Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Điện công nghiệp) cung cấp cho người học những kiến thức như: Các linh kiện điện tử công suất; Bộ chỉnh lưu; Bộ biến đổi điện áp xoay chiều; Bộ biến đổi điện áp một chiều; Bộ nghịch lưu và bộ biến tần. Mời các bạn cùng tham khảo!
BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP ( Áp dụng cho Trình độ Cao đẳng) LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2017 LỜI GIỚI THIỆU Điện tử cơng nghiệp ngày khơng bó hẹp lĩnh vực cơng nghiệp mà cịn có mặt hầu hết lĩnh vực kinh tế khác nhau, phấn đấu xây dựng kinh tế theo phương thức cơng nghiệp hóa Vì Bài giảng điện tử công suất thiếu q trình nghiên cứu học tập mơ đun Hiện có nhiều tài liệu điện tử cơng suất nhiên lại không phù hợp với học sinh, sinh viên học nghề Như với mục đích để học sinh, sinh viên học nghề dễ dàng tiếp cận viết giảng náy Bài giảng “ Điện tử công suất” gồm bài: Bài 1: Các linh kiện điện tử công suất Bài 2: Bộ chỉnh lưu Bài 3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Bài 4: Bộ biến đổi điện áp chiều Bài 5: Bộ nghịch lưu biến tần Mỗi đề cập tới nội dung kiến thức bản, ví dụ minh hoạ tập điều khiển thực tế để học sinh, sinh viên hiểu rõ Dù cố gắng tránh khỏi sai sót Vì tơi mong nhận đóng góp ý kiến chân thành đồng nghiệp bạn đọc Xin chân thành cảm ơn Lào Cai, ngày … tháng … năm…… Tham gia biên soạn Chủ biên: Phạm Thị Huê MỤC LỤC Bài1: Các linh kiện điện tử công suất Phân lọai Diode Transistor Thyristor SCR, Diac, Triaac 10 Gate Turn off Thyristor GTO 13 Bài 2: Bộ chỉnh lưu 19 Bộ chỉnh lưu pha 19 Bộ chỉnh lưu ba pha 32 Các chế độ làm việc chỉnh lưu 44 Bài 3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 54 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha 54 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 60 Bài 4: Bộ biến đổi điện áp chiều 62 Bộ giảm áp 62 Bộ tăng áp 69 Các phương pháp điều khiển biến đổi điện áp chiều 75 Bài 5: Bộ nghịch lưu biến tần 78 Bộ nghịch lưu áp pha 78 Phân tích nghịch lưu áp ba pha 81 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu áp 83 Bộ nghịch lưu dòng điện 84 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu dòng 87 Bộ biến tần gián tiếp, trực tiếp 89 Bài 1: CÁC LINH KIỆN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Phân loại linh kiện điện tử công suất + Để thực ngắt ngắt điện điện tử dung nhiều linh kiện hay nhóm linh kiện điện tử chịu áp cao, dòng lớn, làm việc chế độ: - Dẫn điện hay bão hòa (ON) sụt áp qua kênh dẫn điện bé, dòng phụ thuộc vào tải - Khóa (OFF) dịng qua bé (≈ 0) kênh dẫn điện hở mạch Các linh kiện chính: Điode, Transisstor BJT, Transistor MOSFET, Transistor IGBT, Thyristor SCR, Triac, Gate Turn Off Thyristor GTO Diode Điôt phần tử cấu tạo lớp tiếp giáp bán dẫn p-n Điơt có hai cực, anơt A cực nối với lớp bán dẫn kiểu p, catôt K cực nối với lớp bán dẫn kiểu n Dịng điện chạy qua điơt theo chiều từ A đến K điện áp UAK dương Khi UAK âm, dịng qua điơt gần khơng Cấu tạo ký hiệu điơt nh hình 1.1 2.1 Cấu tạo Tiếp giáp bán dẫn p-n phận cấu tạo điôt Ở nhiệt