c) Độ biến dạng (THD – Total harmonic distortion) VR2
V02 + Đầu ra điện áp một chiều: THD V0
+ Đầu ra điện áp xoay chiều: THD VR2 V lOMoAR cPSD| 58457166 12 V1
1.5. HIỆN TƢỢNG NHIỄU VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
Nhiễu là nguyên nhân làm cho mạch chạy không ổn định, cung nhƣ làm giảm hiệu
năng của các mạch điện tử nói chung và mạch điện tử công suất nói riêng. Hiện tƣợng
nhiễu có một số nguyên nhân sau:
- Do môi trƣờng bên ngoài tác động. Ảnh hƣởng từ các nguồn nhiễu tự nhiên hoặc
do các hệ thống điện tử đặt gần đó.
- Do bản thân mạch gây ra. Các sóng tần số cao này phát sinh từ các mạch điều khiển
phát sóng với tần số cao hoặc do quá trình đóng ngắt các linh kiện công suất, các
sóng hoạt động trong các mạch điện có khả năng phát sóng điện từ lan truyền vào
môi trƣờng và tạo nên tác dụng gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh, thậm chí gây
nhiễu cho chính bản thân mạch điều khiển các thiết bị công suất.
Biện pháp khắc phục: dùng tụ, dùng mạch lọc, dùng bọc kim dây dẫn hoặc dùng lƣới
chống nhiễu cho thiết bị. lOMoAR cPSD| 58457166
CHƢƠNG 2: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN
2.1. ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT
Bán dẫn: là chất mà trong nhiệt độ bình thƣờng nó có độ dẫn điện giữa chất dẫn
điện và chất cách điện. Hiện nay, bán dẫn thƣờng dùng là Silic, Silic tinh khiết có cấu
trúc tinh thể rất bền vững. Ở nhiệt độ thấp, nó không có các điện tích tự do. Vì thế, Silic
tinh khiết hoạt động nhƣ chất cách điện.
Hỗn hợp Silic với các nguyên tố khác có ảnh hƣởng rất lớn đến độ dẫn điện của
Silic. Một hỗn hợp của Silic chứa thừa điện tích tự do và các điện tích này trở thành hạt
dẫn điện, hỗn hợp này tạo thành chất bán dẫn loại N. Một số hỗn hợp của Silic thiếu điện
tử- chúng có lỗ hổng. Các lỗ hổng tạo thành thành phần dẫn điện chủ yếu. Hỗn hợp loại
này tạo thành bán dẫn loại P với độ dẫn điện loại P.
Lớp tiếp xúc PN: là vùng trong bán dẫn mà vùng dẫn điện loại P đƣợc chuyển thành loại N.
Đặc tính V-A: biểu diễn quan hệ giữa dòng điện đi qua hai cực của linh kiện và
điện áp đặt giữa các cực đó. Các giá trị điện áp và dòng điện này đƣợc hiểu là giá trị áp
và dòng một chiều không đổi.
- Dẫn điện hay bảo hoà (ON): sụt áp qua kênh dẫn điện rất bé, dòng phụ thuộc vào tải.
- Khóa (OFF): dòng qua nó rất bé ( 0), kênh dẫn điện nhƣ hở mạch.
Các linh kiện chính: Diode, transistor, thyristor (SCR), Triac, GTO, IGCT, MCT,.. 2.2. DIODE Hình 2.1: Diode
Mô tả và chức năng, đặc tính V-A, tính chất động
Sinh viên tham khảo trong tài liệu Cấu kiện điện tử.
Khả năng chịu tải: lOMoAR cPSD| 58457166
Điện áp định mức: đƣợc xác định bởi điện thế nghịch cực đại URRM. Đó là điện áp nghịch
lớn nhất có thể lập lại tuần hoàn trên diode.
Khi thiết kế mạch bảo vệ chống lại quá áp nghịch ngẫu nhiên, ta định mức theo
điện thế nghịch không thể lập lại uRSM. Khi diode làm việc, thì không cho phép xuất hiện áp lớn hơn uRSM.
Dòng điện định mức: diode khi hoạt động phát sinh tổn hao. Tổn hao chủ yếu do
dòng thuận gây ra. Tổn hao do dòng nghịch gây ra không đáng kể và công suất tổn hao
do quá trình ngắt sẽ có độ lớn đáng kể khi tần số đóng ngắt lớn hơn khoảng 400Hz. Công
suất tổn hao tổng không đƣợc phép làm nóng mạch diode lên quá nhiệt độ cực đại VjM,
nếu không lớp PN sẽ bị phá hỏng . Vì thế diode đƣợc làm mát và khả năng chịu dòng
của nó bị giới hạn bởi trị trung bình cực đại của dòng thuận iF(AV)M. Đối với từng loại
diode và điều kiện làm mát, các nhà sản xuất thƣờng đƣa ra các đặc tính IFAVM = f (Tamb)
(Tamb là nhiệt độ môi trƣờng).
