bài giảng điện tử công suất

2/23/2019 MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG Giảng viên: Khoa: Tổ môn: Email: Ths.Nguyễn Đức Dương Điện Điều khiển tự động hóa ndduong.ddt@uneti.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh: “Điện tử công suất” Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2004 Trần Trọng Minh: “Giáo trình Điện tử cơng suất” Nhà xuất giáo dục, Hà Nội, 2015 Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi: “Phân tích giải mạch điện tử cơng suất” Nhà xuất giáo dục, Hà Nội, 2007 2/23/2019 CHƯƠNG CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN NỘI DUNG CHƯƠNG 1.1 Đặc tính phần tử bán dẫn công suất 1.2 Diode 1.3 Transistor 1.4 Thyristor 1.5 Triac 1.6 MOSFET 1.7 IGBT 2/23/2019 1.1 Đặc tính phần tử cơng suất • • • • • Dòng điện làm việc: phải lớn dòng tải Điện áp ngược chịu Thời gian dẫn thời gian tắt Điện áp rớt phần tử công suất dẫn Tổn hao công suất 1.2 Diod cơng suất Sơ đồ cấu trúc • Ngun lí cấu tạo J • Gồm hai chất bán dẫn p,n tạo A p n thành mối nối J • UAK> có dòng điện IAK#0 • UAK< khơng dòng IAK K 2/23/2019 Phân cực cho mối nối p-n p n p Etx a) n Etx Engoµi + p n b) Etx Engoài + c) • • • • • Thông số diode: Iđm – dòng điện định mức, tới 7000A U – sụt áp thuận, khoảng (0,7 - 2)V P – tổn hao công suất; P = U.I (đến hàng kW) Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; tới khoảng 2000oC UN - điện áp ngược; Trong khoảng (50-4000)V Irò – dòng điện rò, tới vài trăm mA 2/23/2019 Một số Điốt thơng dụng thường gặp Điốt Zener gọi điốt ổn áp, loại Điốt bán dẫn làm việc chế độ phân cực ngược vùng điện áp đánh thủng Điện áp gọi điện áp Zener hay thác lở Khi giá trị điện áp thay đổi Nó chế tạo cho phân cực ngược điốt Zener ghim mức điện áp gần cố định giá trị ghi diode, làm ổn áp cho mạch điện Diode xung Trong nguồn xung đầu biến áp xung , ta phải dùng Diode xung để chỉnh lưu diode xung diode làm việc tần số cao khoảng vài chục KHz , diode nắn điện thông thường thay vào vị trí diode xung được, ngựơc lại diode xung thay cho vị trí diode thường, diode xung có giá thành cao diode thường nhiều lần Về đặc điểm , hình dáng Diode xung khơng có khác biệt với Diode thường, nhiên Diode xung thường có vòng dánh dấu đứt nét đánh dấu hai vòng Diode nắn điện Là Diode tiếp mặt dùng để nắn điện chỉnh lưu nguồn AC 50Hz , Diode thường có loại 1A, 2A 5A 2/23/2019 1.3 Transistor lưỡng cực BJT Bibolar Junction Transistor Nguyên lí, cấu tạo Đặc tính, thơng số Đặc điểm cấu tạo Sơ đồ darlington Nguyên lí cấu tạo BJT • Cấu tạo transistor có dạng hình vẽ C Colector Emitter p n B C p B E Base Emitter E a) e) c) C Colector n p n C E Base b) E B d) B f) 2/23/2019 Hoạt động transistor Dòng hạt thiểu số Dòng hạt đa số E p n p C E B Vùng p p n B Vùng a Dòng hạt đa số E IE b Dòng hạt thiểu số n p p B IB C C IC c Nguyên lý hoạt động tranzitor Đặc điểm kết cấu • Dòng điện điều khiển Ib xác định Ib = IC/ • Trong điện tử cơng suất, dòng điện lớn nên transistor làm việc chế độ đóng cắt nên mở phải thoả mãn điều kiện: • Ib = kbh IC/ (kbh = 1,2  1,5 - hệ số bão hồ), • điện áp bão hồ CE khoảng 1-1,5 V Ib = IC/ • Do cần hệ số khuếch đại lớn nên BJT thường cấu tạo dạng darlington 2/23/2019 Thơng số • • • • • • IC – dòng điện định mức, ( tới 1000A)  - hệ số khuếch đại dòng điện IB = IC/ β – dòng điện base mA U – sụt áp thuận; (khoảng (0,7 - 2)V) P – tổn hao công suất sinh nhiệt (đến hàng kW) Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giáp khoảng 2000C • UCE - điện áp CE; Trong khoảng (50-1500)V • UBE - điện áp BE; hàng vôn Sơ đồ darlington • Từ đặc tính tĩnh thấy hệ số khuếch đại dòng điện transistor cơng suất nhỏ khoảng hàng chục Do cần mắc hai transistor nối tiếp hình vẽ • Hệ số khuếch đai:  = 1 2 iC1 iC iC2 iB = iB1 iE1 = iB2 2/23/2019 1.4 Thyristor (SCR) Cấu tạo thyristor • Thyristor phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo thành • Tiristor có lớp tiếp giáp J1, J2, J3 hình thành cực Anot: A, Katot: K, cực điều khiển: G Mở thyristor • Tăng điện áp thuận UAK lớn Uthmax điện trở nội tiristor giảm mạnh, dòng qua tiristor mạch xác định Phương pháp thực tế không dùng (cần phải tránh) nguyên nhân sau: – Không phải tăng điện áp đến giá trị Uthmax – Trường hợp thường xảy tác dụng xung áp thời điểm ngẫu nhiên, không định trước • Tăng tốc độ biến thiên điện áp du/dt • Đưa xung dòng điện có giá trị định vào cực điều khiển (UGK>0) Đây phương pháp điều khiển tiristor áp dụng thực tế 2/23/2019 Khố thyristor • Khi tiristor mở, diện tín hiệu điều khiển Ig khơng cần thiết, để khố tiristor có cách: • Giảm dòng qua tiristor xuống giá trị dòng trì Idt • Đặt điện áp ngược lên tiristor (biện pháp thường dùng) Tham số thyristor • • • • Itb Ungmax Ig Ug • tmở • tkhố • du/dt • di/dt Ưu • Cấu trúc đơn giản; • Sụt áp dẫn nhỏ; • Chịu điện áp cao; • Cơng suất điều khiển nhỏ; • Van hai cực tính Nhược • Van bán điều khiển (chỉ đk mở, khơng đk khóa); • Tần số chuyển mạch thấp 10 2/23/2019 4.3 ĐIỀU KHIỂN BĂM XUNG MỘT CHIỀU 4.3.1 Cấu trúc điều khiển Điều khiển theo phương pháp điều chỉnh độ rung xung PWM 177 4.3 ĐIỀU KHIỂN BĂM XUNG MỘT CHIỀU 4.3.1 Cấu trúc điều khiển Điều khiển theo phương pháp xung – tần 178 89 2/23/2019 4.4 BĂM XUNG MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU - Hoạt động sơ đồ phụ thuộc vào cách phối hợp điều khiên van lực, có ba phương pháp dùng Điều khiển riêng Điều khiển không đối xứng Điều khiển đối xứng 179 4.4 BĂM XUNG MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU 4.4.1 Phương pháp điều khiển riêng Nguyên lý a) c) b) d) 180 90 2/23/2019 3.4 BĂM XUNG MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU 3.4.1 Phương pháp điều khiển riêng Điều khiển 181 4.4 BĂM XUNG MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU 4.4.2 Phương pháp điều khiển đối xứng Nguyên lý + Với γ > 0,5 Ut dương, + Với γ < 0,5 Ut âm, + Với γ = 0,5 Ut khơng 182 91 2/23/2019 4.4 BĂM XUNG MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU 4.4.2 Phương pháp điều khiển đối xứng Điều khiển 183 3.4 BĂM XUNG MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU 3.4.3 Phương pháp điều khiển không đối xứng Nguyên lý 184 92 2/23/2019 BĂM XUNG MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU 5.4.3 Phương pháp điều khiển không đối xứng Điều khiển 185 CHƯƠNG NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP Trang 186 93 2/23/2019 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG 5.1.1 Nghịch lưu độc lập Nghịch lưu độc lập (NLĐL) thiết bị để biến đổi lượng dòng điện chiều thành lượng dòng điện xoay chiều với tần số cố định thay đổi Nghịch lưu độc lập phân thành ba loại: NLĐL điện áp, cho phép biến đổi từ điện áp chiều E thành nguồn điện xoay chiều có tính chất điện áp lưới: trạng thái khơng tải cho phép, trạng thái ngắn mạch tải cố NLĐL dòng điện, cho phép biến nguồn dòng chiều thành nguồn dòng điện xoay chiều NLĐL cộng hưởng, có đặc điểm hoạt động ln hình thành mạch vòng dao động cộng hưởng RLC 187 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG 5.1.2 Biến tần Biến tần thiết bị biến đổi lượng dòng điện xoay chiều tần số sang lượng dòng điện xoay chiều tần số khác Biến tần chia thành loại: Biến tần trực tiếp Biến tần gián tiếp 188 94 2/23/2019 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 5.1.2.1 Biến tần gián tiếp Biến tần chia thành loại: Nghịch lưu độc lập điện áp Nghịch lưu độc lập dòng điện Nghịch lưu cộng hưởng a) b) 189 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 4.1.2.2 Biến tần trực tiếp Loại dùng chỉnh lưu điều khiển 190 95 2/23/2019 5.2 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA 5.2.1 Mạch lực 191 5.2 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA 5.2.1 Mạch lực a) c) b) d) 