Tài liệu học tập điện tử công suất và ứng dụng phần 1

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN Võ Thu Hà, Nguyễn Thị Thành, Nguyễn Cao Cường TÀI LIỆU HỌC TẬP ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG (Lưu hành nội bộ) HÀ NỘI – 2018 LỜI NÓI ĐẦU Với phát triển nhanh chóng kỹ thuật bán dẫn cơng suất lớn, thiết bị biến đổi điện dùng dụng cụ bán dẫn công suất ngày sử dụng nhiều công nghiệp đời sống Điện tử công suất ứng dụng môn học nhằm trang bị cho sinh viên ngành điện kiến thức thiết bị biến đổi điện sử dụng dụng cụ bán dẫn công suất lớn Để khắc phục phần việc thiếu tài liệu trình học tập nghiên cứu trường tham khảo thực tế sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật Điện ngành công nghệ kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa, nhóm phụ trách môn học Điện tử công suất ứng dụng khoa Điện tiến hành biên soạn tập giảng Điện tử công suất ứng dụng để phục vụ cho công việc học tập nghiên cứu sinh viên Tài liệu biên soạn theo đề cương môn học Điện tử công suất ứng dụng dùng cho sinh viên hệ dài hạn qui chuyên ngành tự động hoá cung cấp điện, sinh viên điện thuộc chuyên ngành khác sử dụng để tham khảo Để nghiên cứu biến đổi chương trình mơn học địi hỏi sinh viên phải trang bị kiến thức kỹ thuật điện tử, đặc biệt cấu trúc, đặc tính V-A dụng cụ ứng dụng kỹ thuật biến đổi Tập giảng phân thành bốn chương theo thiết bị biến đổi điện ứng dụng điện tử công suất: Chương 1: Linh kiện bán dẫn Chương 2: Bộ biến đổi xoay chiều – chiều Chương 3: Bộ biến đổi chiều – chiều Chương 4: Bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều Chương 3: Bộ biến đổi chiều – xoay chiều Với khuôn khổ giới hạn tập giảng , mặt khác nội dung mà môn học nghiên cứu lĩnh vực phát triển nên tránh khỏi thiếu sót, chúng tơi mong góp ý, trao đổi bạn đồng nghiệp, bạn đọc để chúng tơi cải tiến nội dung, nâng cao chất lượng đào tạo Mọi ý kiến trao đổi, góp ý xin gửi văn phòng Khoa Điện - Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật công nghiệp Xin chân thành cảm ơn góp ý đồng chí bạn! Các tác giả CHƯƠNG CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN 1.1 ĐIOT CÔNG SUẤT 1.1.1 Cấu tạo đặc tính V-A điot Điot (Diode) tạo thành việc ghép hai phiến bán dẫn p – n tạo nên vùng chuyển tiếp (một lớp tiếp giáp) ký thiệu J Điot có điện cực, điện cực nối từ bán dẫn loại p gọi Anot (Anode), ký hiệu A, điện cực lại nối từ bán dẫn n gọi katot (Kathode Cathode) ký hiệu K Ký hiệu biểu diễn điot minh họa hình 1.1b A J Anot A P N K Katot K Hình 1.1: Cấu tạo (a) ký hiệu (b) điot Điện áp điot quy ước với chiều dương hướng từ A sang K ký hiệu uD, uD > ta nói điện áp điot thuận (hay điot đặt điện áp thuận), ngược lại uD < ta nói điện áp điot ngược (hay điot chịu điện áp ngược) Dòng điện qua điot quy ước chiều với điện áp ký hiệu iD Đặc tính Vơn – ampe (V-A) điot mối quan hệ dòng điện điện áp điot iD (uD), thể đồ thị hình 1.2 Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận góc phần tư thứ I, tương ứng với uAK > Đặc tính ngược góc phần tư thứ III, tương ứng uAK < Trên đường đặc tính thuận, điện áp anot – katot tăng dần từ đến vượt qua ngưởng điện áp UDo (0,6V ÷ 0,7V), dịng chảy qua điot Dịng điện iD thay đổi lớn, điện áp tơi điot uAK hầy thay đổi Như vậy, đặc tính thuận điot đặc trưng tính chất có điện trở tương đương nhỏ Trên đường đặc