Đối với những đặc tính khác nhau này, thông số đƣợc chọn là hình dạng của dòng qua
diode. Giá trị IFAV ứng với nhiệt độ Tamb và điều kiện làm mát cho trƣớc và ứng với dạng
nửa sóng sin của dòng (50Hz) đƣợc gọi là dòng đặc trƣng của diode. Khả năng chịu
dòng của diode hiện nay khoảng vài ngàn ampere.
Khả năng chịu quá dòng: đƣợc cho ở dạng đồ thị quá dòng IFSM = f(t), ứng với
một giá trị dòng vƣợt quá mức bình thƣờng, đồ thị cho biết khoảng thời gian mà diode
có khả năng chịu đƣợc mà không bị hỏng. Giá trị quá dòng cho phép đƣợc gọi là dòng
thuận cực đại không thể lặp lại đƣợc IFSM. Ƣùng với nhiệt độ ban đầu cho trƣớc của
bản bán dẫn và trị của áp nghịch, giá trị IFSM cho biết độ lớn của dòng thuận chịu đƣợc
trong thời gian xác định.
Một thông số khác ảnh hƣởng lên khả năng quá dòng là năng lƣợng tiêu hao , xác
định bằng tích phân theo thời gian của hàm IF bình phƣơng. Lƣợng năng lƣợng này tỉ
lệ với năng lƣợng mà bản bán dẫn có khả năng hấp thụ dƣới dạng nhiệt trong thời gian
qui định (khoảng 10ms) mà không bị hỏng. Từ đặc tính IFSM(t) và I dt 2 F . , ta có thể
thiết kế mạch bảo vệ quá dòng cho diode.
Ghép nối tiếp và song song các diode đƣợc thực hiện khi khả năng chịu áp và
dòng của các diode không đáp ứng đƣợc nhu cầu đặt ra. Khi ghép nối tiếp, ta cần đảm
bảo tính phân bố điện thế đều trên các diode.
Các diode đặc biệt: 1.
Schottky diode: độ sụt áp theo chiều thuận thấp (khoảng 0,3V). Do đó, nó
đƣợc sử dụng cho các mạch điện áp thấp. Điện áp ngƣợc chịu đƣợc khoảng 50- 100V 2.
Diode phục hồi nhanh: đƣợc áp dụng trong các mạch hoạt động tần số cao.
Khả năng chịu áp đến vài ngàn volt và dòng vài trăm amper, thời gian phục hồi trr khoảng vài µs. lOMoAR cPSD| 58457166 3.
Diode tần số công nghiệp: các diode tần số công nghiệp đƣợc chế tạo để đạt
độ sụt áp thấp khi dẫn điện. Hệ quả, thời gian trr tăng lên. Khả năng chịu áp của chúng khoảng
vài kilovolt và dòng điện vài kiloamper. 2.3. TRANSISTOR
2.3.1. BJT công suất
(Tham khảo tài liệu Cấu kiện điện tử)
Khả năng chịu tải
Định mức điện áp: phụ thuộc vào điện áp đánh thủng các lớp bán dẫn và xác
định bởi giá trị uCEOM -giá trị điện thế cực đại đặt lên lớp collector-emitter khi iB = 0 và
giá trị cực đại uEBOM - điện thế lớp emitter-base khi iC = 0. Các giá trị này là những trị
tức thời. Ta cần phân biệt chúng trong trƣờng hợp tải dạng một chiều không đổi theo
thời gian và các tải xung, mặc dầu thông thƣờng trong cả hai trƣờng hợp các điện áp
đƣợc thiết lập giống nhau.
Định mức dòng điện: giá trị cực đại của dòng collector iCM, dòng emitter iEM và
dòng kích iBM. Đó là các giá trị cực đại tức thời của transistor khi đóng trong trạng thái
bão hòa. Khi thiết lập chúng, ta xét đến ảnh hƣởng của các mối tiếp xúc, dây dẫn tới điện
cực và các giá trị hFEsat, uCEsat.
