Bai giang DTCS chuong 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA BÀI GIẢNG PHÁT CHO SINH VIÊN (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Theo chương trình 150 TC hay 180 TC tương đương Sử dụng cho năm học 2008-2009 Tên giảng: Điện tử công suất 1a Số tín chỉ: Thái Nguyên, năm 2009 Tên tác giả: PGS.TS Võ Quang Lạp TS Trần Xuân Minh TS Võ Quang Vinh Th.S Nguyễn Anh Đức BÀI GIẢNG PHÁT CHO SINH VIÊN (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Theo chương trình 150 TC hay 180 TC tương đương Sử dụng cho năm học 2008-2009 Tên giảng: Điện tử cơng suất 1a Số tín chỉ: Thái Ngun, ngày 15 tháng 05 năm 2009 Trưởng môn (ký ghi rõ họ tên) Trưởng khoa Điện (ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC Nội dung Trang Mục lục Đề cương chi tiết học phần Nội dung giảng dạy Chương I: Các linh kiện bán dẫn công suất (BDCS) điều khiển I.1 Thyristor 11 I.2 Triac 16 I.3 Thyristor khoá cực điều khiển – GTO 17 I.4 Tranritor công suất – BJT 19 I.5 Tranztor trường – MOSFET 25 I.6 Tranzitor có cực cách li – IGBT 31 I.7 Tổn hao công suất linh kiện bán dẫn công suất 39 I.8 Làm mát linh kiện bán dẫn công suất 44 Chương II: Chỉnh lưu điều khiển – biến đổi điện áp xoay chiều thành chiều II.1 Tổng quan chỉnh lưu điều khiển 51 II.1.1 Sơ đồ nối dây 51 II.1.2 Dòng áp chỉnh lưu tải 56 II.1.3 Các chế độ làm việc chỉnh lưu 59 II.1.4 Bộ chỉnh lưu làm việc với ốt khơng D0 61 II.1.5 II.1.6 Q trình chuyển mạch Ảnh hưởng chỉnh lưu đến lưới điện 62 67 II.2 Phân tích khảo sát sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 69 II.2.1 Các sơ đồ chỉnh lưu hình tia 69 II.2.1.1 Sơ đồ hình tia pha khơng có D0 69 II.2.1.2 Sơ đồ hình tia pha có diod D0 70 II.2.1.3 Sơ đồ hình tia pha 74 II.2.1.4 Sơ đồ hình tia pha 79 II.2.1.5 Sơ đồ hình tia pha 84 II.2.2 87 Các sơ đồ chỉnh lưu hình cầu II.2.2.1 Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha 87 II.2.2.2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha 94 II.3 Các chỉnh lưu mắc song song ngược để đảo chiều điện áp cho tải 97 II.3.1 Khái niệm chung 97 II.3.2 Các phương pháp khống chế 98 II.4 Các phương pháp tạo xung điều khiển 103 II.4.1 Tổng quan mạch tạo xung điều khiển 103 II.4.2 Mạch tạo xung theo pha đứng 104 II.4.3 Mạch tạo xung theo pha ngang 127 II.4.4 Mạch tạo xung dùng điốt hai cực gốc 129 II.5 Tính chất điều khiển chỉnh lưu 137 II.6 Bảo vệ chỉnh lưu 137 II.6.1 Bảo vệ cố 137 II.6.2 Bảo vệ làm việc 138 II.6.2 Bảo vệ áp cho van Bộ biến đổi 139 Chương III: Biến đổi điện áp xoay chiều – Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều (7 tiết) III.1 Khái niệm chung 143 III.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều pha 144 III.3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều ba pha 150 III.4 Mạch tạo xung điều khiển 151 III.4.1 Các mạch điều khiển đơn giản 152 III.4.2 Áp dụng phương pháp tạo xung điều khiển biến đổi điện áp xoay chiều thành chiều để tạo xung điều khiển cho biến đổi điện áp xoay chiều 154 Bảo vệ biến đổi điện áp xoay chiều 154 III.5 Chương IV: Bộ biến đổi xung điện áp – Bộ biến đổi điện áp chiều thành chiều IV.1 Nguyên lý biến đổi phương phương pháp biến đổi điện áp trung bình biến đổi đặt lên tải 156 IV.2 Một số sơ đồ biến đổi Tiristor 161 IV.2.1 Một số sơ đồ mạch động lực 161 IV.2.2 Quá trình chuyển đổi biến đổi 165 IV.3 Mạch tạo xung điều khiển 169 IV.4 Bộ biến đổi dùng Tranzitor công suất 175 IV.5 Một số ứng dụng biến đổi xung điện áp 175 I.5.1 Tạo nguồn điện áp cho tải 175 IV.5.2 Biến đổi xung điện trở 178 Chương V: Nghịch lưu - Bộ biến đổi điện áp chiều thành xoay chiều V.1 Tổng quan nghịch lưu 181 V.2 Nhgịch lưu pha 184 V.2.1 Nghịch lưu áp pha 184 V.2.2 Nghịch lưu dòng pha 193 V.3 Nghịch lưu pha 195 V.3.1 Nghịch lưu áp ba pha 195 V.3.1.1 Mạch động lực trình khống chế 195 V.3.1.2 Mạch chuyển đổi khảo sát trình chuyển đổi 198 V.3.2 199 Nghịch lưu dòng ba pha V.3.2.1 Mạch động lực q trình khống chế 199 V.3.2.2 Mạch chuyển đổi khảo sát trình chuyển đổi 200 V.3.2.3 Mạch điều khiển nghịch lưu ba pha 202 V.4 pha Một số phương pháp nâng cao chất lượng điện áp nghịch lưu ba 202 V.5 Nghịch lưu cộng hưởng 205 V.5.1 Khái niệm chung 205 V.5.2 Nghịch lưu cộng hưởng nguồn áp 206 V.5.3 Nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng 208 Phụ lục 211 Tài liệu tham khảo Tµi liƯu häc tËp 1.Võ Quang Lạp Trần xuân Minh: Kỹ thuật biến đổi Trờng Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái nguyên 1998 2.Võ Quang Lạp: Điện tử công suất ứng dụng Trờng Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái nguyên 2002 3.Võ Minh Chính Phạm Quốc Hải Trần trọng Minh: Điện tử công suất NXB Khoa häc vµ Kü tht Hµ Néi 2004 Tµi liƯu tham khảo: Jng Karel Kreysa; Csc: Silnoproudá eleKtronika VysoKé učenÝ TechnickÐ V Brnĕ – Praha 1977 Ing Jaroslav Žaček,Csc:Výkonov¸ elektronika – ČeskÐ VýsokÐ učenÝ technikÐ V Praze 1980 ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IA Mã số học phần: Số tín chỉ:3 Tính chất: Bắt buộc Học phần thay thế, tương đương: Không Ngành (chuyên ngành) đào tạo: TĐH, ĐLĐK, HTĐ, TBĐ, KTĐT Phân bổ thời gian giảng dạy học kì : 3(3.1.6)/13 (13 tuần thực học) Số tiết thực lên lớp : tiết /tuần x 13 tuần = 52 tiết - Lý thuyết : tiết /tuần x 13 tuần = 39 tiết = 39 tiết chuẩn - Bài tập, thảo luận : tiết /tuần x 13 tuần = 13 tiết = 6, tiết chuẩn Tổng số : 39 tiết chuẩn + 6, tiết chuẩn =45, tiết chuẩn Số tiết sinh viên tự học : tiết /tuần Đánh giá Điểm thứ nhất: 20% Kiểm tra viết học kỳ Điểm thứ hai: 10% Thí nghiệmT Thảo luận 10% Điểm thứ ba: 60% Thi kết thúc học phần Hình thức thi vấn đáp Điều kiện học Học phần tiên quyết: Lý thuyết điều khiển 1a; Máy điện; Lý thuyết mạch Học phần học trước: Đại số, Giải tích, Vật lý, Toán chuyên ngành; Điện tử, Máy điện Học phần song hành: TĐĐ1, Lý thuyết điều khiển 2, Lý thuyết mạch Ghi khác: Mục tiêu học phần Cung cấp cho sinh viên kiến thức linh kiện sơ đồ biến đổi lượng điện Mơ tả tóm tắt học phần Linh kiện bán dẫn công suất, chỉnh lưu có điều khiển, biến đổi điện áp xoay chiều - xoay chiều, biến đổi điện áp chiều - chiều, biến đổi điện áp chiều - xoay chiều Tài liệu học tập 1.Võ Quang Lạp – Trần xuân Minh: Kỹ thuật biến đổi – Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái nguyên 1998 2.Võ Quang Lạp: Điện tử công suất ứng dụng – Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái nguyên 2002 3.Võ Minh Chính – Phạm Quốc Hải – Trần trọng Minh: Điện tử công suất – NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 2004 7.Tài liệu tham khảo: 4.Jng Karel Kreysa; Csc: Silnoproudá eleKtronika VysoKé ucení Technické V Brne – Praha 1977 5.Ing Jaroslav Žacek,Csc: Výkonová elektronika –Ceské Výsoké ucení techniké V Praze 1980 Cán tham gia giảng dạy Là giáo viên thức hợp đồng môn 8.1 Giảng lý thuyết : Nhà giáo tốt nghiệp từ thạc sĩ trở lên có kinh nghiệm giảng dạy mơn phân công 8.2 Hướng dẫn thảo luận, tập lớn, chữa tập: Nhà giáo tốt nghiệp đại họcđược môn phân công Nội dung chi tiết (4 tiết / tuần) Tuần học Hình TL thức học tham khảo 1,2,3,4,5 Chương I: Các linh kiện bán dẫn công suất (BDCS) điều Nội dung giảng dạy khiển I.1.Thyristor I.2.Triắc I.3.Thyristor khoá cực điều khiển _ GTO (gate turn- off Tuần Thyristor) I.4.Tranritor công suất – BJT (Bipolar junetion tranzitor) I.5.Tranztor trường - MOSFET(Metal – oxide semiconductor) I.6.Tranzitor có cực cách li – IGBT (Insulatedgate Bipolar Tranzitor) I.7.Tổn hao công suất linh kiện bán dẫn công suất I.8.Làm mát linh kiện bán dẫn công suất Chương II: Chỉnh lưu điều khiển – biến đổi điện áp xoay chiều thành chiều II.1.Tổng quan chỉnh lưu điều khiển Tuần II.1.1.Sơ đồ nối dây II.1.2.Dòng áp chỉnh lưu tải II.1.3.Các chế độ làm việc chỉnh lưu II.1.4.Bộ chỉnh lưu làm việc với ốt không Do II.1.5.Quá trình chuyển mạch II.1.6.? nh hưởng chỉnh lưu đến lưới điện Tuần II.2.Phân tích khảo sát sơ đồ chỉnh lưu điều khiển II.2.1.Các sơ đồ chỉnh lưu hình tia Giảng 1,2,3,4,5 Giảng 1,2,3,4,5 Giảng II.2.1.1.Sơ đồ hình tia pha II.2.1.2.Sơ đồ hình tia pha Tuần Thảo luận + Bài tập chương II.2.1.3.Sơ đồ hình tia pha II.2.1.4.Sơ đồ hình tia pha II.2.2.Các sơ đồ chỉnh lưu hình cầu II.2.2.1.Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha Tuần II.2.2.2.Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha II.3.Các chỉnh lưu mắc song song ngược để đảo chiều điện áp cho tải II.3.1.Khái niệm chung II.3.2.Các phương pháp khống chế II.4.Các phương pháp tạo xung điều khiển II.4.1.Tổng quan mạch tạo xung điều khiển II.4.2.Mạch tạo xung theo pha đứng II.4.3.Mạch tạo xung theo pha ngang Tuần II.4.4.Mạch tạo xung dùng điốt hai cực gốc (Tranzitor tiếp giáp - UJT) II.5.Tính chất điều khiển chỉnh lưu II.6.Bảo vệ chỉnh lưu II.6.1.Bảo vệ cố II.6.2.Bảo vệ làm việc Chương III: Biến đổi điện áp xoay chiều – Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều (7 tiết) III.1.Khái niệm chung III.2.Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều pha Tuần III.3.Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều ba pha III.4.Mạch tạo xung điều khiển III.4.1.Các mạch điều khiển đơn giản III.4.2 ỏp dụng phương pháp tạo xung điều khiển biến đổi điện áp xoay chiều thành chiều để tạo xung điều khiển cho biến đổi điện áp xoay chiều III.5.Bảo vệ biến đổi điện áp xoay chiều Tuần Kiểm tra Tuần Thảo luận + Bài tập chương Thảo luận 1,2,3,4,5 Giảng 1,2,3,4,5 Giảng 1,2,3,4,5 Giảng Thảo luận 1,2,3,4,5 Chương IV: Bộ biến đổi xung điện áp – Bộ biến đổi điện áp chiều thành chiều IV.1.Nguyên lý biến đổi phương phương pháp biến Tuần đổi điện áp trung bình biến đổi đặt lên tải 10 IV.2.Một số sơ đồ biến đổi Tiristor IV.2.1.Một số sơ đồ mạch động lực IV.2.2.Quá trình chuyển đổi biến đổi IV.3.Mạch tạo xung điều khiển Giảng IV.4.Bộ biến đổi dùng Tranzitor công suất IV.5.Một số ứng dụng biến đổi xung điện áp I.5.1.Tạo nguồn điện áp cho tải IV.5.2.Biến đổi xung điện trở Tuần Chương V: Nghịch lưu - Bộ biến đổi điện áp chiều 11 thành xoay chiều V.1.Tổng quan nghịch lưu V.2.Nhgịch lưu pha V.2.1.Nghịch lưu áp pha V.2.2.nghịch lưu dòng pha V.3.Nghịch lưu pha V.3.1.Nghịch lưu áp ba pha V.3.1.1.Mạch động lực trình khống chế Tuần V.3.1.2.Mạch chuyển đổi khảo sát trình chuyển đổi 12 V.3.2.Nghịch lưu dòng ba pha V.3.2.1.Mạch động lực trình khống chế V.3.2.2.Mạch chuyển đổi khảo sát trình chuyển đổi V.3.2.3.Mạch điều khiển nghịch lưu ba pha V.4.Một số phương pháp nâng cao chất lượng điện áp nghịch lưu ba pha Tuần V.5.Nghịch lưu cộng hưởng 13 V.5.1.Khái niệm chung V.5.2.Nghịch lưu cộng hưởng nguồn áp V.5.3.nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng Tuần 14 Thảo luận + Bài tập chương 4,5 1,2,3,4,5 Giảng 1,2,3,4,5 