tính ngược, điện áp uAK tăng dần từ đến giá trị Ung.max, gọi điện áp ngược lớn nhất, dịng qua điot có giá trị nhỏ, gọi dòng rò, nghĩa điot cản trở dòng chạy qua theo chiều ngược Cho đến uAK đạt đến giá trị Ung.max xảy tượng dịng qua điot tăng đột ngột, tính chất cản trở dịng điện ngược điot bị phá vỡ Q trình khơng có tính đảo ngược, nghĩa ta lại giảm điện áp anot – katot dịng điện khơng giảm Ta nói điot bị đánh thủng Trong thực tế, để đơn giản cho việc tính tốn, người ta thường dùng đặc tính dẫn dịng tuyến tính hóa điot biểu diễn hình 1.2b Đặc tính V-A điot thực tế khác nhau, phụ thuộc vào dòng điện cho phép chạy qua điot điện áp ngược lớn mà điot chịu Tuy nhiên để phân tích sơ đồ biến đổi đặc tính lý tưởng cho hình 1.2a sử dụng nhiều Theo đặc tính lý tưởng, điot cho phép dòng điện lớn chạy qua với sụt áp chịu điện áp ngược lớn với dòng rò Nghĩa theo đặc tính lý tưởng, ddiot có điện trở tương đương dẫn khóa ∞ i i i U U Ung.max UBR U UDo (a) U Do (b) (c) Hình 1.2: Đặc tính V-A điot (a) Đặc tính lý tưởng; (b) Đặc tính tuyến tính hóa; (c) Đặc tính thực tế 1.1.2 Các tham số điot Khi lựa chọn kiểm tra điot ta thường phải dựa vào số tham số mà nhà sản xuất đưa ra: - Điện áp ngược cực đại: Ungmax điện áp ngược cực đại cho phép đặt vào điot mà không làm hỏng điot - Dòng điện thuận định mức: Là giá trị trung bình hiệu dụng lớn cho phép dòng điện qua điot mà điot đảm bảo hoạt động bình thường - Sụt điện áp thuận điot (uD): giá trị điện áp thuận điot điot làm việc trạng thái mở (dẫn dịng) với dịng điện giá trị định mức Ngồi ra, tùy thuộc vào loại điot mà cịn có số tham số khác 1.2 THYRISTOR 1.2.1 Cấu tạo đặc tính V – A thyristor Thyristor phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo thành lớp tiếp giáp J1, J2, J3 Thyristor có nhiều loại khác có ba điện cực là: Anot (A), Katot (K), cực điều khiển (G – Gate), loại thyristor thông dụng (loại điều khiển theo katot) biểu diễn hình 1.3 Sau nghiên cứu đặc tính loại thyristor (a) (b) Hình 1.3: Cấu tạo ký hiệu thyristor (a) Cấu tạo thyristor (b) Ký hiệu Sơ đồ mạch điện để xây dựng đặc tính V-A thyristor minh họa hình 1.4a, sơ đồ gồm thyristor T điện trở tải R, nguồn điện áp cấp cho mạch anot katot thyristor (u), nguồn điện áp cung cấp cho cực điều khiển thyristor (uđk), điện áp A K thyristor ký hiệu uT, dòng qua mạch A-K vủa thyristor ký hiệu iT, dòng điện vào cực điều khiển thyristor ký hiệu idk có chiều quy ước hình vẽ Hình 1.4: Đặc tính Vơn – Ampe (V-A) thyristor Đặc tính V-A thyristor gồm phần (hình 1.4b) Phần thứ nằm góc phần tư thứ I đặc tính nhánh thuận tương ứng với trường hợp điện áp uAK > 0; phần thứ hai nằm góc phần tư thứ III, gọi đặc tính nhánh ngược, tương ứng với trường hợp điện áp uAK < Trường hợp khơng có dịng điện điều khiển (iđk = iG= 0) Khi dòng vào cực điều khiển thyrisor hay hở mạch cực điều khiển thyristor cản trở dòng điện ứng với hai trường hợp phân cực điện áp anot – katot Khi điện áp uAK < theo cấu tạo bán dẫn thyristor hai tiếp giáp J1, J3 phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, thyristor giống hai điốt mắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua thyristor có dịng điện nhỏ chạy qua, gọi dòng rò Khi uAK tăng đạt đến giá trị điện áp lớn ung,max xảy tượng thyristor bị đánh thủng, dịng điện tăng lên lớn Giống đoạn đặc tính ngược điốt q trình bị đánh