Giáo trình hướng dẫn thực hành tổng hợp điện tử công suất

Giáo trình đầy đủ và chi tiết hướng dẫn từng bước thực hành điện tử công suất, bao gồm các nội dung: Hướng dẫn các dụng cụ đo lường dùng trong thực hành điện tử công suất, giới thiệu chi tiết các linh kiện điện tử công suất như DIODE, TRANSISTOR, THYRISTOR, MOSFET, IGBT, MTO; hướng dẫn sử dụng phần mềm mô phỏng mạch điện tử công suất; hướng dẫn các bài thực hành mạch ứng dụng cho từng loại linh kiện; xây dựng mạch điều khiển các linh kiện công suất có điều khiển; các phương pháp điều khiển; các bài thực hành về mạch chỉnh lưu, mạch nghịch lưu, bộ biến đổi điện áp một chiều, bộ biến đổi điện áp xoay chiều, mạch nghịc lưu; thực hành ứng dụng biến tần công nghiệp trong điều khiển hệ truyền động điện.

MỤC LỤC

Bài thực hành số 01 CÁC THIẾT BỊ, DỤNG CỤ ĐO DÙNG TRONG THỰC HÀNH

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 7

1.1 Mục đích, yêu cầu 7

1.2 Sử dụng các thiết bị, dụng cụ đo và thực hành 7

1.3 Thực hành mô phỏng điện tử công suất 16

Bài thực hành số 2 KHẢO SÁT LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 25

2.1 Mục đích, yêu cầu 25

2.2 Tóm tắt cơ sở lý thuyết 26

2.3 Thực hành nhận dạng, kiểm tra, tra cứu các linh kiện điện tử công suất 38

2.4 Bảo vệ linh kiện điện tử công suất 53

Bài thực hành số 03 THỰC HÀNH KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 57

3.1 Mục đích, yêu cầu 57

3.2 Khảo sát đặc tính các linh kiện điện tử công suất cơ bản 58

Bài thực hành số 04 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 66

4.1 Mục đích, yêu cầu 66

4.2 Các phương pháp điều khiển 67

Bài thực hành số 5 THỰC HÀNH MẠCH CHỈNH LƯU MỘT PHA 82

5.1 Mục đích, yêu cầu 82

5.2 Chỉnh lưu một pha không điều khiển 83

5.3 Chỉnh lưu một pha có điều khiển 85

Bài thực hành số 6 THỰC HÀNH MẠCH CHỈNH LƯU 3 PHA 92

6.1 Mục đích, yêu cầu 92

6.2 Chỉnh lưu ba pha không điều khiển 93

6.3 Chỉnh lưu ba pha có điều khiển 96

Bài thực hành số 07 BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 102

7.1 Mục đích, yêu cầu 102

7.2 Tóm tắt cơ sở lý thuyết 103

7.3 Thực hành 104

Bài thực hành số 8 BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 112

8.1 Mục đích, yêu cầu 112

8.2 Cơ sở lý thuyết chung 113

8.3 Thực hành 113

Bài thực hành số 09 THỰC HÀNH BỘ NGHỊCH LƯU 124

9.1 Mục đích, yêu cầu 124

9.2 Tóm tắt cơ sở lý thuyết 125

9.3 Thực hành 127

Bài thực hành số 10 THIẾT BỊ BIẾN TẦN 133

10.1 Mục đích, yêu cầu 133

10.2 Thực hành thiết bị biến tần 133

TÀI LIỆU THAM KHẢO 157

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT

AC (Dòng điện) xoay chiều

ACV Thang đo điện áp xoay chiều BJT Transistor lưỡng cực

Bài thực hành số 01 CÁC THIẾT BỊ, DỤNG CỤ ĐO DÙNG TRONG THỰC HÀNH

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.1 Mục đích, yêu cầu

1.1.1 Mục đích

Giúp cho học viên có thể sử dụng thành thạo các thiết bị và dụng cụ đo, kiểm tra, hỗ trợ quá trình thực hành điện tử công suất nói riêng cũng như khi sửa chữa, bảo quản, bảo dưỡng các trang thiết bị điện, điện tử

1.1.2 Yêu cầu

Học viên cần nắm chắc tính năng, cấu tạo, thông số, phương pháp sử dụng các thiết bị, dụng cụ đo, kiểm tra trong quá trình thực hành

1.1.2 Các dụng cụ thực hành

Các thiết bị và dụng cụ dùng trong bài thực hành bao gồm:

- Đồng hồ vạn năng (dạng số hoặc dạng kim);

- Máy hiện sóng (dao động ký);

- Máy vi tính có cài đặt phần mềm mô phỏng PSIM

- Một số dụng cụ hỗ trợ quá trình thực hành, sửa chữa khác

1.2 Sử dụng các thiết bị, dụng cụ đo và thực hành

1.2.1 Hướng dẫn sử dụng máy hiện sóng

a) Sơ lược về các chức năng cơ bản

Máy hiện sóng (Oscilloscope hay còn gọi là dao động ký) là một thiết

bị quan trọng không thể thiếu trong nghiên cứu và thực hành thiết bị điện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng Nó chủ yếu được sử dụng để vẽ dạng sóng của tín hiệu điện thay đổi theo thời gian từ đó có thể xác định được biên độ, tần số của tín hiệu; góc lệch pha giữa hai tín hiệu,… Ngoài ra máy hiện sóng còn dùng rất nhiều trong các phép đo khác như vẽ đặc tuyến tần số của bộ khuếch đại, vẽ đường cong từ trễ, và nếu có lắp thêm các thiết bị bổ trợ khác thì nó còn có thể dùng để đo, kiểm tra điện trở, tụ điện, diode,…

Máy hiện sóng có thể được phân thành máy hiện sóng tương tự và máy hiện sóng điện tử (số) Máy hiện sóng điện tử lại có nhiều loại:

+ Theo số tia: Máy hiện sóng một tia, hai tia và nhiều tia;

+ Theo độ lưu ảnh: Máy hiện sóng lưu ảnh và máy hiện sóng không lưu ảnh

Máy hiện sóng tương tự (Analog oscilloscope) sẽ chuyển trực tiếp tín hiệu điện cần đo thành dòng electron bắn lên màn hình Điện áp làm lệch chùm electron một cách tỉ lệ và tạo ra dạng sóng tương ứng trên màn hình một cách tức thời Trong khi đó, máy hiện sóng số (digital osciloscope) sẽ lấy mẫu dạng sóng, đưa qua bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) sau đó nó sử dụng các thông tin dưới dạng số để tái tạo lại dạng sóng trên màn hình

Hình 1.1 Máy hiện sóng hai tia

Tuỳ vào ứng dụng mà

người ta sử dụng máy hiện sóng

loại nào cho phù hợp Thông

thường, nếu cần hiển thị dạng tín

hiệu dưới dạng thời gian thực thì

sử dụng máy hiện sóng tương tự

Khi cần lưu giữ thông tin cũng

thị sóng; phần điều khiển theo trục X (CH2 or X), trục Y (CH1 or Y), đồng bộ

và chế độ màn hình; phần kết nối đầu đo

Hình 1.2 Các trục màn hình máy hiện sóng

- Màn hình của máy hiện sóng được chia thành các ô với 10 ô theo chiều ngang và 8 ô theo chiều đứng Ở chế độ hiển thị thông thường, máy hiện sóng hiển thị dạng sóng biến đổi theo thời gian: Trục đứng Y là trục điện

áp, trục ngang X là trục thời gian Độ chói hay độ sáng của màn hình đôi khi còn gọi là trục Z

b) Công dụng các nút chỉnh trên máy hiện sóng

- POWER: Nút tắt mở nguồn cung cấp cho Oscillocope (ON/OFF)

- INTENSITY: Núm điều chỉnh độ sáng tia quét (điều chỉnh độ đậm nhạt của tia quét hay còn gọi là độ nhòe)

- TRACE ROTATION: Vít chỉnh độ lệch tia quét về vị trí nằm ngang (dùng khi tia quét bị nghiêng)

- FOCUS: Núm điều chỉnh độ nét của tia quét

- GND: Đầu đo nối mass của máy (nối với vỏ máy hay linh kiện)

- CAL (2VPP): Đầu cung cấp tín hiệu dạng sóng vuông chuẩn 2Vpp (Vpp là điện áp đỉnh-đỉnh của tín hiệu, là giá trị được tính từ đỉnh dưới đến đỉnh trên của tín hiệu, tần số thường bằng 1KHz dùng để kiểm tra độ chính xác về biên độ cũng như tần số của máy hiện sóng trước khi sử dụng Ngoài

ra còn dùng để kiểm tra lại sự méo do đầu que đo (probe) gây ra Tùy theo loại máy mà tần số và biên độ sóng vuông chuẩn đưa ra có thể khác nhau

- CH1 or Y: Kênh 1 hoặc theo trục đứng Y

- CH2 or X: Kênh 2 hoặc theo trục ngang X

Các kênh CH1 or Y và CH2 or X bao gồm các bộ phận sau:

