Bài giảng môn Điện tử công suất

159 trang hapham 340

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng môn Điện tử công suất", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_mon_dien_tu_cong_suat.pdf

Nội dung text: Bài giảng môn Điện tử công suất

Tổng quan điện tử công suất
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - Hiện nay rất nhiều thiết bị biến đổi công suất được đề xuất để phục vụ những yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống. ĐTCS đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong quá trình biến đổi cũng như điều khiển công suất: hiệu quả cao và tổn hao thấp trong lò cao tần, truyền tải điện DC. Các thiết bị ĐTCS mới hiện nay được cải tiến phát triển để nâng cao hiệu suất hơn nữa việc sử dụng năng lượng. - ĐTCS đóng vai trò quan trọng trong các mô hình công nghệ và được thiết kế để điều khiển năng lượng. Dòng điện điện áp và đặc tính đóng ngắt của các linh kiện bán dẫn liên tục được hoàn thiện, phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng như trong chiếu sáng, bộ nguồn, điều khiển động cơ, tự động hóa công nghiệp, giao thông, lưu trữ năng lượng, truyền tải điện đi xa. - Hiệu suất cao và đặc điểm điều khiển chặt chẽ đã giúp cho ĐTCS có lợi thế hơn nhiều trong điều khiển động cơ so với các hệ thống điều khiển cơ điện và điện tử trước đây. Ngoài ra ĐTCS còn được ứng dụng trong truyền tải điện DC (VHDC), trạm biến đổi công suất, hệ thống truyền tải AC mềm dẻo flexible ac transmission system (FACTS), và bù công suất static-var compensators (SVC). Trong truyền tải sử dụng biến đổi DC/AC, bộ lọc tích cực, biến đổi tần số. Những lĩnh vực liên quan đến điện tử công suất - Điện tử rời rạc và tương tự. - Hệ thống năng lượng điện - Vi sử lý và vi điều khiển - Hệ thống điều khiển - Máy tính, mô phỏng, phần mềm. - Vật liệu bán dẫn và linh kiện. - Máy điện, điều khiển máy điện - Lịch sử phát triển của điện tử công suất được bắt đầu vào những cuối thế kỷ 19. Năm 1882 nhà bác học Pháp J. Jasmin phát minh ra hiện tượng bán dẫn. Năm 1892 nhà nghiên cứu người Đức L. Arons tạo được hồ quang thủy ngân chân không đầu tiên. Năm 1901 P.C. Hewitt tại Mỹ đã chế tạo ra bộ chỉnh lưu thủy ngân. Năm 1906 J.A. Fleming chế tạo diode chân không đầu tiên. Sau đó G.W. Pickard (USA) chế tạo đèn Silicon. - Đầu đầu thế kỷ XX phần lớn các linh kiện điện tử là các đèn thiratron và đèn initron, chúng có kích thước và khối lượng rất lớn cùng với hệ thống làm mát và hệ thống điều khiển rất phức tạp, với độ tin cậy lại rất thấp. Mặc dù vậy các bộ biến đổi công suất này được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong hệ thống giao thông công cộng và đường sắt. - Năm 1873 Frederick Guthrie đưa ra nguyên lý hoạt động của diode, cho đến năm 1919 linh kiện diode công suất thực mới ra đời. - Thyristor được phát minh bởi William Shockley vào năm 1950 và được ứng dụng trong công nghiệp vào năm 1958 bởi Moll từ phòng thí nghiệm Bell Labs và hãng General Motor. - Transistor đầu tiên được đưa ra vào năm 1925 từ Canada do nhà vật lý học Austrian-Hungarian physicist Julius Edgar Lilienfeld, đến năm 1934 tại Đức nhà vật lý Oskar Heil đã đưa ra một dạng khác của transistor. Tuy nhiên cho đến năm 1948 transistor mới thực sự được hoàn thiện. - IGBT bắt đầu được đề xuất từ năm 1968 bởi Yamagami – Nhật bản và dần dàn được hoàn thiện vào năm 1990. - Cuộc cách mạng đầu tiên trong ĐTCS bắt đầu vào năm 1948 với việc phát minh ra silicon transistor tại phòng thí nghiệm Bell Telephone Laboratories bởi Bardeen, Bratain, and Schockley. Phần lớn công nghệ điện tử tiên tiến ngày nay dựa trên phát minh này, các mô hình microelectronics cũng được phát triển từ linh kiện bán dẫn này. BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 1
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] - Cuộc cách mạng thứ hai bắt đầu với việc phát triển của Thyristor trong công nghiệp bởi hãng General Electric Company vào năm 1958. Đây là khởi đầu của kỷ nguyên mới của ĐTCS. Từ đó đến nay có rất nhiều các linh kiện bán dẫn cũng như công nghệ biến đổi được đề xuất và ứng dụng. - Bước phát triển quan trọng nhất là từ 1975 đến 1990 và có tính cách mạng được đánh dấu bởi sự xuất hiện của các transistors cao áp BJT (Bipolar Junction Transistor ) và thyristor điều khiển hoàn toàn GTO (Gate Turn Off Thyristor), sau đó là IGBT (Insuled Gate Bipolar Transistor) và MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) - Điểm đặc biệt của gia đoạn này là kỹ thuật biến đổi năng lượng trên cơ sở tác động nhanh của các bộ biến đổi công suất và vì thế cho phép giảm khối lượng và kích thước đồng thời tăng đáng kể hiệu suất và độ tin cậy. Trong thời gian này xuất hiện nhiều phương pháp điều khiển trong đó có phương pháp điều chế độ rộng xung và sử dụng vi sử lý trong điều khiển. - Sử dụng các bộ biến đổi công suất trong hệ thống điện, trong giao thông, trong luyện kim cũng như các lĩnh vực công nghiệp khác đã tạo đà phát triển kinh tế rất lớn. Ví dụ ở Mỹ hiện nay có 70% năng lượng điện sử dụng được biến đổi từ các bộ biến đổi công suất. - Kỹ thuật biến đổi là ngành khoa học trẻ và đã đạt được thành công rất lớn, tuy nhiên ngày càng nhiều bài toán được đặt ra ở phía trước, nó đòi hởi sự phát triển hơn nữa cả về lý thuyết lẫn thực tế kỹ thuật biến đổi. Các hướng phát triển của điện tử công suất - Cải tiến các linh kiện bán dẫn – semiconductor - Ứng dụng các vi điều khiển và vi sử lý như DSP,VLSI, VHDL, ASIC - Các giải thuật điều khiển mới. - Theo yêu cầu của các ứng dụng mới. Những yêu cầu đối với các bộ biến đổi công suất: - Hiệu suất cao - Hiệu quả cao - Độ tin cậy cao - Giá thành thấp - Kích thước và khối lượng nhỏ BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 2
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] CẤU TRÚC CHUNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 1. Định nghĩa: Điện tử công suất là môn học nghiên cứu quá trình biến đổi, điều khiển các đại lượng đặc trưng năng lượng điện cho phù hợp với tải như: Dạng điện áp và dòng điện (một chiều DC và xoay chiều AC), hình dạng điện áp dòng điện (sin, không sin tuần hoàn, xung) Giá trị điện áp, dòng điện (trị trung bình, trị hiệu dụng, biên độ), tần số 2. Cấu trúc bộ biến đổi công suất: Sơ đồ khối chung của các bộ biến đổi công suất được trình bày trên hình Figure 1.1: bộ biến đổi công suất biến đổi điện năng với các tham số nguồn đầu vào U1; I1; F1; P1 thành điện năng với tham số đầu ra U 2 ; I 2 ; F2 ; P2 dưới tác dụng của tín hiệu điều khiển nhờ mạch hồi tiếp. Figure 1.1 Sơ đồ khối của bộ biến đổi công suất - Mạch điện tử công suất bao gồm nguồn điện, tải, mạch điện tử công suất và mạch điều khiển. Mạch điện tử công suất bao gồm các linh kiện bán dẫn, bộ phận tản nhiệt, máy biến áp. Mạch điều khiển thu thập thông tin từ nguồn, tải, và giải thuật điều khiển xác định hoạt động của bộ biến đổi để có được kết quả mong muốn. Linh kiện bán dẫn được lựa chọn trên cơ sở công suất định mức của bộ biến đổi công suất cần thiết kế. 3. Các phần tử trong bộ biến đổi công suất: - Các linh kiện bán dẫn công suất. - Các phần tử như tụ điện, cuộn dây, lõi thép. - Các phần tử biến đổi điện từ: máy biến áp lực, máy biến áp đo lường. - Hệ thống điều khiển: các linh kiện điện tử, hay vi sử lý, DSP - Hệ thống bảo vệ và tín hiệu báo sự cố. BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 3
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN VÀ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT CƠ BẢN 1. Bộ chỉnh lưu – Rectifiers: biến đổi điện áp, dòng điện xoay chiều thành một chiều AC/DC 2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều - AC-AC Convertor: biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng thay đổi được 3. Bộ biến đổi điện áp một chiều – Chopper DC-DC: biến đổi điện áp một chiều có trị trung bình không thay đổi thành điện áp một chiều có trị trung bình thay đổi được. 4. Bộ nghịch lưu - DC/AC converters: biến đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng xoay chiều. BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 4
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] 5. Bộ biến tần trực tiếp - AC-AC Converter (Cycloconverter or Frequency Changer): biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều với trị hiệu dụng và tần số thay đổi được. 6. Bộ biến tần gián tiếp AC-DC-AC: chỉnh lưu điện áp xoay chiều ngõ vào sau đó chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng điện áp và tần số thay đổi được. 7. AC Switches: Matrix Converter BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 5
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - Với công suất nhỏ hơn 1 W: dùng làm nguồn cho thiết bị công suất nhỏ như điện thoại. - Với công suất nhỏ hơn 1kW: dùng làm nguồn cho thiết bị công suất như máy tính. - Với công suất từ 1kW-1MW: dùng cho điều khiển máy điện, lò cao tần, hệ thống nạp ác quy, hệ thống chiếu sáng, bù công suất phản kháng - Với công suất 1000MVA: dùng cho truyền tải điện DC đi xa . Figure 1.2 Ứng dụng của điện tử công suất 1. Ứng dụng làm nguồn lưu điện Figure 1.3 Online UPS BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 6
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] Figure 1.4 Offline UPS Figure 1.5 Switch Mode Power Supply BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 7
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] 2. Ứng dụng điều khiển máy điện Figure 1.6 Điều khiển vòng hở Figure 1.7 Điều khiển vòng kín Figure 1.8 Các bộ biến tần điều khiển động cơ BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 8
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] - Máy điện: Six-phase, synchronous - Tải: quạt công suất lớn - Dải tốc độ: 360 - 600rpm 1. Hệ thống nguồn 2. Máy biến áp 3. Bộ biến đổi công suất 4. Động cơ đồng bộ 5. Hệ thống kích từ 6. Bộ lọc. Figure 1.9 Điều khiển máy điện đồng bộ 6 pha - Six-phase synchronous motor (100MW, 12.5KV, 2.8KA) 3. Ứng dụng trong nâng cao chất lượng điện năng –Active Filter, Statcom Figure 1.10 Bộ lọc tích cực BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 9
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] Figure 1.11 Ứng dụng trong hệ thống nguồn điện công nghiệp - Multibrid M5000 (5MW PMSG) FACTS - Flexible AC Transmission Systems Figure 1.11 Hệ thống 50 MVA STATCOM (StaticSynchronous Compensator) BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 10
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] Figure 1.12 Hệ thống 100 MVA GCT STATCOM (StaticSynchronous Compensator) Figure 1.13 Hệ thống Talega ±100 MVA, 138 kV STATCOM Figure 1.14 Static Synchronous Series Compensator (SSSC) BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 11
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] Figure 1.15 Hệ thống 320MVA 138kV UPFC - Unified Power Flow Controller (GTO Based) Figure 1.16 Hệ thống Dynamic Voltage Restorer (DVR) 4. Ứng dụng trong chế tạo máy bay, tàu cao tốc BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 12
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] 5. Ứng dụng trong chiếu sáng 6. Ứng dụng trong quang điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 13
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] Figure 1.17 Hệ thống năng lượng gió Figure 1.18 Hệ thống năng lượng gió 7. Ứng dụng trong các thiết bị nạp điện BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 14
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] 8. Ứng dụng cho truyền tải điện DC- High Voltage DC Transmission. Ưu điểm là có thể truyền tải trên khoảng cách lớn (1000km) và giảm tổn hao công suất Figure 1.20 Hệ thống truyền tải điện DC BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 15
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] Figure 1.21 HVDC Transmission Québec - New England Figure 1.22 HVDC Transmission Québec - New England Figure 1.23 HVDC Project in China BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 16
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] Figure 1.24 Hệ thống 3000MW HVDC from Three Gorges to Guangdong BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 17