Giảng 1,2,3,4,5 Giảng Th¶o ln 10 Thời gian khóa IGBT rút ngắn thêm vào lớp đệm n+ cấu trúc Punch Through IGBT minh họa hình 1.28 Cấu trúc có Thyristor ký sinh lạo từ ba tiếp giáp bán dẫn p-n, J1 J2, J3 Trong cấu trúc mật độ điện tích dương, lỗ, suy giảm mạnh theo hướng từ lớp p+ đến nđến n+, điều giúp q trình tự trung hòa điện tích dương lớp n- xảy nhanh Công nghệ tạo IGBT cực nhanh với thời gian khóa nhỏ μs I.6.3 Vùng làm việc an toàn, SOA (Safe Operating Area) Vùng làm việc an toàn phần tử bán dẫn công suất, SOA, thể dạng đồ thị quan hệ giá trị điện áp dòng điện lớn mà phần tử hoại động chế độ, dẫn, khóa q trình đóng cắt SOA IGBT có dạng biểu diễn hình 1.29 Hình 1.29 thể SOA IGBT hai trường hợp Hình 1.29a SOA điện áp đặt lên cực điều khiển Emitter dương, hình 1.29b SOA điện áp âm SOA điện áp điều khiển dương có dạng hình chữ nhật với hạn chế góc phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện điện áp lớn Điều nghĩa chu kỳ đóng cắt ngắn, ứng với tần số làm việc cao, khả dòng cắt cơng suất phải suy giảm SOA đặt điện áp điều khiển âm lên cực điều khiển Emitter lại bị giới hạn vùng công suất lớn tốc độ tăng điện áp Collector - Emitter IGBT khóa lại Đó tốc độ tăng điện áp lớn dẫn đến xuất dòng điện lớn đưa vào vùng p cực điều khiển, tác dụng giống dòng điều khiển làm IGBT mở trở lại tác dụng cấu trúc Thyristor Tuy nhiên khả chịu đựng tốc độ tăng áp IGBT lớn nhiều so với phần tử bán dẫn cơng suất khác IC ICM IC ICM Thêi gian ®ãng cắt Giới hạn tốc độ tăng điện áp dV CE dt 1000μs 10-5s 2000μs 10-4s 3000μs DC VCE VCE Hình 1.29 Vùng làm việc an tồn IGBT: a) Khi điện áp điều khiển dương; b) Khi điện áp điều khiển âm Giá trị lớn dòng Collector ICM chọn cho tránh tượng chết giữ dòng, khơng khóa lại được, giống Thyristor Hơn nữa, điện áp điều khiển lớn UGE phải chọn để giới hạn dòng điện ICE giới hạn lớn cho phép điều kiện cố ngắn mạch, cách 36 chuyển bắt buộc từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính Khi dòng ICE giới hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp UCE lúc Tiếp theo IGBT phải khóa lại điều kiện đó, nhanh tốt để tránh phát nhiệt mãnh liệt Tránh tượng chốt giữ dòng cách liên tục theo dõi dòng Collector điều cần phải làm thiết kế điều khiển IGBT I.6.4 Yêu cầu tín hiệu điều khiển IGBT IGBT phần tử điều khiển điện áp, +UGE giống MOSFET, nên yêu cầu điện áp Q1 RG điều khiển liên tục cực điều khiển UG Emitter đế xác định chế độ khóa, mở Mạch IGBT 18V Q2 điều khiển cho IGBT có yêu cầu tối thiểu -UGE biểu diễn qua sơ đồ hình 1.30 Tín Hình 1.30 u cầu hiệu mở có biên độ UGE, tín hiệu khóa có tín hiệu điều khiển biên độ -UGE cung cấp cho mạch G-E qua điện trở RG Mạch G-E bảo vệ diode ổn áp mức khoảng ± 18 V Do có tụ ký sinh lớn G E nên kỹ thuật điều khiển điều khiển MOSFET áp dụng, nhiên điện áp khóa phải lớn Nói chung tín hiệu điều khiển thường chọn +15 -5V phù hợp Mức điện áp âm khóa góp phần giảm tổn thất cơng suất mạch điều khiển minh họa hình 1.31a Điện trở RG ảnh hưởng đến tổn hao công suất điều khiển minh họa đồ thị hình 1.31b Điện trở RG nhỏ, giảm thời gian xác lập tín hiệu điều khiển, giảm ảnh hưởng dUCE/dt, giảm tốn thất lượng trình điều khiển, lại làm mạch điều khiển nhạy cảm với điện cảm ký sinh mạch điều khiển Hình 1.31 Tổn hao lượng mạch điều khiển IGBT a) Dưới ảnh hưởng điện áp âm khoá -UCE; b) Dưới ảnh hưởng điện trở đầu vào mạch điều khiển RG Dòng điều khiển đầu vào phải cung cấp dòng điện có biên độ bằng: 37 IG.max = ΔU CE RG Trong đó: ΔUGE = UGE(on) + U GE(off) Tốn hao cơng