thủng q trình khơng thể đảo ngược nghĩa có giảm điện áp uAK xuống mức ung,max dịng điện giảm mức dòng rò Thyristor bị hỏng Khi tăng điện áp A-K theo chiều thuận uAK > 0, lúc đầy có dịng điện nhỏ chạy qua , gọi dòng rò Điện trở tương đương mạch A-K có giá trị lớn Khi tiếp giáp J1 J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến uAK tăng đạt giá trị điện áp thuận lớn (uth,max), xảy tượng điện trở tương đương mạch A-K đột ngột giảm, dòng điện chạy qua thyristor bị giới hạn điện trở mạch ngồi Nếu dịng điện qua thyristor có giá trị lớn mức dịng điện tối thiểu, gọi dịng trì (Idt) thyristor dẫn dịng đường đặc tính thuận, giống đường đặc tính thuận điốt Đoạn đặc tính thuận đặc trưng tính chất dịng có giá trị lớn điện áp rơi anot katot nhỏ khơng phụ thuộc vào giá trị dòng điện Trường hợp có dịng điện vào cực điều khiển (IG > 0) Nếu có dịng điều khiển đưa vào cực điều khiển katot, trình chuyển điểm làm việc đường đặc tính thuận xảy sớm hơn, trước điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth,max Điều mơ tả hình 1.4 đường nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển khác IG1, IG2, IG3,…Nói chung dịng điều khiển lớn điểm chuyển đặc tính làm việc xảy với uAK nhỏ Tình hình xảy đường đặc tính ngược khơng có khác so với trường hợp dịng điều khiển Thyristor có đặc tính điốt, nghĩa cho phép dòng chạy qua theo chiều, từ Anot đến Katot cản trở dòng điện chạy theo chiều ngược lại Tuy nhiên khác với điốt, để thyristor dẫn dịng ngồi điều kiện phải có điện áp UAK > cần thêm số điều kiện khác Do thyristor coi phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với điơt phần tử không điều khiển Mở thyristor Khi phân cực thuận, UAK > 0, thyristor mở hai cách: Thứ nhất: tăng điện áp anot-katot đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uthmax Khi điện trở tương đương mạch anot-katot giảm đột ngột dịng qua thyristor hồn tồn mạch ngồi xác định Phương pháp thực tế không áp dụng nguyên nhân mở không mong muốn lúc tăng điện áp đến giá trị Uth,max Vả lại xảy trường hợp thyristor tự mở tác dụng xung điện áp thời điểm ngẫu nhiên, không định trước Phương pháp thứ hai, phương pháp áp dụng thực tế, đưa xung dòng điện có giá trị định vào cực điều khiển katot Xung dòng điện điều khiển chuyển trạnh thái thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp mức điện áp anot-katot nhỏ Khi dịng qua anot-katot lớn giá trị định, gọi dịng trì (Idt) thyristor tiếp tục trạng thái mở dẫn dịng mà khơng cần đến tồn xung điều khiển Điều có nghĩa điều khiển thyristor xung dịng có độ rộng xung định, cơng suất mạch điều khiển nhỏ, so với công suất mạch lực mà thyristor phần tử đóng cắt, khống chế dịng điện Khóa thyristor Một thyristor dẫn dịng trở trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch anot-katot tăng cao) dòng điện giảm xuống, nhỏ giá trị dịng trì, Idt Tuy nhiên để thyristor trạng thái khóa, với trở kháng cao, điệnn áp anot-katot lại dương (UAK > 0) cần phải có thời gian định để lớp tiếp giáp phục hồi hồn tồn tính chất cản trở dịng điện Khi thyristor dẫn dịng theo chiều thuận, UAK> 0, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, điện tíchđi qua hai lớp dễ dàng lấp đầy lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược Vì mà dịng điện chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3 Để khóa thyristor lại cần giảm