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] II. CÁC KHÁI NIỆM 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 điện và điện áp được tính bằng công thức: 1 T Id = ∫i(t)dt (1.1) T 0 1 T Ud = ∫u( t )dt (1.2) T 0 - 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: U − E I = d (1.3) d R 2. Trị hiệu dụng (Root Mean Square-rms): 1 T I = i 2 ( t )dt (1.4) rms ∫ T 0 1 T U = u 2 ( t )dt (1.5) rms ∫ T 0 Ví dụ 1: Cho dòng điện có dạng như hình 1.1 với I p = 100( A ); T = 20( ms ) ; T0 = 10( ms ) . Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng dòng điện. Hình 1.1 1 T 1 T0 1 T t T Trị trung bình dòng điện: I = i(t)dt = I dt + 0.dt = I T0 = 0 I d T ∫ T ∫ p T ∫ T p 0 T p 0 0 T0 1 T 1 T0 T Trị hiệu dụng dòng điện: I = i 2 ( t )dt = I 2 dt = I 0 rms ∫ ∫ P P T 0 T 0 T 2π Ví dụ 2: Cho điện áp có dạng như hình vẽ với u(t) = U sinωt vàω = ; U = 220 2(V ). Xác m T m định trị trung bình và trị hiệu dụng điện áp. BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 18
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] Hình 1.2 Cách giải 1: 1 T 1 π 1 π U U = u(t)dt = U sin(ωt)d(ωt) = U (− cos(ωt)) = m = 99V d ∫ ∫ m m T 0 2π 0 2π 0 π 1 T 1 π 1 ωt sin 2ωt π U U = u 2 (t)dt = [U sin(ωt)]2 d(ωt) = U ( − ) = m rms ∫ ∫ m m T 0 2π 0 2π 2 4 0 2 Cách giải 2: T 1 T 1 2 2π 1 1 2π T U = u(t)dt = U sin( t)dt = − × ×U × cos( × t) 2 =99V d T ∫ T ∫ m T T 2π m T 0 0 T 0 T T 4π T (1− cos( )t) 1 1 2 2π 1 2 U = u 2 (t)dt = [U sin( t)]2 dt = U T dt rms ∫ ∫ m m ∫ T 0 T 0 T T 0 2 T T 2 2 1 1 4π 1 T 1 1 T U = U 1.dt − cos( t).dt = U × − × × sin(4π )t 2 rms m 2T ∫ 2T ∫ T m 2T 2 2T 4π T 0 0 0 T 1 T 1 1 U U = U × − × ×[sin(2π ) − sin(0)] = m rms m 2T 2 2T 4π 2 T Bài tập 1: Cho điện áp có dạng u(t)=220 2 sin(t), f =50Hz. Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng điện áp Hình 1.3 Cách giải 1: 1 T 1 π U π 2×U 2 U = u(t)dt = U sin(ωt)d(ωt) = m (−cos(ωt)) = m = × 220 2 = 198.14 d ∫ ∫ m T 0 π 0 π 0 π π BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 19
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] 1 T 1 π 1 ωt sin 2ωt π U U = u 2 ( t )dt = [U sin(ωt )] 2 d(ωt ) = U ( − ) = m rms ∫ ∫ m m T 0 π 0 π 2 4 0 2 Cách giải 2: T 1 T 1 2 2π 1 1 2π T U = u(t)dt = U sin( t)dt = − × ×U × cos( × t) 2 =198.14V d T ∫ T ∫ m T T 2π m T 0 2 0 2 T 0 T T 4π T (1 − cos( )t) 1 1 2 2π 1 2 U = u 2 (t)dt = [U sin( t)]2 dt = U T dt rms T ∫ T ∫ m T m T ∫ 2 2 0 2 0 2 0 T T 2 2 1 1 4π 1 T 1 1 T U 4π 2 m U rms = U m 1.dt − cos( t).dt = U m × − × × sin( )t 0 = T ∫ T ∫ T T 2 2T 4π T 2 0 0 T 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) 1 T P = u( t )i( t )dt (1.7) d ∫ T 0 1 ωT Hoặc P = u(ωt )i(ωt )d(ωt ) (1.8) d ∫ ωT 0 - Nếu dòng tải không đổi theo thời gian thì công suất trung bình của tải: Pd = U d I d (1.9) - Tụ điện và cuộn kháng không tiêu hao công suất 4. Quá trình quá độ và trạng thái xác lập: - Quá trình quá độ là quá trình xảy ra ngay sau khi đóng(ngắt) khoá công suất và nó diễn ra trong khoảng thời gian ngắn - Trạng thái xác lập là trạng thái khi mà khoá công suất đóng hoặc ngắt hoàn toàn.Khoảng thời gian này lớn hơn so với thời gian đóng ngắt khoá. 5. Phân tích Fourier: - Các bộ biến đổi công suất là những thiết bị phi tuyến. Điện áp ngõ ra thường có dạng không sin nhưng là các hàm tuần hoàn và chứa các thành phần sóng hài. Vì thế ta có thể dùng địng lý Fourier để phân tích các sóng hài và phânt ích ảnh hưởng của chúng đến nguồn và tải. - Trong nhiều ứng dụng ta phải giảm các sóng hài bậc cao bằng cách lọc hay sử dụng các mạch biến đổi phức tạp hơn. 2πt - Giả sử cho một hàm số f(x) có chu kỳ là T=2π, tần số là f và x = ωt = T - Dãy Fouries được viết dưới dạng: f (x) = A0 + A1 cos x + A2 cos 2x + + An cos nx + B1 sin x + B2 sin 2x + + Bn sin nx (1.10) BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 20
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] f (x) = A0 + A1 cosωt + A2 cos 2ωt + + An cos nωt + B1 sin ωt + B2 sin 2ωt + + Bn sin ωt (1.11) Trong đó A0 - thành phần một chiều không đổi. 1 T 1 2π A = f (x)dx = f (ωt)d(ωt) (1.12) 0 ∫ ∫ T 0 2π 0 2 T 1 2π A = f (x)cos(nx)dx = f (ωt)cos(nωt)d(ωt) (1.13) n ∫ ∫ T 0 π 0 2 T 1 2π B = f (x)sin(nx)dx = f (ωt)sin(nωt)d(ωt) (1.14) n ∫ ∫ T 0 π 0 Trong đó Với n=1 ta có thành phần hài cơ bản Với n ≥ 2 ta có thành phần hài bậc cao. Biến đổi biểu thức (1.10) và (1.11) ta được: ∞ f (x) = A0 + ∑ A(n)m sin(nx −ϕn ) (1.15) n=1 Trong đó 2 2 A(n)m = A(n) + B(n) - biên độ sóng hài bậc n (1.16) Bn ϕ n = arctan( ) - góc lệch pha(1.17) An - Quan sát một số dạng sóng có thể đi đến kết luận và đơn giản hoá biểu thức giải tích. Nếu diện tích của các nửa chu kỳ dương và âm bằng nhau thì A=0 Nếu f (x + π ) = − f (x) thì không có sóng hài bậc chẵn 2,4, Tất cả nửa chu kỳ âm là đối xứng với nửa chu kỳ dương. Nếu f (−x) = − f (x) , bn = 0 không có các thành phần cosin khi hàm số lẻ. Nếu f (−x) = f (x) , an = 0 không có các thành phần sin khi hàm số chẵn. 6. Ứng dụng phân tích Fourier cho dòng điện và điện áp: Giả sử dòng điện i(t) và áp u(t) có dạng không sin ∞ i(t) = I0 + ∑ I m sin(nωt −ϕn _ I ) (1.18) n=1 ∞ u(t) = U 0 + ∑U m sin(nωt −ϕn _U ) (1.19) n=1 - I 0 ,U 0 là thành phần một chiều không đổi của dòng điện và áp. Trị trung bình của dòng điện và điện áp I d = I 0 ,U d = U 0 ∞ 2 2 2 2 2 2 I (n)m - Trị hiệu dụng dòng điện: I rms = I 0 + I (1) + I (2) + I (n) = I 0 + ∑ (1.20) n=1 2 ∞ 2 2 2 2 2 2 U (n)m - Trị hiệu dụng điện áp: U rms = U 0 +U (1) +U (2) + U (n) = U 0 + ∑ (1.21) n=1 2 Trong đó BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 21
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] I(1) ,I(2) ,I(n) trị hiệu dụng các thành phần hài dòng điện U(1) ,U(2) ,U(n) trị hiệu dụng các thành phần hài điện áp 2 2 I (1)m A(1) + B(1) - Trị hiệu dụng sóng hài cơ bản dòng điện: I (1) = = (1.22) 2 2 2 2 U (1)m A(1) + B(1) - Trị hiệu dụng sóng hài cơ bản điện áp U (1) = = (1.23) 2 2 2 2 - Biên độ thành phần hài dòng điện: I(n)m = A(n) _ I + B(n) _ I (1.24) 2 2 - Biên độ thành phần hài dòng điện: U(n)m = A(n) _ U + B(n) _ U (1.25) ∞ - Công suất trung bình của tải: P = U 0 I0 + ∑U (n) I(n) cos(ϕn _U −ϕn _ I ) (1.26) n=1 ∞ U (n)m I (n)m P = U 0 I 0 + ∑ cos(ϕ n _U −ϕ n _ I ) (1.27) n=1 2 Nếu tải là RL thì quan hệ của áp tải và dòng tải được thể hiện bằng biểu thức: U (n)m U (n)m I (n)m = = (1.28) 2 2 Z (n) R + (nωL) U (n) U (n) I (n) = = (1.29) 2 2 Z (n) R + (nωL) 7. Các hệ số phẩm chất cơ bản - Displacement angle – displacement factor (DF) DF = cos(ϕn ) (1.30) -Hệ số méo dạng toàn phần (Total Harmonic Distortion): ∞ 2 2 1 2 I − I1 THDI = ∑ I n = (1.31) I1 n=2 I1 ∞ 2 2 1 2 U −U1 THDU = ∑U n = (1.32) U1 n=2 U1 -Hệ số công suất -Power factor (PF): I PF = (1) cos(ϕ ) (1.33) I (1) Ví dụ 3: Hãy phân tích Fouries dòng điện có dạng đồ thị như hình vẽ. Tìm trị hiệu dụng hài cơ bản, THD dòng điện này BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 22
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] Hình 1.4 1 2π 1 2π A = i ( t )d(ωt ) = I d(ϖt ) =0 0 ∫ s ∫ a 2π 0 2π 0 π 1 2π 2 π 2 sin( nωt ) A = i ( t )cos( nωt )d(ωt ) = I cos( nωt )d(ωt ) = I = 0 ∫ s ∫ a a π 0 π 0 π n 0 π 1 2π 2 π ⎛ 2 cos( nωt )⎞ B = i ( t )sin( nωt )d(ωt ) = I sin( nωt )d(ωt ) = − I = n ∫ s ∫ a ⎜ a ⎟ π 0 π 0 ⎝ π n ⎠ 0 ⎧4I n = 1,3,5, 2 ⎪ a = I a (cos(0 ) − cos( nπ )) = ⎨ nπ π ⎪ ⎩0 n = 2,4,6, 4I sinωt sin 3ωt sin 5ωt -Như vậy dòng điện có dạng i (t) = a ( + + + ) s π 1 3 5 4I a -Trị hiệu dụng sóng hài bậc nhất I (1) = = 0,9I a 2π 2 2 4 ⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞ -Trị hiệu dụng dòng điện I s = I a 1+ ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ + = I a π 2 ⎝ 3⎠ ⎝ 5 ⎠ 2 2 2 2 I s − I (1) I − (0,9I ) - Độ méo dạng toàn phần THD = = a a = 0,4843 I (1) 0,9I a BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 23
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [ TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ] 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8. Hệ số công suất (Power factor). - Hệ số công suất (PF) là tỉ số giữa công suất tiêu thụ và công suất biểu kiến nguồn cấp cho tải đó: P λ = S - Nếu tải một chiều thì P = Pd - Nếu nguồn hình sin thì S = mUI Trong đó: U và I là trị hiệu dụng áp và dòng nguồn; m- số pha. 9. Hiện tượng nhiễu và các biện pháp khắc phục: - Do các khoá bán dẫn đóng ngắt ở tần số cao gây ra nhiễu cao tần làm méo dạng áp, dòng ngõ vào ngõ ra so với dạng chuẩn Vàsuất hiện các sóng hài bậc cao dẫn đến bức xạ sóng điện từ và giảm hệ số công suất. - Để giảm thiểu hiện tượng nhiễu ta có thể lọc sóng hài (bằng mạch cộng hưởng LC mắc song song với nguồn), sử dụng tủ kim loại. Sử dụng cáp bọc . BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 24
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] CHƯƠNG II. CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN 1. TỔNG QUAN - Các linh kiện bán dẫn công suất trong lĩnh vực điện tử công suất có hai chức năng cơ bản: đóng và ngắt dòng điện đi qua nó. Trạng thái linh kiện dẫn điện (đóng) là trạng thái linh kiện có tác dụng như một điện trở rất nhỏ (gần bằng không). Trạng thái linh kiện không dẫn điện (ngắt) là trạng thái linh kiện có tác dụng trong mạch như một điện trở lớn vô cùng. - Linh kiện bán dẫn hoạt động với hai chế độ làm việc đóng và ngắt dòng điện được xem là lý tưởng nếu ở trạng thái dẫn điện nó có độ sụt áp bằng không và ở trạng thái không dẫn điện (ngắt), dòng điện qua nó bằng không. 1. Phân loại linh kiện bán dẫn: a. Linh kiện bán dẫn điều khiển được: Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc cùa mình từ trạng thái không dẫn điện (ngắt) sang trạng thái dẫn điện (đóng) và ngược lại thông qua tác dụng kích thích của tín hiệu lên cổng điều khiển của linh kiện, gọi linh kiện có tính điều khiển. Tín hiệu điều khiển có thể tồn tại dưới dạng dòng điện hay điện áp. Ví dụ BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IGCT,MCT, MT SCR, TRIAC. - Linh kiện bán dẫn điều khiển hoàn toàn – linh kiện đóng ngắt cưỡng bức (forced commutated device): là linh kiện có thể điều khiển đóng ngắt hoàn toàn bằng tín hiệu điều khiển, ví dụ BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IGCT, MCT,MT. - Linh kiện bán dẫn điều khiển đóng: : là linh kiện chỉ có thể điều khiển đóng bằng tín hiệu điều khiển mà không điều khiển ngắt được: SCR, TRIAC b. Linh kiện bán dẫn không điều khiển được: là những linh kiện không có cổng điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc của linh kiện xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất. Ví dụ: diode, diac. Chiều dòng điện Không điều khiển Điều khiển đóng Điều khiển đóng ngắt Theo một chiều Theo hai chiều Hình 2.1 Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản - Diode: Dòng định mức của diode từ 1A đến 5000A. Điện áp định mức từ 10V đến 10kV. Thời gian đóng ngắt từ 20 ns cho đến 100 ms. Diode được ứng dụng trong bộ chỉnh lưu và các mạch biến đổi DC-DC: Zener, optoelectronic and Schottky diodes, and diacs - BJT (Bipolar Junction Transistor): dẫn dòng Collector khi trên cực Base có dòng điện điều khiển đủ để BJT dẫn. Dòng định mức của BJT từ 0.5A đến 500 A; Điện áp từ 30V đến 1200V. Thời gian đóng ngắt của BJT 0.5ms đến 100 ms. BJT được ứng dụng trong mạch các bộ biến đổi DC-DC; kết hợp với diode sử [Type text] Page 25
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] dụng trong các bộ biến tần. Tuy nhiên trong các bộ công suất lớn thì người ta thay thế BJT bằng MOSFET và IGBT. - MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor): dẫn dòng Drain khi có điện áp vừa đủ trên cực điều khiển Gate. MOSFET được mắc song song với diode trong cấu trúc của nó. Dòng điện định mức từ 1đến 100A, điện áp định mức từ 30 đến 1000V. Thời gian đóng ngắt rất nhỏ từ 50 đến 200ns. MOSFET ứng dụng cho bộ biến đổi DC-DC, và trong các bộ biến tần. - IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): đây là dạng đặc biệt kết hợp giữa BJT và MOSFET. Là linh kiện rất dễ sử dụng, thời gian đóng ngắt nhỏ hơn thời gian đóng ngắt của BJT. Dòng định mức từ 10 đến 600 A, điện áp định mức từ 600 đến 1700V. IGBT ứng dụng nhiều trong các bộ biến tần từ1 dến100kW và được ứng dụng rộng rãi trong điện tử công suất. - SCR (Silicon Controlled Rectifier): Thyristor cũng giống như diode khi có xung trên cực Gate. SCR chỉ ngắt khi dòng qua nó bằng 0. Dòng định mức thay đổi từ 10 đến 5000A. Điện áp định mức thay đổi từ 200V đến 6 kV. Thời gian đóng ngắt từ 1 đến 200ms. SCR được ứng dụng rộng rãi trong bộ chỉnh lưu điều khiển và là linh kiện thuộc họ thyristor được ứng dụng rộng rãi nhất. - GTO (Gate Turn-Off Thyristor) thuộc họ Thyristor và có khả năng điều khiển ngắt bằng xung âm trên cổng Gate. GTO có thể thay thế BJT khi cần ứng dụng trong các bộ công suất lớn, cần dòng và điện áp lớn. Dòng và điện áp định mức gần tương tự như SCR và nó được ứng dụng trong các bộ biến tần lớn hơn 100kW. - TRIAC (Triode for Alternating Current) Là linh liện có cấu trúc cấu tạo bởi hai SCR mắc đối song. Dòng điện định mức từ 2 đến 50A, điện áp định mức từ 200 đến 800V. TRIAC được sử dụng trong điều chỉnh ánh sang, những thiết bị điện cầm tay [Type text] Page 26