suất trung bình tính biểu thức: P = UGE.QG.fsw Trong đó: QG (mili Culơng, mC) điện tích nạp cho tụ đầu vào, giá trị thường cho tài liệu kỹ thuật nhà sản xuất; fsw tần số đóng cắt IGBT 1.6.5 Vấn đề bảo vệ IGBT IGBT thường sử dụng mạch nghịch lưu biến đổi xung áp chiều, áp dụng quy luật biến điệu khác thường yêu cầu van đóng cắt với tần số cao, từ đến hàng chục kHz Ở tần số đóng cắt cao Những cố xảy có thề phá hủy phần tử nhanh chóng Sự cố thường xảy dòng ngắn mạch từ phía tải từ phần tử có lỗi chế tạo lắp ráp Vì vấn đề bảo vệ cho phần tử nhiệm vụ quan trọng đặt Đối với IGBT ta ngắt dòng điện cách đưa điện áp điều khiển giá trị âm Tuy nhiên tải dòng điện đưa IGBT khỏi chế độ bão hòa dẫn đến cơng suất phát nhiệt tăng lên đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt Mặt khác khóa IGBT lại thời gian ngắn dòng điện lớn dẫn đến tốc độ tăng dòng dI/dt lớn gây áp Collector - Emitter, đánh thủng lớp tiếp giáp Rõ ràng là, cố q dòng, khơng thể tiếp tục điều khiển IGBT xung ngắn theo quy luật biến điệu cũ đơn giản ngắt xung điều khiển để dập tắt dòng diện Vấn đề ngắt dòng đột ngột không xảy chế độ cố mà xảy tắt nguồn dừng hoạt động, nghĩa chế độ vận hành bình thường Có thể ngăn chặn hậu việc tắt dòng đột ngột cách sử dụng mạch dập RC (snubber circuit), mắc song song với phần tử Tuy nhiên mạch dập làm tăng kích thước làm giảm đồ tin cậy thiết bị Giải pháp tích cực đưa làm chậm lại q trình khóa IGBT, hay gọi khóa mềm (soft turn-off), phát có cố dòng điện tăng mức cho phép Trong trường hợp điện áp cực điều khiển Emitter giảm từ từ đến điện áp âm khóa IGBT chuyển trạng thái khóa qua chế độ tuyến tính, dòng diện bị hạn chế giảm dần không, tránh áp phần tử Thời gian khóa IGBT kéo dài đến 10 lần thời gian khóa thơng thường 38 High side Gate HOP LOP SSD R Desat Fault Chun m¹ch mỊm US Hình 1.32 Các chức mạch tích hợp điều khiển IGBT (IRZI37 International Rectifier ) Có thể phát q dòng cách dùng phần tử đo dòng điện tuyến tính xenxơ Hall mạch đo dòng điện shunt dòng Tuy nhiên IGBT phát q dòng sử dụng tín hiệu điện áp Collector - Emitter Khi có tín hiệu mở UCE lớn mức bão hòa thơng thường UCE.bh < 5V chứng tỏ IGBT khỏi chế độ bão hòa dòng điện lớn Một số vi mạch optocoupler chế tạo sẵn cho mục đích phối hợp tín hiệu điều khiển phát chưa bão hòa IGBT, lại cách ly mạch lực mạch điều khiển Ngày chức phát xung bảo vệ IGBT tích hợp IC chuyên dụng, tạo thuận lợi lớn cho nhà thiết kế Ví dụ mạch tích hợp vậy, IRZI37 International Rectifier cho hình 1.32 Trên hình 1.32 thấy cực điều khiển IGBT cung cấp ba tín hiệu điều khiển qua ba điện trở, tín hiệu mở qua HOP, tín hiệu khóa qua LOP, tín hiệu khóa mềm qua SSD Hiệu chỉnh điện trở hiệu chỉnh thời gian điều khiển tương ứng Tín hiệu DESAT lấy qua phân áp Colector Emiter qua diode nối với Collector, đưa qua mạch lọc phối hợp với tín hiệu điều khiển khóa, mở, qua mạch NAND đưa tín Hình 1.33 Khố mềm hiệu chưa bão hòa (Desal Fault) Qua mạch xử lý IR2137 logic (không thể ) tín hiệu khóa mềm đưa đến MOSFET điều khiển mạch khóa mềm (soft shutdown) với điện trở đưa đến cực điều khiền cỡ 500Ω, lớn 10 lần so với mạch khóa, mở Tác dụng mạch khóa mềm minh họa qua đồ thị thực tế hình 1.33 Đường hình dạng tín hiệu điều khiển, đường cong điện 39 áp UCE, đường cong dạng dòng điện Có thể nhận khơng có áp đường cong điện áp IGBT làm việc chế độ tuyến tính suốt thời gian T dòng điện giảm dần khơng Q điện áp xảy van bị khóa lại tức thời minh họa hình 1.34 Trên hình 1.34 đường cong bên dòng điện, bên điện áp Khi van