Tổng hợp kiến thức: Chương 1, 2, 3 môn Điện tử công suất | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Điện tử công suất (power electronics)
Chương 1: Những phần tử bán dẫn công suất
1. Điện tử công suất là gì? Phạm vi ứng dụng và tầm quan trọng của Điện t ử công suất
trong lĩnh vực biến đổi điện năng.
o Điện tử công suất là một lĩnh vực trong kỹ thuật điện và điện tử, tập trung vào
việc chuyển đổi và điều khiển năng lượng điện từ một dạng này sang một dạng
khác với hiệu suất cao, thông qua các thiết bị bán dẫn như transistor, diode,
thyristor, và các linh kiện điện tử khác. o Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi
trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại, bao gồm:
• Truyền động điện: Điều khiển động cơ trong các hệ thống sản xuất và vận chuyển.
• Giao thông đường sắt: Cung cấp năng lượng và điều khiển các hệ thống tàu điện.
• Nấu luyện thép và gia nhiệt cảm ứng: Sử dụng trong các quá trình công nghiệp nặng.
• Điện phân nhôm từ quặng mỏ: Ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất.
• Hệ thống năng lượng tái tạo: Như năng lượng mặt trời và năng lượng
gió o Điện tử công suất đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu
suất và hiệu quả của các hệ thống điện tử hiện đại. Nó giúp:
• Chuyển đổi năng lượng: Từ AC sang DC, DC sang AC, DC sang DC, và AC
sang AC với hiệu suất cao.
• Điều khiển chính xác và linh hoạt: Đảm bảo các thiết bị hoạt động ổn định và hiệu quả.
• Giảm kích thước và trọng lượng: So với các giải pháp cơ điện truyền
thống, các thiết bị điện tử công suất nhỏ gọn và nhẹ hơn.
• Độ tin cậy cao và tuổi thọ dài: Các thiết bị điện tử công suất có độ bền
cao và ít bị mài mòn theo thời gian. Điện tử công suất không chỉ đạt
được hiệu suất cao mà còn cung cấp nguồn năng lượng với các đặc tính
theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh và điều khiển trong thời
gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa.
2. Vấn đề trung tâm của Điện tử công suất là gì?
Vấn đề trung tâm của Điện tử công suất là việc chuyển đổi và điều khiển năng
lượng điện từ một dạng này sang một dạng khác với hiệu suất cao và tổn thất
thấp. Điều này bao gồm việc thiết kế và sử dụng các thiết bị bán dẫn công suất lOMoAR cPSD| 58511332 o
như thyristor, GTO, MOSFET, IGBT, và các linh kiện khác để thực hiện các quá
trình chuyển đổi điện năng.
o Các vấn đề chính của điện tử công suất:
• Hiệu suất chuyển đổi: Đảm bảo rằng quá trình chuyển đổi năng lượng
điện diễn ra với hiệu suất cao nhất có thể, giảm thiểu tổn thất năng lượng.
• Điều khiển chính xác: Cung cấp khả năng điều khiển chính xác và linh
hoạt các thiết bị điện tử công suất để đáp ứng các yêu cầu của hệ thống.
• Tản nhiệt: Quản lý nhiệt độ và tản nhiệt hiệu quả để bảo vệ các linh kiện
bán dẫn khỏi quá nhiệt và hư hỏng.
• Tính ổn định và độ tin cậy: Đảm bảo rằng các hệ thống điện tử công suất
hoạt động ổn định và đáng tin cậy trong các điều kiện làm việc khác nhau.
• Giảm kích thước và trọng lượng: Thiết kế các hệ thống điện tử công
suất nhỏ gọn và nhẹ hơn để tiết kiệm không gian và dễ dàng lắp đặt.
• An toàn và bảo vệ: Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và thiết bị bằng
cách tích hợp các cơ chế bảo vệ như bảo vệ quá dòng, quá áp, và ngắn mạch.