+ POSITION: Núm điều chỉnh vị trí tia sáng của mỗi kênh (theo chiều đứng Y hoặc chiều ngang X);

+ VOLTS/DIV: Các núm điều chỉnh biên độ của dạng sóng (hệ số khuếch đại) hiển thị theo chiều dọc và ngang, trong khoảng từ 5mV/DIV đến 20V/DIV trong đó thang điện áp VOLTS là núm to bên ngoài (giá trị điện áp tính bằng V trên một ô chia tương ứng)

+ AC-GND-DC: Chuyển mạch chọn chế độ quan sát tín hiệu Tại vị trí

AC có thể quan sát dạng sóng mà không cần quan tâm thành phần DC Tại vị trí DC dùng để đo mức DC của tín hiệu Bật về vị trí này, dạng sóng không xuất hiện, chỉ xuất hiện đường sáng nằm ngang của thành phần DC Tại vị trí GND thì ngõ vào tín hiệu nối mass không hiển thị được dạng tín hiệu trên màn hình

+ BAL: Vít điều chỉnh độ thăng bằng cho mỗi kênh

Các núm điều chỉnh cho cả hai kênh gồm:

- VERT MODE: Công tắc chọn chế độ hiển thị các kênh đo:

+ CH1: Chỉ hiển thị kênh CH1

+ CH2: Chỉ hiển thị kênh CH2

+ DUAL: Hiển thị cho cả CH1 và CH2

+ ADD: Cộng hai dạng sóng kênh CH1 và kênh CH2 lại với nhau (về biên độ) để cho ra dạng sóng tổng

- TRIGGER LEVEL: Cho phép hiển thị một ô chia tín hiệu đồng bộ với điểm bắt đầu của dạng sóng dùng để chỉnh cho hình đứng lại khi nó bị trôi ngang

- CH1 INPUT, CH2 INPUT: Các zắc cắm đầu vào nối với đầu đo dùng cho kênh CH1, CH2 để đo tín hiệu

- MODE (hoặc COUPLING): Chuyển mạch đặt chế độ kích khởi trong các trường hợp sau:

+ AUTO: Mạch quét ngang tự động quét Chế độ này chỉ cho (phép) kích khởi các tín hiệu lớn hơn 100Hz Đối với các tín hiệu nhỏ hơn 100Hz cần đặt ở chế độ NORMAL

+ NORMAL: Chế độ kích khởi bình thường Ở chế độ này khi mất tín hiệu kích khởi mạch quét ngang sẽ ngưng hoạt động, tức là sẽ mất vệt sáng trên màn hình

+ TV-V: Loại bỏ thành phần DC và xung đồng bộ tần số cao của tín hiệu hỗn hợp hình ảnh Tần số kích khởi nhỏ hơn 1KHz

+ TV-H: Loại bỏ thành phần DC và xung đồng bộ tần số thấp của tín hiệu hỗn hợp hình ảnh Dải tần hoạt động từ 1KHz trở lên

- SOURCE: Chọn nguồn tín hiệu kích khởi, nếu chọn sai, hình sẽ bị trôi, gồm:

+ CH1: Tín hiệu kênh CH1

+ CH2: Tín hiệu kênh CH2

+ LINE: Tần số nguồn điện xoay chiều AC

+ EXT: Tín hiệu được cung cấp từ Jack EXT TRIGGER

+ EXT EXTENAL: Tín hiệu được cung cấp từ bên ngoài

+ HOLD OFF: Sử dụng nút điều chỉnh này trong trường hợp dạng sóng được tạo thành từ các tín hiệu lặp đi lặp lại và núm TRIGGER LEVEL không

- EXT TRIGGER INPUT: Jack nối với nguồn tín hiệu bên ngoài dùng

để tạo kích khởi cho mạch quét ngang Để sử dụng ngõ này ta phải đặt nút SOURCE về vị trí EXT

- POSITION: Chỉnh vị trí ngang của tia sáng trên màn hình, nó cũng chỉnh vị trí X (ngang) trong chế độ X-Y

- PULL X10 MAG: Khi kéo theo bề ngang của tia sáng được nới rộng gấp 10 lần

- TIME/DIV: Núm định thời gian quét tia sáng trên một ô chia Khi đo tín hiệu có tần số càng cao phải đặt giá trị TIME/DIV về giá trị càng nhỏ Khi đặt giá trị TIME/DIV về vị trí càng nhỏ thì bề rộng của tín hiệu càng rộng ra

do đó nếu đặt TIME/DIV về vị trí nhỏ quá (vượt quá giá trị cho phép) thì tín hiệu hiển thị trên màn hình sẽ biến thành lằn sáng nằm ngang (vì vượt quá bề rộng màn hình)

- VAR: Núm chỉnh bề rộng của tín hiệu hiển thị trên màn hình

- INVERT: Đảo dạng sóng của tín hiệu (đảo pha 1800)

c) Sử dụng máy hiện sóng

Nội dung 1: Hiệu chuẩn máy hiện sóng

Trước khi bắt đầu đo ta phải chỉnh máy trở về trạng thái chuẩn của nó Một số máy hiện sóng có chế độ AUTOSET hoặc PRESET để thiết lập lại toàn bộ phần điều khiển, nếu không ta phải tiến hành bằng tay trước khi sử dụng máy Các bước thực hiện như sau:

- Bước 1: Chưa bật nguồn cung cấp, đặt các núm chức năng điều khiển

độ hội tụ FORCUS, cường độ chùm tia INTENSITY và điều khiển hệ số khuếch đại VOLTS/DIV ở vị trí thấp nhất (tận cùng bên trái) và các chức

năng điều khiển vị trí dọc và ngang POSITION ở vị trí gần điểm giữa

- Bước 2: Bật công tắc cấp nguồn cho máy hiện sóng Sau khoảng thời

gian khởi động để sấy nóng máy hiện sóng, tạo ra cường độ chùm tia yêu cầu

- Bước 3: Điều chỉnh chức năng điều khiển cường độ chùm tia INTENSITY để có vệt sáng rõ ràng xuất hiện trên màn hình Điều chỉnh chức năng điều khiển vị trí dọc và ngang POSITION nếu cần (đôi khi hệ số khuếch đại ngang có thể biểu hiện thành vệt sáng nếu điểm sáng bắt đầu ngoài khung màn hình) Khi điểm sáng có thể nhìn thấy, di chuyển điểm sáng vào tâm màn hình và điều chỉnh độ hội tụ FORCUS, độ nhòe INTENSITY để làm cho điểm sáng gọn Chức năng điều khiển cường độ tia cần phải được điều chỉnh

để điểm sáng không quá chói hoặc không quá mờ

- Bước 4: Đặt chế độ quét theo vị trí quét trong và điều chỉnh hệ số khuếch đại ngang để mở rộng điểm sáng thành đường sáng đầy đủ ngang trên màn hình Kiểm tra sự di chuyển theo chiều dọc của đường sáng ngang Mạch

khuếch đại dọc định chuẩn có sẵn trong thiết bị đo

- Bước 5: Mắc đầu đo vào chỗ CAL và chỉnh các nút VOLTS/DIV và TIME/DIV sao cho dạng sóng là sóng vuông 2 p-p (2 volt đỉnh - đỉnh) Một

số máy có thể yêu cầu trị số khác, số này có ghi trên máy

Quá trình sử dụng máy hiện sóng để đo tín hiệu cần chú ý một số vấn

- Đối với máy hiện sóng hai tia, mỗi máy sẽ có hai dây đo tín hiệu vào Khi sử dụng dây nào ta lưu ý phải chỉnh thanh điều khiển về kênh đó (CH1 hoặc CH2) hoặc cả hai kênh

- Mỗi ô vuông trên màn hình sẽ tương đương với một đơn vị nhất định của thang đo

Nội dung 2: Sử dụng máy hiện sóng để quan sát tín hiệu

Để quan sát được tín hiệu chỉ cần thiết lập máy ở chế độ đồng bộ trong

và điều chỉnh tần số quét và TRIGGER để dạng sóng đứng yên trên màn hình Khi này có thể xác định được sự biến thiên của tín hiệu theo thời gian như thế nào Các máy hiện sóng hiện đại có thể cho phép cùng một lúc có thể đo hai, bốn hoặc tám tín hiệu có dạng sóng bất kỳ và tần số quan sát có thể lên tới 400MHZ

Nội dung 3: Tính toán giá trị điện áp của tín hiệu đo

Việc tính giá trị điện áp của tín hiệu được thực hiện bằng cách đếm số ô trên màn hình và nhân với giá trị VOLTS/DIV

Ví dụ: Cho tín hiệu đo như trên hình 1.3 Nếu VOLTS/DIV chỉ 1V thì tín hiệu có các giá trị điện áp sau:

+ Giá trị điện áp đỉnh: Vp = 2,7 ô x 1 = 2,7V;

+ Giá trị điện áp đỉnh – đỉnh: Vpp = Vp x 2 = 5,4V;

