(NB) Giáo trình Điện tử công suất cung cấp cho người học các kiến thức: Tổng quan về điện tử công suất; Chỉnh lưu; Biến đổi DC-DC (DC - DC CONVERTER); Bộ biến tần; Bộ nghịch lưu;....Mời các bạn cùng tham khảo!
UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH HẢI PHONG TRƯỜNG CĐCN HẢI PHỊNG GIÁO TRÌNH Tên mơn học: Điện tử cơng suất Hải Phòng Bài TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Giới thiệu chung điện tử cơng suất Điện tử công suất lĩnh vực áp dụng rộng sản xuất, cơng nghiệp, mà dựa tảng môn học mạch điện tử, kỹ thuật xung số… Trong đối tượng điều khiển để truyền lượng điện có kiểm sốt từ nguồn đến tải Cơng suất có trị số từ vài chục watt đến vài gigawatt Yêu cầu quan trọng điện tử công suất hiệu suất giá trị kinh tế phải sử dụng kỹ thuật giao hoán nhằm giảm thiểu tổn thất trình chuyển đổi điều khiển Lĩnh vực áp dụng điện tử cơng suất mơ tả hình vẽ Hình vẽ bao gồm kỹ thuật biến đổi cốt lõi điện tử cơng suất • AC biến đổi thành DC: chỉnh lưu • DC biến đổi thành DC: biến đổi điện chiều • DC biến đổi thành AC: nghịch lưu • AC biến đổi thành AC: biến đổi điện xoay chiều Trong công nghiệp, ngồi tải riêng phần lớn mạch điện tử cơng suất điều khiển động để thực yêu cầu tải Trong chương khảo sát nội dung sau • Các đại lượng đặc trưng điện: trị trung bình, trị hiệu dụng, cơng suất… • Các linh kiện cơng suất giao hốn có đặc tính sau • Các linh kiện cơng suất giao hốn thơng dụng là: Diode,Transistor, Mosfet,SCR, TRIAC, GTO, SCS, IGBT, MCT… 2 Các linh kiện chuyển mạch dùng điện tử công suất (Diode, SCR, DIAC, TRIAC, IGBT, GTO) 2.1 Diode công suất 2.1.1.Chất bán dẫn Về phương diện dẫn điện, chất chia thành hai loại: chất dẫn điện (có điện trở suất nhỏ) chất khơng dẫn điện (có điện trở suất lớn) Chất khơng dẫn điện gọi chất cách điện chất điện mơi Giữa hai loại chất có chất trung gian mà điện trở suất thay đổi giới hạn rộng giảm mạnh nhiệt độ tăng (theo quy luật hàm mũ) Nói cách khác, chất dẫn điện tốt nhiệt độ cao dẫn điện không dẫn điện nhiệt độ thấp Đó chất bán dẫn (hay chất nửa dẫn điện) Trong bảng tuần hoàn (Mendeleev) nguyên tố bán dẫn chiếm vị trí trung gian (Hình 1.1) kim loại kim Điển hình Ge, Si… Vì phân nhóm IV, lớp ngồi Ge, Si có điện tử (electron) chúng liên kết đồng hoá trị với tạo thành mạng bền vững (Hình 1.2a) III IV V VI VII B C 14 16 15 Si 32 34 33 Ge 50 Se As 52 51 Sn S P Sb 53 Sb I Hình 1.1 Các nguyên tố bán dẫn Khi có tâm khơng khiết (ngun tử lạ, ngun tử thừa không liên kết bán dẫn, khuyết tật mạng tinh thể: nút chân khơng, nguyên tử hay ion nút mạng, phá vỡ tinh thể, rạn vỡ…) trường điện tuần hồn tinh thể bị biến đổ chuyển động điện tử bị ảnh hưởng, tính dẫn điện bán dẫn