3. Phân biệt giữa các phần tử bán dẫn không điều khiển, điều khiển không hoàn toàn và điều khiển hoàn toàn.
Các phần tử bán dẫn có thể phân loại dựa trên khả năng điều khiển của chúng
gồm các phần tử không điều khiển, bán điều khiển (chỉ bật) và điều khiển hoàn toàn.
o Phần tử bán dẫn không điều khiển Ví dụ: Điot (Diode) Đặc điểm:
Downloaded by Lu Lu (tuankhang19@gmail.com) lOMoAR cPSD| 58511332 o
Chỉ cho phép dòng điện chạy qua theo 1 chiều từ anot đến catot
Không thể điều khiển được trạng thái dẫn hay ngắt của chúng
bằng tín hiệu bên ngoài
• Ứng dụng: Chỉnh lưu, bảo vệ mạch, và các ứng dụng yêu cầu chuyển đổi
dòng điện 1 chiều. o Phần tử bán dẫn điều khiển không hoàn toàn Ví
dụ: Thyristor (SCR), Triac Đặc điểm:
Có thể điều khiển được trạng thái bật (dẫn điện) bằng các áp 1 xung dương vào cực Gate)
Không thể tắt tín hiệu điều khiển mà phải chờ đến khi dòng điện
giảm xuống dưới ngưỡng.
• Ứng dụng: Điều khiển động cơm chỉnh lưu có đk, và các mạch bảo vệ quá dòng.
o Phần tử bán dẫn điều khiển hoàn toàn
• Ví dụ: Transistor lưỡng cực (BJT), MOSFET, IGBT, GTO (Gate Turn-Off Thyristor) • Đặc điểm:
Có thể điều khiển được cả trạng thái bật và tắt bằng tín hiệu điều khiển.
Thời gian bật tắt nhanh, cho phép sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao.
Khả năng chịu điện áp và dòng điện cao.
• Ứng dụng: Các mạch biến tần, bộ điều chỉnh điện áp, điều khiển động
cơ, và các hệ thống điều khiển công suất cao.
4. Nguyên lý làm việc và các thông số cơ bản của van bán dẫn.
o Van bán dẫn, hay còn gọi là linh kiện bán dẫn, là các thiết bị điện tử được sử
dụng để điều khiển dòng điện trong các mạch điện, dưới đây là nguyên lí làm
việc của một số van bán dẫn phổ biến: Diode
• Nguyên lí làm việc: Diode chỉ cho phép dòng điện chạy qua theo 1
chiều từ Anot đến Catot khi mà phân cực thuận (UAK >= 0)
• Đặc tính Vôn-Ampe (tĩnh): trong phần nguyên lí Đặc tính đóng-cắt (động):
Thời gian phục hồi (time recovery)
Downloaded by Lu Lu (tuankhang19@gmail.com) lOMoAR cPSD| 58511332 o
Phân cực thuận (forward): khi mở
Phân cực ngược (reverse): khi khóa
Điện tích phục hồi khi khóa Các thông số cơ bản:
Dòng điện trung bình (ID): thường là dòng định mức
mà diode cho đi qua trong thời gian dài mà không bị nóng bị hư t 0+T t0+T I i(t)dt P p(t)dt
Điện áp ngược cực đại (UBR hay Ung.max hay UN): là điện áp ngược
lớn nhất đặt vào diode phân cực ngược mà không bị đánh thủng
Điện áp rơi trên diode (UD)
Tần số (f): liên quan đến công suất tổn hao Thời gian khóa
phục hồi, trr và điện tích phục hồi, qrr 3 loại điot công suất chính:
Thường, dùng ở tần suất 50-60 hz, không cần quan tâm trr
Nhanh, từ fast đến ultrafast
Schottky, dùng cho các ứng dụng f cao, cần i lớn, u nhỏ,
tổn thất nhỏm chỉ chịu được u < 100v o Thyristor (SCR) • Nguyên lí làm việc:
Tương tự Diode, khác biệt ở chỗ để dẫn dòng cần đưa thêm xung
dương vào cực điều khiển ( cực Gate) hay UGK >=0
Với UGK càng lớn tổn hao càng nhỏ:
Vd: UGK = 0, khi UAK < Uf,max, thyristor cản trở dòng điện, khi
UAK = Uf,max, trở kháng giảm đột ngột, dẫn dòng giống điot.