+ Giá trị điện áp hiệu dụng: Vrms = Vp/0.707 = 1,89V

Hình 1.3 Cách xác định giá trị điện áp của tín hiệu đo

Ngoài ra, với tín hiệu xung người ta còn sử dụng máy hiện sóng để xác định thời gian tăng sườn xung (rise time), giảm sườn xung (fall time) và độ rộng xung (pulse width) với cách tính như trên

Nội dung 4: Đo tần số và khoảng thời gian

Khoảng thời gian giữa hai điểm của tín hiệu cũng được tính bằng cách đếm số ô theo chiều ngang giữa hai điểm và nhân với giá trị của TIME/DIV

Việc xác định tần số của tín hiệu được thực hiện bằng cách tính chu kỳ

T theo cách như trên sau đó nghịch đảo giá trị của chu kỳ ta tính được tần số

T

1

f  (Hz) Chu kỳ T được tính bằng số ô của một chu kỳ tín hiệu nhân với số thang của TIME/DIV

Ví dụ: Giả sử ta chỉnh thang chu kỳ cho mỗi chu kỳ tín hiệu nó chiếm khảng 1,25 ô như hình 1.4, thang TIME/DIV bằng 10ms thì:

T= 1,25x10ms = 12,5ms = 12,5x10-3s  f = 80Hz

Hình 1.4 Cách tính tần số tín hiệu đo

1.2.2 Hướng dẫn sử dụng đồng hồ vạn năng

Đồng hồ vạn năng (VOM) cũng là thiết bị quan trọng không thể thiếu trong thực hành điện nói chung và điện tử công suất lớn nói riêng Đồng hồ vạn năng có hai loại là chỉ thị bằng kim và chỉ thị số

Hình 1.5 Đồng hồ vạn năng dạng kim (a) và dạng số (b)

Chức năng cơ bản của đồng hồ vạn năng là đo dòng điện, điện áp (DC hoặc AC) và điện trở Ngoài ra còn có các chức năng khác đối với những đồng hồ cao cấp hơn như là đo tụ điện, đo hệ số khuếch đại của transitor, đo tần số Cách thức sử dụng đồng hồ vạn năng dạng kim và dạng số cơ bản là giống nhau và tương đối đơn giản

Trong thực hành điện tử công suất cũng như điện tử ứng dụng nói chung thường người ta sử dụng đồng hồ vạn năng dạng kim vì nó có các ưu điểm nổi bật so với đồng hồ vạn năng dạng số như dễ kiểm tra và quan sát tình trạng hư hỏng của linh kiện, có thể nhanh chóng phát hiện ra hư hỏng của linh kiện

Trong tài liệu này trình bày các hướng dẫn cơ bản khi sử dụng đồng hồ vạn năng trong thực hành ứng dụng gồm: đo điện áp, đo dòng điện và đo điện trở

a) Đo điện áp

Có thể tín hiệu cần đo là tín hiệu xoay chiều (AC) hoặc tín hiệu một chiều (DC) Khi đo người sử dụng cần đặt đúng vị trí tương ứng với loại tín hiệu cần đo và thang đo cho phù hợp Thang đo của đồng hồ cần có giá trị cao hơn điện áp nguồn cần đo Nếu để giá trị thang thấp hơn điện áp cần đo thì đồng hồ vạn năng có thể bị hư hỏng Nếu để thanh quá cao so với giá trị cần đo thì kim báo thiếu chính xác Lưu ý tuyệt đối không để thang đo điện trở hay thang đo dòng điện khi đo điện áp đồng hồ sẽ bị hỏng ngay lập tức

Nếu để thang đo điện áp DC mà đo vào nguồn AC thì kim đồng hồ không báo, nhưng đồng hồ không bị hư hỏng

Trường hợp cần đo điện áp một chiều, cần chuyển thang đo về thang

DC Khi đo ta đặt que đỏ vào cực dương (+) nguồn, que đen vào cực âm (-) nguồn, để thang đo cao hơn điện áp cần đo một nấc Khi đo điện áp DC mà để đồng hồ ở thang xoay chiều thì đồng hồ sẽ báo sai, thông thường giá trị báo sai cao gấp hai lần giá trị thực của điện áp DC, tuy nhiên đồng hồ cũng không

bị hỏng

Khi đo điện áp AC thì đọc chỉ số trên thang ACV và khi đo điện áp DC thì ta đọc giá trị trên vạch chỉ số DCV.A Nếu để thang đo 250V thì ta đọc trên vạch có giá trị cao nhất là 250, tương tự nếu để ở thang 10V thì đọc trên vạch có giá trị cao nhất là 10 Trường hợp để ở nấc đo 1000V nhưng không có vạch nào ghi cho giá trị 1000 thì đọc trên thang chia độ giá trị lớn nhất bằng 10V sau đó nhân với 100 để được kết quả cuối cùng

b) Đo dòng điện

Việc đo dòng điện bằng đồng hồ vạn năng cũng được sử dụng tương tự như đo điện áp Tuy nhiên khi đo dòng điện, đồng hồ vạn năng chỉ cho phép

dòng điện khá nhỏ chạy qua Do vậy cần phải ước lượng được khoảng giá trị dòng điện của đoạn mạch cần đo để tránh quá tải gây hư hỏng cho đồng hồ Lưu ý khi đo dòng điện cần mắc hai que đo của đồng hồ nối tiếp với đoạn mạch cần đo dòng Nếu đoạn mạch đó được cấp nguồn điện một chiều thì các que đo cần để đúng cực tính Việc đọc trị số của dòng điện cũng giống như đọc trị số của điện áp như đã trình bày ở trên

c) Đo điện trở

Ứng dụng thang đo điện trở của đồng hồ vạn năng rất phổ biến trong sửa chữa thiết bị điện và điện tử Ta có thể sử dụng thang đo điện trở để xác định:

- Đo kiểm tra giá trị của điện trở hay trở kháng của đoạn mạch;

- Đo kiểm tra sự đứt mạch, chập mạch của một đoạn dây dẫn, đoạn mạch in hay các cuộn dây máy điện

- Đo kiểm tra sự phóng nạp, chập mạch, rò của tụ điện;

- Đo kiểm tra tình trạng làm việc, kiểu loại linh kiện bán dẫn cũng như thứ tự chân của các linh kiện điện tử

Dải đo điện trở có nhiều thang đo: x1, x10, x100, x1K, x10K

và x100K Cần xác định giá trị của linh kiện hay đoạn mạch cần đo để sử dụng thang đo cho hợp lý bảo đảm tính chính xác

Chi tiết về cách thức sử dụng đồng hồ vạn năng trong thực hành điện tử công suất sẽ được trình bày chi tiết trong các bài thực hành sau

1.2.3 Sử dụng các dụng cụ bổ trợ khác

Ngoài đồng hồ vạn năng và máy hiện sóng, trong thực hành điện tử công suất người học cũng cần biết cách sử dụng một số dụng cụ bổ trợ khác như mỏ hàn, thiết bị hút thiếc trên bo mạch điều khiển, kìm bấm cose, kìm cắt, đồng hồ volt kế, ampe kế,…

Những dụng cụ này sử dụng tương đối đơn giản, học viên có thể tự tìm hiểu và thực hành Trong giới hạn giáo trình không đề cập chi tiết các nội dung đó

1.3 Thực hành mô phỏng điện tử công suất

1.3.1 Giới thiệu chung

Hiện nay, công cụ mô phỏng đang ngày càng quan trọng trong khâu thiết kế, chế tạo các thiết bị điện tử nói chung, phục vụ giảng dạy và học tập nói riêng Ưu điểm của việc sử dụng các công cụ mô phỏng trên máy tính là

nó cho phép người thiết kế kịp thời phát hiện các lỗi hoặc thiếu sót trong mạch điện; biết được chất lượng đáp ứng của tín hiệu đầu ra thông qua các đồ

thị mô phỏng; tối ưu hóa mạch thiết kế; biết trước được hình dạng, cách tổ chức của mạch điện thiết kế, từ đó giảm thiểu được thời gian thi công, chất lượng mạch điện thi công và đặc biệt là giảm giá thành của sản phẩm

Để mô phỏng các linh kiện điện tử có rất nhiều phần mềm hữu dụng hiện nay như: Orcard, Proteus, Workbech, Tina, Matlab, PSPICE, SIMSEN, SUCCES, PSIM,…Trong lĩnh vực điện tử công suất, phần mềm PSIM (Power Electronics Simulation Software) của hãng Powersimtech In (Mỹ) được đánh giá là khá tiện ích trong việc mô phỏng và khảo sát đặc tính của các linh kiện điện tử công suất, đặc tính làm việc của các dạng sơ đồ chỉnh lưu, nghịch lưu,

mô phỏng đặc tính làm việc của hệ truyền động điện tự động có ứng dụng điện tử công suất với việc sử dụng các hàm truyền của hệ thống cũng như các mạch điện tương tự và số Đây là một phần mềm mô phỏng mới, khá mạnh trong mô phỏng điện tử công suất, có dụng lượng nhỏ, dễ cài đặt và sử dụng, chất lượng mô phỏng trực quan và cho kết quả trung thực