192 96 2/23/2019 5.2 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐiỆN ÁP MỘT PHA 5.2.2 Bộ lọc tần số đầu 193 5.2.3 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA 5.2.3 Điều chế SPWM cho nghịch lưu độc lập điện áp - Điều chế PWM phân thành hai loại lớn điều chế hình sin (SPWM) điều chế vecto (VPWM), song đa dạng kiểu điều chế phong phú, đặc biệt VPWM, tiếp tục nghiên cứu phát triển Do đề cập kiểu kinh điển điều chế SPWM - Nguyên tắc SPWM khoảng dẫn van transistor không dẫn liên tục mà đóng cắt nhiều lần với độ rộng xung dẫn bám theo giá trị tức thời hình sin có tần số sóng hài 194 97 2/23/2019 5.2 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA 5.2.3 Điều chế SPWM cho nghịch lưu độc lập điện áp Nguyên lý dùng xung tam giác tần số cao (gọi sóng mang – carrier) để so sánh với điện áp hình sin (gọi sóng điều chế - modulation), điểm cắt hai điện áp điểm chuyển đổi trạng thái hai cặp van cho 195 5.2 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA 5.2.3 Điều chế SPWM cho nghịch lưu độc lập điện áp Điều chế PWM hình SIN hai cực tính 196 98 2/23/2019 5.2 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA 5.2.3 Điều chế SPWM cho nghịch lưu độc lập điện áp Điều chế PWM hình SIN cực tính 197 4.3 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP BA PHA 4.3.1 Các đặc điểm Để tạo hệ điện áp xoay chiều ba pha từ nguồn sức điện động E, cần sử dụng ba nhóm van đấu theo mạch cầu hình, điểm nhánh van thẳng hàng điểm nối với phụ tải ba pha đấu tam giác 198 99 2/23/2019 5.3NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP BA PHA 5.3.1 Các đặc điểm Sơ đồ điều khiển hai luật dẫn van khác nhau: Góc dẫn van λ=180o (hình a), luật điều khiển giống NLĐL pha hai van nhánh thay dẫn chu kỳ Góc dẫn van λ=120o (hình b), luật hai van khơng thay dẫn mà có đoạn nghỉ 60o chúng a) b) 199 5.3 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP BA PHA 5.3.1 Các đặc điểm Sơ đồ điều khiển hai luật dẫn van khác nhau: Góc dẫn van λ=180o (hình a), luật điều khiển giống NLĐL pha hai van nhánh thay dẫn chu kỳ Góc dẫn van λ=120o (hình b), luật hai van khơng thay dẫn mà có đoạn nghỉ 60o chúng a) b) 200 100 2/23/2019 5.3.2 NLĐL điện áp ba pha (cầu bán cầu) với SPWM 201 5.4 ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU - Phát xung chủ đạo, để tạo tín hiệu đồng cho tồn hệ thống có tần số tỉ lệ với sóng hài với điện áp - Bộ phân phối tín hiệu xung vào van lực riêng biệt theo thứ tự làm việc chúng theo nguyên lý hoạt động - Khâu xác định khoảng dẫn cho van thực theo phương pháp điều khiển cụ thể - Bộ khuếch đại xung: tăng đủ công suất để đóng/mở van lực 202 101 2/23/2019 5.4 ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU ĐIỆN ÁP 5.4.1 Điều khiển nghịch lưu điện áp đơn giản - Điều khiển nghịch lưu điện áp pha 203 5.4.1 Điều khiển nghịch lưu điện áp đơn giản - Điều khiển nghịch lưu điện áp ba pha 204 102 2/23/2019 5.4 ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU ĐIỆN ÁP 5.4.2 Điều khiển nghịch lưu điện áp với SPWM Để thực phương pháp SPWM hợp lý sử dụng kỹ thuật số, tần số thay đổi phạm vi rộng Tuy nhiên đề cập nguyên lý SPWM sử dụng kỹ thuật tương tự hạn chế nghịch lưu với tần số không đổi để làm rõ nguyên tắc điều khiển chung 205 103 ... gian tắt Điện áp rớt phần tử công suất dẫn Tổn hao công suất 1.2 Diod cơng suất Sơ đồ cấu trúc • Ngun lí cấu tạo J • Gồm hai chất bán dẫn p,n tạo A p n thành mối nối J • UAK> có dòng điện IAK#0... ngắn để GTO phục hồi tính chất khố 16 2/23/2019 Điện tử cơng suất kỹ thuật biến đổi điều khiển lượng điện víi hiệu cao Cấu trúc thiết bị điện tử công suất sensors Đầu vào :nguồn - AC - DC cố định,... tính phần tử bán dẫn công suất 1.2 Diode 1.3 Transistor 1.4 Thyristor 1.5 Triac 1.6 MOSFET 1.7 IGBT 2/23/2019 1.1 Đặc tính phần tử cơng suất • • • • • Dòng điện làm việc: phải lớn dòng tải Điện áp