mở bị tải nên điện áp lại tăng lên Sau van bị khóa lại tức thời dẫn đến xung điện áp, trường hợp khoảng 100V, đường cong điện áp I.7 IC UCE IC: 40A/ô; UCE: 100V/ô; t: 2μs/ơ; Hình 1.34 Q áp sinh khóa tức thời TỔN HAO CÔNG SUẤT TRÊN CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CƠNG SUẤT Ngồi tổn thất mạch điều khiển sinh đề cập đến phần tử cụ thể nói Ta phân tích thành phần tổn thất chế độ làm việc van sau Bảng 1.1 Thông số cực đại phần tứ bán dẫn công suất Misubishi công bố Chủng loại van bán dẫn công suất Khả đóng cắt cực đại Điot cơng suất 2,8 kV; 3,5 kA Điot đóng cắt nhanh 6,0 kV; 3,0 kA Thyristor thường 12,0 kV; 1,5 kA Thyristor tần số cao 1,2 kV; 1,5 kA Thyristor điều khiển diode quang 8,0 kV; 3,6 kA GTO 6,0 kV; 6,0 kA GCT Thyristor 4,5 kV; 4,0 kA IGBT điện áp cap (HVIGBT) 3,3 kV; 1,2 kA Module công suất lớn (HVIPM) 3,3 kV; 1,2 kA I.7.1 Tổn thất chế độ tĩnh dẫn dòng khóa Khi phần tử chế độ dẫn dòng khóa tổn hao cơng suất tích dòng điện qua phần tử với điện áp rơi Khi phần tử khóa, điện áp lớn dòng rò qua van có giá trị nhỏ, tổn hao 40 cơng suất bỏ qua Tổn hao công suất chế độ tĩnh chủ yếu sinh van dẫn dòng Với đưa số phần từ bán đẫn, điện áp rơi van dẫn thường khơng đổi, phụ thuộc vào giá trị dòng điện chạy qua Như dễ dàng xác định tổn hao công suất trạng thái van dẫn I.7.2 Tổn thất q trình đóng cắt Trong q trình dòng cắt, cơng suất tổn hao tức thời có giá trị lớn dòng điện điện áp van có giá trị lớn đồng thời Nói chung, thời gian dòng cắt chiếm phần nhỏ chu kỳ hoạt động phần tử nên tổn hao công suất chế độ đóng cắt chiếm phần nhỏ cơng suất tổn hao trung bình Tuy nhiên phần tử phải làm việc với tần số đóng cắt cao tổn hao đóng cắt lại chiếm phần cơng suất phát nhiệt Xác định cơng suất tổn hao chế độ đóng cắt nhiệm vụ khơng đơn giản, phải phân biệt yếu tố ảnh hưởng đến q trình đóng cắt ảnh hưởng đến tổn hao cơng suất Để ví dụ ta xét thành phần tổn hao công suất cho sơ đồ biến đổi xung áp chiều dùng MOSFET hình 1.41 I.7.2.1 Tổn hao thời gian mở khóa Giả sử sơ đồ diode phần tử lý tưởng, MOSFET mở, khóa với thời gian hữu hạn Với tải trở cảm, dòng điện iv(t) điện áp uV(t) thay đổi tức thời Dạng dòng áp q trình khóa thể hình 1.36 iV RG + E L it V VG + iD0 Rt t D0 Trong thời gian chuyển mạch ngắn Hình 1.35 Bộ biến đổi xung áp dòng tải chưa kịp thay đổi có giá trị it = It, chiều, dùng MOSFET khoảng thời gian t0 < t < t2 Tại t0, có tín hiệu khóa MOSFET V, diện áp V tăng tuyến tính từ khơng đến giá trị điện áp nguồn chiều E khoảng từ t0 đến t1 Trong khoảng diode D0 chưa mở nên dòng qua V It Bắt đầu từ t1 diode D0 mở ra, dòng qua V giảm tuyến tính thời điểm t2, dòng qua diode D0 tăng lên đến dòng tải Tổn hao công suất tức thời V pv(t) = iv(t).uv(t) có dạng tam giác khoảng t0 < t < t2 Tổn hao lượng V diện tích tam giác này: Woff = 1 EIt(t2 – t0) = EIttoff 2 Trong đó: toff thời gian khóa MOSFET 41 Trong q trình mở, đồ thị dòng điện, điện áp phần tử có dạng giống hình 1.36 Dòng qua V phải tăng từ đến It, dòng qua diode giảm từ It Chỉ dòng qua diode đến điện áp V bắt đầu giảm từ E đến Năng lượng tổn hao mở bằng: Won = uV(t) iV(t) E It iV(t) uV(t) t UD0 ( t ) ID ( t ) ID0 ( t ) It t UD0 ( t ) EItton -E W W Trong đó: ton thời gian mở van Tổng tổn hao cơng suất q trình đóng cắt Woff + Won Nếu chu kỳ hoạt động van T ứng với tần số đóng cắt t t2 t1 t0 Hình 1.36 Dạng sóng q trình van khóa sơ đồ hình 1.35 van là: ƒ = 1/T cơng suất tổn hao bằng: Ps = (Woff + Won) = f(Woff + Won) T Như tổn hao công suất tỷ lệ với tần số đóng cắt