1.3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm mô phỏng điện tử công suất PSIM

a) Khái quát chung về phần mềm PSIM

Chương trình thiết kế mạch của PSIM là một chương trình có tính tương tác cao giữa giao diện các thư mục và phần mềm soạn thảo mạch điện với người sử dụng Các phần tử của mạch được chứa trong menu Elements, được chia thành bốn nhóm là: Phần tử mạch công suất (Power), phần tử mạch điều khiển (Control), phần tử nguồn (Sources) và các phần tử khác (Others)

Thư viện trong PSIM bao gồm hai phần: Thư viện hình ảnh (PSIMimage.lib) và thư viện danh sách (PSIMLIB) Thư viện danh sách không thể sửa đổi được, nhưng thư viện hình ảnh có thể sửa đổi hoặc tạo lập một thư viện hình ảnh riêng cho người sử dụng

PSIM bao gồm ba chương trình:

- PSIM Schematic: Chương trình thiết kế mạch

- PSIM Simulator: Chương trình mô phỏng

- PSIM VIEW: Chương trình hiển thị đồ thị

Sau khi mô phỏng PSIM biểu diễn một mạch điện trên bốn khối:

- Power circuit: Mạch động lực, bao gồm các van bán dẫn công suất,

các phần tử R-L-C, máy biến áp lực và cuộn cảm cân bằng

- Control circuit: Mạch điều khiển sẽ được biểu diễn bằng các sơ đồ khối, bao gồm cả các phần tử trong miền S, miền Z, các phần tử logic (ví dụ như các

cổng logic, flip-flop) và các phần tử phi tuyến (ví dụ như các bộ chia, )

- Sensors: Phần tử cảm biến sẽ đo các giá trị điện áp, dòng điện trong mạch lực để đưa các tín hiệu đo này về mạch điều khiển Sau đó mạch điều khiển sẽ cho các tín hiệu đến bộ điều khiển chuyển mạch để điều khiển quá

trình đóng cắt các van bán dẫn trong mạch động lực

- Switch controllers: Bộ điều khiển quá trình chuyển mạch như bộ điều

khiển góc mở của SCR, TRIAC,

Hình 1.6 Giao diện chương trình PSIM

Để mô phỏng một mạch điện hoặc một hệ thống điều khiển, ta tiến hành các bước sau:

- Khởi động PSIM, xuất hiện giao diện mô phỏng SIMCAD như hình 1.6 Trên menu, từ File ta chọn New (thực hiện mạch điện mới) hoặc Open (để mở project cũ đã lưu dưới dạng file có phần mở rộng là “.sch”) Các thao tác cơ bản để thực hiện một mạch điện mới:

- Chọn linh kiện, nguồn tín hiệu và các thành phần khác từ menu Elements hoặc trên thanh công cụ ở phía dưới màn hình (nhấp chuột trái vào phần tử muốn chọn, sau đó nhấp chuột vào vị trí muốn đặt phần tử đó trên cửa

sổ thiết kế, có thể quay phần tử đã chọn từ lệnh Rotate trên menu Edit hoặc

nhấp chuột trái vào biểu tượng tương ứng trên Menu Bar hoặc nhấp chuột phải khi phần tử đang được chọn)

- Thực hiện các đường mạch nối các linh kiện và các thành phần khác bằng cách chọn công cụ Wire trên menu Edit hoặc biểu tượng tương ứng trên menu bar, sau đó rê chuột giữa các điểm muốn nối

- Đặt các tham số của các linh kiện: Nhấp chuột trái vào biểu tượng

“mũi tên” trên menu bar, rồi nhấp chuột trái vào thành phần muốn đặt tham

số, sau đó chọn Attributes trên menu Edit (hoặc ấn phím tắt F4), một cửa sổ con hiện ra, cho phép ta nhập các tham số cần thiết Chú ý các tham số và đơn vị tính của các linh kiện

- Dán nhãn: Chọn Label trên menu Edit (hoặc ấn phím tắt F2)

- Cài đặt thời gian mô phỏng: Vào Simulate chọn Simulation Control

để lấy công cụ cài đặt thời gian mô phỏng và nhả vào vùng cửa sổ thiết kế Nếu không có yêu cầu đặc biệt có thể để thông số mô phỏng theo mặc định của chương trình

Hình 1.7 Cửa sổ mô phỏng SIMVIEW

- Chạy chương trình mô phỏng: Chọn Run Simulation trên menu Simulate (hoặc nhấn phím F8), hoặc nhấp chuột trên biểu tượng tương ứng trên menu bar Ở chế độ mặc định (Auto-Run SIMVIEW), một cửa sổ con

“Properties” hiện ra cho phép ta chọn các biến cần hiển thị đã liệt kê sẵn (theo các thiết bị và điện áp có trong mạch điện) Nếu muốn hiển thị đồ thị của một đại lượng (biến) nào đó, ta cần phải đặt thiết bị đo lường tương ứng vào vị trí

đó trên mạch điện

b) Các phần tử cơ bản trong PSIM

1- Thư viện Power (Power Library):

Vào mục Elements/Power cho phép sử dụng rất nhiều phần tử để mô phỏng mạch điện và điện tử công suất Trong thư viện Power có chứa các thành phần cơ bản sau:

+ RLC Branches: Thư viện chứa các phần tử điện trở R, biến trở, điện

cảm L, điện kháng bão hòa và điện dung C các loại

Hình 1.8 Kí hiệu một số phần tử RLC

+ Switches: Thư mục chứa các linh kiện điện tử công suất như diode, SCR, TRIAC, MOSFET, GTO, IGBT, transistor, các cầu chỉnh lưu và các modul mạch tích hợp như cầu chỉnh lưu diode hoặc tiristor một pha và ba pha các loại

Hình 1.9 Ký hiệu các linh kiện công suất cơ bản

Hình 1.10 Các môđun chỉnh lưu một pha và ba pha

+ Switch Gating Block: Trong mô phỏng, khối điều khiển (Switch Gating Block) rất quan trọng đóng vai trò là một bộ phát xung tín hiệu điều khiển, được nối với cực điều khiển của các linh kiện công suất có điều khiển (SCR, TRIAC, MOSFET, ) Trong một khối Gating block gồm các thông số

cơ bản sau: Frequency (tần số làm việc khi nối với các khóa bán dẫn), number

viện chứa các loại máy biến

áp Trên PSIM có các loại máy

biến áp một pha và ba pha với

một hoặc nhiều cuộn dây sơ

cấp và thứ cấp

Hình 1.12 Ký hiệu các loại máy biến áp

a- Loại một pha; b- Loại ba pha

2- Thư viện Control

Có rất nhiều phần tử nằm trong thư viện này tùy nhu cầu thực tế để sử dụng Trong giới hạn tài liệu chỉ đề cập tới một số phần tử điều khiển sau:

- Khối so sánh: Tín hiệu ra của khối

so sánh sẽ có giá trị dương khi tín hiệu vào

ở đầu vào không đảo (+) có giá trị lớn hơn

ở đầu vào đảo (-) và ngược lại thì đầu ra

của khối sẽ có tín hiệu bằng 0 Khi giá trị

vào ở hai cực bằng nhau thì tín hiệu ra

luôn giữ giá trị ở thời điểm đó

- Các phần tử logic: Được dùng rộng rãi trong mạch có sử dụng các

linh kiện số như các cổng logic (AND, OR, XOR, NOT, NAND, NOR), các khối chuyển đổi A/D và D/A loại 8 bit và 10 bit,

Hình 1.13 Ký hiệu khối so sánh

Hình 1.11 Ký hiệu của Gating block

Hình 1.14 Một số phần tử logic thường gặp

3- Thư viện Other

- Bộ điều khiển chuyển mạch (Switch Controllers): Gồn các khối đóng

vai trò là bộ điều khiển cho việc kích mở các linh kiện công suất

+ Bộ điều khiển khoá đóng

cắt (On-off Controller): Tín hiệu

đầu vào của khối là 0 hoặc 1 từ

mạch điều khiển sẽ đưa đến cực

điều khiển của khóa động lực

Trên hình 1.15 minh họa ví dụ

mạch có sử dụng bộ điều khiển

này Mạch động lực bao gồm tải là

hai điện trở mắc nối tiếp, điện trở

R2 có một khóa đóng cắt mạch

song song, được cấp nguồn áp

hình sin Tín hiệu điều khiển là

hàm bậc thang 0-1 thông qua bộ

điều khiển để điều khiển khóa

Khi tín hiệu điều khiển có giá trị từ 0 sang 1, khóa SSWI đóng mạch điện trở R2 làm cho dòng điện trong mạch động lực tăng lên

+ Bộ điều khiển góc mở α (Alpha Controller):

Bộ điều khiển này dùng để

điều khiển góc mở cho các SCR có

ký hiệu như trên hình 1.16 Tín hiệu

vào của bộ điều khiển này bao gồm:

Góc mở alpha (), tín hiệu đồng bộ

(Syns Signal) và tín hiệu cho phép

(Enable/Disable Signal) Quá trình

chuyển đổi tín hiệu đồng bộ từ 0 đến

1 sẽ cung cấp thời điểm đồng bộ ở

góc 00 Còn góc mở  (tính theo độ)

được xác định từ tín hiệu tức thời

Các thông số cơ bản của bộ điều

On-off Controller

+ Bộ điều khiển độ rộng xung (PWM pattern Controller):

Bộ điều khiển này có bốn tín hiệu điều khiển: Tín hiệu chỉ số điều biến (modulation index), tín hiệu góc mở (delay angle), tín hiệu đồng bộ (syschronization signal) và tín hiệu cho phép (Enable/Disable Signal) Tín hiệu của chỉ số điều biến sẽ chọn thời

điểm tác động trong bảng tác động,

bảng này sẽ cho trong một file Tín

hiệu đồng bộ cung cấp thời điểm đồng

bộ cho chỉ số điều biến khi thay đổi từ

0 sang 1 Tín hiệu góc mở sẽ xác định

theo quan hệ giữa tín hiệu đồng bộ và

thời điểm tác động trong bảng

Các thông số cơ bản của bộ điều

khiển PWM gồm: Frequency (tần số tác

động, Hz), Update angle (cập nhật góc

mở, độ) và file name (tên file chứa các

thời điểm tác động cho dưới dạng bảng

- Cảm biến (Sensors): Gồm có

các loại cảm biến điện áp (Voltage

Sensor) và cảm biến dòng điện (Current Sensor) dùng để đo giá trị điện áp và

dòng điện trong mạch động lực làm thông tin dùng cho mạch điều khiển

Hình 1.18.Kí hiệu của các loại cảm biến

a- Cảm biến điện áp; b- Cảm biến dòng điện

- Đầu dò và đồng hồ đo (probe/Meter)

Các đầu dò và dụng cụ để đo các giá trị dòng điện, điện áp, công suất

và hệ số công suất của mạch Trong đó có ba loại dụng cụ đo: Dụng cụ đo điện áp một cực (VP) để đo điện áp của cực đó so với mát, dụng cụ đo điện áp hai cực (VP2) để đo điện áp giữa hai đầu của dụng cụ và dụng cụ đo dòng điện (IP) Trừ loại dụng cụ đo điện áp một cực (VP) thì tất cả các loại đầu dò

và dụng cụ đo chỉ sự dụng trong mạch động lực

Hình 1.17 Ký hiệu bộ điều khiển PWM

Chú ý các đầu dò để đo hình dáng còn dụng cụ đo sẽ đo giá trị (DC hoặc AC) của điện áp hoặc dòng điện

Hình 1.19 Kí hiệu đầu dò và các dụng cụ đo

4- Thư viện nguồn điện (Sources)

- Nguồn điện áp (Voltage Sources): Trong PSIM có nguồn điện áp một

chiều (VDC), nguồn điện áp xoay chiều một pha hình sin (VSIN), nguồn điện

áp xoay chiều ba pha hình sin (VSIN_3_pha),

Hình 1.20 Kí hiệu một số dạng nguồn điện

a- Nguồn điện áp; b- Nguồn dòng điện

- Nguồn dòng điện (Current Sources): Cũng tương tự như nguồn điện

áp, trong PSIM có nguồn dòng một chiều (IDC), nguồn dòng xoay chiều một pha hình sin (ISIN), nguồn sóng chữ nhật (ISQ), nguồn dòng bậc thang (ISTEP),

Bài thực hành số 2 KHẢO SÁT LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 2.1 Mục đích, yêu cầu

2.1.1 Mục đích

Khảo sát các linh kiện công suất: BJT, MOSFET, SCR và triac Trong lĩnh vực điện tử công suất, các linh kiện này được dùng như các chuyển mạch (switch) Vì vậy, ta chỉ khảo sát chúng trong hai chế độ đóng (dẫn) và ngắt (ngưng dẫn) Riêng với SCR và triac ta sẽ khảo sát thêm các đặc tính cơ bản như điện thế phân cực, dòng kích, góc mở,…

Qua bài thực hành này, học viên sẽ hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động cũng như đặc tính cơ bản của các linh kiện công suất Từ đó có thể ứng dụng chúng trong thực tế

2.1.2 Yêu cầu kiến thức nền

- Nắm chắc cơ sở lý thuyết chung của các linh kiện điện tử cơ bản; nắm chắc cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tính V-A, các thông số cơ bản và yêu cầu của mạch kích mở linh kiện công suất

- Sử dụng thành thạo các dụng cụ đo lường dùng trong nghiên cứu, khảo sát, thí nghiệm điện tử công suất

- Các linh kiện bán dẫn công suất: BJT, diode, SCR, triac, MOSFET

2.1.4 Nhiệm vụ chung của bài thực hành

a) Nhiệm vụ chuẩn bị ngoài giờ

- Tìm hiểu kiến thức chung về linh kiện điện tử, đọc trước tài liệu hướng dẫn thực hành và thứ tự các bước thực hiện;

- Chuẩn bị các dụng cụ, linh kiện hỗ trợ thêm cho bài thực hành khi được giảng viên yêu cầu

b) Nhiệm vụ tại phòng thực hành

Học viên cần thực hiện các nội dung theo trình tự như sau:

- Thực hiện các nội dung thực hành theo thứ tự hướng dẫn đi kèm;

- Kết luận và báo cáo thực hành, thực nghiệm bằng văn bản theo mẫu:

sử dụng

Thông số

cơ bản

Tình trạng LK (mới/cũ)

Thứ tự chân (Ký hiệu)

Tình trạng làm việc

1 Diode công suất:

- ND1:

- ND2:

2

2.2 Tóm tắt cơ sở lý thuyết

2.2.1 Diode công suất

a) Chức năng, phân loại

Diode công suất là linh kiện chỉ dẫn điện theo một chiều, dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều với dòng điện có thể đến vài trăm A

Diode công suất được chia làm hai loại: Loại dùng ở tần số công nghiệp (diode chỉnh lưu) và loại dùng cho mạch đóng ngắt ở tần số cao

b) Cấu tạo, ký hiệu

Diode gồm một lớp chuyển tiếp P-N Các điện tử tự do trong chất bán dẫn N sẽ liên kết với các lỗ tự do của chất bán dẫn P, do đó phía N sẽ mang điện tích dương và phía P có điện tích âm Lớp chuyển tiếp P-N có hàng rào điện thế vào khoảng 0,6V, có chiều như hình 2.1

- Trường hợp phân cực ngược: Nếu điện áp được đặt theo chiều ngược

lại, các điện tử tự do và các lỗ hổng bị đẩy xa lớp chuyển tiếp, kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua Khi tiếp tục tăng điện áp ngược, các điện tích được gia tốc, gây nên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng Kết quả, diode mất tính chất dẫn điện theo một chiều khi điện áp vượt qua điện áp ngược cực đại

Diode công suất làm việc với dòng thuận lớn vì vậy đòi hỏi chế độ giảm nhiệt hợp lí Thông thường sẽ có một cực tính được chế tạo thuận lợi cho việc ghép với tấm nhôm tản nhiệt

Các diode

công suất sử dụng

cho các thiết bị công

nghiệp thường đòi

hỏi phải có khả năng

chịu điện áp ngược

lớn, khoảng vài trăm

đến vài ngàn vôn

Dòng điện định mức

khi dẫn thuận phải

đạt vài trăm ampe

d) Đặc tính

V-A của diode công suất

Đặc tính V-A của diode gồm hai nhánh Nhánh thuận tương ứng với trạng thái dẫn điện Khi điện áp thuận càng tăng thì dòng điện qua diode sẽ tăng theo Nhánh ngược tương ứng với trạng thái ngược, diode không dẫn điện Khi phân cực ngược, điện áp ngược tăng, nhưng dòng điện ngược gần như không đáng kể, tiếp tục tăng điện áp ngược đến trị số nào đó, dòng điện ngược sẽ tăng đột biến, diode ở tình trạng bị đánh thủng Giá trị điện áp tương ứng khi diode bị đánh thủng gọi là điện áp đánh thủng (UBR)

2.2.2 Transistor công suất

a) Chức năng

Transistor công suất (BJT) được dùng để đóng, cắt dòng điện một chiều

có cường độ dòng điện tương đối lớn Do vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái (hai chế độ) và phần lớn được mắc theo dạng mạch có chung emitter (kiểu mắc CE):

- Trạng thái dẫn bão hòa, ký hiệu là F để đóng mạch điện;

- Trạng thái khóa (chế độ ngắt), ký hiệu là 0 để cắt mạch điện;

b) Cấu tạo, ký hiệu

Transistor là loại linh kiện tích cực có ba miền bán dẫn P-N-P hoặc

N-P-N tạo thành hai lớp tiếp giáp P-N-P-N N-P-Nếu transistor có ba miền bán dẫn P-N-P-N-P thì