Với UGK càng lớn thì giá trị Uf,max càng nhỏ
Trong mọi trường hợp, chỉ dẫn dòng khi IF > Ih ( Holding current) Các thông số cơ bản:
Dòng điện trung bình, liên quan đến làm mát
Downloaded by Lu Lu (tuankhang19@gmail.com)
Điện áp ngược cực đại
Thời gian phục hồi tính chất khóa, trr Slew rate
Thông số điều khiển: UGK, IG o Triac
• Nguyên lí làm việc: Là van bán dẫn có khả năng dẫn dòng theo cả 2 chiều,
có cấu trúc 2 thyristor mắc song song ngược
• Các thông số cơ bản: tương tự Thyristor
o GTO ( Gate Turn-Off Thyristor) • Nguyên lí làm việc:
Tương tự Thyristor, khác biệt ở chỗ có thể ngắt dòng bằng cách
thêm xung âm vào cực điều khiển. • Phân loại
• Các thông số cơ bản: Dòng điện trung bình
Điện áp ngược cực đại Slew rate
Thông số điều khiển: UGK, IGT (khi mở), IGQ (khi khóa)
Dòng thuận cực đại mà GTO có thể khóa được ITQRM
Thời gian trễ khi mở (tgt), khi ngắt (tgg)
Điện áp đỉnh lặp lại ??
o Transistor lưỡng cực (BJT) • Nguyên lí làm việc:
Chế độ khóa: UBE < 0, cả 2 lớp tiếp giáp BE, BC phân cực ngược
Chế độ mở: UBE > 0, BE, BC phân cực thuận (Chế độ bão hòa)
Chế độ tích cực BE phân cực thuận, BC phân cực ngược Đặc tính Vôn- Ampe: • Đặc tính động:
• Các thông số cơ bản:
Đặc tính tĩnh (Ib Ic Vbe Vce)
Dòng collector mà bjt chịu được
điện áp CE khi BJT bão hòa ( UCEsat )
Điện áp CE khi bazo để hở, IB = 0 ( UCE0 )
Điện áp CE khi bazo bị khóa, IB < 0 ( UCEX )
Thời gian cần thiết để iC từ IC giảm xuống 0 ( tf)
Thời gian cần thiết để uce từ giá trị nguồn U giảm xuống Ucesat xấp xỉ 0 ( ton)
Thời gian cần thiết để uce từ Ucesat tăng lên giá trị nguồn U ( tS) Công suất tiêu tán (P): P = UBE.IB + UCE.IC.
Ở trạng thái ngắt Ib Ic = 0 nên P = 0, ở trạng thái dẫn Uce = Uce sat Các điểm quan trọng
o Transistor hiệu ứng trường chế tạo bằng công nghệ mos (MOSFET) Nguyên lí làm việc:
Chế độ dẫn (On State): Khi điện áp giữa cực Gate và cực Source
(VGS) vượt qua một giá trị ngưỡng (thường là 2-4V đối với MOSFET
N-channel), một kênh dẫn điện sẽ được hình thành giữa cực Drain
và cực Source, cho phép dòng điện chạy qua.
Chế độ ngắt (Off State): Khi điện áp giữa cực Gate và cực Source
(VGS) nhỏ hơn giá trị ngưỡng, kênh dẫn điện sẽ bị ngắt, ngăn không cho dòng điện chạy qua. Các thông số cơ bản Đặc tính tĩnh Nhận xét chung
o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Nguyên lí làm việc:
Chế độ dẫn (On State): Khi điện áp giữa cực Gate và cực Emitter
(VGE) vượt qua một giá trị ngưỡng (thường là 2-4V), IGBT sẽ dẫn
dòng từ cực Collector (C) đến cực Emitter (E).
Chế độ ngắt (Off State): Khi điện áp giữa cực Gate và cực Emitter
(VGE) nhỏ hơn giá trị ngưỡng, IGBT sẽ không dẫn dòng. • Đặc tính V-A
• Một số thông tin thêm
Mạch bảo vệ chống bão hòa Nhận xét chung
5. Tính toán tổn hao công suất trên van bán dẫn qua đặc tính tuyến tính hóa.
6. Đặc điểm của các mạch phát xung cho MOSFET và IGBT.
o Đặc điểm mạch phát xung: MOSFET IGBT Điện áp điều khiển Điện áp này (V_GS) Điện áp này (V_GE) (để bật và tắt) thường nằm trong
thường nằm trong khoảng khoảng từ 10V đến 20V từ 15V đến 20V. Dòng điện điều Do MOSFET là linh kiện IGBT yêu cầu dòng điện khiển
điều khiển bằng điện áp,
điều khiển lớn hơn so với dòng điện điều khiển MOSFET, do cần nạp và
thường rất nhỏ, chủ yếu
phóng điện các tụ ký sinh
để nạp và phóng điện các lớn hơn. tụ ký sinh (C_GS, C_GD).
