Điện tử công suất: Linh kiện đtcs và các khái niệm cơ bản

Chương KHÁI NIỆM CƠ BẢN & CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠNG SUẤT Vài nét lịch sử phát triển ĐTCS ứng dụng  1901: Peter Cooper Hewitt giới thiệu chỉnh lưu dùng đèn thủy ngân (mercury-arc rectifier)  1926: Đèn thyratron đời  1930: Chỉnh lưu dùng đèn thủy ngân cơng suất 3MW lắp đặt cho hệ thống tàu điện ngầm New York (dùng để điều khiển động DC xe điện)  1931: Hệ thống cycloconverter dùng đèn thủy ngân ứng dụng hệ thống tàu điện Đức  1948: Transistor phát minh Bell Labs  1956: Diode cơng suất dùng bán dẫn Silic đời  1958: GE giới thiệu thyristor (SCR) thương phẩm  1971: Kỹ thuật điều khiển vector động khơng đồng (lý thuyết) giới thiệu Vài nét lịch sử phát triển ĐTCS ứng dụng  1975: Transistor luỡng cực (BJT) cơng suất lớn chế tạo TOSHIBA  1980: GTO cơng suất lớn đời Nhật  1981: Cấu hình nghịch lưu đa bậc (diode clamped) đời  1983: IGBT đời  1983: Kỹ thuật điều rộng xung vector khơng gian (Space Vector PWM) đời  1986: Kỹ thuật điều khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control – DTC) động khơng đồng đời  1996: IGCT giới thiệu lần đầu ABB ĐTCS lãnh vực liên quan ngày CHỈNH LƯU HƠI THỦY NGÂN ĐÈN ĐIỆN TỬ KHUẾCH ĐẠI TỪ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT (POWER ELCTRONICS) LINH KIỆN BÁN DẪN CƠNG SUẤT CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI PHẦN MỀM VÀ PHẦN CỨNG KỸ THUẬT GIẢI TÍCH VÀ MƠ PHỎNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ khối hệ thống ĐTCS Sơ đồ khối hệ thống ĐTCS Nhiệm vụ hệ thống điện tử cơng suất (ĐTCS) kiểm sốt điều khiển dòng lượng điện cách cung cấp cho tải điện áp dòng điện dạng tối ưu Ngõ vào hệ thống ĐTCS thường điện lưới pha pha, tần số 50 60Hz Ngõ (điện áp, tần số, dòng điện, số pha) thường thiết kế để phù hợp với tải Phần mạch động lực sử dụng linh kiện bán dẫn cơng suất Phần mạch điều khiển sử dụng kỹ thuật mạch tích hợp tuyến tính (linear integrated circuits) và/hoặc mạch xử lý số (digital signal processor) Trong năm gần đây, lãnh vực điện tử cơng suất có thành tựu lớn nhờ vào phát triển của: - Kỹ thuật vi điều khiển (microcontroller, digital signal processor - DSP) - Kỹ thuật bán dẫn cơng suất lớn (power semiconductor) Lãnh vực ứng dụng ĐTCS Bộ nguồn xung nguồn liên tục (UPS): Sự phát triển kỹ thuật chế tạo vi mạch dẫn đến phổ biến rộng rãi thiết bị điện tử máy tính, thiết bị thơng tin thiết bị điện tử dân dụng, tất cần cung cấp nguồn chiều (dc) ổn áp nhiều ứng dụng đòi hỏi cấp nguồn liên tục Bộ biến đổi lượng: ứng dụng trong: - Chiếu sáng: cung cấp cho đèn huỳnh quang (ballast điện tử), đèn LED - Điều khiển tốc độ động cơ: thay đổi lưu lượng lưu chất cách thay đổi tốc độ bơm/quạt, điều khiển tốc độ vị trí cho ứng dụng cơng nghiệp nhằm tư động hố, nâng cao hiệu suất linh hoạt sản xuất Giao thơng vận tải: xe điện, tàu điện Gia nhiệt cơng nghiệp: hàn điện, mạ điện, điện phân, gia