Hình 2.2 Đặc tính V-A của diode

ta gọi là transistor thuận (transistor loại P) còn nếu có ba miền bán dẫn N-P-N thì ta có transistor ngược (transistor loại N) Transistor được nối ra ngoài bằng

ba chân B (base - cực gốc), E (emitter - cực phát) và C (collector - cực góp)

Do tính chất của bán dẫn loại N và loại P khác nhau nên nguồn điện áp cấp cho các chân của transistor loại N và loại P cũng khác nhau.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 đặt vào

Các lớp tiếp giáp P-N giữa từng điện cực được gọi là lớp emitter J1 và lớp Collector J2 Mỗi lớp có thể được phân cực theo chiều thuận hoặc chiều ngược dưới tác dụng của điện thế ngoài Sự dịch chuyển của dòng collector Ic

khi qua lớp bị phân cực ngược chịu ảnh hưởng rất lớn của dòng kích IB dẫn qua lớp phân cực thuận Hiện tượng này tạo thành tính chất cơ bản được sử dụng nhiều ở transistor và được gọi là hiện tượng điều chế độ dẫn điện của lớp bị phân cực ngược

sẽ chạy qua vùng này và đến vùng phân cực ngược B- E (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 C làm BJT dẫn Do điện tử dịch chuyển theo chiều âm từ E đến C, nên dòng điện 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

BJT được điều khiển hoàn toàn bằng dòng điện IB thông qua cực B và

E Mạch công suất được nối giữa hai cực C và E Điện áp điều khiển VBE lấy trên hai cực B, E phải tạo ra dòng điện IB đủ lớn để điện áp giữa giữa hai cực

C, E đạt giá trị bằng không khi dẫn bão hòa (VCE = 0)

d) Đặc tính V-A của BJT

Đặc tính V-A của BJT được minh họa như trên hình 2.4 Trong ĐTCS đòi hỏi các BJT 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

Hình 2.4 Sơ đồ kết nối và đặc tính V-A của BJT

trong mạch chung Emiter

Một số tính chất quan trọng của BJT:

- BJT công suất là linh kiện bán dẫn được điều khiển đóng và điều

khiển ngắt Việc điều khiển đóng ngắt được thực hiện bằng dòng điện chạy

qua chân B (IB) Nếu muốn điều khiển dòng tải (IC) lớn cần phải tăng dòng điện IB, dẫn đến tổn hao công suất và nhiệt độ linh kiện tăng

- BJT 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 BJT công suất lớn hơn gấp nhiều lần so với thyristor, tuy nhiên điện áp và dòng điện định mức của một số BJT công suất nhỏ hơn so với thyristor, vì vậy có ứng dụng trong các bộ biến đổi công suất vừa và nhỏ

- Không có khả năng khoá điện áp ngược

2.2.3 Thyristor

a) Cấu tạo, ký hiệu

Thyristor (còn gọi là SCR) là linh kiện công suất bán dẫn bốn lớp P-N và có ba cực là A (anode), K (kathode) và cực điều khiển G (gate) Khác với transistor, quan hệ giữa dòng điện tải và dòng điện điều khiển là lưỡng ổn định Cực điều khiển G có thể được tích hợp trong cấu trúc của linh kiện Hai cực còn lại là A và K được đấu nối tiếp với tải cần chịu được điện áp lớn và dẫn dòng điện chính qua linh kiện

P-N-Về mặt cấu tạo SCR gồm một đĩa silic từ đơn tinh thể loại N trên lớp đệm loại bán dẫn P có cực điều khiển bằng dây nhôm, các lớp chuyển tiếp được tạo nên bằng kỹ thuật bay hơi của gali Lớp tiếp xúc giữa các anode và cathode làm bằng đĩa môlipđen hay tung-sten có hệ số nóng chảy gần với silic Cấu tạo dạng đĩa kim loại để dễ dàng tản nhiệt

Ngoài cùng là lớp vỏ bọc có tác dụng chống các ứng suất cơ học, để dễ

dàng tản nhiệt cũng như dễ nối với mạch điện ngoài

Sơ đồ thay thế của SCR được minh ở hình 2.5

- SCR phân cực thuận: Giả sử anode của SCR chịu tác dụng của điện

áp dương so với cathode (uAK > 0) Khi đưa vào mạch các cực G, K (tương ứng với mạch base- emitor của tranristor N-P-N) xung dòng IG, thì transistor N-P-N sẽ dẫn Dòng điện dẫn tiếp tục qua mạch emitor -base của transistor P-N-P còn lại và làm nó dẫn Các transistor sẽ tiếp tục dẫn ngay cả khi dòng IG

bị ngắt Dòng qua collector của một transistor cũng chính là dòng đi qua base của transistor thứ hai và ngược lại Các transistor vì vậy cùng nhau duy trì ở trạng thái dẫn

- SCR phân cực ngược: Khi đặt vào cực K điện thế dương hơn so với cực A thì SCR sẽ bị phân cực ngược (uAK < 0), vì vậy SCR làm việc như một diode phân cực ngược và chỉ cho dòng điện rò khoảng vài mA chạy qua nên gọi là trạng thái khóa hay ngắt của SCR

c) Đặc tính V-A cuả thyristor

- Nhánh thuận khi UAK > 0 và IG > 0, SCR dẫn tương ứng với giá trị khác nhau của điện áp UAK mà dòng điều khiển IG có những giá trị khác nhau SCR có thể dẫn với IG = 0 khi điện áp UAK có giá trị khá lớn

- Nhánh ngược khi UAK < 0, SCR làm việc như một diode phân cực ngược và chỉ cho dòng điện rò khoảng và mA chạy qua Khi áp ngược đạt đến giá trị nhất định (UBR), giá trị này phụ thuộc vào cấu trúc của SCR, dòng điện tăng đột ngột và

- IH (H - Holding, dòng điện duy trì): Trong quá trình dòng dẫn thuận IAK

của SCR thấp hơn dòng duy trì IH thì SCR tự động chuyển sang trạng thái ngắt

+ Mồi bằng xung dòng điện vào cực điều khiển G: Nếu dòng điện IG có cực tính dương so với cathode đặt vào cực điều khiển thì SCR sẽ được mồi

Hình 2.6 Đặc tính V-A của SCR

với điện áp mở nhỏ hơn Bằng cách tăng dòng điện cực điều khiển IG các điểm khởi động của SCR sẽ lùi về biên trái còn khi IG đạt tới một giá trị nào

đó thì SCR được mồi ngay lập tức

Khi SCR đã chuyển sang trạng thái dẫn thì cực điều khiển không còn tác dụng SCR chỉ trở về trạng thai khóa nếu dòng điện IAK nhỏ hơn giá trị dòng điện duy trì IH và cần một khoảng thời gian tương đối dài để lớp điều khiển trở lại trạng thái bị khóa trước khi có thể mồi lại Chính vì vậy để kích

mở SCR thường chỉ sử dụng xung kích mở trên cực G mà không sử dụng dòng điện liên tục chạy qua nó Dạng xung kích mở có thể là xung chữ nhật hoặc xung nhọn với giá trị xung (biên độ xung, mA), thời gian duy trì xung (độ rộng xung, đến hàng trăm us) và thời điểm cấp xung thích hợp Theo kinh nghiệm, để bảo đảm kích mở SCR được chắc chắn thường cấp một chuỗi xung từ 23 xung chứ không cấp một xung đơn vào G

- Khóa SCR: Quá trình chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái khóa

gồm hai giai đoạn:

+ Giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu: Thực hiện bằng cách thay đổi điện trở hoặc đặt điện áp ngược lên hai cực anode và cathode

+ Giai đoạn khôi phục khả năng khóa của SCR Sau khi dòng thuận bị triệt tiêu, cần có một thời gian gọi là thời gian ngắt từ 10s đến 100 s để chuyển SCR vào trạng thái khóa hoàn toàn

2.2.4 Triac

a) Cấu tạo, ký hiệu

Triac là linh kiện có thể dẫn dòng điện theo cả hai chiều Vì vậy nó có thể làm việc với điện áp xoay chiều trên cả hai nửa bán kỳ, dùng cho các mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều

Triac là linh kiện bán dẫn tương tự như hai SCR mắc song song ngược, thực hiện trên cùng một đơn tinh thể gồm hai cực T1, T2 và chỉ có một cực điều khiển G (T1 là chân gần cực G) Đối với triac việc định nghĩa dòng điện thuận, dòng điện ngược

và điện áp ngược không

có ý nghĩa Việc kích

dẫn triac thực hiện nhờ

xung dòng điện đưa

vào cực điều khiển G

có chiều bất kỳ với điều

kiện là khi đưa xung

Giống như SCR, không thể điều khiển ngắt dòng qua triac Triac sẽ ngắt theo qui luật đã được giải thích đối với SCR

b) Nguyên lý làm việc và đặc tính V-A

Nguyên lý làm việc của triac trên hai chiều cũng tương tự như SCR nên học viên có thể tham khảo trên cơ sở nguyên lý làm việc của SCR

Đặc tính V-A của triac tương tự như SCR Do khả năng dẫn điện theo

cả hai chiều, đặc tính triac có dạng đối xứng qua tâm tọa độ

Đặc tính V-A của triac vẽ theo chiều quy ước của cực T1 Ở góc phần

tư thứ nhất hình 2.8 khi UT2 > UT1 (phân cực dương), còn góc phần tư thứ ba thì ngược lại Đặc tính V-A là đối

xứng Cũng như ở SCR, điện áp

UBO là giá trị điện áp mở đưa triac

từ trạng thái bị khóa sang trạng thái

dẫn khi không có dòng điện điều

khiển IG = 0 Khi có dòng điện điều

khiển IG, triac sẽ mở với điện áp đặt

vào nhỏ hơn Nên lưu ý là triac tự

bảo vệ chống lại quá điện áp theo

chiều thuận hay ngược, vì khi triac

được mở với điện áp lớn hơn UB

theo cả hai chiều, triac sẽ tiếp tục

dẫn tới cuối nửa chu kỳ, trong

khoảng thời gian đó có quá điện áp

Triac chỉ bị khóa khi IG = 0

và điện áp đặt vào nhỏ hơn ngưỡng

UBO và được mở theo cả hai chiều điện áp nguồn đặt vào T1, T2 (góc tọa độ I hay III) tùy theo cực tính của dòng điện điều khiển

thuận lợi hơn khi dòng kích

dương cho trường hợp dòng

qua triac dương và dòng

kích âm khi dòng qua triac

âm vì có dòng điểu khiển

Hình 2.8 Đặc tính V-A của triac

Hình 2.9.Các trường hợp kích mở cho triac

nhỏ nhất Ví dụ như triac WT20 đến WT60 của hãng Texas Instruments có:

Bảng 2.1 Đặc điểm dòng kích dẫn triac WT20

Phân áp cho

triac Điện áp điều khiển(V)

Dòng điều khiển (mA)

MOSFET có thể sử dụng đến mức điện áp 1000V, dòng điện vài chục amper 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 Các linh kiện MOSFET có thể đấu song song để mở rộng công suất

b) Cấu tạo, ký hiệu

- MOSFET là linh kiện bán dẫn điều khiển hoàn toàn bằng áp ở cổng điều khiển Gate MOSFET có hai loại P-N-P và N-P-N Trên hình 2.10 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

Hình 2.10 Cấu tạo của MOSFET

a- Cấu tạo của MOSFET; b- Ký hiệu MOSFET kênh N;

c- Ký hiệu MOSFET kênh P

- MOSFET có ba điện cực: Cực máng (D-Drain), cực nguồn (S-Source)

và cực cửa (G-Gate) Mạch điều khiển gắn vào điện cực G-S và điện áp điều khiển UBE Mạch công suất gắn vào điện cực D-S

c) Nguyên lý làm việc và đặc tính V-A

Điểm thuận lợi cơ bản của MOSFET là khả năng điều khiển kích đóng

và kích ngắt linh kiện bằng xung điện áp ở mạch cổng Khi điện áp dương đặt lên giữa cổng G và cực S, tác dụng của điện trường (FET) sẽ kéo các electron

từ lớp N+ vào lớp P tạo điều kiện hình thành một kênh nối gần cổng nhất, cho phép dòng điện dẫn từ cực D tới cực S Một điểm lưu ý là, khác với BJT thông thường, khi điện áp giữa cực G và cực S có giá trị là 0V thì MOSFET

sẽ không dẫn cho dù điện thế giữa hai cực D-S đạt đến giá trị vài trăm Volt Điều này sẽ làm cho MOSFET nóng, có thể gây hư hỏng

MOSFET đòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ kích đóng nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp Tuy nhiên, MOSFET có điện trở khi dẫn điện lớn Do đó, công suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nó không thể phát triển thành linh kiện công suất lớn

Đặc tính V-A của linh kiện loại N được vẽ trên hình 2.11, có dạng tương tự với đặc tính V-A của BJT Điểm khác biệt là tham số điều khiển là điện áp kích UG-S thay cho dòng điện kích IBE

Hình 2.11 Sơ đồ kết nối của MOSFET kênh N

và đặc tính V-A của MOSFET

MOSFET ở trạng thái ngắt khi điện áp cổng thấp hơn giá trị UG-S

Để MOSFET ở trạng thái dẫn, đòi hỏi điện áp cổng tác dụng liên tục Dòng điện đi vào cực cổng 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 Ron 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

Tuy nhiên, do tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp nên với định mức áp từ 300V400V MOSFET tỏ ra ưu điểm so với BJT ở tần số vài chục kHz

d) Kích dẫn MOSFET

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 hoặc cách ly quang Vấn đề kích mở tùy thuộc vào đặc điểm từng loại MOSFET, cụ thể như sau:

- MOSFET kênh N (N-P-N): Để kích cần VG-S > 0 (điện thế chân G cần lớn hơn điện thế chân S, thường từ 35V) nên chỉ thích hợp để lắp vào phía (-) nguồn

- MOSFET kênh P (P-N-P): Để kích cần UG-S < 0 (điện thế chân G cần nhỏ hơn điện thế chân S), thích hợp lắp phía (+) nguồn MOSFET kênh P thường có trở RDS lớn, tổn hao nhiều hơn so với kênh N

e) Mạch bảo vệ MOSFET

Cấu tạo khác biệt của MOSFET so với BJT làm cho linh kiện hoạt động tốt mà không cần bảo vệ nhiều như BJT Tuy nhiên, ta có thể sử dụng mạch RC mắc song song với ngõ ra của linh kiện để hạn chế tác dụng của các xung điện áp và các xung nhiễu dao động xuất hiện khi linh kiện dẫn

2.2.7 GTO (SCR có cực khóa)

GTO có cấu tao phức tạp hơn thyristor thông thường nhằm giải quyết vấn đề khó khăn khi sử dụng thyristor là làm sao để ngắt khi đang dẫn Ở đây GTO có thể ngắt bằng cách kích vào cực G một xung âm mà trước đó GTO đang dẫn (nếu được phân cực thuận và được kích bằng xung dương)

GTO có cấu tạo gồm

bốn lớp P-N-P-N tương tự

với SCR với các tính năng

tương tự của SCR với điểm

Dòng điện kích dẫn được tăng đến giá trị IGM và sau đó giảm xuống đến giá trị

IG Điểm khác biệt so với yêu cầu xung kích dẫn SCR là dòng kích IG phải tiếp tục duy trì trong suốt thời gian GTO dẫn điện

Hình 2.12 Cấu tạo, kí hiệu của GTO

- Để kích ngắt GTO, xung dòng điện âm lớn được đưa vào cổng G – C với độ dốc (diGQ/dt) lớn hơn giá trị qui định của linh kiện Tuy nhiên, dòng điện yêu cầu mạch cổng G để tắt GTO có giá trị khá lớn khoảng 3050% dòng điện định mức, trong khi xung dòng điện cần đưa vào cổng để kích dẫn GTO chỉ cần đạt giá trị khoảng 35% Năng lượng kích ngắt GTO nhiều gấp 1020 lần năng lượng cần cho quá trình kích dẫn GTO Hệ quả là thời gian ngắt dòng điện kéo dài, khả năng chịu mức độ tăng trưởng dòng điện và điện

áp kém, mạch bảo vệ khi kích dẫn và kích ngắt làm tăng chi phí lắp đặt cũng như làm công suất tổn hao tăng lên

GTO được chia làm hai loại: Loại cho phép chịu áp ngược (symmetrical), và loại “nối tắt anode” (anode short GTO thyristor) chỉ có khả năng khoá áp thuận trị số lớn

Loại thứ nhất có cấu trúc giống như SCR, có khả năng chịu được áp khóa và áp ngược với giá trị lớn gần như nhau

Lọai thứ hai - GTO có anode nối tắt, có một phần lớp J1 bị nối tắt nhờ lớp N+ hình 2.12 Do đó, khả năng khóa áp ngược của loại GTO này kém, bằng khả năng chịu áp ngược của lớp J3 (khoảng dưới 15V) Tuy nhiên bù lại, cấu tạo của nó cho phép đạt được khả năng chịu áp khóa và dòng điện lớn cũng như khả năng giảm sụt áp khi dẫn điện và nó thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi tần số đóng ngắt lớn nhưng không cần khả năng chịu áp ngược cao

Để tăng cường hiệu quả sử dụng, các GTO còn được chế tạo với diode ngược tích hợp trong linh kiện (gọi là reverse conducting GTO thyristor hoặc asymmetric GTO) Cấu tạo linh kiện gồm phần GTO có anode đối xứng và phần còn lại là diode phục hồi nhanh (fast recovery diode), cho phép linh kiện dẫn dòng điện ngược mà không cần lắp đặt diode ngược ở ngoài linh kiện, làm giảm kích thước và khối lượng mạch điện sử dụng GTO