I.7.2.2 Tổn hao q trình phục hồi Ở phần ta giả sử diode phần tử lý tưởng mà xét đến tổn hao cơng suất thời gian khóa, mở MOSFET gây Với giả thiết thời gian đóng cắt MOSFET ngắn so với thời gian khóa lại diode tổn thất cơng suất chủ yếu trình phục hồi diode sinh Vẫn với sơ đồ hình 1.35, ta xét trình MOSFET khóa lại Dạng sóng q trình biểu diễn hình 1.37 uV(t) iV(t) iV(t) E uV(t) UD0 ( t ) ID0 ( t ) t It ID0 ( t ) t -E UD0 ( t ) W Khi diode khóa có dòng điện W ngược ngồi Biên độ dòng điện ngược lớn gấp vài lần giá trị dòng t t t t điện diode dẫn trước Trên đồ thị hình Hình 1.37 Tổn hao cơng suất diode phục hồi 1.43, thời điểm t0 MOSFET bắt đầu mở làm diode D0 bắt đầu khóa lại Dòng điện ngược diode tạo nên xung dòng giá trị It qua van V Trong khoảng t0 đến t1 diode phân cực thuận nên 42 điện áp van V E Tại t1 dòng.qua diode 0, diode bắt đầu bị phân cực ngược Từ tl đến t2 dòng điện ngược diode nạp cho tụ tương đương tiếp giáp p-n phân cực ngược Điện áp van V giảm dần t2, diode khóa lại hoàn toàn Khoảng thời gian từ tl đến t2 gọi thời gian phục hồi diode, tr.Những diode có khoảng thời gian t2 - tl nhỏ nhiều lần khoảng t1 - to gọi diode dập, hay diode cắt nhanh Nếu thời gian cắt dòng diode ngắn thời gian đóng cắt phần tử nhanh Tuy nhiên tốc độ giảm dòng nhanh dẫn đến điện áp điện cảm ký sinh, đó, cho phần tử mạch Quá điện áp suy giảm mạch RC song song với phần tử (snubber circuit), mạch lại tăng thêm tổn thất sơ đồ Nói chung phải có thỏa hiệp mong muốn giảm tổn thất q trình đóng cắt độ an tồn cho phần tử sơ đồ Tổn thất lượng q trình mở van V tính bằng: t2 W = ∫ u v ( t ) i v ( t ) dt t0 Nếu dùng diode cắt nhanh (t2 - tl) t3, lượng trao đổi mạch dao động tạo cuộn cảm tụ tắt dần tiêu tán điện trở dây quấn tốn hao tụ I.8 t uD(t) t t1 t2 t3 -E2 Hình 1.39.Dạng dòng điện, điện áp sơ đồ 1.38 LÀM MÁT CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT Tổn hao cơng suất, tích dòng điện chạy qua phần tử với điện áp rơi phần tử, tỏa dạng nhiệt trình làm việc Nhiệt lượng tỏa tỷ lệ với giá trị trung bình tổn hao cơng suất Trong q trình làm việc, bán dẫn phải giá trị cho phép (khoảng 120oC đến 150oC theo đặc tính kỹ thuật phần tử), nhiệt lượng sinh cần phải dẫn ngồi, nghĩa đòi hỏi phải có q trình làm mát phần tử bán dẫn I.8.1 Mơ hình truyền nhiệt Nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp Nhiệt lượng trao đổi, PT tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ theo hệ số, gọi trở kháng truyền nhiệt RT Theo đó: PT = (T1 − T2 ) , đơn vị tương ứng là: P [w]; T [oC]; R [oC/w] T T RT Sự cân nhiệt xảy nhiệt lượng phát sinh nhiệt lượng tỏa môi trường, nghĩa là: PT dt = Adθ + Bθ dt Trong đó: PT - cơng suất phát nhiệt (tổn hao công suất) phần tử [W]; A - nhiệt lượng riêng, nhiệt lượng làm cho nhiệt độ phần tử thay đối 10C [J]; B - công suất tỏa để nhiệt độ môi trường tăng thêm 10C [J]; 45 θ - chênh lệch nhiệt độ phần tử mơi trường [0C] Viết lại phương trình vi phân dạng: PT = A dθ + Bθ dt θ max1 Giả sử thời điểm t = 0, chênh lệch PT1 PT2 θ max nhiệt độ θ = 0, nghiệm phương trình là: t ⎛ τ ⎞ θ = θmax ⎜1 − e ⎟ ⎝ ⎠ T t τT Hình 1.40 Đường cong phát nhiệt Trong đó: θ max = PT / B : chênh lệch nhiệt độ lớn đạt được, τ T = A / B số thời gian nhiệt Đường cong thay đổi nhiệt độ thể hình 1.55 ứng với hai công suất phát nhiệt khác PT1 > PT2 Dạng đường cong nhiệt độ hình 1.40 cho mơi trường đồng nhất, ví dụ đồng hay nhôm Tuy nhiên phần tử bán T dẫn gắn lên phận tản nhiệt môi T T trường khơng đồng Vì thể tích nhỏ nên khả T tích nhiệt kém, nhiệt