nhiệt cao tần (tơi cao tần, lò cảm ứng, v.v ) Hệ thống điện (Utility): truyền tải điện DC cao áp (HVDC), hệ thống bù tĩnh (STATCOM – Static Compensator), lọc cơng suất (Active Power Filer) dùng để lọc sóng hài lưới điện, ứng dụng lãnh vực lượng tái sinh (Renewable Energy) hệ thống điện gió (wind-electric system) điện mặt trời (photovoltaic system) Lãnh vực ứng dụng ĐTCS Các thiết bị gia dụng  Tủ lạnh, tủ đơng  Gia nhiệt, sưởi  Hệ thống điều hòa khơng khí  Lò nấu  Chiếu sáng  Các thiết bị điện tử dân dụng (TV, máy tính, thiết bị nghe nhìn, giải trí…) Trang thiết bị cho cao ốc  Các hệ thống sưởi, thơng gió, điều hòa  Hệ thống điều hòa trung tâm  Máy tính thiết bị văn phòng  UPS (Uninterruptible Power Supply)  Thang máy Cơng nghiệp  Bơm  Máy nén  Quạt gió  Máy cơng cụ  Lò nấu hồ quang, Lò nấu cảm ứng  Gia nhiệt cảm ứng (tơi cao tần…)  Máy hàn điện Giao thơng vận tải  Điều khiển động xe điện  Nạp acquy xe điện  Các hệ thống tàu điện, tàu điện ngầm Hệ thống điện  Truyền tải điện DC cao áp (HVDC)  Bộ bù tĩnh  Hệ thống máy phát dùng nguồn lượng tái sinh (renewable energy): lượng mặt trời, lượng gió…  Các hệ thống tích trữ lượng (energy storage systems) Hàng khơng  Hệ thống điện tàu thoi  Hệ thống điện vệ tinh  Hệ thống điện máy bay Viễn thơng  Bộ nạp bình acquy  Bộ nguồn (DC, UPS) Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính ổn áp xung Xét ứng dụng cần nguồn ổn áp với: Ngõ vào Ud = 100V, Ngõ Uo = 50V, Io = 10A Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính ổn áp xung Xét mạch sử dụng điện trở phân áp • • Cơng suất tổn hao lớn điện trở phân áp  mạch có hiệu suất thấp Điện áp ngõ thay đổi điện áp ngõ vào điện trở tải thay đổi 10 Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính ổn áp xung Xét mạch sử dụng ổn áp tuyến tính • • Transistor cơng suất điều khiển hoạt động tương tự điện trở biến đổi  điện áp ổn định điện áp vào điện trở tải thay đổi, Mạch có hiệu suất thấp cồng kềnh 11 Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính ổn áp xung Xét mạch với biến đổi dc-dc Mạch ngun lý với S khóa bán dẫn (transistor + diode) Tổn hao S nhỏ  mạch có hiệu suất cao 12 Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính ổn áp xung Xét mạch với biến đổi dc-dc (t-t) Dạng sóng điện áp us Điện áp ngõ Uo = giá trị trung bình us = D.Ud Mạch lọc L-C để lọc bỏ sóng hài điện áp tần số cao ngõ giữ lại thành phần trung bình us 13 Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính ổn áp xung Xét mạch với biến đổi dc-dc (t-t) Mạch ổn áp thực tế với phần động lực mạch Buck converter 14 Phân loại biến đổi cơng suất Phân loại theo tần số điện áp ngõ vào ngõ ra: biến đổi cơng suất (converter) (gọi tắt biến đổi – BBĐ) bao gồm: ac  dc (chỉnh lưu – rectifier) dc  ac (nghịch lưu – inverter) dc  dc ac  ac Trong thực tế, biến đổi cơng suất bao gồm nhiều biến đổi phần tử trữ lượng (tụ điện, cuộn cảm) Chiều truyền cơng suất biến đổi chiều (nguồn  tải tải  nguồn) hai chiều 15 Phân loại biến đổi cơng suất 16 Phân loại biến đổi cơng suất Phân loại theo tần số hoạt động: Bộ biến đổi tần số lưới (chuyển mạch tự nhiên – naturally commutated converters): ngõ vào ngõ biến đổi loại cung cấp từ lưới, khố bán dẫn tắt nhờ cực tính điện áp lưới thay đổi (ví dụ: chỉnh lưu có điều khiển, biến đổi điện áp xoay chiều ) Tần số đóng ngắt linh kiện phụ thuộc vào tần số lưới (50 60Hz) Bộ biến đổi chuyển mạch cuỡng (force-commutated converters): tần số đóng ngắt khố bán dẫn khơng phụ thuộc cao nhiều so với tần số lưới Bộ biến đổi cộng hưởng tựa cộng hưởng (resonant or quasi-resonant converters): khố bán dẫn đóng và/hoặc ngắt điện áp và/hoặc dòng điện zero 17 Các khái niệm Giá trị trung bình đại lượng i: Tp I AV  Tp Hoặc: I AV  i(t )dt  2 2  i(t )d (t ) Giá trị hiệu dụng đại lượng i: I  I RMS  Tp Tp 0 i (t )dt  2 2 i (t ) d (t ) Tp : chu kỳ đại luợng i 18 Các khái niệm Cơng suất tức thời: p (t )  v(t ).i (t ) Cơng suất trung bình: PAV  Tp Tp  p (t )dt  2 2  p(t )d (t ) Tụ điện cuộn kháng phần tử không tiêu hao công suất Tải L: PAV=0 Tải C: PAV=0 19 Ví dụ tính tốn Ví dụ 0.1: Xét trình dòng điện hình sau: Trò trung bình dòng điện cho hệ thức: Id  0.5 0.5 0.3 0 i(t )dt  0.5 0 10dt  6[ A] 20 10 SCR (Silicon Controlled Rectifier) Ứng dụng:  Điều khiển pha (ACDC, AC  AC)  Nghịch lưu (DC  AC)  Contact bán dẫn (Static switch) Đặc tính:  Dẫn diode phân cực thuận có xung kích đưa vào cực Gate Tắt bị phân cực ngược dòng giảm xuống đến zero  Điện áp UAK SCR dẫn khoảng 1-2 Volts  Kích dẫn xung dòng vào cực Gate (cỡ vài mA đến vài trăm mA)  Thời gian tắt từ vài µs đến 200 µs  Được chế tạo với dòng định mức từ 10A tới 5000A, điện áp định mức từ 200V tới 6kV cao 67 SCR (Silicon Controlled Rectifier) 68 34 SCR (Silicon Controlled Rectifier) uAK Đặc tính SCR tắt Lưu ý: áp ngược cần trì khoảng thời gian > tq để đảm bảo SCR hồi phục tính chất khố 69 SCR (Silicon Controlled Rectifier) Các dạng thyristor thực tế 70 35 SCR (Silicon Controlled Rectifier) 71 Triac a Ký hiệu b Cấu trúc  Triac linh kiện bán dẫn cơng suất cực, có cấu trúc giống hai SCR mắc song song ngược điều khiển cực Gate Xung kích đưa vào cực gate âm dương  Chế tạo với dòng định mức từ 2A đến 50A áp định mức từ 200V đến 800V  Được sử dụng nhiều mạch điều khiển điện áp xoay chiều pha cỡ nhỏ cho ứng dụng điều khiển độ sáng đèn (light dimmer), điều khiển cơng suất cho dụng cụ cầm tay thiết bị gia dụng 72 36 Triac VBD VBD Đặc tính Volt-Ampere Triac 73 BJT (Bipolar Junction Transistor)  Dẫn dòng collector (theo chiều) trạng thái bão hòa cung cấp đủ dòng vào cực Base: IC ≤ β IB Lưu ý β < 10 với BJT cơng suất lớn  Điều khiển dòng vào cực B (IB)  cần cơng suất điều khiển lớn  Được chế tạo với dòng định mức từ 0.5A đến 500A (hoặc cao hơn) điện áp từ 30 đến 1200V Lưu ý: transistor thường khơng thể chịu đựng điện áp ngược lớn khoảng vài chục Volts, nên khơng phân