Tốc độ chuyển mạch tốc độ chuyển mạch rất
tốc độ chuyển mạch chậm
nhanh, có thể lên đến vài
hơn, thường trong khoảng MHz. Do đó, mạch phát
vài kHz đến vài trăm kHz.
xung cần có khả năng cung Do đó, mạch phát xung
cấp dòng điện lớn trong
cần đảm bảo cung cấp đủ
thời gian ngắn để nạp và
dòng điện để điều khiển
phóng điện các tụ ký sinh.
IGBT một cách hiệu quả. Bảo vệ quá áp và quá dòng
o Các thành phần chính của mạch phát xung:
• Nguồn cung cấp: Cung cấp điện áp và dòng điện cần thiết cho mạch phát xung.
• Mạch khuếch đại xung: Khuếch đại tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển
hoặc mạch logic để điều khiển MOSFET hoặc IGBT.
• Mạch bảo vệ: Bảo vệ MOSFET hoặc IGBT khỏi các điều kiện quá áp, quá dòng, và quá nhiệt.
• Mạch cách ly: Cách ly tín hiệu điều khiển và mạch công suất để đảm bảo an toàn và giảm nhiễu.
o Ví dụ về mạch phát xung
• Mạch phát xung cho MOSFET: Thường sử dụng các IC driver chuyên
dụng như IR2110, IR2113, hoặc các mạch khuếch đại xung đơn giản với transistor.
• Mạch phát xung cho IGBT: Thường sử dụng các IC driver chuyên dụng
như TLP250, HCPL-3120, hoặc các mạch khuếch đại xung với khả năng
cung cấp dòng điện lớn.
7. Tính toán công suất và dòng điện cho mạch MOSFET/IGBT Drivers. o Tính công suất:
Năng lượng E cần thiết để nạp điện cho các tụ ký sinh CGS và CGD
E = Q_G (U_GS, max–U_GS, min)
(Đối với MOSFET U_GS, min = 0 V; U_GS, max = 10 V; Q_G: điện tích cần thiết). Công suất: P=E*f_sw o Tính dòng đầu ra:
Dòng đầu ra trung bình: I_G = I_GS + I_GD = Q_G*f_sw Dòng đầu ra lớn
nhất I_G, max = (U_G, max–U_G, min)/ (R_G + R_in).
Điện trở R_G có tác dụng làm chậm t_on, t_off,
giảm tốc độ tăng áp dU_DS/dt
(Cần lựa chọn theo yêu cầu) o Ví dụ: MOSFET IRFPS40N60K Chương 2: Chỉnh lưu
1. Các vấn đề chung về chỉnh lưu o Chỉnh lưu là gì?
Bộ biến đổi biến điện áp xoay chiều, thường là lấy vào từ lưới điện, thành
điện áp một chiều, cung cấp cho các phụ tải một chiều
o Cấu trúc chung của một sơ đồ chỉnh lưu:
o Các sơ đồ chỉnh lưu cơ bản
o Phân loại và tên gọi các sơ đồ chỉnh lưu:
• Phân loại theo số pha, sơ đồ van, có điều khiển hay ko
(dùng điot hay thyristor, hay cả 2) o Các
thông số cơ bản của sơ đồ chỉnh lưu: o Chia làm 4 nhóm thông số
• Số lần đập mạch càng lớn chất lượng điện càng tốt • Dòng trung bình qua van bán dẫn
(I_D) và Điện áp ngược lớn nhất (U_ng.max)
• Công suất và tỷ số vòng dây thứ cấp, sơ cấp của máy biến áp • Lưới điện:
(hệ số méo dạng sóng hài tổng) THD %
I 1 Hệ số côngsuất Cosφvớiφlàgóclệch pha giữaivàu (power factor pf) pf 2 √1+THD
2. 6 sơ đồ chỉnh lưu cơ bản o Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ
Sơ đồ mạch lực (diode)
Điện áp chỉnh lưu trung bình Ud
Sơ đồ mạch lực (thyristor)
Điện áp chỉnh lưu trung bình (góc mở α ) Udα
Điện áp ra luôn nhỏ hơn o
Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia Sơ đồ dùng điôt:
Thuần trở: pf=cosφ=1
Điệp áp chỉnh lưu trung bình U Ud U 2 Các thông số của van: I d
Dòng trung bình qua diot: I D= 2
Điện áp ngược lớn nhất trên van: Ung.