độ môi trường, điện tử tự lớp bán dẫn n khuếch tán sang lớp bán dẫn p bị trung hoà ion a) dương Do điện tích b) vùng tiếp giáp tự trung hồ lẫn Hình: 1.1 nên vùng trở nên nghèo điện tích, a) Cấu tạo; vùng có điện trở lớn Tuy nhiên b) Ký hiệu vùng nghèo điện tích mở rộng đến độ dày định bên vùng n điện tử di chuyển để lại ion dương, bên vùng p điện tử di chuyển đến nhập vào lớp điện tử hố trị ngồi cùng, tạo nên ion âm Các ion nằm cấu trúc tinh thể mạng tinh thể silic nên di chuyển Kết tạo thành tụ điện với điện tích âm phía lớp p điện tích dương phía lớp n Các điện tích tụ tạo nên điện trường E có hướng từ vùng n sang vùng p, ngăn cản khuếch tán tiếp tục điện tử từ vùng n sang vùng p Điện trường E tạo nên rào cản Uj với giá trị không đổi nhiệt độ định, khoảng 0,65V tiếp giáp p-n tinh thể silic nhiệt độ 250C (hình 1.2) Các điơt cơng suất chế tạo chịu giá trị điện áp ngược định Điều đạt nhờ lớp bán dẫn n- tiếp giáp với lớp p, có cấu tạo giống lớp n, điện tử tự Khi lớp tiếp giáp p - nđược đặt tác dụng điện áp bên ngoài, điện trường chiều với điện trường E vùng nghèo điện tích mở rộng sang - vùng n điện trở tương đương Uj điơt lớn dịng điện khơng thể chạy qua Tồn Hình: 1.2 Sự tạo thành điện rào cản điện áp rơi vùng tiếp giáp p-n nghèo điện tích Ta nói điơt bị phân cực ngược n- n- a) b) Hình: 1.3 Sự phân cực điôt công suất: a) Phân cực ngược; b) Phân cực thuận 2.2 Đặc tính vơn-ampe điơt: Một số tính chất điơt q trình làm việc giải thích thơng qua việc xem xét đặc tính vơn-ampe điơt hình 1.4a Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận nằm góc phần tư I tương ứng với U AK > 0, đặc tính ngược nằm góc phần tư III tương ứng với U AK < Trên đường đặc tính thuận, điện áp anơt-catơt tăng dần từ đến vượt qua ngưỡng điện áp UD0 cỡ 0,6 – 0,7 V, dịng chảy qua điơt Dßng điện ID thay đổi lớn điện áp rơi ®iơt U AK thay đổi Như đặc tính thuận điơt đặc trưng tính chất có điện trở tương đương nhỏ Trên đường đặc tính ngược, điện áp UAK tăng dần từ đến giá trị Ung.max, gọi điện áp ngược lớn dịng điện qua điơt có giá trị nhỏ, gọi dịng rị, nghĩa điơt cản trở dịng điện theo chiều ngược Cho đến U AK đạt đến giá trị Ung.max xảy tượng dịng qua điơt tăng đột ngột, tính chất cản trở dịng điện ngược điơt bị phá vỡ Q trình khơng có tính đảo ngược, nghĩa lại giảm điện áp anôt-catôt dịng điện khơng giảm Ta nói điơt bị đánh thủng Trong thực tế, để đơn giản cho việc tính tốn, người ta thường dïng đặc tính dẫn dịng, tuyến tính hố điơt biểu diễn hình 1.4b Đặc tính biểu diễn qua công thức: u D U D.0r D I D Trong đó: r D U điện trở tương đương điơt dẫn dịng I D Đặc tính vôn-ampe điôt thực tế khác nhau, phụ thược vào dịng điện cho phép chạy qua điơt điện áp ngược lớn mà điơt chịu Tuy nhiên để phân tích sơ đồ biến đổi đặc tính lý tưởng cho hình 1.4c sử dụng nhiều Theo đặc tính lý tưởng, điơt cho dịng điện chạy qua với sụt áp Nghĩa là, theo đặc tính lý tưởng, điơt có điện trở tương đương dẫn khoá iD iD U ng max U D U D.0 U D Hình 1.4 Đặc tính vơn-ampe điơt: a) Đặc tính thực tế; b) Đặc tính tuyến tính; c) Đặc tính lý tưởng cảm Transistor - BJT (Bipolar Junction Tranzitor) 3.