thay đổi Nếu trộn vào Ge đơn chất thuộc phân nhóm III chẳng hạn In, lớp điện tử ngồi In có ba điện tử nên thiếu điện tử để tạo cặp điện tử đồng hoá trị Nguyên tử In lấy diện tử nguyên tử Ge lân cận làm xuất lỗ trống (hole) dương (Hình 1.2b) Ion Ge lỗ trống lại lấy điện tử nguyên tử Ge khác để trung hoà biến nguyên tử Ge sau thành lỗ trống Quá trình tiếp diễn bán dẫn Ge gọi bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn dương (bán dẫn loại P – Positive) Tương tự, trộn vào Ge đơn chất thuộc phân nhóm V, chẳng hạn As, lớp điện tử ngồi As có điện tử nên sau tạo cặp điện tử đồng hoá trị với nguyên tử Ge xung quanh, As thừa điện tử Điện tử dễ dàng rời khỏi nguyên tử As trở thành điện tử tự Bán dẫn Ge trở thành bán dẫn điện tử hay bán dẫn âm (bán dẫn loại N – Negative) Khi nhiệt độ chât bán dẫn tăng hay bị ánh sáng chiếu vào nhiều chuyển động phần tử mang điện mạnh lên nên chất bán dẫn dẫn điện tốt Ge Ge Ge Ge - Ge Ge In Ge Ge As Ge a, Ge Ge b, Ge Ge c, Hình 1.2 Sự tạo bán dẫn P(b) N(c) Các chất bán dẫn đơn chất B, C, Si, Ge, S, Se…các hợp chất ZnS, CdSb, AlSb…các ôxyt Al2O3, Cu2O, ZnO, SiO2…các sulfua ZnS, CdS… Hiện nay, chất bán dẫn dùng nhiều lĩnh vực khoa học, kỹ thuật đời sống 2.1.2.Tính dẫn điện chiều lớp tiếp xúc P-N Khi ghép loại bán dẫn P N lại với (Hình 1.3) chỗ hai mặt ghép giáp hình thành lớp tiếp xúc P-N (ký hiệu là: J - Junction) Quá trình xảy sau: Tại chỗ ghép, điện tử âm tự từ bán dẫn N chuyển sang bán dẫn P, chúng tái hợp với lỗ trống trở nên trung hồ điện Phía bán dẫn P, lỗ trống nên trở thành mang điện âm Phía bán dẫn N điện tử nên trở thành mang điện dương Do vậy, điện trường E0 lớp tiếp xúc P-N hình thành hướng từ N sang P (Hình 1.3a) Điện trường rào ngăn không cho lỗ trống từ P tiếp tục sang N điện tử từ N tiếp tục sang P Nếu nối P-N với nguồn điện chiều để tạo phân cực thuận (Hình 3b) tức cực dương nguồn nối với bán dẫn P, cực âm nguồn nối với bán dẫn N có điện trường ngồi (do nguồn ngồi tạo ra) hướng từ P sang N, mạnh E0 ngược hướng E0 Điện trường giúp lỗ trống dương tiếp tục từ P sang N điện tử tiếp tục từ N sang P tạo dòng điện thuận Ith qua lớp tiếp xúc P-N Nếu nối P-N để tạo phân cực ngược (Hình 1.3c) tức cực dương nguồn nối với bán dẫn N cực âm nguồn nối với bán dẫn P điện trường hướng từ N sang P chiều với lớp tiếp xúc E0 cản trở dịch chuyển lỗ trống từ P sang N điện tử tự từ N sang P nên dòng điện khơng tạo Trên thực tế, có dòng điện nhỏ qua lớp tiếp xúc gọi dịng điện ngược (vì chảy từ N sang P) hay dòng điện rò Eo Eo P - + - + + - + + - P N I + a, Ing = - + A C Rt I=0 Rt N E C A + + + + Ing Rt E + - P N Ith Rt J Ith + + + + - - + c, b, Hình 1.3 Sự hình thành lớp tiếp xúc P-N