Đề thi Giữa kỳ Môn Điện tử công suất | Đại học Bách Khoa Hà Nội

lOMoAR cPSD| 61548596
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐỀ THI GIỮA KỲ 2023.2
TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Học phần: EE3410 – Điện tử công suất Ngày thi: 29/05/2023
Thời gian làm bài: 90 phút Đề số: 01 Tổng số trang: 1
(Không sử dụng tài liệu. Nộp đề thi cùng với bài làm) Ký
Trưởng nhóm/Giảng viên phụ trách HP: Khoa phụ trách HP: Khoa Tự động hóa duyệt
Câu 1 (3 điểm). Cho sơ đồ chỉnh lưu điôt cầu một pha dùng điôt như trên Hình 1, tải thuần trở R. U1 = 220
V, f = 50 Hz. Phía chỉnh lưu yêu cầu: Ud = 48 V; Pd = 500 W.
Hình 1 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha.
Hình 2 Đặc tính tuyến tính hóa của điôt.
1.1 (1,5 điểm) Coi các phần tử trên sơ đồ là lý tưởng (máy biến áp và các điôt), hãy tính toán các thông
số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu này.
1.2 (0,5 điểm) Hãy chứng tỏ điôt VS-20ETS12THM3 hoặc VS-20ATS12HM3 của hãng Vishay (Tài
liệu kỹ thuật đính kèm) có thể sử dụng được cho ứng dụng trên.
1.3 (1 điểm) Từ những đặc tính về điện của điôt (Electrical specifications) điền các thông số vào đặc tính
V-A tuyến tính hóa của điôt, trên cơ sở đó hãy tính toán tổn hao khi dẫn của các điôt trong sơ chỉnh lưu đã cho.
Hình 3 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha. 1 lOMoAR cPSD| 61548596
Câu 2. (4,5 điểm) Cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha như trên Hình 3, nối trực tiếp với lưới điện hạ thế 3X220/380 V, 50 Hz.
La = 2,5 mH; R = 1,2 Ω; L = ; Ed = 300 V,  = 30.
2.1 (1,5 điểm) Hãy tính toán các giá trị Ud, Id, góc chuyển mạch .
2.2 (0,5 điểm) Từ (2.1) hãy vẽ các dạng điện áp ud, dạng dòng điện iV1 và dạng điện áp trên van uV1.
2.3 (1,5 điểm) Khi Ed = -300 V, năng lượng được đưa trả về lưới với dòng Id = 25 A. Hãy xác định góc
điều khiển , góc chuyển mạch  và công suất đưa trả về lưới điện trong trường hợp này.
2.4 (1 điểm) Khi chuyển sang chế độ nghịch lưu phụ thuộc sơ đồ sẽ làm việc với dòng không đổi Id =
20 A và góc khóa của van ít nhất là min = 9 (ứng với trr = 500s). Hãy xác định góc αmax.
Câu 3: (2,5 điểm)
Hình 4 Đặc tính kỹ thuật của IGBT của hãng Vishay, SiHFPS40N50L. lOMoAR cPSD| 61548596 2
Hình 5 Đồ thị xác định giá trị tụ C GD =Crss
(V DS ) ( Từ đặc tính kỹ thuật của nhà sản xuất Vishay, SiHFPS40N50L ) V V V V I I V V I I f
Hình 6 Đồ thị tuyến tính hóa gần đúng quá trình đóng cắtcủa MOSFET cho tải điện cảm. lOMoAR cPSD| 61548596
Câu 3: (2,5 điểm) Từ các Hình 4, 5, 6, 7 hãy xác định:
3.1 (1,5 điểm) Tổn hao công suất trong
quá trình đóng cắt khi sử dụng
Vishay, SiHFPS40N50L, cho ứng
dụng VDS = 400 VDC, IL = 20 A,
Vdr=0 – 10 V, tần số đóng cắt fsw = 50
kHz bằng phương pháp gần đúng theo đồ thị hình 6.
3.2 (1 điểm) Tính toán công suất cho
mạch Driver cho MOSFET với giả
thiết RG = 1,85  (RG=Rgint+Rgext), VGS
= 0 – 10 V, Các thông số khác liên
quan đến điều khiển hãy tùy chọn cho
phù hợp. (Lưu ý hãy sử dụng công
thức tính tụ ký sinh từ các thông số
Hình 7 Đặc tính điện tích nạp vào cực điều khiển Q của nhà sản xuất: g
theo điện áp giữa cực điều khiển và cực gốc, Vishay, CGD=CRSS; CGS=CISS-CRSS, SiHFPS40N50L CDS=COSSCRSS) lOMoAR cPSD| 61548596
Hướng dẫn ôn tập Kiểm tra giữa kỳ Điện tử công suất
Đáp án đề kiểm tra ĐTCS 5/2022. Câu 1: 1.1.