dịng anot-katot mức dịng trì (Idt) cách đổi chiều dòng điện áp điện áp ngược lên anot-katot thyristor Sau dịng khơng phải đặt điện áp ngược lên anot-katot (UAK < 0) khoảng thời gian tối thiểu, gọi thời gian phục hồi tk (tài liệu tiếng anh ký hiệu toff), sau thyristor cản trở dòng điện theo hai chiều Trong thời gian phục hồi có dịng điện ngược chạy anot katot Dòng điện ngược di tản điện tích khỏi tiếp giáp J2 nạp điện cho tụ điện tương đương hai tiếp giáp J1 J3 phục hồi Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần di tản cấu trúc bán dẫn thyristor nạp điện cho tiếp giáp J1, J3 đến điện áp ngược thời điểm Thời gian phục hồi (tk) thông số quan trọng thyristor Thời gian phục hồi xác định dải tần số làm việc thyristor Thời gian tk có giá trị cỡ 5÷10μs thyristor có tần số đóng cắt cao, 50÷200μs thyristor có tần số đóng cắt thấp 1.2.2 Các thông số thyristor 1.2.2.1 Giá trị dịng trung bình cho phép chạy qua thyristor ( Itb) Đây giá trị lớn dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ cấu trúc tinh thể bán dẫn thyristor không vượt giá trị cho phép cho phép chạy qua cịn phụ thuộc vào điều kiện làm mát nhiệt độ mơi trường Thyristor gắn lên tản nhiệt tiêu chuẩn làm mát tự nhiên Ngồi thyristor phải làm mát cưỡng nhờ quạt gió dùng chất lỏng để tải nhiệt lượng tỏa nhanh Vấn đề làm mát van bán dẫn đề cập phần sau, lựa chọn dịng điện theo phương án sau: - Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép đến 1/3 giá trị ( Itb) Làm mát cưỡng quạt gió: dịng sử dụng 2/3 giá trị ( Itb) Làm mát cưỡng nước: sử dụng 100% giá trị ( Itb) 1.2.2.2 Điện áp ngược lớn cho phép (Ung.max) Đây giá trị lớn điện áp cho phép đặt lên thyristor theo chiều ngược mà không làm hỏng thysistor Do biến đổi lòng việc thường xuyên xuất xung điện áp không mong muốn, vậy, để đảm bảo an tồn lựa chọn van theo điều kiện điện điện áp cần tính đến độ dự trữ định thường phải chọn Ung.max 1,5 đến 2,5 lần giá trị lớn điện áp ngược tính tốn theo sơ đồ biến đổi 1.2.2.3 Điện áp thuận lớn cho phép (UTng.max) Đây giá trị điện áp lớn cho phép đặt lên thyristor theo chiều thuận mà khơng làm mở khơng có tín hiệu điều khiển, thường điện áp thuận lớn cho phép xấp xỉ điện áp ngược lớn cho phép 1.2.2.4 Thời gian khơi phục tính chất điều khiển thyristor (tk) Đây thời gian tối thiểu tính từ lúc dịng điện thuận qua thyristor giảm khơng đến thời điểm đặt điện áp thuận lên thyristor với tốc độ tăng cho phép mà không làm cho thyristor tự mở lại (khi khơng có tín hiệu điều khiển) Thời gian khơi phục tính chất điều khiển (cịn gọi thời gian khơi phục tính chất khóa hay thời gian khóa) thyristor phụ thuộc vào điều kiện khóa van Nếu khóa van phương pháp đặt điện áp ngược lên van tk giảm so với phương pháp khóa khác  du  1.2.2.5 Tốc độ tăng cho phép điện áp thuận  T   dt  Thông thường thyristor sử dụng với đặc tính phần tử có điều khiển tức thyristor khóa có điện áp thuận (uT>0) phép chuyển sang trạng thái mở có tín hiệu điều khiển, trường hợp chuyển trạng thái khác không mong muốn làm hỏng thyristor Nhưng thyristor phân cực thuận chưa có uđk phần lớn điện áp rơi lớp tiếp giáp J2 Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược lên độ dày nở tạo vùng khơng gian nghèo điện tích cản trở dịng điện chạy qua Vùng khơng gian coi tụ điện có điện dung CJ2 Khi có điện áp thuận tăng với tốc độ lớn, dịng