Vậy lớp tiếp xúc P-N có tính chất đặc biệt cho dòng điện chảy qua phân cực thuận ngăn cản khơng cho dịng điện chảy qua phân cực ngược Tính chất có điện trường lớp tiếp xúc E0 hướng từ N sang P Điện trường E0 tạo rào 2.1.3 Diode công suất Diode phần tử bán dẫn gồm miếng bán dẫn P N ghép lại với Đầu nối với bán dẫn P gọi anode (A), đầu nối với bán dẫn N gọi cathode (C) Đặc tính Von-Ampe Diode biểu thị quan hệ I(U) dòng điện qua Diode điện áp đặt vào hai cực Diode Đặc tính Von-Ampe tĩnh Diode có hai nhánh A P A C N C Hình 1.4 Cấu tạo Diode cơng suất Nhánh thuận: ứng với phân áp thuận dịng điện qua Diode tăng theo điện áp Khi điện áp đặt vào Diode vượt ngưỡng Un cỡ 0,1V-0,5V chưa lớn đặc tính có dạng Parabol (đoạn 1) Khi điện áp lớn đặc tính gần đường thẳng (đoạn 2) Điện trở thuận Diode điểm đặc tính thường nhỏ tính theo: I Rth = Đó nghịch đảo giá trị đạo hàm dI/dU đặc tính điểm tính điện trở U Nhánh ngược: ứng với phân áp ngược Lúc đầu điện áp ngược tăng dịng điện ngược (dịng điện rị) nhỏ tăng chậm (đoạn 3) Tới điện áp ngược |U| > 0,1V dịng điện ngược có trị số nhỏ khoảng vài mA gần giữ nguyên Sau đó, điện áp ngược đủ lớn |U| > Ung.max dịng điện ngược tăng nhanh (đoạn 4) cuối (đoạn 5) Diode bị đánh thủng Lúc này, dịng điện ngược tăng vọt dù có giảm điện áp Điện áp gọi điện áp chọc thủng Diode bị phá hỏng, để đảm bảo an toàn cho Diode, ta nên chọn Diode làm việc với điện áp ngược điện áp ~ 0,8 Ung.max Với Ung < 0,8 Ung.max dịng điện rị qua Diode nhỏ khơng đáng kể Diode coi trạng thái khoá Ith V A V A C C A A + - + U I U ng Ungmax - U th Un I ng Hình 1.5 Đặc tính Von-Ampe Diode Vùng khuỷu vùng điện trở ngược Diode từ trị số lớn chuyển sang trị số nhỏ dẫn đến dòng điện ngược từ trị số nhỏ trở thành trị số lớn Từ đặc tính V.A Diode, thấy Diode (do tính chất đặc biệt lớp tiếp xúc P-N) cho dòng điện chảy qua từ anode A sang cathode C phân áp thuận khơng cho dịng điện qua từ cathode C sang anode A phân áp ngược I IAC t2 b b a t1 a UAC t1 t2 UAC t2>t1 Hình 1.7 Đặc tính Von-Ampe Diode phụ thuộc nhiệt độ Hình 1.6 Đặc tính V_A Diode thực Diode lý tưởng Đặc tính Diode thực đường phi tuyến (khơng thẳng) (đường a hình 1.6) Đặc tính V.A Diode lý tưởng nhữngđoạn thẳng (đường b hình 1.6) phân áp thuận, điện trở RAC 0, dòng điện thuận coi ngắn mạch, phân áp ngược điện trở RAC vơ cùng, khơng có dịng điện ngược Đặc tính V.A Diode cịn thay đổi theo nhiệt độ (hình 1.7) Qua đặc tính V.A cho thấy tuỳ theo điều kiện phân áp mà Diode dẫn dịng hay khơng dẫn dịng Diode van (valve) bán dẫn Tính chất sử dụng để chỉnh lưu (nắn) dòng điện xoay chiều thành chiều Khi nối Diode vào nguồn điện xoay áp chiều vào phụ tải Diode dẫn dòng nửa chu kỳ cịn lại phân áp ngược Sự chuyển đổi thơng = khố Diode khơng tức thời mà cần có thời gian định toff – thời gian cần để Diode chuyển từ trạng thái thông sang trạng thái khoá ton – thời gian cần để Diode chuyển từ trạng thái khố sang trạng thái thơng (dẫn) Chính vậy, tần số điện áp xoay chiều q lớn Diode bình thường khơng tạo chế độ khố 2.1.4 Diode đệm Diode đệm (cịn gọi Diode phóng điện, Diode hồn lượng) Diode mắc song song ngược với phụ tải điện chiều có tính chất cảm kháng (hình8) Diode đệm D0 có hai nhiệm vụ: - Khi phụ tải làm việc, Diode đệm D0 chịu điện áp ngược trạng thái khố Dịng điện tải cấp từ nguồn chiều (hình 8a) Khi ngắt nguồn (U= 0), s.đ.đ tự cảm của cảm kháng phụ tải lúc ngắt mạch, dịng cảm ứng phụ tải khép kín qua Diode D0 (hình 8b) Nếu khơng có Diode D0, điện cảm ứng lớn đặt lên phần tử nguồn phá hỏng chúng, đánh thủng cách điện nguy hiểm cho người - Đảm bảo dòng điện liên tục cho tải + I + I R Do U=0 U>0 R L L b, a, Hình 1.8 Diode đệm nối vào mạch có tính chất cảm kháng để tránh giảm đột ngột dòng điện Bình thường, dịng điện phụ tải có tính chất cảm kháng nguồn cung cấp Khi dòng điện phụ tải giảm (đột ngột) bị ngắt lại có, phụ tải xuất điện áp cảm ứng qúa độ lớn, dẫn đến nguy hiểm nêu cho thiết bị nguồn Diode D0 cho dịng cảm ứng khép kín qua trì dịng tải Dịng cảm ứng phóng qua D0 có độ lớn tuỳ thuộc lượng điện từ tích luỹ cuộn dây phụ tải tức tuỳ thuộc trị số độ tự cảm L nhỏ hay lớn Cường độ dòng điện phóng giảm theo hàm mũ với số thời gian: ụ = L/R Nếu ụ >> T (T- chu kỳ điện áp hình sin) cường độ dịng điện qua tải coi không đổi 2.2.Transistor công suất 2.2.1 Đặc điểm chung Transitor cơng suất có cấu tạo tương tự Transitor thường với loại NPN hay PNP Điểm khác với Transitor thường Transitor cơng suất thường sử dụng khố đóng cắt điện tử Tiếp giáp có diện tích hàng mm2 cho dịng điện qua hàng chục hay hàng trăm Ampe, chịu tần số đóng cắt cao điện áp làm việc lớn Nó cịn gọi phần tử khuếch đại chuyển mạch Nghĩa Transitor có hai điểm làm việc khác biệt Hình mô tả sơ đồ khuếch đại chuyển mạch +Us R1 R2 Uout Uin t t Hình 1.9 Bộ khuếch đại chuyển mạch Như vậy, Transitor làm việc trạng thái khố điện tử làm việc hai trạng thái đóng cắt hay dẫn hay khơng dẫn 2.2.2 Đường đặc tính làm việc Đường đặc tính làm việc Transitor trạng thái đóng cắt ch hình vẽ Trong vùng đặc tính đầu ra, Transitor có hai điểm làm việc: đóng cắt hay dẫn ngưng dẫn A Ub Uc Ib Ucb = A4 A3 +Ub A2 Rc 5,6 R2 Uin V1 Uout R1 A1 Uce Uce Uce V Ub Uce Hình 1.10 Điểm làm việc cơng tắc Transitor Hình 1.10 cho thấy Transitor ngừng dẫn điểm làm việc A1 (dòng điện IB = 0) có dịng điện rị ICEO phụ thuộc vào nhiệt độ lớp bán dẫn Nếu Transitor dẫn, điểm