Các thông số cơ bản của sơ đồ: Ud = 0,9U2 : U2=48/0,9=53,33 (V) Id=Ud/Rd=Pd/Ud Id=500/48=10,42 (A) Van bán dẫn: ID=Id/2; ID=10,42/2=5,21 (A) lOMoAR cPSD| 61548596
Điện áp ngược lớn nhất trên van: Ung,max=
Dòng hiệu dụng MBA: I2=(pi/(2*sqrt(2)))*Id
Sử dụng một bảng excel để tính toán những giá trị cần thiết sau:
Những giá trị cần tính toán
Những hằng số và giá trị đã biết Các biến tính toán Giá trị units Constants units Ud=0,9U2 sqrt(2) 1.414214 U2=Ud/0,9 53.33333333 V Ud 48 V Id=Ud/Rd=Pd/Ud 10.41666667 A Pd 500 W ID=Id/2 5.208333333 A pi 3.142 Ung,max=sqrt(2)U2 75.42472333 V I2=(pi/2*sqrt(2))*Id 11.57150785 A VF(TO) 0.85 V kba=U1/U2 4.125 rt 10.4 mOHM I1=I2/kba 2.805214023 A VFM 1.1 V Sba=1,23Pd 615 VA Id=Id,m*2/pi Id,m=pi*Id/2 16.36458333
PD,av=(4/pi)*Id,m*(2*VF(TO)+rt*Id,m*pi/2) PD,av 40.98689809 W 1.2.
Các điôt VS-20ETS12THM3 hoặc VS-20ATS12HM3 có IF = 20 A > ID =5,2 A, VR = 1200 V >>
Ung,max = 75,43 V, vì vậy đều có thể dùng tốt cho ứng dụng này. 1.3.
Thông số của điôt VFM = 1,1 V; rt = 10,4 m; VF(TO) = 0,85 V
Thay vào đặc tính tuyến tính hóa
Dòng qua điốt có dạng nửa sin, mỗi lần đi qua 2 điôt. Bỏ qua tổn thất khi khóa, tổn thất khi dẫn trung bình bằng: lOMoAR cPSD| 61548596 11\* MERGEFORMAT ()
Đưa biểu thức (1) vào bảng tính excel ở trên tính ra tổn hao công suất trung bình trên 4 điôt trong sơ đồ. 5 Câu 2:
La = 2,5 mH; R = 1,2 Ω; L = ; Ed = 300 V,  = 30.
2.1. Hãy tính toán các giá trị Ud, Id, góc chuyển mạch .
Phương trình chuyển mạch và phương trình đặc tính
ngoài của chỉnh lưu 3 pha (lấy từ slides): 22\* MERGEFORMAT () 33\* MERGEFORMAT ()
Phương trình dòng điện chỉnh lưu trung bình:
Từ (3) và (4) suy ra (5), tính ra được Id: 44\* MERGEFORMAT () 55\* MERGEFORMAT ()
Từ phương trình (2) suy ra (6), tính ra được góc chuyển mạch : lOMoAR cPSD| 61548596 66\* MERGEFORMAT ()
Những giá trị cần tính toán
Những hằng số và giá trị đã biết
Các biến tính toán Giá trị units Constants Giá trị units Xa=2*pi*f*La 0.7855 ohm La 2.5 mH cos(alpha) 0.865991456 R 1.2 ohm R+3*Xa/pi 1.95 ohm U2=U1 220 Ud0=2,34U2 514.8 V pi 3.142 Ud0*cos(alpha) 445.8124017 V Ed 300 V
Id=(Udalpha-Ed)/A5 74.77559061 A alpha 30 degree U2,lm=sqrt(6)*U2 538.8877434 f 50 Hz cos(alpha+gamma) 0.648000874 alpha(rad) 0.523667 rad acos(B10) 0.865839597 gamma= 0.34217293 rad gamma(deg) 19.60252303 degree Ud,alpha=Ud0cos(al pha)- pi 3*Xa*Id/ Ud,alpha= 389.7307087 V
Dùng bảng tính excel và tính được, theo (5) Id=74,78 A; theo (6) góc chuyển mạch gamma = 19,6o
(degree); theo (3) Ud,alpha=389,73 V.
2.2. Từ (2.1) hãy vẽ các dạng điện áp ud, dạng dòng điện iV1 và dạng điện áp trên van uV1. lOMoAR cPSD| 61548596
Figure 1 Ví dụ về vẽ dạng dòng điện, điện áp trên các phần tử trong sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha.