điện tụ điện có giá trị đáng kể đóng vai trị dịng điều khiển Kết thi thyristor mở chưa có tín hiệu điều khiển Tốc độ tăng cho phép điện áp thuận thông số để phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor tần số cao Ở thyristor tần số thấp vào khoảng 50 đến 200V/μs; với thyristor tần số cao vào khoảng 500 đến 2000V/μs  di  1.2.2.6 Tốc độ tăng cho phép dòng điện thuận  T   dt  Khi thyristor bắt đầu chuyển từ khóa sang mở, phần tiết diện tinh thể dẫn dẫn dịng đồng Dịng điện chạy qua bắt đầu số phần gần với cực điều khiển sau lan tỏa dần sang vùng khác toàn tiết diện Nếu tốc độ tăng dịng q lớn dẫn đến mật độ dòng điện vùng dẫn ban đầu lớn ăn tự phát cục mãnh liệt dẫn đến hỏng cục bộ, làm hỏng thyristor Tốc độ tăng dòng phân biệt với loại thyristor tần số thấp với thyristor tần số cao Trong ứng dụng luôn phải đảm bảo tốc độ tăng dòng mức cho phép Điều đạt nhờ mắc nối tiếp văn dẫn với cuộn kháng 1.3 TRIAC 1.3.1 Cấu trúc kí hiệu Triac phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm năm lớp tạo nên cấu trúc p – n – p – n thyristor theo hai chiều Điện cực T2 cực MT1 MT2 thể hình Anh có ký hiệu sơ đồ n dẫn dịng theo chiều từ m T1 p T2 sang T2 ngược lại nguyên tắc chia có n thể coi tương đương với thyristor đấu song song ngược hình 1.5a Triac có ký hiệu sơ đồ 1.5b, dẫn dịng theo chiều từ MT1 sang MT2 ngược lại Về nguyên tắc, triac coi tương đương với thyristor đấu song song ngược hình 1.5c p n n G T1 (b) ký hiệu G cổng Điện cực T1 (a)Cấu tạo Hình 1.6: Triac Đặc tính vơn - ampe triac bao gồm hai đoạn đặc tính đối xứng nằm góc phần tư thứ thứ I thứ III, đoạn giống đặc tính nhánh thuận thyristor biểu diễn hình 1.6 Hình 1.6: Đặc tính V-A triac Triac điều khiển mở xung dòng điều khiển dương (dòng vào cực điều khiển) âm (dòng khỏi cực điều khiển) Lấy cực MT1 làm chuẩn, trường hợp MT2 dương G dương MT2 âm G âm sử dụng nhiều Triac đặc biệt hữu ích ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều đóng cắt (cơng tắc tơ) khơng tiếp điểm Hình 2.65 Nhận xét: Mạch phát xung tương đối đơn giản , xung số trường hợp đủ để mở tiristor công suất nhỏ Tuy với sơ đồ vừa xét chưa thể áp dụng để điều khiển chỉnh lưu tần số xung phụ thuộc vào thơng số linh kiện sơ đồ, thời điểm xuất xung phụ thuộc vào thời điểm đóng nguồn cung cấp cho mạch phát xung Cũng từ nhận xét ta thấy cung cấp cho sơ đồ nguồn điện áp dạng xung mà tốt xung nguồn hình chữ nhật với tần số tần số nguồn cung cấp cho chỉnh lưu thời điểm đầu xung nguồn trùng lệch góc xác định so với thời điểm mở tự nhiên van điều khiển từ mạch phát xung thời điểm xuất xung chu kỳ xung nguồn (cũng chu kỳ nguồn cung cấp cho chỉnh lưu) lệch góc xác định so với thời điểm mở tự nhiên van chỉnh lưu thay đổi góc lệch cách thay đổi thơng số sơ đồ dòng nạp tụ Trong thực tế để tạo xung nguồn dạng chữ nhật nêu tương đối phức tạp, người ta tạo xung nguồn gần dạng hình thang cách dễ dàng (sơ đồ sau), dạng nguồn sử dụng 2.10.4.3 Mạch phát xung điều khiển thyristor sơ đồ chỉnh lưu dùng điôt cực gốc Ta có sơ đồ mạch phát xung hình 2.66 Trong : 126 - D1 điơt chỉnh lưu để biến điện áp xoay chiều hình sin u2 thành điện áp chiều dạng nửa sóng hình sin - Điện trở hạn chế R1 kết hợp với điôt ổn áp D2 mạch ổn định điện áp Do điện áp vào mạch ổn áp có dạng nửa sóng hình sin phần dương nên : giai đoạn đầu cuối xung điện áp uD1 uD1