Linh kiện GTO cần phải có mạch bảo vệ Quá trình ngắt GTO đòi hỏi

sử dụng xung dòng kích đủ rộng Điều này dẫn đến thời gian ngắt dài, khả năng chịu mức độ tăng trưởng dòng điện và điện áp của GTO thấp Vì thế, cần phải giới hạn các trị số hoạt động không vượt quá giá trị an toàn trong quá trình ngắt GTO

2.2.8 IGBT

IGBT là linh kiện kết hợp giữa đặc tính tác động nhanh và công suất lớn của transistor lưỡng cực (BJT) với tổng trở ngõ vào và chịu điện thế điều khiển lớn ở cực cổng của MOSFET Cấu tạo, kí hiệu và sơ đồ tương đương có dạng như hình 2.13

Hình 2.13 Cấu tạo, ký hiệu và sơ đồ tương đương của IGBT 2.3 Thực hành nhận dạng, kiểm tra, tra cứu các linh kiện điện tử công suất

2.3.1 Diode công suất

a) Nhiệm vụ

- Trong phần thực hành này, học viên cần thực hiện các nội dung sau: + Kiểm tra, nhận dạng được kiểu loại diode công suất;

+ Xác định được các thông số cơ bản của từng loại diode;

+ Kiểm tra được tình trạng làm việc, thứ tự các chân của linh kiện

b) Linh kiện sử dụng

Các diode công suất có dòng dẫn thuận từ 1A trở lên như: IN400x (x=1

÷7); IN424x (x=5÷9); 1N540x;

c) Phần thực hành

Nội dung 1: Nhận dạng linh kiện, thông số của diode công suất

- Kiểm tra bằng mắt thường: Diode công suất có thể được chế tạo theo dạng đơn chiếc hoặc theo mô đun cầu chỉnh lưu (một pha, ba pha) như minh họa trên hình 2.14 Tùy nhu cầu sử dụng để lựa chọn loại cho phù hợp

Hình 2.14 Các dạng diode công suất

Loại diode công suất do Tây Âu sản xuất thường có dạng bulông Thông thường, cực cathode là đầu to có ren vặn, đầu còn lại là cực anode

Tuy nhiên cũng có trường hợp hai cực được chế tạo theo chiều ngược lại nên cần phải đo để xác định chính xác thứ tự các cực A, K hoặc xem trong tài liệu hướng dẫn đi kèm

- Kiểm tra thông qua tài liệu hướng dẫn (datasheet) của mã sản phẩm: Trên thân vỏ của các diode và mô đun cầu chỉnh lưu đều có ghi mã hiệu sản phẩm Căn cứ vào mã hiệu này người sử dụng có thể tra cứu datasheet để biết chi tiết các thông số cơ bản của sản phẩm Đây là một công đoạn quan trọng trước khi lựa chọn linh kiện cho nhiệm vụ thiết kế và thi công mạch điện tử

Các thông số cơ bản cần thiết để kiểm tra, lựa chọn diode gồm:

+ Dòng điện thuận IF (A) nói lên khả năng chịu tải của diode Hiện nay dòng điện lớn nhất của một diod công suất tới 7000A

+ Điện áp ngược VRRM (V) cho biết điều kiện để diode không bị đánh thủng khi lắp đặt trong mạch điện, thường các diode công suất có giá trị trong khoảng (50-4000)V

Ví dụ ta có diode công suất mã hiệu 85HF-10 Download datasheet của sản phẩm trên internet ta được các thông tin sau:

+ Các thông số cơ bản của diode 85HF-10:

+ Ứng dụng: Dùng cho mạch chỉnh lưu tần số công nghiệp

+ Hình dáng, kích thước của sản phẩm như hình 2.15

Hình 2.15 Thông số kích thước, hình dáng của diode 85HF-10

Nội dung 2: Kiểm tra tình trạng làm việc của diode công suất

Sau khi kết thúc việc kiểm tra kiểu loại diode, nếu là diode cũ cần xác định được tình trạng làm việc (hư hỏng hay còn tốt) của nó

Chú ý: Việc kiểm tra tình trạng hư hỏng của các linh kiện điện tử nói

chung có thể thực hiện khi chúng đã được gắn vào trong mạch điện hoặc tháo rời Tuy nhiên khi gắn trong mạch điện thì việc kiểm tra sẽ gặp nhiều khó khăn và tính chính xác của phép đo kiểm khó đạt được yêu cầu do ảnh hưởng của các linh kiện khác trong mạch Do đó đối với mỗi linh kiện công suất ta nên tháo chúng ra trước khi tiến hành các bước kiểm tra

Đối với diode, việc kiểm tra nhằm xác định các chân (việc này thực tế thường được nhận dạng bằng mắt thường) và kiểm tra trạng thái hư hỏng đều được thực hiện bằng đồng hồ vạn năng thông qua thang đo điện trở

Các bước kiểm tra tình trạng hư hỏng của diode được tiến hành như sau: 1- Kiểm tra từng diode rời (chỉ có một diode):

- Đồng hồ vạn năng (VOM) để ở thang đo điện trở (thường Rx10);

- Đo lần 1: Đặt que đen (đầu âm của đồng hồ) vào đầu anode và que đỏ (đầu dương của đồng hồ) vào đầu kathode Kết quả diode được phân cực thuận (thực chất đầu que đo đen có thế cao hơn đầu que đo đỏ của đồng hồ) kim đo trị số điện trở rất nhỏ (kim lên nhiều)

Hình 2.16 Phương pháp kiểm tra diode công suất

- Đo lần 2: Đảo hai đầu que đo của đồng hồ trên hai cực A, K thì diode được phân cực ngược Nếu kim chỉ của đồng hồ có trị số điện trở rất lớn thì diode còn tốt Ngược lại nếu kim đồng hồ chỉ trị số nhỏ thì diode coi như bị hỏng, không còn sử dụng được nữa

Tình trạng cụ thể trong các lần đo diode được tổng hợp như sau:

Bảng 2.2 Kết quả kiểm tra tình trạng hư hỏng của diode công suất

Kim không lên Kim không lên Diode bị đứt mạch Kim lên nhiều Kim lên nhiều Diode bị đánh thủng Kim lên nhiều Kim lên ít (khoảng 1/3 thang đo) Diode bị rò

2- Kiểm tra cầu diode:

Đối với việc kiểm tra cầu diode cũng được thực hiện theo phương pháp tương tự Giả sử ta có các cầu chỉnh lưu một pha và ba pha như hình 2.17

Hình 2.17 Sơ đồ đo kiểm tra diode công suất dạng cầu

Các bước thực hành đo kiểm tra:

- Đo lần 1: Đặt que đỏ vào một trong các đầu vào xoay chiều, que đen vào đầu ra (-) của cầu chỉnh lưu (trường hợp nếu que đen đặt tại một trong các đầu vào xoay chiều thì cần đặt que đỏ trên đầu ra (+) của cầu chỉnh lưu) Đọc kết quả trên đồng hồ đo

- Đo lần 2: Đảo hai đầu que đo tại các đầu đo của lần 1 Đọc kết quả trên đồng hồ đo

Kết quả kiểm tra đối với cầu chỉnh lưu diode cũng được kết luận giống như khi kiểm tra từng diode đã được liệt kê trong bảng 2.1 Sau khi kiểm tra tình trạng của từng diode trong cầu chỉnh lưu ta thực hiện lại hai bước đo như trên đối với các diode ở vị trí khác (tương ứng trên hai đầu vào xoay chiều còn lại của cầu chỉnh lưu) Cũng cần chú ý rằng, trong một cầu chỉnh lưu tích hợp, chỉ cần một vị trí (một diode) bị hỏng thì cầu diode đó cũng không sử dụng được nữa, cần phải thay thế

2.3.2 Transistor công suất (BJT)

a) Nhiệm vụ

- Trong phần thực hành này, học viên cần thực hiện các nội dung sau: + Kiểm tra, nhận dạng được kiểu loại BJT công suất;

+ Xác định được các thông số cơ bản của từng loại BJT;

+ Kiểm tra được tình trạng làm việc, thứ tự các chân của BJT

b) Linh kiện sử dụng

Các BJT có ký hiệu: TIP 41, TIP42, 2N3055, C1815, BC547, BD140, B772, D882, 2SA1015 (A1015),

c) Phần thực hành

Nội dung 1: Nhận dạng thứ tự chân, thông số của transistor công suất

Đối với các BJT có công suất không lớn thường có cấu trúc dạng ba chân thẳng hàng như minh họa trên hình 2.18a, 2.18b

Hình 2.18 Sơ đồ các dạng chân của BJT

a- Công suất nhỏ (TO92-TO18); b- Công suất trung bình

(TO292-TO220); c- Công suất lớn (TO25 – T28)

Việc xác định thứ tự chân của chúng đối với các hãng sản xuất cơ bản giống nhau như sau:

- Đối với BJT có ký hiệu A, B, 2SA, 2SB thuộc loại BJT thuận (P-N-P)

có sơ đồ chân như hình 2.19a

Hình 2.19 Sơ đồ chân của BJT

a- BJT thuận; b- BJT ngược