làm việc vùng đặc tính đầu tăng từ A1 đến A2 dòng điện cực đại thu IC tăng tuyến tính với dịng điện IB dịng điện IB tăng lớn điểm làm việc chuyển từ A2 vượt qua A3 đến A4 Đến đầy dịng điện IC tăng ít, có nghĩa Transitor bị điều khiển mức điên áp UCE giảm xuống bé điện áp bão hoà UCEsat chúng gọi là: UCErest 2.2.3 Sự điều khiển mức Transitor Sự điều khiển mức trạng thái hoạt động Transitor, mà có dịng điện IB q lớn chạy qua, lớn dịng điện cần thiết để dòng IC đạt tới cực đại điều khiển q mức dịng điện IC thay đổi khơng cịn tuyến tính với dịng IB Điểm điều khiển mức đạt đến UBE = UCEsat có nghĩa UCB = 0, Transitor điều khiển mức cần làm việc cơng tắc Sự điều khiển q mức có ưu điểm sau điện áp dư UCErest nhỏ, làm cho công suất tổn hao bé Mức độ điều khiển mức tính tốn theo hệ số điều khiển q mức u tỉ số dịng điện IB thực tế dòng điện IB’ cần thiết để Transitor điều khiển đến giới hạn UCB = u = IB/IB’, Thông thường tỉ số chọn từ 2-5 2.2.4.Khuếch đại chuyển mạch với tải điện trở Bộ khuếch đại chuyển mạch Transitor ứng dụng rộng rãi chuyển mạch công suất Trong trường hợp tải mắc trực tiếp với cực Collector Hình 11 12 sơ đồ ngun lí chuyển mạch công suất với tải điện trở miền đặc tính lí tưởng mạch Độ dốc đường làm việc hình 12 xác định qua độ lớn điện trở tải điểm làm việc A1 (IB = 0A) Transitor không dẫn điểm A2 Transitor dẫn Vì Transitor điều khiển mức nên điện áp UCErest tương ứng nhỏ Như đóng ngắt mạch điện, điểm làm việc mạch chuyển dời điểm làm việc A1, A2 dọc theo đường thẳng làm việc điện trở xác định Trong thực tế khơng có điện trở mà có cịn có điện dung điện cảm mắc mạch, ví dụ cuộn dây Rơle cuộn dây nam châm điện, độ tự cảm chúng trực tiếp làm trở ngại đến trình chuyển mạch tiếp điểm làm việc Khi ngắt mạch nhanh điện cảm này, xuất đỉnh điện áp lớn điện áp nguồn nuôi đặt vào Transitor, mà dẫn tới tình trạng phá hỏng Transitor Vì cần có biện pháp bảo vệ Ic +Us A2 Rload R1 V1 A1 Uin Us Uce Hình 1.12 Hình 1.11 Khuếch đại chuyển mạch với tải tụ điện 2.2.5 Mạch khuếch đại chuyển mạch với tải tụ điện đường đặc tính tương ứng mơ tả hình 1.13 1.14 Mạch cần thiết phải lắp thêm điên trở tải khơng khơng có điểm làm việc A2 chế độ tĩnh Ic +Us A2 Rload R1 Cload V1 A1 Ib= 0A Uin Us Uce Hình 1.14 Đường đặc tính làm việc với tải tụ điện Hình 1.13 Chuyển mạch công suất với tải tụ điện 2.2.6.Khuếch đại chuyển mạch với tải cuộn dây Sự hoạt động khuếch đại chuyển mạch công suất với tải cuộn dây đường đặc tính tương ứng mơ tả hình 1.15 1.16 Trong điểm làm việc A1, Transitor khơng dẫn Khơng có dịng điện chạy qua Rload Lload Cuộn dây không dự trữ lượng từ trường Trong khoảnh khắc đóng mạch có sẵn dịng điện IB xuất cuộn dây