Các thông số của mba: Điện áp thứ cấp U2
Điện áp sơ cấp U1=kU 2
Dòng chỉnh lưu trung bình (tương tự điện áp) 2 m I d= π I2 I m I
Dòng điện thứ cấp I I I d
Dòng điện sơ cấp I 1= 2 =√2 k =2√2 k
Công suất tính toán: Sba≈1,48Pd
Trở cảm: pf ≠cosφ=1
Điện áp chỉnh lưu trung bình U Ud U 2
Dòng thứ cấp I 2=I2d
Dòng sơ cấp I 1=Ikd
Công suất tính toán Sba ≈1,34Pd Sơ đồ dùng thyristor: m
2U 2 1+cos α Thuần trở U ( dα= ( )=Ud 0 2 ) 2U m2
Trở cảm (RL) Udα=
π cosα=U d0 cosα Tải RLE
• Trường hợp tổng quát đối với các chỉnh lưu n-pha
Chế độ dòng liên tục
Chế độ dòng gián đoạn
Chế độ dòng tới hạn o Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha
• Sơ đồ dùng điôt, tải R
Điện áp chỉnh lưu, dòng điện chỉnh lưu giống với chỉnh lưu tia
Công suất tính toán giảm nhiều
Có thể dùng MBA hoặc không
Điện áp ngược trên van giảm 1/2
• Sơ đồ dùng thyristor, tải R, RL
Gần tương tự vs hình tia
• Sơ đồ không đối xứng , tải RL
Dạng ko đối xứng: dùng ít van đk hơn mạch đơn giản hơn, lợi về
hệ số công suất cao hơn, có 2 dạng chính
Điện áp chỉnh lưu trung bình U ( ) dα=U d0 φ=α/2
o Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia Hệ thống điện áp 3 pha:
• Sơ đồ dung diot, tải R Nguyên lí làm việc:
Quy tắc xác định van dẫn:
Catot chung: van nào có anot lớn nhất thì dẫn
Anot chung: van nào có catot bé nhất thì dẫn Điện áp chỉnh lưu trung bình:
Các thông số trên van Dòng trung bình: ID=Id/3
Điện áp ngược cực đại (= biên độ điện áp dây): Ung. Các thông số mba
Dòng điện hiệu dụng: I d Imd
Dòng thứ cấp I2≈0,58 Id Dòng sơ cấp I I d
Công suất tính toán: Sba=1.35 Pd • Sơ đồ dùng thyristor Xét tải thuần trở
Xét tải trở cảm RL, L= .
o Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha • Sơ đồ dùng điôt Bảng xác định Nguyên lí làm việc Thông số: U cltb (cttq, n=6) Ud 3 m
I cltb hiệu dụng I d= π Id
Dòng thứ cấp: I 2≈0,816 I d
Công suất tính toán Sba=1.05 Pd • Sơ đồ dùng thyristor Tải R Tải RL
Diều khiển chỉnh lưu cầu
o Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng
Chương 3 chỉnh mạch và nghịch lưu phụ thuộc
1, chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu
o Chuyển mạch trong sơ đồ tia 1 pha o Chuyển mạch trong sơ
đồ cầu 1 pha o Chuyển mạch trong sơ đồ tia 3 pha o Chuyển
mạch trong sơ đồ cầu 3 pha
2, nghịch lưu phụ thuộc o Điều kiện để nghịch lưu phụ
thuộc o Nlpt trong sơ đồ tia 1 pha o Nlpt
trong sơ đồ cầu 1 pha o Nlpt trong sơ đồ tia
3 pha o Nlpt trong sơ đồ cầu 3 pha
3, bộ biến đổi đảo chiều o Bbd đảo chiều có điều khiển
chung o Bbd đảo chiều có điều khiển riêng
Chương 4: Các bộ biến đổi điện áp
1, các bộ điều áp xoay chiều o Các bộ điều áp xoay chiều
cơ bản o Công tắc tơ và khởi động mềm
2, các bộ biến đổi xung áp 1 chiều o Băm
xung áp 1 chiều o Các bộ biến đổi dc-dc