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] Hình 2.2 Các linh kiện bán dẫn công suất trong công nghiệp [Type text] Page 27
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] Hình 2.3 Điện áp và dòng điện định mức của các linh kiện bán dẫn công suất [Type text] Page 28
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của linh kiện bán dẫn công suất [Type text] Page 29
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] Bảng 2.2 Ký hiệu và đặc tính của linh kiện bán dẫn trong công nghiệp [Type text] Page 30
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] [Type text] Page 31
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] 2. LỚP TIẾP XÚC CÔNG NGHỆ P-N. - Bằng các biện pháp công nghệ Epitaxi (Plana khuếch tán) người ta tạo ra được vùng chuyển tiếp tính dẫn điện từ loại p sang loại n gọi là tiếp xúc p-n. Đây là dạng tiếp xúc phi tuyến có tính dẫn điện không đối xứng theo hai chiều điện áp đặt vào. Chất bán dẫn có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng điện tử gọi là chất bán dẫn tạp chất loại n. Chất bán dẫn có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng lỗ hổng gọi là chất bán dẫn tạp chất loại p - Bình thường khi chưa có tác động bên ngoài trong vùng tiếp xúc một phần điện tử từ loại n sẽ dịch chuyển sang loại p và ngược lại một phần phần tử lỗ hổng từ loại p sẽ dịch chuyển sang loại n. Điện tử và phần tử mang điện lỗ hổng bù lẫn nhau và tạo ra vùng mang điện thấp – quá trình này được gọi là quá trình tổ hợp lại và tồn tại cho đến khi điện tử từ vùng n bị đẩy bởi i-ôn âm vùng p và phần tử mang điện lỗ hổng vùng p bị đẩy bởi i-ôn dương vùng n. Hình 2.4 Lớp p-n - Các i-ôn dương vùng n và các i-ôn âm vùng p tạo lên điện trường cục bộ hướng từ vùng n sang p. Điện thế có giá trị cực đại tại trung tâm của vùng tiếp xúc. Giữa hai vùng tạo ra hiệu điện thế điện thế này phụ thuộc vào chất liệu bán dẫn: đối với German là 0.3V đối với Silicon là 0.7V. [Type text] Page 32
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] Hình 2.5 Giản đồ điện áp trên lớp p-n 3. DIODE CÔNG SUẤT 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động. - . Diode là linh kiện bán dẫn ứng dụng trong điện tử công suất (ĐTCS) có cấu tạo đơn giản nhất, bao gồm 2 điện cực Anode (A) và K (Cathode) và có chứa một lớp tiếp xúc p-n. Diode- l linh kiện bán dẫn không điều khiển. Khi điện thế cực Anode lớn hơn so với điện thế cực Cathode, lớp tiếp xúc phân cực thuận và dòng điện thuận IF chạy theo chiều như hình vẽ, lúc này điện áp trên linh kiện sẽ có giá trị rất nhỏ (<1V), đối với linh kiện lý tưởng giá trị này bằng 0. Ngược lại, khi điện thế cực Anode nhỏ hơn so với điện thế cực Cathode, diode phân cực ngược linh kiện không dẫn, dòng điện ngược chạy qua diode được gọi là dòng rò, đối với linh kiện lý tưởng giá trị này bằng 0 Hình 2.6 Ký hiệu diode - Khi điện cực dương của nguồn điện được gắn vào cực Anode và cực âm- cực Cathode ta có tiếp xúc phân cực thuận. Điện tử từ cực âm vào vùng n, vùng tiếp xúc, một phần kết hợp với phần tử mang điện lỗ hổng phần còn lại qua vùng p tới cực dương của nguồn điện: Diode dẫn. [Type text] Page 33
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] Hình 2.7 Cấu trúc diode - Khi điện cực dương của nguồn điện được gắn vào cực Cathode và cực âm- cực Anode ta có tiếp xúc phân cực ngược. Chỉ có một số ít điện tử từ vùng p dịch chuyển qua vùng tiếp xúc, một phần kết hợp với phần tử mang điện lỗ hổng phần còn lại qua vùng n tới cực dương của nguồn: Diode ngắt. 2. Ký hiệu và sơ đồ kết nối Hình 2.8 Sơ đồ kết nối diode. 3. Đặc tính Volt-Amper của diode (VI): Đặc tính V-I của diode được chia làm 3 vùng [Type text] Page 34
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] Hình 2.9 Đặc tính V-A của diode (a-diode thực, b-diode lý tưởng) - Vùng phân cực thuận: Khi 0 VTD dòng điện tăng nhanh và diode đạt trạng thái dẫn điện ổn định. VTD gọi là điện áp đóng. - Vùng phân cực ngược: khi VD<0; dòng điện qua diode giảm dần về 0, dòng điện qua diode không tắt ngay và tiếp tục dẫn theo chiều ngược lại với tốc độ giảm ban đầu. Sau một thời gian ngắn, khả năng dẫn điện theo chiều nghịch bị mất. Diode ngắt. - Vùng đánh thủng: khi VD<-VBR: Trong đó VBR- điện áp đánh thủng (Breakdown voltage), làm cho diode bị phá hủy 4. Đặc tính động của diode: - Khi diode dẫn tương đương như một công tắc đóng: điện áp rơi trên linh kiện UF nhỏ, dòng điện thuận IF qua linh kiện lớn. - Khi diode ngắt tương đương như một công tắc ngắt: điện áp khóa trên linh kiện lớn, dòng rò qua linh kiện rất nhỏ. - Thời gian đóng diode - Forward recovery time tFR là thời gian cần thiết để diode có thể dẫn dòng tải khi điện áp thuận đặt trên hai đầu cực của diode. - Thời gian phục hồi tính nghịch - Reverse recovery time tRR là tổng khoảng thời gian từ ta khi dòng điện qua diode cắt 0 cho đến khi dòng điện qua diode bằng dòng IRR (dòng điện ngược lớn nhất), và khoảng thời gian tb khi dòng điện qua diode giảm từ IRR đến 0.25IRR [Type text] Page 35
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] Hình 2.10 Đặc tính động của Diodes - Tại thời điểm t=0, điện áp nguồn tăng và đạt giá trị dương Um. Do quán tính của quá trình khuyếch tán dòng qua diode không xuất hiện một cách tức thời mà tăng dần trong khoảng thời gian t1=tFR. Cùng với việc tăng dòng điện qua diode, điện áp trên hai đầu cực của diode giảm, sau thời gian t1 đạt giá trị UF. Tại thời điểm t1 dòng điện trong mạch xác lập, khi đó dòng qua diode bằng IS. - Trạng thái đó được giữ cho đến thời điểm t=t2 khi dấu của điện áp nguồn thay đổi. Tuy nhiên điện tích được tích tụ ở vùng tiếp xúc p-n giữ cho diode ở trạng thái đóng một thời gian, khi đó dòng điện giảm dần về 0, thực tế xảy ra hiện tượng dung giải điện tích. - Đến thời điểm t4 điện áp trên diode bằng 0 sau đó tăng theo chiều âm, làm cho dòng điện ngược qua diode tăng đến giá trị IRR, sau đó quá trình phục hồi tính nghịch của diode được tiếp tục đến thời điểm t5, khi dòng điện qua diode giảm từ IRR đến 0.25IRR. Quá trình ngắt diode kết thúc. Đến thời điểm đó dòng điện qua diode gần bằng 0 còn điện áp trên hai đầu cực đạt giá trị -Um. Như vậy thời gian phục hồi tính nghịch được tính bằng công thức di t = t + t ; I = t RR a b RR a dt - Thời gian phục hồi tính nghịch thường nhỏ hơn 1µs. Đại lượng này trở lên quan trọng cho các ứng dụng có tần số làm việc cao, như các bộ biến đổi DC/DC, AC/DC. - Từ đồ thị hình 2.10 ta thấy tổn hao công suất trong diode sẽ tăng đột ngột khi đóng và đặc biệt khi ngắt diode. Để giảm những tổn hao đó và đảm bảo quá trình làm việc an toàn cho diode người ta sử dụng sơ đồ đặc biệt – mạch snubber. Mạch snubber đơn giản nhất là sơ đồ bao gồm điện trở R mắc nối tiếp với một tụ. Mạch này được gắn song song với anode và cathode. 5. Những thông số cơ bản của diode - Dòng điện định mức IFmax: dòng điện thuận cực đại chạy qua diode mà không làm cho nhiệt độ của nó không vượt quá nhiệt độ cực đại cho phép. - Điện áp định mức: là điện áp ngược cực đại mà diode chịu được VBR [Type text] Page 36
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] - Điện áp thuận VF (Forward voltage): là điện áp giữa hai đầu cực A-K khi diode dẫn. - Điện áp đánh thủng VBR (Breakdown voltage). - Dòng điện ngược IRR: dòng điện qua diode khi điện áp ngược nhỏ hơn điện áp đánh thủng. 6. Các dạng Diodes cơ bản: - Small Signal Diode – diode loại nhỏ được sử dụng nhiều nhất trong những ứng dụng chung như linh kiện cho bộ chỉnh lưu, mạch ngưỡng, mạch tụ điện hay mạch tạo sóng. - Silicon Rectifier Diode – Diode chỉnh lưu Silicon: diođe này có khả năng mang dòng lớn đến vì trăm A với điện trở thuận nhỏ và điện trở ngược lớn đến MΩ. Những diode này được ứng dụng trong thiết kế các bộ nguồn, bộ lưu điện, bộ biến tần Khi dòng điện thuận lớn hơn dòng điện định mức, nhiệt độ của chúng tăng. - Schottky diode: độ sụt áp theo chiều thuận thấp (khoảng 0,3V). Do đó, nó được sử dụng cho các mạch điện áp thấp. Điện áp ngược chịu được khoảng 50- 100V - Diode phục hồi nhanh: được 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 nhỏ. - Diode tần số công nghiệp: các diode tần số công nghiệp được 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 kV và dòng điện vài kA. - Photodiode. - Light-Emitting Diode (LED). ứng dụng trong các mạch công suất lớn sử dụng các thiết bị analog hoặc digital. Bảng 2.2 Các thông số đặc trưng của một số diodes 7. Mạch bảo vệ: 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. Để hạn chế quá dòng điện người ta mắc nối tiếp cuộn cảm L với diode. Hình 2.8 Mạch bảo vệ diode Lưu ý: - Thông thường trong các diode công suất đã có chứa mạch RC tích hợp. [Type text] Page 37
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] - Điện áp định mức là điện áp nghịch lớn nhất có thể lặp lại tuần hoàn trên diode. 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. Bảng 2.1 Thông số của diodes trong datasheet của nhà sản xuất [Type text] Page 38
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] [Type text] Page 39
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] TRANSISTORS CÔNG SUẤT - POWER TRANSISTORS Transistor đầu tiên được phát minh vào năm 1948 do các nhà vật lý của phòng thí nghiệm và rất nhanh chóng nó trở thành linh kiện bán dẫn quan trọng nhất thời điểm đó. 3. BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR - BJT 1. Cấu tạo cấu tạo và nguyên lý hoạt động: - Bipolar junction transistor (BJT) cấu trúc bởi ba lớp p-n-p hoặc n-p-n. Tuy nhiên 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. BJT có hai lớp tiếp xúc p-n: Collector – Base (CB) và Base – Emitter (BE). Lớp tiếp xúc B-E phân cực theo chiều thuận để kéo điện tử về vùng Base, Lớp tiếp xúc C-B phân cực theo chiều nghịch để thu điện tử về vùng Collector - Hoạt động của nó cũng giống như diode, ở trạng thái bình thường lớp tiếp xúc p-n giữa Base và Emiter phân cực thuận VBE>0, nhờ đó điện tử dịch chuyển từ Emiter đến Base. Vì vùng Base có cấu trúc rất mỏng nên phần lớn điện tử sẽ chạy qua vùng này và đến vùng phân cực ngược Base – Collector VBC<0 tại đó có vùng nghèo điện tích.Trong thời gian này điện tử qua vùng nghèo điện tích và kết nối với cực Collector làm BJT dẫn. Do điện tử dịch chuyển từ theo chiều âm từ E đến C, nên dòng điện có chiều có chiều từ C đến E. Lúc này trong lớp phân cực thuận B-E, phần tử điện tích lỗ hổng sẽ dịch chuyển từ B đến E. Mặc dù không đóng góp vào dòng điện IC nhưng tổng của dòng điện IC và IB chính là dòng điện IE. holes electrons Hình 2.4 Sơ đồ biểu diễn nguyên lý hoạt động của BJT [Type text] Page 40
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] - BJT Có 3 điện cực Collector (C), Emitter (E) và Base (B) và được điều khiển hoàn toàn bằng dòng điện IB thông qua cực B và E. Mạch công suất nối giữa 2 cực C và E. 2. Ký hiệu v sơ đồ kết nối BJT dạng n-p-n BJT dạng p-n-p 3. Đặc tính Volt-Amper BJT Trong điện tử công suất, transistor BJT được sử dụng như khóa đóng ngắt các mạch điện và phần lớn được mắc theo dạng mạch có chung emitter. Đặc tính V-I của BJT được phân làm 3 vùng Sơ đồ kết nối Đặc tính V-I BJT - Trong vùng tích cực, dòng điện IC không đổi với VCE và dòng IB cho trước, trạng thái này thường dung cho các transistor nhỏ hoạt động như bộ khuếch đại. Mặt khác, ĐTCS đòi hỏi [Type text] Page 41
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] các transistors phải làm việc ở vùng bão hòa với VCE rất nhỏ hay vùng ngắt khi dòng điện qua linh kiện bằng 0. Dòng điện IB điều khiển tải lớn giữa C và E. a. Active -Vùng tích cực hay vùng tuyến tính: là vùng mà transistor hoạt động ở chế độ khuếch đại tín hiệu, tương ứng với các giá trị làm việc UCE > UCESAT và dòng IC>ICO. IC=hFE.IB Trong đó: hFE là hệ số khuếch đại dòng điện Một số tính chất của BJT ở chế độ tuyến tính: - Dòng điện IC tỷ lệ với dòng IB. - Dòng IC hầu như không phụ thuộc vào điện áp trên Collector. - Điện áp trên Base không phụ thuộc vào điện áp trên Collector và hầu như không phụ thuộc vào dòng IB. Từ những tính chất này có thể rút ra kết luận: - Ở chế độ tuyến tính BJT có thể thay thế bằng nguồn dòng IC, điều khiển bằng dòng IB. Khi đó nếu bỏ qua điện áp rơi giữa B-E thì có thể coi lớp tiếp giáp ngắn mạch b. Saturation -Vùng bão hòa: Dòng điện Base IB khá lớn với điện áp VCE nhỏ mà BJT hoạt động như một khóa đóng. Cả hai lớp tiếp xúc đều phân cực thuận Collector – Base (C-B) v Base – Emitter (B-E). - Để chuyển chế độ tuyến tính sang chế độ bão hòa cần phải tăng giá trị dòng IB cho đến khi điện áp UCE giảm đến giá trị mà ở đó lớp tiếp xúc C-B phân cực thuận. Ở chế độ bão hòa điện áp giữa C và E khá nhỏ nên BJT có thể thay thế bằng khóa đóng với điện áp rơi nhỏ. - Tại điểm làm việc nằm trong vùng bão hòa, transistor sẽ đóng, dòng IC dẫn và điện thế UCE = UCESAT =1-2 V. BJT có thể thay thế bằng khóa đóng ngắt với điện áp rơi nhỏ. Do dòng điện IB>IB_SAT, dòng điện qua collector IC hầu như không thay đổi. - Điều kiện bão hòa của BJT là UCB=UCE-UBE=0. Độ bõa hòa đạt được khi thỏa mãn điều kiện UBE>0. - Trong chế độ bão hòa dòng điện IB bao giờ cũng có giá trị lớn hơn dòng điện cần thiết để tạo dòng IC so với chế độ tuyến tính. - Điều kiện UBE=0 thường được gọi là chế độ giới hạn (biên giới), nghĩa là nó đặc trưng cho việc chuyển từ chế độ tuyến tính sang chế độ bão hòa. c. Cutoff - Vùng nghịch: Đặc tính ra với thông số iB = 0 nằm trong vùng này. Transistor ở chế độ ngắt. Dòng Base không đủ lớn để đóng BJT. Cả hai lớp tiếp xúc đều phân cực ngược. 4. Các thông số và đại lượng cơ bản BJT a. Ở vùng tuyến tính. - Dòng Emitter được xác định: I E = I C + I B - Dòng điện IC thay đổi tỷ lệ thuận với dòng điện IB I C β F = hFE = I B - Theo hình vẽ VB − VBE I B = ; VCE =VCC − I C RC ; VCE =VCB + VBE hay VCB =VCE −VBE RB [Type text] Page 42
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] - Dòng Collector lớn nhất I trong vùng tuyến tính được xác định từ phương trình điện áp CM VCB=0 và VBE=VCE. VCC −VCE VCC −VBE I CM = = RC RC - Dòng điện Base tương ứng sẽ là: I CM I BM = hFE b. Ở vùng bão hòa: VCC −VCESAT I CSAT = RC I CSAT I BSAT = hFE Mạch kích phải tạo dòng I đủ lớn sao cho: B I CSAT I B > I BSAT = hFE Trong thực tế, độ lớn dòng kích được thiết lập với hệ số an toàn ks sao cho I B = k s I BSAT Hệ số kS =2 →5 được chọn để việc kích đóng an toàn khi xét đến điều kiện chế tạo thực tế. Việc đưa hệ số này đảm bảo các transistor đều đạt được trạng thái bão hòa. c. Tổn hao công suất trong BJT: P = VBE I B +VCE IC d. Mạnh Darlinton: Các transistor công suất lớn có hệ số hFE chỉ khoảng 10- 20. Do đó, để giảm bớt dòng kích IB, tức tăng hFE có thể ghép nối tiếp các transistor công suất theo cấu hình Darlington. Bất lợi của cấu hình Darlington là độ sụt áp UCE bị tăng lên và tần số đóng ngắt bị giảm. Ví dụ: Nếu muốn điều khiển dòng điện I C = 200A mà chỉ dùng một transistor với hệ số khuyếch đại hFE = 20 thì dòng cổng Base I B = 10A là rất lớn và khó thực hiện. I C1 - Khi đó có hệ số khuyếch đại của BJT Q1 hFE1 = hay I C1 = hFE1I B1 = I B2 . Vậy dòng Collector I B1 transistor Q2 có giá trị I C 2 = hFE 2 I B2 = hFE 2 hFE1I B1 . Nếu ta muốn điều khiển dòng điện I C =200A ta chỉ cần hai BJT với hệ số khuếch đại hFE = 20 và I B = 0,5A . 5. Đặc tính động của BJT [Type text] Page 43
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] ton = td + tr : thời gian đóng transistor. td - thời gian trễ của quá trình chuyển sang đóng tr - thời gian tăng dòng điện toff = ts + t f : thời gian ngắt transistor. ts - Thời gian trễ của quá trình ngắt t f - Thời gian giảm dòng điện Tính chất động transistor tải R 6. Các thông số cơ bản BJT a. Điện áp định mức: phụ thuộc vào điện áp đánh thủng các lớp bán dẫn và xác định bởi giá điện áp cực đại đặt lên lớp collector-emitter UCEOM khi IB = 0 và giá trị cực đại điện thế lớp emitter-base UEBOM khi IC = 0. b. Dòng điện định mức: 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 hưởng của các mối tiếp xúc, dây dẫn tới điện cực và các giá trị hFESAT và UCESAT. c. Công suất tổn hao: công suất tổn hao tạo nên trong hoạt động của transistor không được phép 0 làm nóng bán dẫn vượt quá giá trị nhiệt độ cho phép TM (TM =150 C). Vì thế, cần làm mát transistor và toàn bộ công suất tổn hao phải nhỏ hơn PM. Giá trị PM phụ thuộc vào phương pháp làm mát và nhiệt độ môi trường. d. Một số tính chất và thông số - BJT là linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt bằng dòng điện Base IB. Nếu muốn điều khiển dòng tải (IC) lớn cần phải tăng dòng điện IB, làm cho tổn hao công suất và nhiệt độ linh kiện tăng. - Transistor công suất là linh kiện bán dẫn được điều khiển đóng và điều khiển ngắt. - Transistor công suất hoạt động ở vùng bão hòa vì vậy có điện áp khi đóng nhỏ, giống như khóa đóng ngắt. - Tần số đóng ngắt của Transistor công suất lớn hơn gấp nhiều lần so với thyristors, tuy nhiên điện áp và dòng điện định mức của một số transistor công suất nhỏ hơn so với Thyristors, vì vậy có ứng dụng trong các bộ biến đổi công suất vừa và nhỏ. - Ứng dụng trong các bộ biến đổi DC-DC, DC-AC với diode ngược để có thể cho dòng điện chạy cả hai chiều. - Không có khả năng khoá áp ngược. - Điện áp định mức đến 1200V. - Dòng điện định mức đến 400A. - Tần số định mức 10 kHz. - Điện áp bãohòa hồ 1-2V [Type text] Page 44
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] - Hệ số khuếch đại dòng hFE = 15 ÷100 . - Dòng điều khiển I B đến 10A và lớn hơn dòng điều khiển của Thyristor 7. Các trạng thái đóng ngắt. - UCE>0, IB>IBmin BJT đóng - IB<=0 BJT ngắt 8. Mạch bảo vệ: Để bảo vệ quá áp trong quá trình đóng ngắt BJT ta có thể sử dụng các mạch dưới đây: - Để giảm tốc độ tăng áp khoá du/dt trong quá trình ngắt ta mắc song song BJT với tụ (mạch Snubber RC v R, diode, C) - Để giảm tốc độ tăng dòng di/dt khi đóng mạch ta dùng cuộn cảm mắc nối tiếp với BJT vì L có tc dụng giảm tốc độ tăng dòng, tích năng lượng, sau đó được xả qua mạch L,R. 9. Mạch kích. - Nguyên tắc thiết kế mạch sao cho BJT được đóng ngắt bởi dòng I B thích hợp, và thay đổi được dòng IC trong mọi điều kiện. Trong đó nhiệm vụ của mạch kích: - Giảm thời gian chuyển trạng thái (tON ,t OFF ): bằng cách cho dòng kích I B giai đoạn đầu khá lớn và sau đó giảm dần. - Cách ly điện giữa mạch điều khiển và mạch công suất: dùng biến áp xung hoặc linh kiện quang điện tử (opton) a. 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 thường 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. - Biến áp xung cần có cảm kháng tản nhỏ và đáp ứng nhanh. Trong trường 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. [Type text] Page 45
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] - Optron: gồm nguồn phát tia hồng ngoại dùng diode (ILED) và mạch thu dùng phototransistor. Tín hiệu xung điều khiển được đưa vào LED và ngõ ra được dẫn từ phototransistor. 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. 3. MOSFET - METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR Khác với BJT, MOSFET thuộc họ linh kiện đơn cực, vì chúng chỉ sử dụng phần lớn dịch chuyển khi dẫn. Việc sử dụng công nghệ metaloxide-semiconductor (MOS) trong mạch vi điện tử (microelectronic) mở ra hướng mới trong việc phát triển power metaloxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) vào năm 1975. 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động - MOSFET là linh kiện bán dẫn điều khiển hoàn toàn bằng áp ở công điều khiển Gate. MOSFET có hai lọai PNP và NPN. Trên hình mô tả cấu trúc MOSFET loại n-p-n. Giữa lớp kim loại mạch cổng và các mối nối n+ và p có lớp điện môi silicon oxid SiO. - MOSFET có 3 điện cực Drain (D), Source (S) v Gate (G). Mạch điều khiển gắn vào điện cực G- S và điện áp điều khiển UBE. Mạch công suất gắn vo điện cực D-S. [Type text] Page 46
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] - Lớp tiếp xúc p-n giữa p – cơ bản (nền) (có thể gọi là thân hay vùng chính) và vùng n – dịch chuyển đảm bảo khả năng khóa điện. Phần kim loại kết nối trực tiếp với lớp p qua lớp n cho phép giữ điện thế cố định với vùng p trong thời gian làm việc bình thường. Khi cực Gate (G) và Source (S) được đặt điện áp như nhau (VGS = 0), không có kênh nào được thiết lập trong vùng p, nghĩa làvùng kênh không được điều biến. Dưới chất kích tạp vùng chuyển dịch n- cần phải đạt được điện + - áp khóa cổng Drain. Đối với dòng tải drain-source ID để dẫn cần phải thiết lập đường giữa n và n qua vùng khuyếch tán p. - Khi MOSFET ở trạng thái dẫn (triode region), kênh của linh kiện như một điện trở không đổi tỷ lệ tuyến tính giữa vDS và iD Tổn hao công suất tổng khi dẫn với MOSFET có dòng thuận ID và điện trở thuận RDS.on được tính: - Giá trị RDS.on có thể nhận giá trị từ 10 mΩ đến vài Ω tương ứng với điện áp thấp và điện áp cao. Ở trạng thái dẫn điện trở này là thông số quan trọng, vì nó xác định điện áp rơi trên linh kiện và tổn hao công suất. Khác với linh kiện điều khiển bằng dòng điện BJT, cần dòng điện Base để dẫn dòng điện tải, MOSFET là linh kiện điều khiển bằng áp và chỉ cần dòng điện (gate) rất nhỏ vì vậy công suất cần thiết nhỏ hơn BJT. Tuy nhiên đó không phải là dòng khóa giống BJT, nghĩa là điện áp kích luôn phải tồn tại. So sánh với BJT tần số đóng ngắt của MOSFET lớn hơn nhiều lần đến MHz, BJT có khả năng mang tải cao hơn MOSFET. MOSFET có điện trở khi dẫn lớn hơn BJT. Một số sự khác biệt, BJT nhậy cảm với nhiệt độ lớp tiếp xúc hơn, - Khi điện áp cổng Gate có giá trị dương đủ lớn so với Source, điện tử từ lớp n+ sẽ dịch chuyển sang cổng p. Nó làm cho cổng gần với Gate và cho phép dòng điện chạy từ Drain đến Source. Silicon Oxide (SiO) sẽ cách điện giữa cổng và cá lớp tiếp xúc: n+ và p. Trên vùng cực Drain tạo lớp đệm n+ và lớp trôi n- . Cực điều khiển và cực công suất bị cách ly. 2. Ký hiệu và sơ đồ kết nối BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 47
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] 3. Đặc tính Volt-Amper MOSFET BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 48
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] Sơ đồ kết nối Đặc tính VI MOSFET Đặc tính V-I của MOSFET được phân làm 3 vùng: - Cutoff mode - Vùng nghịch: VGS VTh là vùng mà MOSFET dẫn, dòng điện chạy từ cổng Drain đến cổng Source. Dòng ID tỷ lệ với điện áp VDS. Dòng điện ID lớn và điện áp Drain – Source nhỏ, MOSFET hoạt động như khóa đóng ngắt. - Saturation -Vùng bão hòa: VDS>VGS-VTh; VGS>VTh Dòng điện Drain ID hầu như không đổi khi điện áp VDS tăng và MOSFET hoạt động như một khâu khuếch đại. - MOSFET trong ĐTCS chỉ sử dụng hai trạng thái Triode mode và Cutoff mode 4. Đặc tính động của MOSFET Thời gian đóng Ton Thời gian ngắt Toff 5. Các thông số và tính chất cơ bản MOSFET BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 49
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] - Để MOSFET ở trạng thái đóng, đòi hỏi điện áp cổng tác dụng liên tục. Dòng điện đi vào mạch cổng điều khiển không đáng kể trừ khi mạch ở trạng thái quá độ, đóng hoặc ngắt dòng. Lúc đó xuất hiện dòng phóng và nạp điện cho tụ của mạch cổng. - Thời gian đóng ngắt rất nhỏ, khoảng vài ns đến hàng trăm ns phụ thuộc vào linh kiện. Điện trở trong của MOSFET khi dẫn điện RD.ON thay đổi phụ thuộc vào khả năng chịu áp của linh kiện. Do đó, các linh kiện MOSFET thường có định mức áp thấp tương ứng với trở kháng trong nhỏ và tổn hao ít. - Do tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp. Do đó, với định mức áp từ 300V- 400V MOSFET tỏ ra ưu điểm so với BJT ở tần số vài chục kHz. - MOSFET có thể sử dụng đến mức điện áp 1000V, dòng điện vài chục amper và với mức điện áp vài trăm volt với dòng cho phép đến khoảng 100A. Điện áp điều khiển tối đa 20V (2V,5V, 10V tùy theo loại), mặc dù thông thường có thể dùng áp đến 5V để điều khiển được nó. - MOSFET là linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt bằng điện áp và đòi hỏi dòng điện nhỏ. Tần số đóng ngắt rất cao và thời gian đạt đến 100 kHz. Vì vậy MOSFET ứng dụng trong các bộ biến đổi công suất nhỏ và tần số cao. Tuy nhiên, linh kiện MOSFET khi kết hợp với công nghệ linh kiện GTO lại phát huy hiệu quả cao và chúng kết hợp với nhau tạo nên linh kiện MTO có ứng dụng cho các tải công suất lớn. - MOSFET đòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ kích đóng nhanh và tổn haodo đóng ngắt thấp. Tuy nhiên, MOSFET có điện trở khi dẫn điện lớn, do vậy công suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nó không thể phát triển thành linh kiện công suất lớn. - Các linh kiện MOSFET có thể đấu song song để mở rộng công suất - Ứng dụng cho các bộ biến đổi công suất nhỏ - Tần số đóng cắt của MOSFET lên đến 100 kHz. - Áp định mức của MOSFET đến 1000V - Dòng định mức của MOSFET đến 50 A - Mosfet có cấu trúc diode ngược lý sinh (do cấu trúc bán dẫn) - Độ sụt áp trên MOSFET cao hơn so với BJT - Điện trở khi dẫn (từ 0,1 Ω đến vài Ω) - Tổn hao trong MOSFET cao. 6. Các trạng thái đóng ngắt. - UDS>0, UGS>0: MOSFET đóng - UGS<=0: MOSFET ngắt 7. Mạch bảo vệ. - Không cần bảo vệ nhiều như BJT nhưng ta có thể sử dụng mạch RC mắc song song với ngõ ra của linh kiện để hạn chế tác dụng của gai điện áp và các xung nhiễu dao động xuất hiện khi linh kiện đóng. BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 50