sức điện động cảm ứng Lúc đầu nhỏ điện áp nguồn ni UB nhỏ dần Chính sức điện động cảm ứng sinh dịng điện có chiều ngược với chiều dòng IC, nên dòng IC bị tác động tăng từ từ Điểm làm việc chuyển dời pham vi q độ đường đặc tính mơ tả phía theo chiều mũi tên tới làm việc A2 10 nạp ngược đầy Khi dòng tải pha a trình chuyển mạch từ pha a qua pha b coi kết thúc Các tụ C1, C3, C5 phóng nạp tạo nên tụ có điện dung tương đương : Ctđ = C - Khi trình chuyển mạch kết thúc, tụ nạp để chuẩn bị cho trình chuyển mạch T3 vàT5 T2 T4 Đồ thị chuyển mạch dòng điện - Khoảng thời gian t = t1-t0 thời gian cần thiết để khoá T1 4.3 Biến tần trực tiếp a, Sơ đồ nguyên lý G1 , UI Z G2 , iz Hình 4.3 Sơ ngun lý biến tần trực tiếp Bộ biền tần gồm hai chỉnh lưu nối song song ngược Các chỉnh lưu sơ đồ pha có điểm trung tính , sơ đồ cầu chỉnh lưu nhiều pha Số pha chỉnh lưu (m) lớn thành phần sóng điều hồ bậc cao giảm Nguyên lý làm việc biến tần sau : Để đơn giản, giả thiết tải trở, van lý tưởng Điện áp tải (u2) gồm hai nửa sóng dương âm Nửa sóng dương tạo nhóm van I làm việc (T1,T2,T3), cịn nửa sóng âm tạo nhóm van II (T4,T5,T6) làm việc Lần lượt đóng mở nhóm van I II, ta tạo tải điện áp xoay chiều có giá trị : 2U pha sin u2 m1 cos m m1- số pha điện áp lưới ; - góc điều khiển chỉnh lưu 110 Theo Hình vẽ ta có : 1 n T2 T1 T n T1 2 m1 m1 n = 0, 1, 2, 3,… Tần số điện áp (f2) thấp tần số lưới Từ suy : f f1 m1 2n m1 Để điều chỉnh f2 , cần tạo thời gian trễ hai chỉnh lưu (góc ) tần số : f f1 m1 2n m1 m1 Khi biến tần làm việc với tải trở cảm động điện, lượng tích luỹ tải trả lưới Lúc chỉnh lưu làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc Nhóm I làm việc chế độ nghịch lưu điện áp tải mang dấu âm nhóm II chế độ nghịch lưu điện áp tải mang dấu dương Nếu chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu điện áp tải lớn gấp lần so với sơ đồ pha có điểm trung tính: 2U pha sin U2 m1 m1 Xung điều khiển nhóm van lệch góc /m1 Các biến tần có hiệu suất thấp (vì điều chỉnh ) dịng điện áp có chứa nhiều thành phần sóng điều hoà bậc cao Để loại thành phần bậc cao cần dùng lọc Nếu thay đổi góc nhóm chỉnh lưu I II theo quy luật điện áp thay đổi theo luật Để đảm bảo điện áp gần sin góc điều khiển (chế độ chỉnh lưu) (chế độ nghịch lưu) cần thay đổi theo luật sau: = arccos (Asin 2) A U 2m U 2m0 U2m – giá trị biên độ điện áp tải ; U2m0 – giá trị biên độ điện áp tải ứng với trạng thái mở Thyristor ( = 0); A = luật điều chỉnh , tuyến tính Với luật điều khiển m1 tỷ số f1/f2 đủ lớn, điện áp tải có dạng m hình sin : U2( 2t) = U1m sin sin 2t m1 111 Đường cong điện áp có thêm phần sóng điều hồ với tần số f2 Các biến tần trực tiếp có tàn số nhỏ tần số vào (f2