cực ngược transistor  Điện áp bão hồ (UCE,sat ) cỡ 0.5-2.5 Volts Transistor Darlington có UCE,sat lớn transistor đơn có cơng suất  tổn hao nhiều  Thời gian tắt (toff) từ 0.5 s đến 100s  Ứng dụng biến đổi dc-dc dc-ac Tuy nhiên, BJT thay MOSFET (trong ứng dụng cơng suất thấp) IGBT (trong ứng dụng cơng suất cao) 74 37 BJT (Bipolar Junction Transistor) 75 BJT (Bipolar Junction Transistor) 76 38 MOSFET  Điều khiển điện áp VGS: dòng vào bé  Cơng suất điều khiển thấp Thơng thường, điện áp điều khiển cần thiết để MOSFET dẫn: UGS(ON) cỡ 520V  Chế tạo với dòng định mức khoảng 0.5 đến 200A điện áp từ 20V đến 1000V  Có thể đóng cắt nhanh thời gian chuyển mạch thấp: toff  50ns – 200ns Do đó, MOSFET sử dụng ứng dụng hoạt động với điện áp thấp (vài chục  vài trăm Volts), tần số cao  Có thể nối song song MOSFET dễ dàng để tăng cơng suất mạch  Thường sử dụng biến đổi dc-dc dc-ac 77 MOSFET 78 39 MOSFET Các dạng MOSFET cơng suất 79 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)     Có thể xem kết hợp MOSFET BJT, điều khiển ON/OFF cách đưa điện áp vào cực G E (UGE) Điện áp C-E IGBT dẫn bão hồ: UCE, sat  2-3V Thời gian tắt: toff cỡ vài trăm ns  1s Hiện chế tạo với cơng suất lên đến 6.5kV, 700A IGBT với điện áp lên đến 10kV mắt tương lai gần (đang thử nghiệm) 80 40 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 81 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Các dạng IGBT cơng suất 82 41 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Các dạng IGBT cơng suất 83 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Cấu trúc thực tế bên module IGBT 84 42 GTO (Gate Turn-Off Thyristor)  Điều khiển ON OFF cách đưa xung dòng vào cực G,  Giống thyristor, GTO kích dẫn cách đưa xung dòng dương vào cực G, sau trạng thái dẫn, GTO trì trạng thái mà khơng cần dòng kích vào cực G  Khác với thyristor, GTO kích tắt cách đưa xung dòng âm đủ lớn vào cực G (bằng cách đặt UGK < 0) Xung dòng cần trì khoảng thời gian cần thiết để tắt GTO (tq), nhiên, dòng cần có giá trị cỡ 1/3 dòng IA qua GTO trước tắt  Có thể chế tạo với cơng suất lớn khoảng 6kV, 6kA, tốc độ chuyển mạch tương tự SCR Do đó, GTO dùng ứng dụng với dòng áp cao Tần số đóng cắt từ vài trăm Hz đến 10kHz  Trong ứng dụng GTO, tải thường mang tính cảm kháng  điện áp đặt lên GTO lớn dv / dt cảm kháng tải gây  cần có mạch snubber cho GTO 85 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 86 43 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 87 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) + GTO thực tế với dây dẫn để đưa xung kích vào cực G - K GTO với mạch kích tắt điển hình 88 44 ICGT / GCT  Sự cải tiến cơng nghệ GTO đưa đến phát minh linh kiện tích hợp mạch tắt với FET (Field Effect Transistor) vào cực Gate linh kiện nhằm làm tăng tốc độ đóng cắt giảm cơng suất điều khiển Do đó, linh kiện chuyển mạch nhanh dễ sử dụng GTO truyền thống  GCT (Gate Controlled Thyristor – phát triển Mitsusbishi) IGCT (Integrated Gate Controlled Thyristor - phát triển ABB)  Hiện chế tạo với cơng suất lên đến 6.5kV, 4kA Mạch tương đương IGCT / GCT 89 ICGT / GCT 90 45 MCT (MOS-Controlled Thyristor) Kích dẫn MCT kênh p: đưa xung âm vào cực G-A Kích dẫn MCT kênh n: đưa xung dương vào cực G-K Kích tắt MCT kênh p: đưa xung dương vào cực G-A Kích tắt MCT kênh n: đưa xung âm vào cực G-K 91 MCT (MOS-Controlled Thyristor) 92 46 MCT (MOS-Controlled Thyristor)  So với GTO, MCT đóng ngắt đơn giản với cơng suất thấp hơn, ngồi tốc độ đóng cắt MCT nhanh so với GTO (thời gian ton toff cỡ vài s)  MCT có điện áp UAK(ON) nhỏ điện áp UCE,sat IGBT  Hiện chế tạo với điện áp cỡ 1500V, dòng điện từ 50A đến vài trăm A Trong tương lai gần, linh kiện với điện áp lên đến 3000V chế tạo Tuy nhiên, MCT khó chế tạo với dòng lớn GTO cấu trúc phức tạp, nên khơng thể chế tạo với tiết diện bán dẫn lớn GTO 93 Khả đóng ngắt khóa bán dẫn thơng dụng Loại linh kiện BJT MOSFET GTO IGBT MCT Cơng suất đóng ngắt Trung bình Thấp Cao Trung bình Trung bình Tần số đóng ngắt Trung bình Cao Thấp Trung bình Trung bình 94 47 Sự phát triển chất bán dẫn Hiện nay, Silicon chất bán dẫn chủ yếu để chế tạo linh kiện điện tử cơng suất Tuy nhiên, loại chất bán dẫn SiC kim cương (tổng hợp dạng màng mỏng) nghiên cứu ứng dụng Linh kiện với bán dẫn Silicon chịu nhiệt tối đa lên tới 175oC (nhiệt độ mối nối bán dẫn – junction temperature), với SiC kim cương, nhiệt độ 350oC 600oC Điều giúp làm giảm đáng kể kích thước linh kiện u cầu tản nhiệt Hiên nay, số linh kiện sử dụng bán dẫn SiC (hoặc sẽ) có mặt thị trường: Schottky diode: 300-700V, 2-10A Hybrid JFET (1.5kV, 12A) BJT (1-10kV) GTO (8-40kV) MOSFET (0.2 – 6kV) 95 48 [...]... P=m.U.I(1).cos1 : cơng suất tiêu thụ của tải Q1=m.U.I(1).sin1 : cơng suất phản kháng (cơng suất ảo do sóng hài cơ bản của dòng điện tạo nên)  D  m 2 U 2  I (2j ) : cơng suất biến dạng (cơng suất ảo do các sóng j 2 hài bậc cao của dòng điện tạo nên) Khái niệm biến dạng (deformative) xuất hiện từ ý nghĩa tác dụng gây ra biến dạng điện áp nguồn của các thành phần dòng điện này vì khi đi vào lưới điện chúng... bậc j, j>=2 và I1 là trò hiệu dụng thành phần hài cơ bản dòng điện Quan hệ giữa DF và THD: DF  1 1  (THD ) 2 47 Méo dạng do sóng hài Các bộ biến đổi cơng suất là những thiết bị có tính phi tuyến Giả sử nguồn điện áp cung cấp có dạng sin và dòng điện qua nó có dạng tuần hồn khơng sin Dựa vào phân tích Fourier áp dụng cho dòng điện i, ta có thể tách dòng điện thành các thành phần sóng hài cơ bản I(1)... tách dòng điện thành các thành phần sóng hài cơ bản I(1) cùng tần số với nguồn áp và các sóng hài bậc cao I(2), I(3), … Sóng điện áp nguồn và sóng hài cơ bản của dòng điện tạo nên cơng suất tiêu thụ của tải: P=P1=m.U.I(1).cos1 1: góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện sóng hài cơ bản Các sóng hài còn lại (bậc cao) tạo nên cơng suất ảo 48 24 Méo dạng do sóng hài Ta có: 2 2 2 S 2   mU I   m 2 U 2... từ đó sóng điện áp thực tế cấp cho tải bị méo dạng 50 25 Méo dạng do sóng hài Từ đó, ta rút ra biểu thức tính hệ số cơng suất theo các thành phần cơng suất như sau:   PF  P  S P 2 P  Q12  D 2 Muốn tăng hệ số cơng suất và giảm méo dạng, ta có thể: - Giảm Q1 - cơng suất ảo của sóng hài cơ bản, tức thực hiện bù cơng suất phản kháng Các biện pháp thực hiện như bù bằng tụ điện, bù bằng máy điện đồng... 56 28 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠNG SUẤT 57 Giới thiệu về bán dẫn cơng suất Linh kiện bán dẫn điện tử cơng suất chỉ hoạt động ở hai chế độ: dẫn (ON) và tắt (OFF) Do đó, chúng còn được gọi là khố bán dẫn (power switch) Với khố bán dẫn lý tưởng:  Ở chế độ dẫn: uT = 0  Tổn hao trên khố bán dẫn pT = uT iT = 0,  Ở chế độ tắt: iT = 0  Tổn hao trên khố bán dẫn pT = uT iT = 0 Những u cầu của một linh kiện. .. đổi lại, linh kiện có thời gian chuyển mạch thấp Các linh kiện làm việc trên ngun lý hạt tải thiểu số (minority carrier) như transistor, SCR, GTO, v.v…có điện trở dẫn thấp và có thể chế tạo với điện áp đánh thủng cao Tuy nhiên, chúng cần thời gian chuyển mạch lớn hơn nhiều so với linh kiện làm việc theo ngun lý hạt tải đa số nói trên, vì cần thời gian để bơm hoặc rút các hạt tải thiểu số vào vùng khơng... khả năng điều khiển:  Linh kiện khơng điều khiển: q trình chỉ chuyển mạch phụ thuộc nguồn cung cấp, ví dụ: diode, diac…  Linh kiện chỉ kích dẫn được, khơng có khả năng kích tắt, ví dụ: SCR, triac  Linh kiện có khả năng kích dẫn và kích tắt (Self-commutated device), ví dụ: transistor, GTO (Gate Turn-off Thyristor), IGCT… Những thơng số quan trọng của linh kiện bán dẫn ĐTCS:  Điện áp đánh thủng (breakdown... tắt linh kiện 60 30 Diode Diode cơng suất:  Loại lưỡng cực (mối nối p-n): dùng cho bộ biến đổi cơng suất cao, có thể chế tạo với điện áp và dòng làm việc lớn Dòng định mức từ 1A lên tới hơn 5000A, điện áp định mức từ 10V lên đến 10kV hoặc hơn nữa  Loại Schottky diode: tần số hoạt động cao, điện áp bão hồ thấp (0.3V  0.5V), tuy nhiên chỉ có thể chế tạo với điện áp làm việc thấp  Sử dụng trong các. .. linh kiện bán dẫn điện tử cơng suất:  Khơng có tổn hao khi dẫn  Khơng có tổn hao khi tắt  Khơng có tổn hao khi chuyển mạch (tắt  dẫn hoặc dẫn  tắt)  Cơng suất điều khiển nhỏ  Thời gian chuyển mạch (turn-on time, turn-off time) thấp  Điện áp, dòng điện định mức phù hợp với ứng dụng  Có thể dẫn dòng một chiều / hai chiều 58 29 Giới thiệu về bán dẫn cơng suất Phân loại linh kiện bán dẫn theo... voltage) cao  Điện trở dẫn (ON resistance) thấp  Thời gian chuyển mạch thấp Tuy nhiên, các thơng số trên có ảnh hưởng đến nhau khi chế tạo linh kiện, khơng thể cải tiến thơng số này mà khơng gây ảnh hưởng lên thơng số khác 59 Giới thiệu về bán dẫn cơng suất Các linh kiện làm việc trên ngun lý hạt tải đa số (majority carrier) như MOSFET, Schottky diode có điện áp đánh thủng khơng cao để điện trở dẫn