TS.LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG I – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] 8. Mạch kích. Tương tự như BJT, mạch kích cổng G của MOSFET có thể được cách ly với mạch tạo tín hiệu điều khiển thông qua biến áp xung, optron hoặc diode quang. Bảng 1.2 Các thông số đặc trưng của MOSFET Loại MOSFET Điện áp định mức (V) Dòng điện định mức (A) Ron (Ω) IRFZ48 60 50 0.018 IRF510 100 5.6 0.54 IRF540 100 28 0.077 APT10M25BNR 100 75 0.025 IRF740 400 10 0.55 MTM15N40E 400 15 0.3 APT5025BN 500 23 0.25 APT1001RBNR 1000 11 1.0 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 51
TS.LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG I – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] 4. IGBT - INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR - Insulated gate bipolar transistor (IGBT) – được phát minh vào đầu những năm 1980 và là linh kiện rất thành công với những đặc tính nổi trội. IGBT có cẩu trúc 3 cực ứng dụng trong điều khiển năng lượng điện và nhiều ứng dụng khác không thể hiệu quả khi không có IGBT. Trước khi xuất hiện IGBT, BJT và MOSFET được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ với tần số đóng ngắt cao mà ở đó GTO không thể sử dụng. - IGBT có đặc tính tốt hơn so với các linh kiện còn lại do IGBT là mạch Darlington của BJT và MOSFET, vì vậy nó có điện trở khi dẫn nhỏ như BJT, cách ly cực điều khiển và cực công suất như MOSFET và điều khiển bằng điện áp. 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Lớp p cực Collector của IGBT kết hợp với lớp n vùng khuyếch tán tạo tiếp xúc p-n, khi dẫn. Để đơn giản ta giả thiết cực Emitter là điện thế mát (ground potential). Khi điện thế cực C âm, lớp tiếp xúc p-n khuếch tán phân cực ngược, ngăn không cho dòng điện tải chạy trong linh kiện – linh kiện ở trạng thái ngắt. Khi cực G có điện áp mát (ground potential) mà điện áp dương trên cực C, tiếp xúc p-n khuếch tán cũng phân cực ngược, làm cho dòng điện tải không chạy trong linh kiện – linh kiện ở trạng thái chưa dẫn. BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 52
TS.LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG I – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] Khi cực G mang điện thế dương lớn hơn điện áp đóng VTh , kênh n được hình thành cho phép điện tử dịch chuyển vào vùng n-khuếch tán. Lớp tiếp xúc p-n khuếch tán phân cực thuận và điện tích lỗ hổng dịch chuyển vào vùng khuếch tán. Trong vùng này điện tử kết hợp với điện tích lỗ hổng thiết lập khoảng trung hòa, các điện tích lỗ hổng còn lại kết nối với cực E, tạo dòng điện giữa hai cực E-C. - IGBT là transistor công suất hiện đại, chế tạo trên công nghệ VLSI, cho nên kích thước gọn nhẹ. Nó có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện. - IGBT có cấu trúc gồm bốn lớp p-n-p-n. IGBT có cấu tạo gồm 3 cổng Gate (G), Collector (C), Emitor (E). Mạch điều khiển nối vào cổng GE, mạch công suất được nối giữa cổng C-E. - IGBT được thực hiện từ sự kết hợp giữa IGBT đầu vào với cổng Gate cách ly và transistor dạng n-p-n đầu ra, nhờ đó mà IGBT tập hợp được những đặc tính của cả IGBT và IGBT. Cổng Gate của IGBT giống như cổng Gate của MOSFET, còn cực Collector và Emitor giống như BJT. - Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng kích G. Khi tác dụng lên cổng G điện thế dương so với Emitter để kích đóng IGBT, các hạt mang điện loại n được kéo vào kênh p gần cổng G làm giàu điện tích mạch cổng p của transistor n-p-n và làm cho IGBT dẫn điện. Để ngắt IGBT ta ngắt điện áp cấp cho cổng GE. 2. Ký hiệu v sơ đồ kết nối BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 53
TS.LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG I – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] 3. Đặc tính Volt-Amper IGBT - Đặc tính V-A của IGBT có dạng tương tự như đặc tính V-A của MOSFET. - Sơ đồ kết nối Đặc tính VI IGBT Đặc tính V-I của IGBT được phân làm 3 vùng: - Cutoff mode - Vùng nghịch: VGE VTh là vùng mà IGBT dẫn, dòng điện chạy từ cổng Drain đến cổng Source. Dòng IC tỷ lệ với điện áp VCE. Dòng điện IC lớn và điện áp C-E nhỏ, IGBT hoạt động như khóa đóng ngắt. - Saturation -Vùng bão hòa: VCE>VGE-VTh; VGE>VTh Dòng điện IC hầu như không đổi khi điện áp VCE tăng và IGBT hoạt động như một khâu khuếch đại. BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 54
TS.LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG I – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] - IGBT trong ĐTCS chỉ sử dụng hai trạng thái Triode mode và Cutoff mode - Để ngắt IGBT, cực G được nối tắt với cổng E làm cho dòng điện trong transistor p-n-p ngưng. Dòng IC đột ngột giảm nguyên nhân là vì kênh điện tử bị gỡ bỏ, đồng thời hạt điện tích dương dư thừa trong vùng n-khuyếch tán bị suy giảm vì kết hợp lại với điện tử. 4. Đặc tính động của IGBT Thời gian chuyển sang trạng thái ON của IGBT lớn hơn so với MOSFET, trong thời gian td.on, dòng kích nạp tụ theo sườn dốc điện áp Gate-Emiter đến giá trị điện áp ngưỡng VGE.th, trong thời gian tri dòng điện tải tăng đến giá trị ổn định, giá trị của thời gian này xác định sườn dòng điện. Khi điện áp Gate-Emiter đạt đến giá trị VGE.Ion, dòng điện Collector ổn định, điện áp collector-emitter bắt đầu giảm. Sau hai khoảng thời gian IGBT dẫn. Trong khoảng thời gian đầu tfv1 điện áp collector-to-emitter giảm nhanh, thời gian tfv2 cần để thiết lập điều kiện phun ở mức cao trong vùng khuếch tán. Điện áp Gate bắt đầu tăng lại chỉ sau khi transistor chuyển từ vùng bão hòa sang vùng tuyến tính, khi transistor dẫn hoàn toàn và điện áp collector- emitter đạt giá trị điện áp dẫn cuối cùng. 5. Các thông số cơ bản IGBT - IGBT kết hợp những ưu điểm của MOSFET và BJT. - Ưu điểm của IGBT là khả năng đóng ngắt nhanh, làm nó được sử dụng trong các bộ biến đổi điều chế độ rộng xung tần số cao. IGBT hiện chiếm vị trí quan trọng trong công nghiệp với họat động trong phạm vi công suất đến 10MW hoặc cao hơn nữa. - Công nghệ chế tạo IGBT phát triển tăng nhanh công suất của IGBT đã giúp nó thay thế dần GTO trong một số ứng dụng công suất lớn. Điều này còn dẫn đến các cải tiến hơn nữa công nghệ của GTO và tạo nên các dạng cải tiến của nó như MTO, ETO và IGCT. - Giống như MOSFET, linh kiện IGBT có điện trở mạch cổng lớn làm hạn chế công suất tổn hao khi đóng và ngắt. Giống như BJT, linh kiện IGBT có độ sụt áp khi dẫn điện thấp (2→3V; 1000V định mức) nhưng cao hơn so với GTO. Khả năng chịu áp khóa tuy cao nhưng thấp hơn so với các thyristor. IGBT có thể làm việc với dòng điện lớn. Tương tự như GTO, transistor IGBT có khả năng chịu áp ngược cao. - So với thyristor, thời gian đáp ứng đóng và ngắt IGBT rất nhanh, khoảng một vài ìs và khả năng chịu tải đạt dến mức điện áp vài ngàn Volt (6kV) và dòng điện vài ngàn Amper. -Khả năng đóng cắt nhanh đến 100kHz BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 55
TS.LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG I – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] -Áp định mức đến 6.3 kV -Dòng địng mức đến 2,4 kA -Điện trở linh kiện khi dẫn đến 50mΩ . -Ứng dụng cho bộ biến đổi có công suất lớn đến 10MW - Có khả năng chịu áp ngược cao. - Sụt áp thấp 2-3V với áp địng mức 1000V. 6. Modul IGBT thông minh (Intelligent Power Modul): được chế tạo bởi công nghệ tích hợp cao. Trên modul chứa đựng phần tử IGBT, mạch kích lái, mạch bảo vệ, cảm biến dòng điện. Các modul này đạt độ tin cậy rất cao. 7. Các trạng thái đóng ngắt. - UCE>0, UGE>0: IGBT đóng - UGE<=0: IGBT ngắt 8. Mạch bảo vệ: IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần đến mạch bảo vệ. Trong trường hợp đặc biệt, có thể sử dụng mạch bảo vệ của MOSFET áp dụng cho IGBT 9. Mạch kích. Mạch kích IGBT đượt thiết kế tương tự như mạch kích cho MOSFET. Do giá thành IGBT cao, và đặc biệt cho công suất lớn, mạch kích lái IGBT được chế tạo dưới dạng IC công nghiệp. Các IC này có khả năng tự bảo vệ chống quá tải, ngắn mạch, được chế tạo tích hợp dạng modul riêng (1,2,4,6 driver) hoặc tích hợp trên cả modul bán dẫn (hình thành dạng complex (bao gồm mạch lái, IGBT và mạch bảo vệ) Bảng 1.3 Các thông số đặc trưng của IGBT BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 56
TS.LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG I – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN] BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 57
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN ] 5. SCR - SILICON CONTROLER RECTIFIER - Thyristors là linh kiện bán dẫn 4 lớp p-n và 3 cực, khác với transistor quan hệ giữa dòng điện tải và dòng điện điều khiển là lưỡng ổn định. Cổng điều khiển là Gate (G) có thể được tích hợp trong cấu trúc của linh kiện. Hai cổng còn lại anode (A) and cathode (K), cần chịu điện áp lớn và dẫn dòng điện chính qua linh kiện. Hai cổng này được nối tiếp với tải. - Thiristor được sử dụng gần lý tưởng: khi đóng (dẫn) – không có điện áp rơi trên anode và cathode và khi ngắt (mở) không có dòng điện anode, để điều khiển công suất tải. 9. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Cấu trúc thyristor Cấu trúc thyristor Hoạt động của Thyristors được mô tả như sau: Khi điện áp dương trên anode (so với cathode), thyristor ở trạng thái khóa thuận (forward-blocking state). Lớp tiếp xúc J2 phân cực ngược. Trong chế độ này dòng kích gate current bằng 0 (mạch hở). Trong thực tế, điện áp cổng gate có giá trị âm nhỏ (so với cathode) trên tiếp xúc phân cực ngược GK J3 và ngăn dịch chuyển điện tích vào lớp p. Trong điều kiện này chỉ có tác động nhiệt tạo dòng rò qua linh kiện và thường có giá trị gần bằng 0 (Giá trị thực tế dòng rò nhỏ hơn nhiều lần so với dòng điện thuận khi linh kiện dẫn). Nếu điện áp thuận không vượt quá giá trị cần thiết để tạo dịch chuyển nhân trong vùng nghèo điện tích J2 (hiệu ứng đánh thủng), thyristor vẫn ở trạng thái ngắt – khóa thuận (forwardblocking). Nếu điện áp vượt quá điện áp điện áp thuận cực đại thyristor, thyristor chuyển sang trạng thái dẫn. Tuy nhiên chế độ đóng này có thể gây hư hỏng linh kiện vì vậy cần tránh. Khi dòng điện dương trên cổng gate tiếp xúc J3 trở nên dẫn thuận, điện tử từ lớp n chạy sang lớp p. Một số điện tử khuếch tán qua lớp p và được nối với lớp n, Do đó làm thay đổi điều kiện dịch chuyển của tiếp xúc J1. Sự thay đổi này làm cho điện tích lỗ hổng dương phun từ lớp p –emitter sang lớp n., những điện tích này khuếch tán qua lớp n và kết nối với lớp p-. điện tích bổ xung trong lớp p cũng là dòng gate. Toàn bộ quá trình này được tái sinh và là nguyên nhân làm cho lớp tiếp xúc J2 phân cực thuận và thyristor được chốt ở trạng thái dẫn (Dẫn thuận). Quá trình tái sinh này sẽ tồn tại khi dòng điện gate có giá trị và thời gian đủ. Phương pháp đóng thyristor bằng dòng điều khiển này là phưưong pháp phù hợp và mong muốn. - Thyristor là linh kiện bán dẫn với cấu trúc gồm 4 lớp tiếp xúc n-p. Với ba cực Anode (A), Cathode (K), Gate (G). - Mạch điều khiển gắn vào cồng GK, mạch công suất gắn vào cổng AK. - Về mặt cấu tạo Thyristor gồm một đĩa silic từ đơn tinh thể loại n, trên lớp đệm p có cực điều khiển bằng nhôm. Lớp Cathode là lớp bán dẫn loại n rất mỏng và mật độ điện tử rất cao. Nên nếu có dòng thuận qua sẽ tạo nên nhiều điện tử ở lớp điều khiển. Lớp điều khiển là bán dẫn loại p mỏng có mật độ trung bình, do đó hầu hết các điện tử ở lớp Cathode có thể tới được lớp điều khiển. Hoạt động của Thyristor còn có thể giải thích tương tự hai transistor: hai transistor được kết nối dạng tái sinh sao cho tổng dòng điện thuận lớn hơn giá trị mà nó thể chuyển sang trạng thái bão hòa. BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 57
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN ] 10. Ký hiệu v sơ đồ kết nối Ký hiệu Sơ đồ kết nối 11. Đặc tính Volt-Amper SCR I C = f (I G ,U AK ) - Nhánh thuận : UAK>0 và IG>0, Thyristor dẫn tương ứng với giá trị khác nhau của điện áp UAK mà dòng điều khiển IG có những gía trị khác nhau. Thyristor có thể dẫn với IG =0 khi điện áp UAK có giá trị khá lớn. Mạch tương đương của SCR gồm 2 Transistor mắc đối Collector và Base với nhau xung IG làm 2 Transistor nhanh chóng dẫn bão hoà. BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 58