Công suất tổn hao: công suất tổn hao tạo nên trong hoạt động của transistor không 0 đƣợc
phép làm nóng bán dẫn vƣợt quá giá trị nhiệt độ cho phép TjM (TjM =150 C). Vì thế, cần
làm mát transistor và toàn bộ công suất tổn hao phải nhỏ hơn PtotM. Công suất tổn hao
chủ yếu do công suất tổn hao trên collector, PC= UCE.ICE tạo ra (các thành phần khác của
Ptot thƣờng bỏ qua ). Giá trị PtotM phụ thuộc vào phƣơng pháp làm mát và đƣợc cho
dƣới dạng hàm số Ptot =f(Tamb) (Tamb là nhiệt độ môi trƣờng ), thông số là UCE. Công suất
tổn hao hình thành khi transistor dẫn bão hòa, ngay cả khi IC = ICM, rất nhỏ so với giá trị
PtotM. Công suất tổn hao khi transistor ngắt thƣờng không đáng kể. Trong chế độ xung,
khi tần số đóng ngắt cao và vƣợt quá giá trị chẳng hạn 2000 Hz thì công suất tổn hao
trung bình do đóng ngắt có thể đạt giá trị đáng kể và làm cho công suất tổn hao tổng có thể vƣợt hơn PtotM.
Mạch kích Transistor BJT
Để tăng tần số đóng ngắt của transistor công suất, cần giảm thời gian ton, toff. Để
giảm ton ta có thể đƣa xung dòng kích IB với đỉnh khá lớn đầu giai đoạn kích. Sau khi
transistor dẫn, có thể giảm dòng kích IB đến giá trị dòng bão hòa.
Điều khiển kích đóng
Gai dòng điện kích có thể đạt đƣợc bằng mạch (hình 2.2). Khi xung điện áp UB đƣa vào,
dòng điện qua cổng B bị giới hạn bởi điện trở R1. lOMoAR cPSD| 58457166 Hình 2.2:
Sau thời gian quá độ, dòng IB có giá trị:
Tụ C1 đƣợc nạp đến độ lớn
Hằng số thời gian nạp tụ:
Nếu nhƣ ta cho điện áp UB về 0, lớp BE bị phân cực ngƣợc và tụ C1 phóng qua R2.
Hằng số thời gian xả tụ là t2 = R2.C1. Để đủ thời gian nạp và xả tụ, độ rộng xung phải thỏa mãn : t1 ≥ 5. 1 t2 ≥ 5. 2
Do đó, tần số đóng ngắt lớn nhất
Điều kiện kích ngắt:
Nếu điện áp UB giảm xuống giá trị âm U2 < 0, điện áp ngƣợc đặt lên BE bằng tổng điện áp UB và UC.
Gai dòng IB xuất hiện, sau khi tụ C1 xả hết, điện áp trên BE xác lập bằng U2. Nếu cần
thiết lập quá trình kích đóng và kích ngắt riêng biệt, ta có thể sử dụng mạch sau (hình 2.3): lOMoAR cPSD| 58457166 Hình 2.3:
Diode D1 bảo vệ mạch cổng của transistor trong thời gian kích ngắt
Mạch cách ly tín hiệu điều khiển và mạch kích
Các mạch phát ra tín hiệu để điều khiển mạch công suất dùng bán dẫn thƣờng yêu cầu
cách ly về điện. Điều này có thể thực hiện bằng optron hoặc bằng biến áp xung.
Biến áp xung: gồm một cuộn sơ cấp và có thể nhiều cuộn thứ cấp. Với nhiều cuộn
dây phía thứ cấp, ta có thể kích đóng nhiều transistor mắc nối tiếp hoặc song song. Sơ
đồ nguyên lý mạch cách ly tín hiệu điều khiển dùng biến áp xung đƣợc vẽ trên hình 2.4.
Biến áp xung cần có cảm kháng tản nhỏ và đáp ứng nhanh. Trong trƣờng hợp
xung điều khiển có cạnh tác động kéo dài hoặc tần số xung điều khiển thấp, biến áp xung
sớm đạt trạng thái bão hòa và ngõ ra của nó không thỏa mãn yêu cầu điều khiển. Hình 2.4:
Optron: gồm nguồn phát tia hồng ngoại dùng diode (ILED) và mạch thu dùng
phototransistor. Tín hiệu xung điều khiển đƣợc đƣa vào LED và ngõ ra đƣợc dẫn từ phototransistor (hình 2.5). lOMoAR cPSD| 58457166 Hình 2.5:
Thời gian ton của phototransistor khoảng 2-5µs, toff = 300ns.
Mạch dùng optron đòi hỏi phải tạo nguồn riêng cho nó. Do đó, mạch phức tạp và tốn kém hơn. Mạch bảo vệ BJT
Dạng mạch bảo vệ BJT tiêu biểu đƣợc vẽ trên hình hình 2.6.
Tác dụng của mạch nhằm bảo vệ transistor trƣớc các hiện tƣợng tăng quá nhanh
của du di điện áp và dòng điện qua transistor. dt dt du
Mạch RC có tác dụng hạn chế độ dốc
giữa hai cực CE. Cuộn kháng LS thực hiện dt di
giảm sự tăng nhanh dòng qua BJT. dt Hình 2.6: