Giáo trình Điện tử công suất (Phần 1)

1 LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Điện tử công suất được biên soạn trên cơ sở chương trình khung của nghề điện CN, giáo trình giảng được viết cho đối tượng đào tạo hệ Cao đẳng nghề và trung cấp nghề ở sơ cấp nghề có thể sử dụng được Chương trình khung đào tào nghề Điện công nghiệp năm 2011 được Tổng cục Dạy nghề ban hành và cho phép sử dụng. giáo trình Điện tử công suất là một trong những giáo trình chuyên môn nghề quan trọng trong chương trình đào tạo hệ Cao đẳng nghề và trung cấp nghề. Vì vậy giáo trình đã bám sát chương trình khung của nghề nhằm đạt mục tiêu đào tạo của nghề đồng thời tạo điều kiện cho người sử dụng tài liệu tốt và hiệu quả. Giáo trình Điện tử công suất được xây dựng với sự tham gia của các giáo viên trong khoa Điện- Trường Cao đẳng nghề Yên Bái. Tập bài giảng này dùng làm tài liệu giảng dạy và học tập cho các giáo viên và sinh viên, học sinh hệ cao đẳng nghề và trung cấp nghề điện công nghiệp. Đồng thời cũng là tài liệu tham khảo cho các giaó viên và học sinh ngành điện giảng dạy và học tập các hệ đào tạo ngắn hạn ở trong trường. Giáo trình chính thức được áp dụng trong hệ thống đào tạo của trường cao đẳng nghề Yên Bái. 2 Bài mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. Trị trung bình của một đại lượng * Trị số dòng điện ứng với mỗi thời điểm t gọi là trị số tức thời. Ký hiệu : i, e, u. * Trị số tức thời lớn nhất gọi là trị số cực đại: Im,Um.Em hay còn gọi là giá trị biên độ của đại lượng xoay chiều hình sin. * Trị số trung bình của một đại lượng là giá trị trung bình của đại lượng đó tính trong một chu kỳ T. 2. Công suất trung bình Trị số tức thời của đại lượng xoay chiều hình sin đặc trưng cho tác dụng của trị lượng hình sin ở từng thời điểm . Còn đặc trưng cho tác dụng trung bình của đại lượng xoay chiều hình sin trong toàn bộ chu kỳ về mặt năng lượng, người ta dùng khái niệm số hiệu dùng của đại lượng xoay chiều hình sin. 3. Trị hiệu dụng của một đại lượng -.Trị số hiệu dụng của đại lượng của đại lượng xoay chiều hình sin có giá trị tương đương với dòng 1 chiều khi chúng cùng đi qua 1 điện trở, trong cùng 1 đơn vị thời gian bằng 1 chu kỳ thì toả ra cùng 1 nhiệt lượng như nhau. - Ký hiệu : I, U, E. - Phương pháp tính trị số hiệu dụng. Tìm trị số hiệu dụng , góc lệch pha và vận tốc góc của 2 đại lượng hình sin sau: e1 = 156 sin (t + V e2 = 311 . sin (t + )V Biết = 50 Hz Giải * Trị số hiệu dụng : E1 = E2 = ) 3  6  f V11015.707,0 2 156 2 E m  V220311.707,0 2 311 2 E m  3 * Góc lệch pha:  = 1 - 2 = * Tốc độ góc :  = 2 = 2 . 3,14 . 50 = 214 rad/giây. 4. Hệ số công suất P = S.cos = UICos. Do đó công suất lớn thì P càng lớn. Khi cos  = 1 thì P = S nghĩa là công suất tác dụng phụ thuộc vào hệ số cos. * Hệ số cos  được gọi là hệ số công suất của mạch điện xoay chiều. Cos  = Như vậy : Cos là hệ số phụ thuộc vào các thành phần trở kháng của mạch, mà các thành phần trở kháng này phụ thuộc vào kết cấu của mạch vì vậy ta có thể nói rằng cos phụ thuộc vào kết cấu của mạch điện. Như trong mạch điện có phụ tải chiếu sáng bằng đèn sợi đốt, lò điện, bếp điện thì có cos  = 1. Trong mạch thuần cảm kháng R  0 Cos = 0 mạch xoay chiều nói chung cos  < 1. *. ý nghĩa * Hệ số cos  có ý nghĩa rất lớn trong sản xuất , truyền tải và cung cấp điện năng. Như ta đã biết mỗi máy phát điện và máy biến áp đều được chế tạo với công suất biểu kiến địng mức (Sđm). Từ đó máy có thể cung cấp 1 công suất tác dụng : P = Sđm .cos * Nếu cos  = 1 thì P = Sđm, khi đó nó có giá trị lớn nhất mà máy có thể cung cấp được. Nếu cos  càng nhỏ thì khả năng phát công suất tác dụng của máy càng nhỏ. Do đó muốn tận dụng khả năng làm việc của máy điện và thiết bị điện thì hệ số cos phải lớn. Mỗi hộ tiêu thụ điện đều yêu cầu 1 công suất tác dụng P xác định. Khi đó dòng điện truyền tải qua đường dây là: P = U. I . cos  I = * Nếu cos  càng nhỏ thì dòng điện càng lớn dẫn đến. + Dòng điện lớn nên dây dẫn truyền tải lớn, điều đó yêu cầu làm vật liệu dây dẫn lớn, dẫn đến tốn kim loại màu và vốn đầu tư xây dựng lớn. + Tổn thất điện năng trên đường dây lớn: A = I2RI. Vì vậy: 030 663      f 2 CL 2 )XX(R R Z R   cosU P 4 Việc nâng cao hệ số cos  có 1 ý nghĩa lớn về hiệu quả kinh tế là giảm vốn đầu tư. Xây dựng đường dây và giảm tổn thất điện năng chuyển tải. Do đó người ta luôn nghiên cứu các biện pháp nâng cao cos  Câu hỏi và bài tập: Câu1: Nêu phương pháp tính giá trị trung bình, hiệu dụng của một đại lượng điện? Câu 2: Hệ số công suất là gì? Ý nghĩa của hệ số công suất? BÀI 1: CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Phân lọai Theo khả năng điều khiển đóng cắt van: - Van không điều khiển - Van điều khiển không hoàn toàn - Van điều khiển hoàn toàn Theo nguyên lý làm việc: - Điốt - Tranzitor - Thyristor - 1.1 Diode a. 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 H1.1.Cấu tạo diode 5 - 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. H1.2. Nguyên lý cấu trúc - 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. - Ký hiệu và sơ đồ kết nối H1.3. Ký hiệu, hình dáng 6 H1.4. Sơ đồ kết nối diode. c. Đặc tính Volt-Amper của diode (VI): Đặc tính V-I của diode được chia làm 3 vùng H1.5.Đặc tính V-A của diode (a-diode thực, b-diode lý tưởng) - Vùng phân cực thuận: Khi 0<VD<VTD: Diode bắt đầu dẫn dòng điện qua diode ID rất nhỏ. Khi VD>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 d. 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 Điện áp thuận VF (Forward voltage): là điện áp giữa hai đầu cực A-K khi diode dẫn. 7 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. 1.2 Transistor BJT - Cấu tạo Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn tiếp giáp nhau tạo thành 2 mối nối pn - Ký hiệu: Đ ể p h â n biệt hai loại transistor NPN và PNP người ta dùng kí hiệu mũi tên ở cực E để chỉ chiều dòng điện IE ở hình 1.6./Hình dáng: hình 1.7: Hình dáng các loại transistor thông dụng - Phân loại Tuỳ theo cách sắp xếp thứ tự các vùng bán dẫn người ta chế tạo 2 loại transistor là transistor PNP và NPN. B IB C E IC IE B IB C E IC IE Hình 1.6 tên B C E tên B C E B E C tên B E C E B vỏ là cực C Hình 1.7 8 - Cực phát E (Emitter) - Cực nền B (Base) - Cực thu C (collector) Ba vùng bán dẫn được nối ra ba chân và được gọi là cực phát E, cực thu C và cực nền B. Cực phát E và cực thu C tuy là cùng chất bán dẫn nhưng do kích thước và nồng độ pha tạp chất khác nhau nên không thể hoán đổi cho nhau được. Để phân biệt với các loại trasitor khác, loại transistor PNP và NPN còn được gọi là transistor lưỡng nối viết tắt là BJT. 1.3 Transistor MOSFET Transistor MOSFET chia làm hai loại là MOSFET kênh liên tục (kênh đặt sẵn) và MOSFET kênh gián đoạn (kênh cảm ứng). Mỗi loại kênh liên tục hay gián đoạn đều phân loại theo chất bán dẫn là kênh n hay kênh p. Ở đây ta chỉ xét các loại MOSFET kênh n và suy ra cấu tạo ngược lại cho kênh p. Cấu tạo MOSFET kênh liên tục. Cấu tạo. Kênh dẫn điện là hai vùng bán dẫn loại n pha nồng độ( n+) cao được nối liền nhau bằng một vùng bán dẫn loại n pha nồng độ (n) thấp được khuếch tán trên một nền là chất bán dẫn loại p phía trên lớp dẫn điện có phủ lớp oxit cách điện SiO2. Hai dây dẫn xuyên qua lớp cách điện nối vào hai vùng bán dẫn n+ gọi là cực S và D. Cực G có tiếp xúc kim loại bên ngoài lớp oxit nhưng vẫn cách điện với kênh n. Thường cực S được nối chung với nền p. P N P E C B N P N 9 Hình 1.9 cho thấy cấu tạo và kí hiệu của MOSFET liên tục kênh n. . Đặc tính Xét mạch thí nghiệm như hình 1.10. ./ Khi VGS = 0V: Trường hợp này kênh dẫn điện có tác dụng như một điện trở, khi tăng điện thế VDS thì dòng điện ID tăng lên đến một trị số giới hạn là IDSS. Điện thế VDS ở trị số IDSS cũng được gọi là điện thế nghẽn VPO giống như JFET. ./ Khi VGS < 0: Trường hợp này cực G có điện thế âm nên đẩy điện tử ở kênh n vào vùng nền p làm thu hẹp tiết diện kênh dẫn điện n và dòng điện ID bị giảm xuống do điện trở kênh dẫn điện tăng lên. G D N+ N+ N S D nhô Si02 Hình 1.9 nền S G - + VGS + - VCC ID Hình 1.10 10 Khi tăng điện thế âm ở cực G thì dòng điện ID càng nhỏ và đến một trị số giới hạn dòng điện ID gần như không còn. Điện thế này ở cực G gọi là điện thế nghẽn VPO. ./ Khi VGS > 0 : Trường hợp phân cực cho cực G có điện thế dương thì điện tử thiểu số ở vùng nền p bị hút vào nền n nên làm tăng tiết diện kênh, điện trở kênh bị giảm xuống và dòng điện ID tăng cao hơn trị số bão hoà IDSS. Trong trường hợp này dòng điện ID lớn dễ làm hư MOSFET nên ít được sử dụng. Hình 1.11 là đặc tuyến ngõ ra ID/VDS và đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS của MOSFET liên tục kênh n. Phân cực. H ình 1.12 là mạch phân cực cho MOSF ET liên tục. Do MOSF ET liên tục thường sử dụng ở trường Hình 1.11 ID (mA) -1V -2V -3V -4V VDS IDSS VPO +3V +2V +1V VGS = 0V ID (mA) 0V -1 -4 -3 -2 +1 +2 IDSS -VPO VCC ID VD VS ID RS RD RG VG Hình 1.12 11 hợp VGS < 0V nên cách phân cực giống như JFET. Cách xác định các trị số điện thế VD , VS , VDS , VGS và dòng điện ID cũng như cách xác định đường tải tĩnh giống như mạch JFET. Cấu tạo MOSFET kênh gián đoạn. Cấu tạo Trong MOSFET gián đoạn thì hai vùng bán dẫn pha nồng độ cao (n+) không dính liền nhau nên gọi là kênh gián đoạn. Mặt trên kênh dẫn điện cũng được phủ một lớp oxit cách điện. Hai dây dẫn xuyên qua lớp cách điện nối vào vùng bán dẫn n+ gọi là cực S và cực D. Cực G có tiếp xúc kim loại bên ngoài lớp oxit và cách điện đối với cực D và cực S. Cực S nối với nền p. Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET gián đoạn được vẽ như hình 1.13 Đặc tính. X é t m ạ c h t hí nghiệm như hình 1.13. Do cấu tạo kênh bị gián đoạn nên bình thường không có dòng điện qua kênh, ID = 0 và điện trở giữa D và S rất lớn. nền S G D N + N+ nền P S G D nhôm Si02 Hình 1.13 12 Khi phân cực cho cực G có VGS > 0V thì điện tích dương ở cực G sẽ hút điện tử của nền P về phía giữa của hai vùng bán dẫn N+ và khi lực hút đủ lớn thì số điện tử bị hút nhiều hơn đủ để nối liền hai vùng bán dẫn N+ và kênh được liên tục. Khi đó có dòng điện ID từ D sang S. Điện thế phân cực cho cực G cáng tăng thì ID càng lớn. Hình 1.14 là đặc tuyến ngõ ra ID/VDS và đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS của MOSFET gián đoạn kênh n. Như đặc tuyến truyền dẫn cho thấy khi VGS > VY thì có dòng điện qua transistor. Điện thế VY cũng được gọi là điện thế thềm và trị số khoảng 1V. Phân cực Hình 1.15 là mạch phân cực cho MOSFET gián đoạn. Để cung cấp điện thế dương cho cực G thường dùng cầu phân thế RG1- RG2. Đối với MOSFET, cực G cách điện so với kênh và nền p nên không có dòng điện IG đi từ cực G vào MOSFET. mạch phân cực ta có: Xét : VD = VCC - ID .RD VS = ID . RS VDS = VCC – ID (RD + RS) VG = VCC . 2G1G 2G RR R  VGS = VG - VS Phương trình đường tải tĩnh là: SD DSCC D RR VVI    VGS = +4V +3V +2V +1V a) Đặc tuyến ngõ VX 2 3 4 VGS ID 0V b) Đặc tuyến truyền dẫn Hình 1.14 H1.5. M ạch phân cực Mossfet 13 Xác định cực tính và chất lượng của FET. JFET Transistor trường ứng có tổng trở vào rất lớn giống dặc tính của đèn điện tử ba cực do cực G cách điện đối với kênh dẫn điện. Do đó, các thông số kỹ thuật của FET cũng giống như các thông số kỹ thuật của đèn điện tử ba cực. ./ Độ truyền dẫn: Độ truyền dẫn của FET là tỉ số giữa mức biến thiên của dòng điện ID và mức biến thiên của điện thế VGS khi có VGS không đổi. )/( VmA V i V Ig GS D GS D m    ./ Độ khuếch đại điện thế: Độ khuếch đại điện thế của FET là tỉ số giữa mức biến thiên điện thế ngõ ra VDS và mức biến thiên điện thế ngõ vào VGS khi có ID không đổi. GS DS GS DS V V V V     ./ Tổng trở ngõ ra: Tổng trở ngõ ra là tỉ số giữa điện thế ngõ ra VDS và dòng điện cực tháo ID. D DS D DS 0 I V I Vr     ./ Mạch tương đương: Tương tự như transistor lưỡng cực JFET và MOSFET cũng có thể đổi thành mạch tương đương gồm các phần tử như điện trở, nguồn dòng điện, nguồn điện thế trong điều kiện tuyến tính. Ở ngõ vào, cực G được coi như cách ly hẳn với kênh dẫn điện của cực B và D. Ở ngõ ra có thể đổi thành nguồn điện thế VDS hay nguồn dòng điện ID. GSDS GS DS VV V V  Trường hợp đổi thành nguồn dòng điện ta có: GSmD Gs D m V.giV ig  14 Mạch tương đương của JFET và MOSFET được vẽ như hình 1.16 1.4 Transistor IGBT + Transistor lưỡng cực cổng cách ly – 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. a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động H1.17a VGS G S ID RD  VGS Hình1.16a: Ngõ ra là nguồn điện VGS G S RD gm VgS D S Hình 1.16b: Ngõ ra nguồn dòng điện Hình 1.16 15 H1.17b,c. Sơ đồ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động IGBT 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. 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. 16 - 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. b. Ký hiệu và sơ đồ kết nối 17 H1.18. Sơ đồ Ký hiệu và sơ đồ kết nối H1.19. Sơ đồ kích dẫn c.Đặc tính Volt-Amper IGBT - Đặc tính V-A của IGBT có dạng tương tự như đặc tính V-A của MOSFET. H1.20. Đặc tính V- A 18 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 đặc tính ra với thông số ID = 0. Nằm trong vùng này. IGBT ở chế độ ngắt. Trong đó VTh là điện áp đóng của MOSFET - Triode mode or Linear Active -Vùng tích vực: VCEVTh 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. 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. d. 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. 19 - 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 -Áp định mức đến 6.3 kV -Dòng địng mức đến 2,4 kA -Điện trở linh kiện khi dẫn đến 50m . -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. e.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. f. Các trạng thái đóng ngắt. - UCE>0, UGE>0: IGBT đóng - UGE<=0: IGBT ngắt 20 g. 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 h. 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) 21 1.5 Thyristor SCR +SCR (Thyristor). a. Cấu tạo và hoạt động SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN (có 3 nối PN). Như tên gọi ta thấy SCR là một diode chỉnh lưu được kiểm soát bởi cổng silicium. Các tiếp xúc kim loại được tạo ra các cực Anod A, Catot K và cổng G. Nếu ta mắc một nguồn điện một chiều VAA vào SCR như hình sau. một dòng điện nhỏ IG kích vào cực cổng G sẽ làm nối PN giữa cực cổng G và catot K dẫn phát khởi dòng điện anod IA qua SCR lớn hơn nhiều. Nếu ta đổi chiều nguồn VAA (cực dươngnối với catod, cục âm nối với anod) sẽ không có dòng điện qua SCR cho dù có dòng điện kích IG. Như vậy ta có thể hiểu SCR như một diode nhưng có thêm cực cổng G và để SCR dẫn điện phải có dòng điện kích IG vào cực cổng. Ta thấy SCR có thể coi như tương đương với hai transistor PNP và NPN liên kết nhau qua ngõ nền và thu. Khi có một dòng điện nhỏ IG kích vào cực nền của Transistor NPN T1 tức cổng G của SCR. Dòng điện IG sẽ tạo ra dòng cực thu IC1 lớn hơn, mà IC1 lại chính là dòng nền IB2 của transistor PNP T2 nên tạo ra dòng thu IC2 lại lớn hơn trước Hiện tượng này cứ tiếp tục nên cả hai transistor nhanh chóng trở nên bảo hòa. Dòng bảo hòa qua hai transistor chính là dòng anod của SCR. Dòng điện này tùy thuộc vào VAA và điện trở tải RA. Cơ chế hoạt động như trên của SCR cho thấy dòng IG không cần lớn và chỉ cần tồn tại trong thời gian ngắn. Khi SCR đã dẫn điện, nếu ta ngắt bỏ IG thì SCR vẫn tiếp tục dẫn điện, nghĩa là ta không thể ngắt SCR bằng cực cổng, đây cũng là một nhược điểm của SCR so với transistor. 22 H1.21. Sơ đồ cấu trúc, ký hiệu và tương đương của SCR Người ta chỉ có thể ngắt SCR bằng cách cắt nguồn VAA hoặc giảm VAA sao cho dòng điện qua SCR nhỏ hơn một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là dòng điện duy trì IH (hodding current). H1.22 . đặc tuyến V- A của SCR 23 b. Đặc tuyến Volt-Ampere của SCR. Đặc tuyến này trình bày sự biến thiên của dòng điện anod IA theo điện thế anod-catod VAK với dòng cổng IG coi như thông số. - Khi SCR được phân cực nghịch (điện thế anod âm hơn điện thế catod), chỉ có một dòng điện rỉ rất nhỏ chạy qua SCR. - Khi SCR được phân cực thuận (điện thế anod dương hơn điện thế catod), nếu ta nối tắt (hoặc để hở) nguồn VGG (IG=0), khi VAK còn nhỏ, chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua SCR (trong thực tế người ta xem như SCR không dẫn điện), nhưng khi VAK đạt đền một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là điện thế quay về VBO thì điện thế VAK tự động sụt xuống khoảng 0,7V như diode thường. Dòng điện tương ứng bây giờ chính là dòng điện duy trì IH. Từ bây giờ, SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện và có đặc tuyến gần giống như diode thường. Nếu ta tăng nguồn VGG để tạo dòng kích IG, ta thấy điện thế quay về nhỏ hơn và khi dòng kích IG càng lớn, điện thế quay về VBO càng nhỏ. 1.6 Triac Triac thường được coi như một SCR lưỡng hướng vì có thể dẫn điện theo hai chiều.Triac gồm bởi một SCR PNPN dẫn điện theo chiều từ trênxuống dưới, kích bởi dòng cổng dương và một SCR NPNP dẫn điện theo chiều từ dướilên kích bởi dòng cổng âm. Hai cực còn lại gọi là hai đầu cuối chính (main terminal). H1.23 . Cấu trúc, ký hiệu và sơ đồ tương đương 24 H1.24 . Đặc tuyến V- A của Tri ắc - Do đầu T2 dương hơn đầu T1, để Triac dẫn điện ta có thể kích dòng cổng dương và khi đầu T2 âm hơn T1ta có thể kích dòng cổng âm. - Thật ra, do sự tương tác của vùng bán dẫn, Triac được nảy theo 4 cách khác nhau, được trình bằng hình vẽ sau đây: Cách (1) và cách (3) nhạy nhất, kế đến là cách (2) và cách (4). Do tính chất dẫn điện cả hai chiều, Triac dùng trong mạng điện xoay chiều thuận lợi hơn SCR. Thí dụ sau đây cho thấy ứng dụng của Triac trong mạng điện xoay chiều. 1.7 Gate Turn off Thyristor GTO + 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 25 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. a.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. 26 H1.25 . Cấu trúc và ký hiệu GTO 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. b. Ký hiệu và sơ đồ kết nối 27 H1.26. Cấu trúc ký hiệu và sơ đồ kết nối * 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. * Đặc tính động của GTO: - 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. - 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. * 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. * Các trạng thái đóng ngắt GTO có 3 trạng thái: 28 - 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. + Relay H1.27. Cấu trúc ký hiệu Relay - Cấu tạo: gồm nam châm điện và hệ thống liên động cơ khí gắn các tiếp điểm thường đóng và thường mở. - Nguyên lý làm việc: Rơ le làm việc dựa trên tác dụng của lực điện từ sinh ra do nam châm điện khi có dòng điện chạy qua cuộn dây của nam châm. Lực điện từ kết hợp với lực căng của lò xo sẽ tác động đóng hoặc cắt các tiếp điểm thường đóng thường mở của rơ le. Câu hỏi và bài tập: Câu 1: Nêu phương pháp phân loại các linh kiện điện tử công suất? Câu 2: Linh kiện điện tử công suất có đặc điểm gì? Câu 3: Nêu các đặc điểm cấu trúc để phân biệt các linh kiện bán dẫn công suất? Câu 4: Hãy nêu các đặc điểm làm việc của các linh kiện bán dẫn công suất? Bài 2 : BỘ CHỈNH LƯU 2.1. Định nghĩa: Chỉnh lưu là thiết bị biến đổi dòng điện (điện áp) xoay chiều thành dòng điện một chiều Cấu trúc chỉnh lưu như hình vẽ: 29 H2.1. Cấu trúc chỉnh lưu 2.2.Phân loại: Theo số pha: một pha, hai pha, ba pha, sáu pha.. Theo loại van: Toàn diod là chỉnh lưu không điều khiển Toàn tiristor là chỉnh lưu điều khiển Một nửa chỉnh lưu, một nửa diod là chỉnh lưu bán điều khiển (chỉnh lưu điều khiển không đối xứng) Phân loại theo sơ đồ mắc Phân loại theo công suất 2.3. Các thông số cơ bản của chỉnh lưu: Điện áp tải: Ud Dòng điện tải: Id = Udc/Rd Dòng điện chạy qua van: IV = Id/m Điện áp ngược của van: UN = Umax Công suất biến áp: SBA Số lần đập mạch trong một chu kỳ Độ đập mạch (nhấp nhô) của điện áp tải 2.4. Bộ chỉnh lưu một pha + Chỉnh lưu một nửa chu kì: * Sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kì không điều khiển trên hình vẽ H2.2. Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu  Nguyên lý hoạt động 30 Xét nửa chu kỳ đầu từ 0   điện áp vào dương điốt D phân cực thuận sẽ mở khi đó Ud = U2 Nửa chu kỳ sau từ   2 điện áp vào đổi cực tính D bị phân cực ngược sẽ khóa khi đó Ud = 0 Như vậy ta có dạng tín hiệu điện áp và dòng điện tải như hình vẽ. + Tính toán thông số mạch Xét trường hợp tải thuần trở: Điện áp tải: • Dòng điện tải: Id = Udc/Rd • Dòng điện chạy qua diod: ID = Id • Điện áp ngược của van: • Công suất biến áp: H2.3. Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu tải R Xét trường hợp tải điện cảm: Do có tích luỹ và xả năng lượng của cuộn dây, do đó dòng điện và điện áp có dạng như hình vẽ. 22 0 2 45,0 2.sin2 2 1 UUtdtUU d     22UU N  dd BABA BA IU SSS ..09,3 2 21    31 H2.4. Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu tải RL Các thông số của sơ đồ • Điện áp tải: • Dòng điện tải: Id = Udc/Rd • Dòng điện trung bình chạy qua điốt: ID = Id • Điện áp ngược của van: • Công suất biến áp + Chỉnh lưu cả bán kỳ với biến áp ra có trung tính Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu H2.5. Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu tải R U2 R L D U1 U t Ud eL t2t1 id t1 id W®t =Li2/2  2  E F A eL =-L.(di/dt) 22UU N  dd BABA BA IU SSS ..09,3 2 21    2 cos145,0.sin2 2 1 2 0 2         UtdtUU d 32 Nguyên lý hoạt động mạch điện Thứ cấp biến áp có hai điện áp ra có trị hiệu dụng như nhau nhưng ngược pha là U21 và U22 được biểu diễn như hình vẽ. Trong nửa bán kỳ đầu từ 0 thì U21 dương vì vây D1 được phân cực thuận sẽ mở khi đó Ud = U21 Trong nửa bán kỳ sau thì U22 dương ví thế D2 mở khi đó Ud = U2 Tải thuần trở thì Id sẽ có dạng tương tự như Ud nhưng biên độ nhỏ hơn một khoảng R lần Tải là cuộn dây có giá trị điện cảm thì dòng Id được giữ ổn định như hình vẽ trên. Thông số của mạch + Chỉnh lưu cầu một pha Sơ đồ H2.5. Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu tải CL cầu Nguyên lý hoạt động mạch điện: Nửa bán kỳ đầu tính cực dương tại A khi đó D1 và D2 mở Ud = U2 Nửa bán kỳ sau tính cực dương tại B khi đó D3 và D4 mở khi đó Ud = -U2 Do đó ta vẽ được tín hiệu ra như H2.5 dddd BABA BA ND d Dhd d Dtb d d d dtb IUIUSSS UU IIII R UI UUtdtUU 48,1 2 74,123,1 2 2.2 2 ; 2 .9,022.sin2 2 1.2 21 2 22 0 2             33 Thông số của sơ đồ Điện áp và dòng điện tải có hình dạng giống như chỉnh lưu cả chu kì với BATT, do đó thông số giống như trường hợp trên Một số thông số khác: Ud0 = Ud + UBA + 2.UD + Udn SBA = 1,23 Ud.Id Un = U~ +Chỉnh lưu một nửa chu kì có điều khiển: Sơ đồ nguyên lý: H2.6. Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu tải CL có ĐK Nguyên lý hoạt động: Để SCR dẫn điện cần hai điều kiện là UAK>0 và Có xung kích điều khiển vào cực G. Như vậy với giả thiết ở bán kỳ dương của tín hiệu vào và tại thời điểm t = α có xung kích điều khiển vào cực G khi đó T mở dẫn điện khi đó: Ud = U2 và Id = Ud/ R Ta có dạng tín hiệu ra như H 2.6 Trường hợp tải thuần trở: Điện áp tải được tính: Như vậy ta thấy điện áp ra của mạch điện có trị số phụ thuộc vào góc mở α của SCR, góc mở có thể thay đổi từ 0  . Trường hợp tải điện cảm: Do cuộn cảm có khả năng tích lũy và phóng năng lượng, trong cuôn dây sinh ra một sức điện động tự cảm khi dòng điện biến đổi, sức điện động này có xu hướng chống lại sự biến thiên của điện áp và dòng điện nên ta có dạng tín hiệu ra trên tải như H 2.7. 34 Điện áp tải được tính: H2.7. Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu tải CL có ĐK tải RL Tải điện cảm có diod xả năng lượng: H2.8. Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu tải CL có Điot xả năng lượng +Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính có điều khiển Sơ đồ nguyên lý 2 coscos45,0.sin2 2 1 22          UtdtUU d H 2.9. Sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính. 35 Nguyên lý hoạt động Để SCR dẫn điện cần hai điều kiện là UAK>0 và Có xung kích điều khiển vào cực G. Với giả thiết tại thời điểm t = α có xung kích điều khiển vào cực G. Trong khoảng từ 0   thì U21>0 thì T1 mở khi đó Ud = U21 Trong khoảng từ   2 thì U22>0 thì T2 mở Ud = U22 Ta có dạng tín hiệu ra như H 2.10 H2.10. Sơ đồ tín hiệu Khi tải thuần trở, giá trị điện cảm L = 0, không có ảnh hưởng của sức điện động tự cảm. Khi tải có tính chất điện cảm, L=∞ , do ảnh hưởng của sức điện động tự cảm, các van vẫn dẫn tiếp cho đến khi van còn lại mở ra đặt điện áp phân cực ngượckhoá van đó lại, ngay cả khi điện áp nguồn đã đổi dấu. H2.11. Sơ đồ tín hiệu tải điện cảm Tải điện cảm Khi dòng điện liên tục  =  2 cos1.9,0.sin2 2 1 22         UtdtUU dtb 2 coscos.9,0.sin2 2 1 22          UtdtUU dtb 36 Ud = 0,9 U2cos  Chỉnh lưu có diod xả năng lượng: Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu Khi có điốt xả năng lượng thì năng lượng tích lũy trong cuộn dây được đươc xả qua tải thông qua điốt D0 do vậy dòng điện tải ổn định có dạng như H 2.12 H2.12. Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu có điốt xả năng lượng + Chỉnh lưu cầu điều khiển đối xứng: Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ tín hiệu: H2.13a. Sơ đồ nguyên lý 37 H 1.13b. Sơ đồ tín hiệu 2.5. Bộ chỉnh lưu ba pha +Chỉnh lưu tia ba pha H2.14. Sơ đồ nguyên lý 38 H2.14. Sơ đồ tín hiệu CL tia ba pha Nguyên lý hoạt động: Sơ đồ này nhóm điốt nối Katốt chung do vậy Anốt của điốt nào có điện thế lớn nhất sẽ mở. Với giả thiết UA ,UB, UC có dạng như hình vẽ 2.14 Từ /6  5/6 thì D1 mở Từ 5/6  9/6 thì D2 mở Từ 9/6  13/6 thì D3 mở Như vậy ta sẽ có dạng tín hiệu ra điện áp và dòng điện như hình vẽ trên. Thông số của sơ đồ: Điện áp, dòng điện chỉnh lưu và van + Chỉnh lưu cầu ba pha:   3 35,1 2 48,123,1 2 17,1/45,2.45,232 ; 3 ; 3 ; .17,1 2 63.sin2 2 3 21 22 22 6/5 6/ 2           m IUIUSSS UUUU IIII R UI UUtdtUU dddd BABA BA dffND d Dhd d Dtb d d d fffdtb      39 Hai nhóm van NA mắc chung catod cho điện áp dương, NK mắc chung anod cho điện áp âm H2.15. Sơ đồ nguyên lý CL cầu ba pha Hoạt động của sơ đồ Chỉnh lưu này có hai nhóm van, nhóm nối Anốt chung và nhóm nối Ktốt chung Theo nguyên tắc nhóm nối Ktốt chung thì van nào có Anốt dương nhất se mở Nhóm nối A nốt chung van nào có K tôt âm nhất sẽ mở. Vơi giả thiết điện áp vào có dạng nhu hình vẽ ta có: Từ /6  3/6 thì D1 và D4 mở Từ 3/6  5/6 thì D1 và D6 mở Từ 5/6  7/6 thì D3 và D6 mở Từ 7/6  9/6 thì D3 và D2 mở Từ 9/6  11/6 thì D5 và D2 mở Từ 11/6  13/6 thì D5 và D4 mở Như vậy ta có dạng tín hiệu ra có dạng như hình vẽ: 40 H2.16. Sơ đồ tín hiệu CL cầu ba pha Thông số của sơ đồ: 2.6. Mạch chỉnh lưu có điều khiển, Chỉnh lưu điều rộng xung + Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển. Sơ đồ H2.16. Sơ đồ nguyên lý CL tia ba pha có ĐK • Định nghĩa về góc thông tự nhiên   6 .05,1 34.2/45,2.45,232 ; 3 ; 3 ; .17,1.2 2 63.2.sin23 2 6 22 22 6/4 3/ 2       m IUS UUUU IIII R UI UUtdtUU ddBA dffND d Dhd d Dtb d d d fffdtb      41 H2.17. Sơ đồ tín hiệu Nguyên tắc điều khiển H2.18. Sơ đồ tín hiệu ra và nguyên tắc điều khiển Khi tải thuần trở: b. Ud Id t1 t2 t3 t4 t t t t t Ud Id UT1 I1 I2 I3 0 Ud Id UT1 I1 I2 I3 t t t t t t1 t2 t3 t4 Ud Id 0 300 42 H2.19. Sơ đồ tín hiệu với tải thuần trở Thông số của sơ đồ: Điện áp chỉnh lưu • Khi tải thuần trở góc mở nhỏ hơn 300 Khi góc mở van lớn hơn 300 Các thông số còn lại như chỉnh lưu không điều khiển Khi tải điện cảm: H2.20. Sơ đồ tín hiệu với tải điện cảm Điện áp chỉnh lưu: Khi có diod xả năng lượng: 3 6 cos1 .17,1.sin2 2 3 cos.17,1.sin2 2 3 2 6 2 2 6 5 6 2                            ffdtb ffdtb UtdtUU UtdtUU       cos.17,1.sin2 2 3 2 6 5 6 2 ffdtb UtdtUU     43 H2.21. Sơ đồ nguyên lý tín hiệu có Điốt xả năng lượng + Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng Sơ đồ: H2.22. Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ điều khiển đông cơ điện một chiều CL cầu có điều khiển ba pha Ba cách cấp xung điều khiển: Cấp hai xung điều khiển dúng thứ tự pha, hai xung điều khiển không đúng thứ tự pha, Đặc điểm điều khiển: 3 6 cos1 .17,1.sin2 2 3 2 6 2                  ffdtb UtdtUU 44 H2.23. Sơ đồ đặc điểm điều khiển CL cầu có ĐK 2.7. Các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu a. Điện áp ngõ vào, ngõ ra mạch chỉnh lưu, sóng hài ngõ ra mạch chỉnh lưu. - Điện áp ngõ vào của bộ chỉnh lưu được xác định là điện áp pha thứ cấp của bộ chỉnh lưu ký hiệu là U2. - Điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu được xác định là điện áp một chiều sau chỉnh lưu, ký hiệu là Ud. Chất lượng điện áp một chiều sau chỉnh lưu phụ thuộc vào loại mạch chỉnh lưu, quá trình đóng mở của van bán dẫn công suất, tính chất của phụ tải. - Mức độ sóng hài của ngõ ra của mạch chỉnh lưu phụ thuộc vào góc đóng mở của van bán dẫn, độ trễ của van khi đóng và khi mở. b. Lọc điện cảm, lọc điện dung. Để nâng cao chất lượng điện áp sau chỉnh lưu người ta sử dụng các mạch lọc tích cực nhằm giảm độ nhấp nhô của sóng điện áp và dòng điện. Trong thực tế người ta sử dụng lọc điện cảm và lọc điện dung. Sau khi chỉnh lưu ta thu được điện áp một chiều nhấp nhụ, nếu khụng cú tụ lọc thỡ điện áp nhấp nhô này chưa thể dùng được vào các mạch điện tử , do đó 45 trong các mạch nguồn, ta phải lắp thêm các tụ lọc có trị số từ vài trăm µF đến vài ngàn µF vào sau cầu Diode chỉnh lưu H2.26.Dạng điện áp DC của mạch chỉnh lưu trong hai trường hợp có tụ và không có tụ Sơ đồ trên minh hoạ các trường hợp mạch nguồn có tụ lọc và không có tụ lọc. Khi công tắc K mở, mạch chỉnh lưu không có tụ lọc tham gia , vì vậy điện áp thu được có dạng nhấp nhô. Khi công tắc K đóng, mạch chỉnh lưu có tụ C1 tham gia lọc nguồn , kết quả là điện áp đầu ra được lọc tương đối phẳng, nếu tụ C1 có điện dung càng lớn thì điện áp ở đầu ra càng bằng phẳng, tụ C1 trong các bộ nguồn thường có trị số khoảng vài ngàn µF . H2.27. Minh hoạ : Điện dụng của tụ lọc càng lớn thì điện áp đầu ra càng bằng phẳng. Trong các mạch chỉnh lưu, nếu có tụ lọc mà không có tải hoặc tải tiêu thụ một công xuất không đáng kể so với công xuất của biến áp thì điện áp DC thu được là DC = 1,4.AC Ví dụ cho chợp góc mở lớn hơn 46 H2.25. Sơ đồ tín hiệu CL cầu có ĐK α >300 2.8. Tính toán mạch chỉnh lưu. Tính toán mạch chỉnh lưu được thực hiện theo từng loại mạch chỉnh lưu, bao gồm hai phần chủ yếu căn cứ vào sơ đồ mạch: - Tính toán máy biến áp dùng cho mạch chỉnh lưu - Tính toán van sử dụng cho mạch chỉnh lưu Bài tập tính toán cho mạch chỉnh lưu được thực hiện theo hai hướng: - Tính toán từ nguồn cung cấp và van, sơ đồ mạch đã có - Tính toán từ yêu cầu phụ tải, thiết kế sơ đồ mạch lựa chọn van và biến áp sử dụng cho mạch chỉnh lưu. Tên sơ đồ Ud Iv UV SBA 1/2T 0.45 U2 Id 1,41 U2 3.09 Pd 1T, có điểm O 0.9 U2 Id/2 2,38 U2 1,48 Pd 1T, cầu 1 pha 0.9 U2 Id/2 1,41 U2 1,23 Pd 3 pha hình tia 1.17 U2 Id/3 2,45 U2 1,35 Pd Cầu 3 pha 2,34 U2 Id/3 2,45 U2 1,05 Pd Bài tập: Hãy tính toán thiết kế một bộ nguồn cung cấp cho phụ tải sau: - 1 động cơ một chiều công suất 125 W- 12 V - 1 ắcquy 100Ah – 12 V Hãy lựa chọn mạch chỉnh lưu và mạch lọc phù hợp vói tải và thiết mạch điều khiển để hoạt động tải thuận lợi nhất. Đáp án: - Sử dụng mạch chỉnh lưu cầu 1 pha - Mạch lọc sử dụng tụ - Có thể thêm mạch ổn áp. 47 2.9. Các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu a. Điện áp ngõ vào, ngõ ra mạch chỉnh lưu, sóng hài ngõ ra mạch chỉnh lưu. - Điện áp ngõ vào của bộ chỉnh lưu được xác định là điện áp pha thứ cấp của bộ chỉnh lưu ký hiệu là U2. - Điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu được xác định là điện áp một chiều sau chỉnh lưu, ký hiệu là Ud. Chất lượng điện áp một chiều sau chỉnh lưu phụ thuộc vào loại mạch chỉnh lưu, quá trình đóng mở của van bán dẫn công suất, tính chất của phụ tải. - Mức độ sóng hài của ngõ ra của mạch chỉnh lưu phụ thuộc vào góc đóng mở của van bán dẫn, độ trễ của van khi đóng và khi mở. b. Lọc điện cảm, lọc điện dung. Để nâng cao chất lượng điện áp sau chỉnh lưu người ta sử dụng các mạch lọc tích cực nhằm giảm độ nhấp nhô của sóng điện áp và dòng điện. Trong thực tế người ta sử dụng lọc điện cảm và lọc điện dung. Sau khi chỉnh lưu ta thu được điện áp một chiều nhấp nhụ, nếu khụng cú tụ lọc thỡ điện áp nhấp nhô này chưa thể dùng được vào các mạch điện tử , do đó trong các mạch nguồn, ta phải lắp thêm các tụ lọc có trị số từ vài trăm µF đến vài ngàn µF vào sau cầu Diode chỉnh lưu H2.26.Dạng điện áp DC của mạch chỉnh lưu trong hai trường hợp có tụ và không có tụ Sơ đồ trên minh hoạ các trường hợp mạch nguồn có tụ lọc và không có tụ lọc. Khi công tắc K mở, mạch chỉnh lưu không có tụ lọc tham gia , vì vậy điện áp thu được có dạng nhấp nhô. Khi công tắc K đóng, mạch chỉnh lưu có tụ C1 tham gia lọc nguồn , kết quả là điện áp đầu ra được lọc tương đối phẳng, nếu tụ C1 có điện dung càng lớn thì điện áp ở đầu ra càng bằng phẳng, tụ C1 trong các bộ nguồn thường có trị số khoảng vài ngàn µF . 48 H2.27. Minh hoạ : Điện dụng của tụ lọc càng lớn thì điện áp đầu ra càng bằng phẳng. Trong các mạch chỉnh lưu, nếu có tụ lọc mà không có tải hoặc tải tiêu thụ một công xuất không đáng kể so với công xuất của biến áp thì điện áp DC thu được là DC = 1,4.AC Câu hỏi và bài tập chương: Câu 1: Phân tích và vẽ dạng xung điện áp đầu ra (UR) của mạch hình 1 (giả thiết D lý tưởng, RT>>Rhc). Câu 2: Mạch chỉnh lưu 1 pha hai nửa chu kỳ hình tia dùng đi-ốt cung cấp cho tải thuần trở, điện áp nguồn tác động hình sin có giá trị hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: U2= 200V. Tính giá trị điện áp trung bình của tải. Câu 3 : Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng đi-ốt cung cấp cho tải thuần trở R = 7Ω, dùng đồng hồ đo được điện áp trung bình trên tải 180V Tính công suất máy biến áp? Câu 4 : Mạch biến đổi điện áp xoay chiều dùng Triac điện áp hiệu dụng đầu vào mạch biến đổi có giá trị 220V cung cấp cho tải thuần trở có giá trị R=15. Tính công suất tiêu thụ của tải khi góc mở α= 450 Câu 5: So sánh mạch chỉnh lưu 1 pha hai nửa chu kỳ hình tia dùng Thyristor với mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng Thyristor cùng cung cấp cho 1 loại tải. t Rhc D RT uR uV 10V 0V -10V Hình 1 49 Câu 6: Vẽ sơ đồ, dạng điện áp tại ngõ vào, ngõ ra trên tải và trình bày nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển trong trường hợp tải thuần trở và góc kích 600 Bài 3 : BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để thay đổi trị hiệu dụng của điện áp ngõ ra. Nó được mắc vào nguồn xoay chiều dạng Sin với tần số và trị hiệu dụng không đổi và tạo ở ngõ ra điện áp xoay chiều có cùng tần số nhưng trị hiệu dụng điều khiển được. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều có tính năng giống như máy biến thế điều khiển sơ cấp. Điện áp đáp ứng ở ngõ ra thay đổi nhanh và liên tục 3.1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha H3.1. Một số bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha S¬ ®å ®iÒu ¸p xoay chiÒu mét pha b»ng b¸n dÉn a. b»ng hai tiristor song song ngîc; b. b»ng triac; c. b»ng mét tiristor mét diod *Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 1 pha dùng SCR Bộ điều chỉnh điện áp cung cấp gồm hai SCR giống nhau đấu song song như ngược chiều nhau, tuỳ thuộc vào điện áp kích mở cổng cho SCR sớm hay trễ mà ta có điện áp trung bình cấp cho tải thay đổi được. H.3.2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha dùng 2 SCR song song ngược chiều Trường hợp tải R: T2 Z T D D Z 50 - Khi T1 mở thì 1 phần của nửa chu kỳ dương điện áp nguồn đặt lên mạch tải. Khi T2 mở thì một phần của nửa chu kỳ âm của u được đặt lên mạch tải H3.3. Sơ đồ tín hiệu với tải R Tại thời điểm 1, 2, có xung điều khiển các thyristor T1, T2, các thyristor này dẫn .Nếu bỏ qua sụt áp trên các thyristor,điện áp tải có dạng như hình vẽ. Dòng điện tải đồng dạng điện áp và được tính: Khi thyristor dẫn: Khi thyristor khóa: i = 0 Trị hiệu dụng của điện áp trên tải: Trị hiệu dụng của dòng tải: Công suất tác dụng cung cấp cho mạch tải: Như vậy, bằng cách làm biến đổi góc  từ 0 ÷ , người ta có thể điều chỉnh được công suất tác dụng từ trị cực đại P = U2/R đến 0. Dòng điện trung bình qua SCR: Trường hợp tải RL: R tUi m sin          2 2sin22sin21 2 2    mt UdUU          2 2sin222 R UIUP mttt )cos1( 2    R UI mSCR 51 H3.4. Sơ đồ tín hiệu với tải RL 3.2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha - Gồm 3 cặp SCR song song ngược. Mỗi cặp nối tiếp với một pha tải. - Mạch tải có thể đấu kiểu “Y” hoặc “Δ” - Một số sơ đồ mạch lực như hình dưới H3.5. Một số sơ đồ mạch lực đấu Sao có trung tính, không có trung tính và đấu Tam giác sử dụng SCR và Triắc 2 U  1 2   Ut¶ i b c a 5 b   52 H3.6. Sơ đồ điều khiển đảo chiều quay đông cơ KĐB ba pha 3.3. các phương pháp điều khiển bộ biến đổi áp xoay chiều 3 pha Với phương pháp điều khiển pha thông thường: Điện áp ngõ ra chứa thành phần hài cơ bản có tần số bằng tần số áp nguồn và các thành phần bậc cao khác. Điều khiển pha: Với phương pháp chuyển mạch cưỡng bức: Điều khiển vị trí kích đóng dòng điện và đồng thời điều khiển ca vị trí ngắt dòng tải. Điện áp ngõ ra có dạng đối xứng Điều khiển tỉ lệ thời gian: Cho xung kích đóng các linh kiện liên tục trong thời gian bằng số nguyên lần (m) chu kỳ điện áp nguồn và sau đó ngắt (khóa) xung kích liên tục trong một số nguyên lần chu kỳ(n). Không sử dụng phương pháp này khi tải có hằng số thời gian đáp ứng tương đương với chu kỳ áp nguồn xoay chiều. Tóm tắt các ý chính của chương A B C A B C  t t t t t t /2  XT1 XT2 XT3 XT4 XT5 X3 X23 X2 X52 X1 X61 X14 XT6 X5 X6 X36 X45 X3 X4 X14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 T1 T2 T3 T4 T5 T6 H3.7. Sơ đồ điều Tín iệu ra bộ biến i điện áp ba p a