độ phần tử tăng nhanh Nhiệt lượng từ phần tử truyền cánh Rth Rth Rth tản nhiệt, từ cánh tản nhiệt truyền mơi Hình 1.41 Mơ hình truyền nhiệt trường Sẽ có chênh lệch nhiệt độ phần tử, cánh tản nhiệt, môi trường Tương ứng phận tiếp giáp có trở kháng truyền nhiệt khác Mơ hình hệ thống truyền nhiệt cho hình 1.41 Trong thể đường nhiệt độ giảm từ phần tử Tj tới vỏ phần tử Tv, tới cánh tản nhiệt Th tới môi trường Ta j h v a (j-v) (v-h) (h-a) Dòng nhiệt truyền từ cấu trúc bán dẫn đến vỏ phần tử, từ vỏ tới cánh tản nhiệt, từ cánh tản nhiệt đến môi trường Giữa môi trường tiếp giáp trở kháng nhiệt là: Rth(j-v), Rth(v-h), Rth(h-a) Do trở kháng nhiệt tổng trở kháng nhiệt vùng tiết giáp nhau: Rth = Rth(jv) + Rth(v-h) + Rth(h-a) Như nhiệt độ giả tưởng cấu trúc bán dẫn là: Tj = Ta + PTRth 46 Biểu thức thường sử dụng để xác định Rth cần thiết biết nhiệt độ cho phép giới hạn Tj phần tử nhiệt độ làm việc môi trường Ta cơng suất phát nhiệt PT I.8.2 Tính tốn tản nhiệt Giữa cơng suất lớn toả ngồi mơi trường nhiệt độ vỏ phần tử phụ thuộc theo biểu thức: Pmax = Tv,max − 25 = const R th( j− v ) P Pmax 50% giả thiết nhiệt độ mơi trường 25oC C 25 50 100 150 200 T Mối quan hệ biểu diễn đồ thị hình 1.42 theo nhiệt độ cấu trúc Hình 1.57: Đồ thị nhiệt độ cơng suất tản nhiệt lớn cho phép bán dẫn nhiệt độ cực đại cho phép Tj.max cơng suất tỏa 0, đồng nghĩa với việc phần tử bị phá hủy Các số liệu này, kể đồ thị hình 1.42, cho phần tử bán dẫn, cho đặc tính kỹ thuật nhà sản xuất Để đảm bảo nhiệt độ môi trường nhiệt độ thích hợp ta phải gắn phần tử bán dẫn lên cánh tản nhiệt jmax Khi đó: P max = Tv,max − Ta R th( j−a ) Theo mô hình truyền nhiệt hình 1.41, ta có: Tj - nhiệt độ cấu trúc bán dẫn cho'bởi nhà sản xuất, Tv - nhiệt độ vỏ phần tử Th - nhiệt độ cánh tản nhiệt Ta - nhiệt độ môi trường, Pth - tổn hao phát nhiệt phần tử, tính tốn người sử dụng, Rth(j-v) - trở kháng nhiệt cấu trúc bán dẫn vỏ, cho nhà sản xuất, Rth(v-h) - trở kháng nhiệt vỏ cánh tản nhiệt, phụ thuộc hình kích thước vỏ phần tử, cho nhà sản xuất Rth(h-a) - trở kháng nhiệt cánh tản nhiệt môi trường, cho nhà sản xuất cánh tản nhiệt Với ký hiệu đây, tính tốn tổn hao phát nhiệt phần tử Pth.max, xác định trở kháng truyền nhiệt yêu cầu cánh tản nhiệt: 47 R th( h −a ) = Tj.max − Ta Pth.max − a ( R th ( j− v ) + R th( v − h ) ) Giá trị Rth(h-a) cho phép chọn loại tản nhiệt theo yêu cầu dựa vào đặc tính số loại tản nhiệt nhà sản xuất cung cấp Ví dụ: Thyristor BTW 67-1200, vỏ loại CB-332 Trở kháng nhiệt từ cấu trúc bán dẫn vỏ Rth(j-v) = 0,93oC/w, Trở kháng nhiệt từ vỏ tản nhiệt Tth(v-h) = 0,1oC/w Tj.max = 110oC Iv = 25 A Ung.max = 1200 V Giả sử tổn hao công suất q trình làm việc tính tốn 50W, nhiệt độ môi trường 40oC Trở kháng nhiệt tản nhiệt yêu cầu là: R th( h −a ) = Tj.max − Ta Pth.max − ( R th ( j− v ) + R th( v − h ) ) = 0, 37 C /W Từ giá trị chọn loại tản nhiệt theo yêu cầu 48 49 50 ... II .1 Tổng quan chỉnh lưu điều khiển 51 II .1. 1 Sơ đồ nối dây 51 II .1. 2 Dòng áp chỉnh lưu tải 56 II .1. 3 Các chế độ làm việc chỉnh lưu 59 II .1. 4 Bộ chỉnh lưu làm việc với ốt khơng D0 61 II .1. 5 II .1. 6... vơ lớn 19 Sơ đồ đơn giản hình 1. 10 +15 V mơ tả việc thực nguyên lý điều A khiển Mạch điện dùng hai khố T1 Transistor T1, T2 Khi tín hiệu điều V khiển 15 V, T1 mở, dòng chạy từ C1 R1 nguồn 15 V qua... Nghịch lưu pha 19 5 V.3 .1 Nghịch lưu áp ba pha 19 5 V.3 .1. 1 Mạch động lực trình khống chế 19 5 V.3 .1. 2 Mạch chuyển đổi khảo sát trình chuyển đổi 19 8 V.3.2 19 9 Nghịch lưu dòng ba pha V.3.2 .1 Mạch động