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN ] - Nhánh nghịch khi UAK IG1>IG0 → VB02<UB01<UB0. - IL (L- Latching) - Dòng chốt: Dòng điện anode nhỏ nhất để giữ cho thyristor ở trạng thái dẫn thuận mà có thể ngắt xung điều khiển. - IH (H – Holding)- Dòng duy trì : trong quá trình dòng thuận SCR IF thấp hơn dòng duy trì IH thì SCR tự động chuyển sang trạng thái ngắt - VBR – Áp đánh thủng SCR. 12. Đặc tính động của SCR a. Quá trình đóng SCR. - Quá trình tăng dòng trong thyristor được bắt đầu sau một khoảng thời gian t0, giá trị của thời gian này phụ thuộc vào biên độ dòng xung ban đầu Imax và dao động trong khoảng 0.1-2 mks. Trong khoảng thời gian ban đầu dòng qua thyristor tăng đến giá trị dòng chốt, dòng này thường có giá trị bằng 0,1Idm. - Sau đó dòng điện tăng dần và đạt giá trị ổn định sau khoảng thời gian t00, Sau khi thyristor dẫn xung dòng điện điều khiển có thể giảm. b. Quá trình ngắt SCR được tổng hợp từ 3 giai đoạn: - Thời gian phục hồi tính nghịch trr - tq- Thời gian ngắt an toàn của Thyristor: là khoảng thời gian từ khi dòng thuận trở về 0 cho đến khi xuất hiện điện áp khoá thuận mà SCR không bị đóng lại khi chưa có tín hiệu xung điều khiển. tq=trr+tr c. Tổn hao công suất trong SCR: bao gồm tổn hao khi dòng thuận chạy qua, tổn hao trong quá trình đóng ngắt và tổn hao trong mạch điều khiển. Tổn hao khi dòng thuận chạy qua được tính giống như ở diode. Còn tổn hao khi đóng ngắt và trong mạch điều khiển phụ thuộc vào phương pháp đóng và ngắt thyristor. d. Phương pháp ngắt thyristor: - Phương pháp ngắt tự nhiên: các bộ chỉnh lưu có điều khiển, các bộ biến tần trực tiếp và bộ biến đổi điện áp xoay chiều. - Phương pháp ngắt cưỡng bức - thường sử dụng nạp tụ 13. Các thông số cơ bản của SCR - Sau khi thyristor dẫn cực điều khiển mất tính chất điều khiển vì thế không thể sử dụng nó để ngắt Thyristor. Thyristor có thể tự ngắt khi dòng điện qua nó nhỏ hơn dòng điện duy trì. Đối với Thyristor lý tưởng thì dòng duy trì bằng 0. Tuy nhiên đối với Thyristor thực tế thì giá trị này khác 0. - Dùng cho mạch công suất lớn - Mạch điều khiển được nối giữa cực G-K. Mạch công suất được nối giữa cực A-K - Linh kiện điều khiển bằng dòng IG kích đóng cho SCR - Không có khả năng kích ngắt, SCR chỉ bị ngắt khi dòng qua nó nhỏ hơn dòng duy trì. - Áp định mức SCR vài kV, dòng định mức vài kA BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 59
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN ] - Tín hiệu điều khiển là dòng điện, dòng điều khiển nhỏ hơn dòng điều khiển của BJT 14. Các trạng thái của SCR: SCR có 3 trạng thái: - Trạng thái ngắt khi điện áp trên cực anode âm so với cực cathode. - Trạng thái ngắt khi điện áp trên cực anode dương so với cực cathode. - Trạng thi dẫn. U AK 0 ; I G 0 ; I G > 0 : SCR dẫn Khóa ngược Khóa thuận Dẫn thuận 15. Mạch bảo vệ - Nếu dU/dt quá lớn dẫn đến SCR dẫn ngoài ý muốn Vì thế người ta giới han tốc độ thay đổi điện áp khoá trong khoảng 10 − 100V / μs - Nếu dIf/dt lớn quá sẽ làm tiết diện SCR bị quá tải ở chỗ nối với cổng làm hỏng SCR .Vì thế người ta giới hạn độ tăng của dòng thuận trong khoảng 10-100A/μs. Mạch bảo vệ du/dt Mạch bảo vệ du/dt Mạch bảo vệ di/dt 16. Mạch kích SCR. Thí dụ sơ đồ mạch kích thyristor BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 60
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN ] BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 61
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN ] 5. GTO - GATE TURN OFF THYRISTOR GTO là linh kiện bán dẫn công suất cấu trúc 3 cổng , 4 lớp p-n, thuộc họ Thyristor. Ngoài ra GTO thuộc dạng điều khiển hoàn toàn bằng dòng điện bằng cổng gate. Cấu trúc, cải tiến và hoạt động của GTO rất dẽ hiểu nếu ta so sánh với thyristor thông thường. Tương tự như thyristor thông thường để đóng GTO cần một tín hiệu dương vào cổng Gate, tuy nhiên có điểm khác là để ngắt GTO cần một tín hiệu âm ở cổng Gate. Có hai dạng GTO: không đối xứng và đối xứng, tuy nhiên loại không đối xứng được sử dụng nhiều hơn. Loại này mắc đối song với diode vì vậy khả năng khóa áp ngược là không có. Dẫn ngược được thực hiện bởi diode ngược đã được tích hợp trong linh kiện. GTO dạng đối xứng có khả năng dẫn thuận và dẫn ngược. 17. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Cấu trúc cơ bản của GTO tương tự như Thyristor thông thường, tuy nhiên GTO có một số thiết kế khác với thyristor để đóng và ngắt linh kiện bằng cách thay đổi dấu của tín hiệu điều khiển. Điểm khác biệt quan trọng nhất là GTO có chổt emitter hẹp bao quanh bởi điện cực gate và không đoản mạch cathode. Khi dẫn đặc tính của GTO tương tự thyristor, dòng các lỗ hổng phân cực thuận từ gate kết nối lớp liên kết p – cathode, làm phát xạ điện tử từ cathode. Các điện tử này chạy đến anode và tạo ra lỗ hổng bởi phát xạ anode. Sự dịch chuyển của các lỗ hổng và điện tử vào vùng base cho đến khi hiệu ứng khuếch tán làm cho GTO dẫn. - Cấu trúc của GTO gồm 4 lớp tiếp xúc n-p-n-p. Với ba cực Anode (A), Cathode (K), và Gate (G), trong đó cực Anode và Cathode được cấu tạo bởi nhiều phần tử công nghệ như những thyristor mắc song song, nhờ đó tạo khả năng ngắt từ cực điều khiển. Tuy nhiên GTO được đóng dẫn rất nhanh và có thể chịu được tăng dòng cao (di/dt). Để ngắt GTO, cực gate phân cực ngược đồng thời tác động lên cathode, điện tích lỗ hổng từ anode tách khỏi lớp p. Kết quả là điện áp rơi tăng trong vùng p, và cuối cùng làm phân cực ngược tiếp xúc gate-cathode và ngắt sự dịch chuyển của điện tử. Do điện tích lỗ hổng tiếp tục bị tách ra nên lớp p trở thành vùng nghèo, bằng cách đó ép trạng thái dẫn. Dòng anode sau đó chạy qua vùng xa với cổng gate, tạo dòng điện mật độ cao. Đây là giai đoạn quyết định của quá trình ngắt GTO, do sợi mật độ cao làm tăng nhiệt, gây ra hư linh kiện nếu không dập tắt nhanh sợi này. Ứng dụng dòng điện âm giá trị lớn ở cổng gate có thể dập tắt sợi này nhanh. Tuy nhiên điện áp đánh thủng GTO làm hạn chế phương pháp này. 18. Ký hiệu và sơ đồ kết nối BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 62
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN ] 19. Đặc tính Volt-Amper GTO: Đặc tính V-A của GTO tương tự đặc tính của SCR. Ở trạng thái đóng GTO được đặc trưng bởi các thông số - Điện áp ngưỡng U - Điện trở thuận. 20. Đặc tính động của GTO: a. Quá trình đóng bao gồm thời gian trễ đóng và thời gian tăng dòng, mà trong thời gian đó điện áp trên GTO giảm đến giá trị 10% so với giá trị ban đầu. Tổng hai khoảng thời gian trên gọi là thời gian đóng. Để giảm thời gian đóng và giảm tổn hao khi đóng thì dòng điều khiển (trên cực điều khiển) ở thời điểm đầu cần phải có tốc độ thay đổi lớn di/dt>5A/mks. b. Quá trình ngắt GTO xảy ra khá chậm và bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn 1 dòng qua GTO giảm đến 10-20% giá trị dòng ban đầu. Giai đoạn hai dòng điện giảm khá chậm, thời gian kéo dài quá trình này lớn hơn khá nhiều so với thời gian của giai đoạn 1. Dòng trên cực điều khiển phải có giá trị âm và phải có biên độ khá lớn và gia tốc phải đạt giá trị di/dt>20A/mks. Đối với GTO hiện tại biên độ dòng ngắt có giá trị bằng 30% biên độ dòng anode. Để giảm tổn hao khi đóng ngắt và bảo vệ GTO người ta cũng thường sử dụng mạch snubber. 21. Các thông số và tính chất cơ bản - GTO có khả năng điều khiển ngắt bằng dòng cổng Gate giá trị âm. Vì vậy, GTO thích hợp cho một số ứng dụng khi yêu cầu điều khiển cả hai quá trình đóng và ngắt khoá bán dẫn. - Định mức GTO : dòng vài kA , áp vài kA : - Dùng cho mạch công suất rất lớn. 22. Các trạng thái đóng ngắt GTO có 3 trạng thái: - Trạng thái ngắt khi điện áp trên cực anode âm so với cực cathode. - Trạng thái ngắt khi điện áp trên cực anode dương so với cực cathode. - Trạng thái dẫn. - BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 63
TS. LÊ MINH PHƯƠNG [CHƯƠNG II – CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN ] 6. TRIAC - TRIOD ALTERNATIVE CURRENT 23. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: - TRIAC được cấu tạo bởi hai Thyristor mắc đối song. Do đó linh kiện dẫn điện ở cả hai nửa chu kỳ. 24. Ký hiệu và sơ đồ kết nối 25. Đặc tính Volt-Amper TRIAC - Đặc tính Volt-Amper của TRIAC vẽ theo chiều quy ước của cực T1. - Đặc tính Volt-Amper của TRIAC có tính đối xứng 26. Các thông số và tính chất cơ bản TRIAC - Khái niệm Anode và Cathode không có ý nghĩa đối với TRIAC, ta đánh số T1 là cực gần cực điều khiển G. - TRIAC chỉ bị khoá khi I G = 0 và điện áp đặt nhỏ hơn áp ngưỡng. - Ưu điểm cơ bản của TRIAC là mạch điều khiển đơn giản. Nhưng công suất giới hạn không cao và nhỏ hơn Thyristor. - TRIAC tự bảo vệ chống lại quá điện áp theo cả hai chiều. BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Page 64
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] CHƯƠNG III BỘ CHỈNNH LƯU – RECTIFIEL I. Tổng quát 1. Chức năng : Biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều 2. Ứng dụng : - Truyền động điện (Động cơ DC) - Nguồn cho mạch kích từ máy phát điện - Nguồn cho mạch kích từ động cơ DC, đồng bộ - Dùng cho thiết bị hàn điện một chiều, mạ kim loại, nạp ác quy - Dùng biến đổi thành dạng một chiều và truyền tải - Dùng cho phương tiện giao thông công cộng 3. Phân loại: a. Dạng điều khiển - Điều khiển hoàn toàn (Thyristor) - Điều khiển bán phần ( Thyristor – diode) - Không điều khiển b. Dạng mạch : - Dạng mạch tia - Dạng mạch cầu - Dạng ghép nối tiếp, song song - Dạng chỉnh lưu kép c. Số pha : - Một pha - Ba pha - Nhiều pha Hình 3.1 Bộ chỉnh lưu tia 1 pha bán phần không điều khiển BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 65
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] Hình 3.1 Bộ chỉnh lưu tia 1 pha toàn phần không điều khiển BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 66
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] II . BỘ CHỈNH LƯU TIA 3 PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN 1. Sơ đồ: id - Nguồn xoay chiều 3 pha: u A = U m sinωt iD1 iD2 iD3 2π u = U sin(ωt − ) D1 D2 D3 B m UD1 UD2 UD3 R 3 2π uC = U m sin(ωt + ) Ud 3 L - Linh kiện bán dẫn: 3 diode công suất D1 ,D2 , D3 UA UB UC - Tải một chiều dạng tổng quát RLE E 2. Ký hiệu: - Dòng tức thời qua linh kiện diodes công suất iD1,iD2, iD3 - Điện áp trên linh kiện diodes công suất uD1 , uD2 , uD3 - Điện áp và dòng điện tải ud ,id - Trị trung bình điện áp, dòng điện tải Ud ,Id - Trị hiệu dụng áp pha nguồn U - Trị hiệu dụng dòng điện nguồn I1 - Biên độ điện áp pha nguồn Um 3. Giả thiết: - Nguồn áp lý tưởng : nguồn xoay chiều ba pha cân bằng, đối xứng điện trở trong của nguồn bằng không. - Các linh kiện bán dẫn lý tưởng: điện áp trên linh kiện khi dẫn bằng 0. - Tải L đủ lớn để dòng tải phẳng và liên tục. - Mạch ở trạng thái xác lập. 4. Phân tích: Tại mỗi thời điểm chỉ có một linh kiện diode dẫn điện. a. Xác định khoảng đóng ngắt khoá diodes. - Để phân tích trình tự đóng ngắt các khoá diode ta dùng phép chứng minh phản chứng. Xét trong khoảng [π/6÷5π/6]: Giả sử D2 dẫn và D1, D3 ngắt ta có u D2 = 0 ;u D1 0 tức là D1 dẫn trong khoảng này, điều này mâu thuẫn với giả thiết. Vậy D2 không thể dẫn trong khoảng này. Giả sử D3 dẫn và D1, D2 ngắt ta có uD3 = 0; uD1 0 tức là D1 dẫn trong khoảng này, điều này mâu thuẫn với giả thiết. Vậy D3 không thể dẫn trong khoảng này. - Như vậy trong khoảng [π/6÷5π/6] chỉ có D1 có thể dẫn : Giả sử D1 dẫn và D2, D3 ngắt ta có uD1 = 0;uD2 < 0 ; uD3 < 0 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 67
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] - Theo giản đồ ta thấy uD1 = 0 ⇒ uD2 = uB − u A Diode D3 dẫn 6 3 6 3 b. Phương trình trạng thái: - Khi D1 dẫn. ⎧u D1 = 0 ⎧uD2 = uB − u A < 0 ⎧uD3 = uC − u A < 0 ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ⎩iD1 = id ⎩ iD2 = 0 ⎩ iD3 = 0 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 68
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] d id ud = u A ; ud = Rid + L + E dt - Khi D2 dẫn. ⎧uD1 = u A − uB ⎧uD2 = 0 ⎧uD3 = uC − uB ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ⎩ iD1 = 0 ⎩iD2 = id ⎩ iD3 = 0 d id ud = u B ; ud = Rid + L + E dt - Khi D3 dẫn. ⎧uD1 = u A − uC < 0 ⎧uD2 =u B −uC < 0 ⎧u D3 = 0 ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ⎩ iD1 = 0 ⎩ iD2 = 0 ⎩iD3 = id d id ud = uC ; ud = Rid + L + E dt 5. Hệ quả Áp chỉnh lưu có dạng ba xung trong một chu kỳ áp nguồn BCL được gọi là bộ chỉnh lưu ba xung. Tần số hài cơ bản áp chỉnh lưu bằng 3 lần tần số áp nguồn f (1) = p. f = 3.50 = 150Hz Trong đó: p - số xung chỉnh lưu Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải). 1 5π / 6 3 3 3 6 U = U sin(ωt)d(ωt) = U = U d 0 ∫ m m 2π / 3 π / 6 2π 2π Trị trung bình dòng điện chỉnh lưu (dònh điện tải). Ud − E I = d R Áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu. U rwm = 6U = 3U m Dòng trung bình qua diode. Id I = D1 3 - Khi thiết kế ta phải chọn linh kiện sao cho : URRM ≥ Ku.U RWM và Id ≥ Ki ID1 Trong đó: Ku = 2,5- 3,5 : Hệ số an toàn áp Ki ≥ 1 : hệ số an toàn về dòng Trị hiệu dụng dòng điện nguồn. Id I1 = 3 Công suất tiêu thụ trên tải. Pd = U d I d Hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu. P U .I 3 2 λ = d = d d = =0,676. S 3U.I1 2π BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 69