2.3. Khi Ed = -300 V, năng lượng được đưa trả về lưới với dòng Id = 25 A. Hãy xác định góc điều khiển
, góc chuyển mạch  và công suất đưa trả về lưới điện trong trường hợp này. Dùng phương trình (5) ở trên:
Trước hết phải tính ra góc alpha, lưu ý rằng trong chế độ nghịch lưu phụ thuộc Ed có dấu âm: 77\* MERGEFORMAT ()
Sử dụng công thức (6) để tính góc chuyển mạch gamma: lOMoAR cPSD| 61548596 (6) Công suất đưa trả về lưới: 88\* MERGEFORMAT ()
Sử dụng bảng tính excel giống như trên đây: Các biến tính toán Giá trị units Constants Giá trị units Xa=2*pi*f*La 0.7855 ohm La 2.5 mH cos(alpha) 0.865991456 R 1.2 ohm R+3*Xa/pi 1.95 ohm U2=U1 220 Ud0=2,34U2 514.8 V pi 3.142 U2,lm=sqrt(6)*U2 538.8877434 V Ed -300 V Id*(R+3Xa/pi)= 48.75 V alpha 30 degree
Ud0cos(alpha)=Id*( R+3Xa/pi)+Ed f 50 Hz (lưu ý Ed âm) alpha(rad) 0.523667 rad Ud0*cos(alpha)= -251.25 V Id 25 A cos(alpha)= -0.48805361 alpha=acos(B12) 2.080654671 rad alpha(deg) 119.1972759 deg cos(alpha+gamma)= -0.56093521 alpha+gamma= 2.166311369 gamma= 0.085656697 rad gamma(deg)= 4.907130966 deg Id,const 20 A
Tính công suất đưa t rả về lưới: delta,min 9 degree Ud(alpha)=R*Id+Ed -270 Pd=abs(Ud*Id) 6750 W Tính góc alpha,max delta(rad)= 0.1571 rad cos(delta)= 0.987685154 cos(alpha,max)=2*X a*Id,th/U2,lm-cos(delta) 0.92937988 lOMoAR cPSD| 61548596 alpha,max= 2.763525616 rad alpha,max(deg)= 158.3178265 degree
Tính ra được alpha = 119,2o (degree).
Tính được gamma=4,9o (degree).
Công suất đưa trả về lưới bằng: Pd=6,750 kW.
2.4. Khi chuyển sang chế độ nghịch lưu phụ thuộc sơ đồ sẽ làm việc với dòng không đổi Id = 20 A và
góc khóa của van ít nhất là min = 9 (ứng với trr = 500s). Hãy xác định góc αmax.
Đặc tính tới hạn (xem trong slides, phần cho sơ đồ một pha hình tia, lưu ý chuyển sang cho sơ đồ cầu ba pha) như sau:
Góc điều khiển alpha, góc chuyển mạch gamma và góc khóa của van delta cộng lại bằng pi: Suy ra: ,
Từ phương trình chyển mạch:
Suy ra góc alpha lớn nhất phải thỏa mãn: 99\* MERGEFORMAT ()
Thực hiện các phép tính toán trong bảng excel, tính ra góc alpha,max: 158,32o. 6 Câu 3:
3.3 Tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt khi sử dụng Vishay, SiHFPS40N50L, cho ứng
dụng VDS = 400 VDC, IL = 20 A, Vdr=0 – 10 V, tần số đóng cắt fsw = 50 kHz bằng phương pháp
gần đúng theo đồ thị hình 6. lOMoAR cPSD| 61548596 V V V V I I V V I I f
Hình 8 Đồ thị tuyến tính hóa gần đúng quá trình đóng cắtcủa MOSFET cho tải điện cảm.
Tính toán theo các bước hướng dẫn trong slides theo bảng excel dưới đây:
3.4 (1,5 điểm) Tính toán công suất cho mạch Driver cho MOSFET với giả thiết RG = 1,85 
(RG=Rgint+Rgext), VGS = 0 – 10 V, Các thông số khác liên quan đến điều khiển hãy tùy chọn cho phù hợp. Tính toán theo slides.
 Từ đồ thị đặc tính, để đưa điện áp UGS từ 0 lên 10 V, cần QG = 210 nC. Năng lượng cần thiết
E = (10 – 0)*210*10-9 = 2,1*10-6 J=2,1μJ. Công suất PD = E*fsw = 2,1*10-6*50*103 = 0,11 W.
Dòng đầu ra trung bình: IG = 210*10-9*50*103 = 0,011 A = 11 mA. Giả sử RG = 1 Ω,
Rgint=0,85 Ω (Từ tài liệu kỹ thuật). Dòng đầu ra lớn nhất bằng: IG,max = 10/1,85 ==5,4 1 A.