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] III. BỘ CHỈNH LƯU TIA 3 PHA ĐIỀU KHIỂN 1. Sơ đồ : id - Nguồn xoay chiều 3 pha: u A = U m sinωt iT1 iT2 iT3 2π u = U sin(ωt − ) T1 T2 T3 B m UT1 UT2 UT3 R 3 2π uC = U m sin(ωt + ) Ud 3 L - Linh kiện bán dẫn: 3 SCR công suất T1 ,T2 , T3 UA UB UC - Tải một chiều dạng tổng quát RLE E 2. Ký hiệu: - Dòng tức thời qua linh kiện SCR công suất iT1,iT2, iT3 - Điện áp trên linh kiện SCR công suất uT1 , uT2 , uT3 - Điện áp và dòng điện tải ud ,id - Trị trung bình điện áp, dòng điện tải Ud ,Id - Trị hiệu dụng áp pha nguồn U. - Trị hiệu dụng dòng điện nguồn I1 - Biên độ điện áp pha nguồn Um 3. Giả thiết: - Nguồn áp lý tưởng : nguồn xoay chiều ba pha cân bằng, đối xứng điện trở trong của nguồn bằng không. - Các linh kiện bán dẫn lý tưởng: điện áp trên linh kiện khi dẫn bằng 0. - Tải L đủ lớn để dòng tải phẳng và liên tục. - Mạch ở trạng thái xác lập. 4. Phân tích: - Góc điều khiển (α): là góc trễ so với góc mà nếu ở vị trí đó các diode sẽ dẫn, độ lớn của nó được tính từ thời điểm xuất hiện áp dương trên Thyristor đến khi xuất hiện xung kích ở cổng điều khiển. - Phạm vi góc điều khiển α là : 0 ≤ α ≤ π a. Phương trình trạng thái. π 5π Thyristor T1 dẫn [ + α ÷ + α] 6 6 ⎧uT1 = 0 ⎧uT 2 = uB − u A < 0 ⎧uT 3 = uC − u A < 0 ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ⎩iT1 = id ⎩ iT 2 = 0 ⎩ iT 3 = 0 d id ud = u A ; ud = Rid + L + E dt 5π 9π Thyristor T2 dẫn [ + α ÷ + α] 6 6 ⎧uT 1 = u A − uB < 0 ⎧uT 2 = 0 ⎧uT 3 = uC − u A < 0 ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ⎩ iT 1 = 0 ⎩iT 2 = id ⎩ iT 3 = 0 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 70
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] d id ud = u B ; ud = Rid + L + E dt 9π 13π Thyristor T3 dẫn [ + α ÷ + α] 6 6 ⎧uT 1 = u A − uC < 0 ⎧uT 2 =u B −uC < 0 ⎧uT 3 = 0 ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ⎩ iT 1 = 0 ⎩ iT 2 = 0 ⎩iT 3 = id d id ud = uC ; ud = Rid + L + E dt (V) s U (V) d U (A) d i (A) T1 i (V) T1 U Hình 3.4 Giản đồ điện áp, dòng điện chỉnh lưu và linh kiện BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 71
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] 5. Hệ quả: Áp chỉnh lưu có dạng ba xung trong một chu kỳ áp nguồn BCL được gọi là bộ chỉnh lưu ba xung. Tần số hài cơ bản áp chỉnh lưu bằng 3 lần tần số áp nguồn f (1) = p. f = 3.50 = 150Hz Trong đó: p - số xung chỉnh lưu Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải). 1 α +5π / 6 3 3 3 6 U = U sin(ωt)d(ωt) = U cosα = U cosα = U cosα d ∫ m m d 0 2π / 3 α +π / 6 2π 2π 3 6 3 6 Khi 0 ≤ α ≤ π => - U ≤ Ud ≤ U 2π 2π - Như vậy bộ chỉnh lưu tia 3 pha điều khiển có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu và chuyển năng lượng về nguồn. Nó có thể làm việc ở hai góc phần tư I và IV Trị trung bình dòng điện chỉnh lưu (dòng điện tải). Ud − E I = d R Áp ngược lớn nhất mà SCR phải chịu. U rwm = 6U = 3U m Dòng trung bình qua SCR. Id I = T 3 - Khi thiết kế ta phải chọn linh kiện sao cho : Uđm ≥ Ku.U RWM và Iđm ≥ Ki ID1 Trong đó: Ku: Hệ số an toàn áp. (Ku = 2,5- 3,5) Ki: hệ số an toàn về dòng (Ki ≥ 1) Trị hiệu dụng dòng điện nguồn. Id I1 = 3 Công suất tiêu thụ trên tải. Pd = U d I d Hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu. P U .I 3 2 λ = d = d d = cosα S 3U.I1 2π 3 6 Đặc tuyến điều khiển. Trị trung bình điện áp chỉnh lưu U = U cosα không phụ dα 2π thuộc vào tham số tải khi dòng tải liên tục. BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 72
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] 1 0.5 0 -0.5 -1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 6. Chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu. - Khi α thay đổi Udα có thể âm nhưng Id > 0. Công suất trung bình : P = Ud.Id - Nếu Ud > 0 => P > 0 bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu, công suất chuyển từ phía xoay chiều về phía một chiều - Nếu Ud P 0 - Chế độ nghịch lưu xảy ra khi Ud * E < 0 7. Góc an toàn. - Góc an toàn: là góc điện nhỏ nhất phải có khi SCR chịu tác dụng của áp nghịch để khôi phục khả năng khoá của nó một cách an toàn (γ ) γ = ω .tq Trong đó tq thời gian ngắt an toàn - Khi α tăng thời gian để khôi phục khả năng khoá sẽ giảm - Nếu α tăng đến một giá trị đủ lớn để SCR không còn đủ thời gian khôi phục khả năng khoá của mình SCR đóng không theo ý muốn, dòng điện tăng lớn ,hỏng thiết bị , cần được ngắt bởi thiết bị bảo vệ BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 73
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] IV. BỘ CHỈNH LƯU TIA VỚI DIODE DO 1. Sơ đồ - Nguồn xoay chiều 3 pha u A = U m sinωt 2π u = U sin(ωt − ) B m 3 2π u = U sin(ωt + ) C m 3 - Linh kiện bán dẫn: 3 thyistor công suất T1 ,T2 , T3, Diode Do - Tải một chiều dạng tổng quát RLE 2. Ký hiệu: - Dòng tức thời qua linh kiện SCR công suất iT1,iT2, iT3 - Điện áp trên linh kiện SCR công suất và diode uT1 , uT2 , uT3, uD0 - Điện áp và dòng điện tải ud ,id - Trị trung bình điện áp, dòng điện tải Ud ,Id - Trị hiệu dụng áp pha nguồn U. - Trị hiệu dụng dòng điện nguồn I1 - Biên độ điện áp pha nguồn Um 3. Giả thiết: - Nguồn áp lý tưởng: nguồn xoay chiều ba pha cân bằng, đối xứng điện trở trong của nguồn bằng không. - Các linh kiện bán dẫn lý tưởng: điện áp trên linh kiện khi dẫn bằng 0. - Tải L đủ lớn để dòng tải phẳng và liên tục. - Mạch ở trạng thái xác lập. 4. Phân tích. π a. Khi α ≤ Tương tự tia ba pha điều khiển. 6 π 5π b. Khi < α < 6 6 - Diode D0 dẫn trong khoảng điện áp chỉnh lưu mang giá trị âm. Thyristor T1 dẫn [α ÷π ] ⎧uT1 = 0 ⎧uT 2 = u B − u A < 0 ⎧uT 3 = uC − u A < 0 ⎧uDo = −ud < 0 ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ⎩iT1 = id ⎩ iT 2 = 0 ⎩ iT 3 = 0 ⎩ iDo = 0 d id ud = u A ; ud = Rid + L + E dt Diode Do dẫn [π ÷π + α] ⎧uDo = ud = 0 ⎧uT 1 = u A < 0 ⎧uT 2 = uB − u A < 0 ⎧uT 3 = uC − u A < 0 ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ⎩ iDo = id ⎩ iT 1 = 0 ⎩ iT 2 = 0 ⎩ iT 3 = 0 di u = 0 ; u = Ri + L d + E d d d dt BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 74
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] D0 T1 D0 T2 D0 T3 D0 T1 D0 T2 D0 T3 UA UB UC (V) s U (V) d UA UB UC U (A) d i (A) T1 i UA UA-UC UA-UB (V) T1 U Hình 3.6 Giản đồ điện áp, dòng điện chỉnh lưu và linh kiện ⎡5π 10π ⎤ Thyristor T2 dẫn + α ÷ ⎣⎢ 6 6 ⎦⎥ ⎧uT 1 = u A − u B < 0 ⎧uT 2 = 0 ⎧uT 3 = uC − u A < 0 ⎧u Do = −ud < 0 ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ⎩ iT 1 = 0 ⎩iT 2 = id ⎩ iT 3 = 0 ⎩ iDo = 0 d id ud = u B ; ud = Rid + L + E dt ⎡10π 9π ⎤ Diode Do dẫn ÷ + α ⎣⎢ 6 6 ⎦⎥ ⎧uDo = ud = 0 ⎧uT 1 = u A − uB < 0 ⎧uT 2 = uB < 0 ⎧uT 3 = uC − uB < 0 ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ⎩ iDo = id ⎩ iT 1 = 0 ⎩ iT 2 = 0 ⎩ iT 3 = 0 di u = 0 ; u = Ri + L d + E d d d dt BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 75
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] ⎡9π 14π ⎤ Thyristor T3 dẫn + α ÷ - ⎣⎢ 6 6 ⎦⎥ ⎧uT 1 = u A − uC < 0 ⎧uT 2 =u B −uC < 0 ⎧uT 3 = 0 ⎧uDo = −ud < 0 ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ⎩ iT 1 = 0 ⎩ iT 2 = 0 ⎩iT 3 = id ⎩ iDo = 0 d id ud = uC ; ud = Rid + L + E dt ⎡14π 13π ⎤ Diode Do dẫn ÷ + α ⎣⎢ 6 6 ⎦⎥ ⎧u Do = ud = 0 ⎧uT 1 = u A − uC < 0 ⎧uT 2 = u B − uC < 0 ⎧uT 3 = uC < 0 ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ; ⎨ ⎩ iDo = id ⎩ iT 1 = 0 ⎩ iT 2 = 0 ⎩ iT 3 = 0 di u = 0 ; u = Ri + L d + E d d d dt 5. Hệ quả: Áp chỉnh lưu có dạng ba xung trong một chu kỳ áp nguồn BCL được gọi là bộ chỉnh lưu ba xung. Tần số hài cơ bản áp chỉnh lưu bằng 3 lần tần số áp nguồn f (1) = p. f = 3.50 = 150Hz Trong đó: p - số xung chỉnh lưu. π a. Khi α ≤ : Tương tự tia ba pha điều khiển. 6 π 5π b. Khi < α ≤ 6 6 Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải). 3 π 3 π 3 π U = U sin(ωt)d(ωt) = U (1+ cos(α + )) = U (1− sin(α − )) d ∫ m m m 2π π 2π 6 2π 3 α + 6 3 6 0 ≤ U ≤ U d 2π - Như vậy bộ chỉnh lưu tia 3 pha điều khiển với diode D0 chỉ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Nó có thể làm việc ở hai góc phần tư I Trị trung bình dòng điện chỉnh lưu (dòng điện tải). Ud − E I = d R Áp ngược lớn nhất mà SCR phải chịu. U rwm = 6U = 3U m Dòng trung bình qua SCR. 5π −α I = 6 I T 2π d Dòng trung bình qua diode D0 π 3α − I = I − 3I = 2 I T d T 2π d - Khi thiết kế ta phải chọn linh kiện sao cho : Uđm ≥ Ku.U RWM và Iđm ≥ Ki ID1 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 76
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] Trong đó: Ku: Hệ số an toàn áp. (Ku = 2,5- 3,5) Ki: hệ số an toàn về dòng (Ki ≥ 1) Trị hiệu dụng dòng điện nguồn. 5π −α 1 π 6 I 1 = π Id.d(ωt ) = I d ∫α + 2π 6 2π Công suất tiêu thụ trên tải. Pd = U d I d Hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu. 3 2 π 2 π U (1+ cos(α + )I (1+ cos(α + ) P U .I d λ = d = d d = 2π 6 = 2π 6 S 3U.I 5π 5π 1 −α −α 3U. 6 I 6 2π d 2π Đặc tuyến điều khiển. Trị trung bình điện áp chỉnh lưu, không phụ thuộc vào tham số tải khi dòng tải liên tục. 6. Tác dụng của diode Do: - Giảm trị hiệu dụng thành phần xoay chiều của áp chỉnh lưu - Tăng hệ số công suất nguồn:α tăng I1 Giảm => U1I1 giảm => P1 giảm => λ tăng - Không cho phép chế độ nghịch lưu. U - Khảo sát đặc tuyến dα U do BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 77
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] V. BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN 6. Sơ đồ: id - Nguồn xoay chiều 3 pha: iT1 iT3 iT5 u A = U m sinωt 2π UT1 UT3 T5 u = U sin(ωt − ) T1 T3 UT5 L B m 3 2π u = U sin(ωt + ) C m 3 R Ud - Linh kiện bán dẫn: 6 SCR công suất T1 ,T2 ,T3 , T4 ,T5 ,T6 - Tải một chiều dạng tổng quát RLE E UT4 T4 UT6 T6 UT2 T2 iT4 iT6 iT2 7. Ký hiệu: - Dòng tức thời qua linh kiện SCR công suất iT1 , iT2 , iT3, iT4 , iT5 , iT6 - Điện áp trên linh kiện SCR công suất uT1 , uT2 , uT3, uT4 , uT5 , uT6 - Điện áp và dòng điện tải ud ,id - Trị trung bình điện áp, dòng điện tải Ud ,Id - Trị hiệu dụng áp pha nguồn U - Trị hiệu dụng dòng điện nguồn I1 - Biên độ điện áp pha nguồn Um 8. Giả thiết: - Nguồn áp lý tưởng: nguồn xoay chiều ba pha cân bằng, đối xứng điện trở trong của nguồn bằng không. - Các linh kiện bán dẫn lý tưởng: điện áp trên linh kiện khi dẫn bằng 0. - Tải L đủ lớn để dòng tải phẳng và liên tục. - Mạch ở trạng thái xác lập. - Điện áp dây nguồn: π 5π u = u − u = 3U sin(ωt + ) u = u − u = 3U sin(ωt − ) AB A B m 6 BA B A m 6 π π u = u − u = 3U sin(ωt − ) u = u − u = 3U sin(ωt + ) BC B C m 2 CB C B m 2 7π π u = u − u = 3U sin(ωt − ) u = u − u = 3U sin(ωt − ) CA C A m 6 AC A C m 6 9. Phân tích. - Giả thiết dòng qua tải liên tục, ta tách mạch cầu thành hai nhóm linh kiện Anode (T1,T3,T5) và Cathode (T2 ,T4 , T6). Điện áp phụ được đưa ra khảo sát là udA và udK . - Tại một thời điểm sẽ có hai SCR dẫn: một của nhóm Anode và một của nhóm Cathode. Trước hết ta chứng minh rằng hai nhóm linh kiện làm việc độc lập với nhau và mỗi nhóm làm việc như một mạch tia Xét mạch Anode: giả thiết T1 đóng, T3, T5 ngắt ta có phương trình trạng thái: ⎧uT1 = 0; ⎧uT 3 = u B − u A ; ⎧uT 5 = uC − u A ; ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT1 = id ; ⎩iT 3 = 0; ⎩iT 5 = 0; udA = u A BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 78
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] Xét mạch Cathode: giả thiết T2 đóng, T4, T6 ngắt ta có phương trình trạng thái: ⎧uT 2 = 0; ⎧uT 4 = u A − uC ; ⎧uT 6 = u B − uC ; ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT 2 = id ; ⎩iT 4 = 0; ⎩iT 6 = 0; udK = uC di u = u − u ; u = Ri + L d + E d dA dK d d dt - Các hệ thức mô tả điện áp và dòng nhóm Anode hoàn toàn không phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt của các Thyritor nhóm Cathode và ngược lại. Do đó để khảo sát điện áp udA ta chỉ cần xét đến trạng thái kích đóng của các thyristor (T1,T3,T5), tương tự dể khảo sát điện áp udK ta chỉ cần xét trạng thái kích đóng của các linh kiện (T2 ,T4 , T6). id iT1 iT3 iT5 UT1 T1 UT3 T3 UT5 T5 UdA UA UB UC Mạch tia Anode Mạch tia Cathode a. Xác định khoảng dẫn của các linh kiện. ⎡π π ⎤ + α ÷ + α - SCR T1,T6 dẫn ⎣⎢ 6 2 ⎦⎥ ⎧uT1 = 0 ⎧uT 3 = u B − u A ⎧uT 5 = uC − u A udA = u A ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT1 = id ⎩iT 3 = 0 ⎩iT 5 = 0 ⎧uT 4 = u B − u A ⎧uT 6 = 0 ⎧uT 2 = u B − uC udK = uB ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT 4 = 0 ⎩iT 6 = id ⎩iT 2 = 0 π u = u − u = u − u = u = 3U sin(ωt + ) d dA dK A B AB m 6 ⎡π 5π ⎤ + α ÷ + α - SCR T1,T2 dẫn ⎣⎢ 2 6 ⎦⎥ ⎧uT1 = 0 ⎧uT 3 = u B − u A ⎧uT 5 = uC − u A udA = u A ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT1 = id ⎩iT 3 = 0 ⎩iT 5 = 0 ⎧uT 4 = uC − u A ⎧uT 6 = uC − u B ⎧uT 2 = 0 udK = uC ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT 4 = 0 ⎩iT 6 = 0 ⎩iT 2 = id π u = u − u = u − u = u = 3U sin(ωt − ) d dA dK A C AC m 6 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 79
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] ⎡5π 7π ⎤ + α ÷ + α - SCR T3,T2 dẫn ⎣⎢ 6 6 ⎦⎥ ⎧uT1 = u A − u B ⎧uT 3 = 0 ⎧uT 5 = uC − u B udA = uB ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT1 = 0 ⎩iT 3 = id ⎩iT 5 = 0 ⎧uT 4 = uC − u A ⎧uT 6 = uC − u B ⎧uT 2 = 0 udK = uC ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT 4 = 0 ⎩iT 6 = 0 ⎩iT 2 = id π u = u − u = u − u = u = 3U sin(ωt − ) d dA dK B C BC m 2 (V) s U (V) d U (A) T1 (V) T1 U (A) i 1 i Hình 3.6 Giản đồ điện áp, dòng điện chỉnh lưu và linh kiện (α=450) BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 80
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] ⎡7π 9π ⎤ + α ÷ + α - SCR T3,T4 dẫn ⎣⎢ 6 6 ⎦⎥ ⎧uT1 = u A − u B ⎧uT 3 = 0 ⎧uT 5 = uC − u B udA = uB ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT1 = 0 ⎩iT 3 = id ⎩iT 5 = 0 ⎧uT 4 = 0 ⎧uT 6 = u A − u B ⎧uT 2 = u A − uC udK = u A ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT 4 = id ⎩iT 6 = 0 ⎩iT 2 = 0 5π u = u − u = u − u = u = 3U sin(ωt − ) d dA dK B A BA m 6 ⎡9π 11π ⎤ ⎢ + α ÷ + α ⎥ - SCR T5,T4 dẫn ⎣ 6 6 ⎦ ⎧uT1 = u A − uC ⎧uT 3 = u B − uC ⎧uT 5 = 0 udA = uC ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT1 = 0 ⎩iT 3 = 0 ⎩iT 5 = id ⎧uT 4 = 0 ⎧uT 6 = u A − u B ⎧uT 2 = u A − uC udK = u A ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT 4 = id ⎩iT 6 = 0 ⎩iT 2 = 0 7π u = u − u = u − u = u = 3U sin(ωt − ) d dA dK C A CA m 6 ⎡11π 13π ⎤ + α ÷ + α - SCR T5,T6 dẫn ⎣⎢ 6 6 ⎦⎥ ⎧uT1 = u A − uC ⎧uT 3 = u B − uC ⎧uT 5 = 0 udA = uC ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT1 = 0 ⎩iT 3 = 0 ⎩iT 5 = id ⎧uT 4 = u B − u A ⎧uT 6 = 0 ⎧uT 2 = u B − uC udK = uB ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT 4 = 0 ⎩iT 6 = id ⎩iT 2 = 0 π u = u − u = u − u = u = 3U sin(ωt + ) d dA dK C B CB m 2 10. Hệ quả Áp chỉnh lưu có dạng sáu xung trong một chu kỳ áp nguồn, BCL được gọi là bộ chỉnh lưu sáu xung. Tần số hài cơ bản áp chỉnh lưu bằng 6 lần tần số áp nguồn f (1) = p. f = 6.50 = 300Hz Trong đó: p - số xung chỉnh lưu Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải). π +α 1 2 π 3 3 3 6 U = 3U sin(ωt + )d(ωt) = U cosα = U cosα d ∫ m m 2π / 6 π 6 π π +α 6 3 6 3 6 Khi 0 ≤ α ≤ π − U ≤ U ≤ U π d π - Như vậy bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu và chuyển năng lượng về nguồn. Nó có thể làm việc ở hai góc phần tư I và IV Trị trung bình dòng điện chỉnh lưu (dòng điện tải). BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 81
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] Ud − E I = d R Áp ngược lớn nhất mà SCR phải chịu. U RWM = 6U = 3U m Dòng trung bình qua SCR. I I = = I = d T1 T 6 3 - Khi thiết kế ta phải chọn linh kiện sao cho : URRM ≥ Ku.U RWM và Id ≥ Ki ID1 Trong đó: Ku = 2,5- 3,5 : Hệ số an toàn áp Ki ≥ 1 : hệ số an toàn về dòng Trị hiệu dụng dòng điện nguồn. 2 I = I 1 d 3 Công suất tiêu thụ trên tải. Pd = U d I d Hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu. P U I λ = d = d d S 3UI1 U I 3 6UI λ = d d = d cosα = 0,955cosα 3UI 2 3Uπ I 3 d BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 82
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] VI . BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN 1. Sơ đồ id - Nguồn xoay chiều 3 pha: u = U sinωt iT1 iT3 iT5 A m 2π u = U sin(ωt − ) UT1 UT3 T5 B m T1 T3 UT5 L 3 2π u = U sin(ωt + ) C m 3 Ud R - Linh kiện bán dẫn: 3 SCR công suất T1 ,T3 ,T5 và 3 Diode công suất T4,T6 ,T2 - Tải một chiều dạng tổng quát RLE E UD4 D4 UD6 D6 UD2 D2 iD4 iD6 iD2 2. Ký hiệu: - Dòng tức thời qua linh kiện công suất iT1 , iD2 , iT3, iD4 , iT5 , iD6 - Điện áp trên linh kiện công suất uT1 , uD2 , uT3, uD4 , uT5 , uD6 - Điện áp và dòng điện tải ud ,id - Trị trung bình điện áp, dòng điện tải Ud ,Id - Trị hiệu dụng áp pha nguồn U - Trị hiệu dụng dòng điện nguồn I1 - Biên độ điện áp pha nguồn Um 3. Giả thiết: - Nguồn áp lý tưởng: nguồn xoay chiều ba pha cân bằng, đối xứng điện trở trong của nguồn bằng không. - Các linh kiện bán dẫn lý tưởng: điện áp trên linh kiện khi dẫn bằng 0. - Tải L đủ lớn để dòng tải phẳng và liên tục. - Mạch ở trạng thái xác lập. - Điện áp dây nguồn: π 5π u = u − u = 3U sin(ωt + ) u = u − u = 3U sin(ωt − ) AB A B m 6 BA B A m 6 π π u = u − u = 3U sin(ωt − ) u = u − u = 3U sin(ωt + ) BC B C m 2 CB C B m 2 7π π u = u − u = 3U sin(ωt − ) u = u − u = 3U sin(ωt − ) CA C A m 6 AC A C m 6 4. Phân tích. - Khi thay nhóm linh kiện Anode (hoặc Cathode )trong bộ chỉnh lưu mạch cầu ba pha điều khiển hoàn toàn bằng diode công suất ta được bộ chỉnh lưu mạch cầu ba pha điều khiển bán phần. - Việc phân tích BCL cầu 3 pha điều khiển bán phần hoàn toàn giống BCL cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn với việc phân thành hai nhóm Anode và Cathode. - Trong trường hợp này ta xem diode như Thyristor bình thường với góc điều khiển α = 0 . Việc phân tích tiến hành tương tự chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn - Mạch có cấu trúc gồm 2 bộ chỉnh lưu tia 3 pha điều khiển và không điều khiển BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 83
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] id iT1 iT3 iT5 UT1 T1 UT3 T3 UT5 T5 UdA UA UB UC Mạch tia Anode Mạch tia Cathode a. Xác định khoảng dẫn của các linh kiện. ⎡π π ⎤ + α ÷ - SCR T1,D6 dẫn ⎣⎢ 6 2 ⎦⎥ ⎧uT1 = 0 ⎧uT 3 = u B − u A ⎧uT 5 = uC − u A udA = u A ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT1 = id ⎩iT 3 = 0 ⎩iT 5 = 0 ⎧uD4 = uB − u A ⎧uD6 = 0 ⎧uD2 = u B − uC udK = uB ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iD4 = 0 ⎩iD6 = id ⎩iD2 = 0 π u = u − u = u − u = u = 3U sin(ωt + ) d dA dK A B AB m 6 ⎡π 5π ⎤ ÷ + α - SCR T1,D2 dẫn ⎣⎢ 2 6 ⎦⎥ ⎧uT1 = 0 ⎧uT 3 = u B − u A ⎧uT 5 = uC − u A udA = u A ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT1 = id ⎩iT 3 = 0 ⎩iT 5 = 0 ⎧uD4 = uC − u A ⎧uD6 = uC − uB ⎧uD2 = 0 udK = uC ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iD4 = 0 ⎩iD6 = 0 ⎩iD2 = id π u = u − u = u − u = u = 3U sin(ωt − ) d dA dK A C AC m 6 ⎡5π 7π ⎤ + α ÷ - SCR T3,D2 dẫn ⎣⎢ 6 6 ⎦⎥ ⎧uT1 = u A − uB ⎧uT 3 = 0 ⎧uT 5 = uC − uB udA = uB ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT1 = 0 ⎩iT 3 = id ⎩iT 5 = 0 ⎧uD4 = uC − u A ⎧uD6 = uC − uB ⎧uD2 = 0 udK = uC ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iD4 = 0 ⎩iD6 = 0 ⎩iD2 = id π u = u − u = u − u = u = 3U sin(ωt − ) d dA dK B C BC m 2 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 84
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] (V) s U (V) d U (A) T1 i (V) T1 U (A) 1 i Hình 3.7 Giản đồ áp chỉnh lưu, áp và dòng qua linh kiện ⎡7π 9π ⎤ ÷ + α - SCR T3,D4 dẫn ⎣⎢ 6 6 ⎦⎥ ⎧uT1 = u A − uB ⎧uT 3 = 0 ⎧uT 5 = uC − uB udA = uB ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT1 = 0 ⎩iT 3 = id ⎩iT 5 = 0 ⎧uD4 = 0 ⎧uD6 = u A − uB ⎧uD2 = u A − uC udK = u A ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iD4 = id ⎩iD6 = 0 ⎩iD2 = 0 5π u = u − u = u − u = u = 3U sin(ωt − ) d dA dK B A BA m 6 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 85
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] ⎡9π 11π ⎤ + α ÷ - SCR T5,T4 dẫn ⎣⎢ 6 6 ⎦⎥ ⎧uT1 = u A − uC ⎧uT 3 = u B − uC ⎧uT 5 = 0 udA = uC ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT1 = 0 ⎩iT 3 = 0 ⎩iT 5 = id ⎧uD4 = 0 ⎧uD6 = u A − uB ⎧uD2 = u A − uC udK = u A ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iD4 = id ⎩iD6 = 0 ⎩iD2 = 0 7π u = u − u = u − u = u = 3U sin(ωt − ) d dA dK C A CA m 6 ⎡11π 13π ⎤ ⎢ ÷ + α ⎥ - SCR T5,D6 dẫn ⎣ 6 6 ⎦ ⎧uT1 = u A − uC ⎧uT 3 = u B − uC ⎧uT 5 = 0 udA = uC ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iT1 = 0 ⎩iT 3 = 0 ⎩iT 5 = id ⎧uD4 = uB − u A ⎧uD6 = 0 ⎧uD2 = u B − uC udK = uB ⎨ ⎨ ⎨ ⎩iD4 = 0 ⎩iD1 = id ⎩iD2 = 0 π u = u − u = u − u = u = 3U sin(ωt + ) d dA dK C B CB m 2 5. Hệ quả Áp chỉnh lưu có dạng ba xung trong một chu kỳ áp nguồn BCL được gọi là bộ chỉnh lưu sáu xung. Tần số hài cơ bản áp chỉnh lưu bằng 6 lần tần số áp nguồn f (1) = p. f = 6.50 = 300Hz Trong đó: p - số xung chỉnh lưu Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải). 3 6 U = U (1+ cosα) D 2π 3 6 Khi 0 ≤ α ≤ π 0 ≤ U ≤ U d π - Như vậy bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần chỉ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Nó có thể làm việc ở góc phần tư I Trị trung bình dòng điện chỉnh lưu (dòng điện tải). Ud − E I = d R Áp ngược lớn nhất mà SCR phải chịu. U RWM = 6U = 3U m Dòng trung bình qua SCR. I I = = I = d T1 T 6 3 - Khi thiết kế ta phải chọn linh kiện sao cho : URRM ≥ Ku.U RWM và Id ≥ Ki ID1 Trong đó: Ku = 2,5- 3,5 : Hệ số an toàn áp Ki ≥ 1 : hệ số an toàn về dòng Trị hiệu dụng dòng điện nguồn. BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 86
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] 2 I = I 1 d 3 Công suất tiêu thụ trên tải. Pd = U d I d Hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu. P U I λ = d = d d S 3UI1 U I 3 6UI λ = d d = d (1+ cosα) = 0,478(1+ cosα) 3UI 2 6Uπ I 3 d BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 87
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] VII. BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN. 1. Sơ đồ. id - Nguồn xoay chiều một pha: u = U sinωt iT1 iT3 m - Linh kiện bán dẫn: 4 thyistor công suất UT1 T1 UT3 T3 T1,T2 ,T3,T4 L - Tải một chiều dạng tổng quát RLE R Ud UT4 T4 UT2 T2 E iT4 iT2 2. Ký hiệu: - Dòng tức thời qua linh kiện SCR công suất iT1 , iT2 , iT3, iT4 - Điện áp trên linh kiện SCR công suất uT1 , uT2 , uT3, uT4 - Điện áp và dòng điện tải ud ,id - Trị trung bình điện áp, dòng điện tải Ud ,Id - Trị hiệu dụng áp pha nguồn U - Trị hiệu dụng dòng điện nguồn I1 - Biên độ điện áp pha nguồn Um 3. Giả thiết: - Nguồn áp lý tưởng: nguồn xoay chiều một pha lý tưởng, điện trở trong của nguồn bằng không. - Các linh kiện bán dẫn lý tưởng: điện áp trên linh kiện khi dẫn bằng 0. - Tải L đủ lớn để dòng tải phẳng và liên tục. - Mạch ở trạng thái xác lập. 4. Phân tích. - Tương tự BCL cầu ba pha ta chia thành hai nhóm: nhóm Anode (T1, T3) và nhóm Cathode (T4, T2). Trong cùng một khoảng một thời gian sẽ có hai linh kiện của hai nhóm cùng dẫn. a. Xác định khoảng dẫn của các SCR -[α ÷π + α]-Linh kiện T1, T2 cùng dẫn. -[π + α ÷ 2π + α]-Linh kiện T3, T4 cùng dẫn. id id iT1 iT3 UT1 T1 UT3 T3 U1 U2 UdA UdK U1 U2 UT4 T4 UT2 T2 iT4 iT2 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 88
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] Giả sử nguồn xoay chiều một pha được chia làm hai nguồn u1 ,u2 : u U − u U u = = m sinωt ; u = = m (sinωt −π ) 1 2 2 2 2 2 []α ÷π + α : T1,T2 dẫn ⎧uT1 = 0 ⎧uT 3 = u2 − u1 = −u udA = u1 ⎨ ⎨ ⎩iT1 = id ⎩iT 3 = 0 ⎧uT 2 = 0 ⎧uT 4 = u2 − u1 = −u udK = u2 ⎨ ⎨ ⎩iT 2 = id ⎩iT 4 = 0 ud = udA − udK = u1 − u2 = u = U m sinωt []π + α ÷ 2π + α : T3,T4 dẫn ⎧uT1 = u1 − u2 = u < 0 ⎧uT 3 = 0 udA = u2 ⎨ ⎨ ⎩iT1 = 0 ⎩iT 3 = id ⎧uT 2 = u1 − u2 = u < 0 ⎧uT 4 = 0 udK = u1 ⎨ ⎨ ⎩iT 2 = 0 ⎩iT 4 = id ud = udA − udK = u2 − u1 = −u = −U m sinωt T3T4 T1T2 T3T4 T1T2 iT1 iT4 Hình 3.11 Giản đồ áp chỉnh lưu, áp và dòng qua linh kiện BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 89
TS. LÊ MINHPHƯƠNG [CHƯƠNG III : BỘ CHỈNH LƯU – RECTIFIEL] (V) T1 U (V) T4 U (V) T3 U (V) T2 U Hình 3.11 Giản đồ điện áp và dòng điện qua linh kiện 5. Hệ quả Áp chỉnh lưu có dạng hai xung trong một chu kỳ áp nguồn, BCL được gọi là bộ chỉnh lưu hai xung. Tần số hài cơ bản áp chỉnh lưu bằng 2 lần tần số áp nguồn f (1) = p. f = 2.50 = 100Hz Trong đó: p - số xung chỉnh lưu Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải). 1 π +α 2 2 2 U = U sinωtd(ωt) = U cosα = U cosα d ∫ m m π α π π 2 2 2 2 Khi 0 ≤ α ≤ π − U ≤ U ≤ U π d π - Như vậy bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu và chuyển năng lượng về nguồn. Nó có thể làm việc ở hai góc phần tư I và IV Trị trung bình dòng điện chỉnh lưu (dòng điện tải). Ud − E I = d R Áp ngược lớn nhất mà SCR phải chịu. BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUÂT Page 90