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc BJT Tranzito phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm lớp bán dẫn p-n-p (bóng thuận) n-p-n n- (bóng ngược), tạo nên hai tiếp giáp p-n Cấu trúc thường gọi Bipolar Junction Tranzitor (BJT) a) b) dòng điện chạy cấu trúc bao gồm hai loại Hình 1.5 a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu điện tích âm dương Tranzito có ba cực: Bazơ (B), colectơ (C) emitơ (E) BJT công suất thường loại bóng ngược Cấu trúc tiêu biểu ký hiệu sơ đồ BJT công suất biểu diễn hình 1.11, lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh thủng tiếp giáp B-C C-E Trong chế độ tuyến tÝnh hay gọi chế độ khuếch đại, tranzito phần tử khuếch đại dòng điện với dòng colectơ IC lần dòng bazơ (dòng điều khiển), gọi hệ số khuếch đại dòng điện IC = .IB Tuy nhiên, điện tử công suất, tranzito sử dụng phần tử khố Khi mở dịng điều khiển phải thoả mãn điều kiện: IB IC hay I B k bh IC Trong đó: kbh = 1,2 1,5 gọi hệ số bão hồ Khi tranzito chế độ bão hoà với điện áp colectơ emitơ nhỏ, cỡ – 1,5 V, gọi điện áp bão hoà, UCE.bh Khi khố, dịng điều khiển IB khơng, lúc dịng colectơ gần không, điện áp UCE lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp với tranzito Tổn hao công suất tranzito tích dịng điện colectơ với điện áp rơi colectơ-emitơ, có giá trị nhỏ chế độ khoá Trong cấu trúc bán dẫn BJT chế độ khoá, hai tiếp giáp B-E BC bị phân cực ngược Điện áp đặt colectơ-emitơ rơi chủ yếu vùng trở kháng cao tiếp giáp p-n- Độ dày mật độ điện tích lớp n- xác định khả chịu điện áp cấu trúc BJT Tranzito chế độ tuyến tính tiếp giáp B-E phân cực thuận tiếp giáp B-C phân cực ngược Trong chế độ tuyến tính, số điện tích dương đưa vào cực Bazơ kích thích điện tử từ tiếp giáp B-C thâm nhập vào vùng bazơ, chúng trung hoà hết, kết tốc độ trung hồ định dịng colectơ tỷ lệ với dòng bazơ, IC = .IB Tranzito chế độ bão hoà hai tiếp giáp B-E B-C phân cực thuận Các điện tử thâm nhập vào đầy vùng bazơ, vùng p, từ hai tiếp giáp B-E B-C, điện tích dương đưa vào cực bazơ có số lượng dư thừa điện tích khơng bị trung hồ hết, kết vùng bazơ có điện trở nhỏ, dịng điện chạy qua Cũng tốc độ trung hồ điện tích khơng kịp nên tranzito khơng cịn khả khống chế dịng điện giá trị dịng điện hồn tồn mạch ngồi định Đó chế độ mở bão hồ 3.2 Đặc tính đóng cắt transistor u B (t ) U B1 + Un C BC u B (t ) RB U B1 B i B (t ) U B2 C BE a) Rt i C (t ) C E U B2 0,7V u BE (t ) U B2 i B1 ( t ) i B (t ) i B2 (t ) u CE ( t ) + Un I C bh i C (t ) b) Hình 1.6 Q trình đóng cắt BJT: a) Sơ đồ ; b) Dạng dịng điện, điện áp Chế độ đóng cắt tranzito phụ thuộc chủ yếu vào tụ ký sinh tiếp giáp B-E B-C, CBE CBC Ta phân tích q trình đóng cắt tranzito qua sơ đồ khố hình 1.12a, tranzito đóng cắt tải trở R t điện áp +U n điều khiển tín hiệu điện áp từ -U B2 đến +UB1 ngược lại Dạng sóng dịng điện, điện áp cho hình 1.12b a Quá trình mở Theo đồ thị hình 1.12, khoảng thời gian (1) BJT chế độ khoá với điện áp ngược –UB2 đặt lên tiếp giáp B-E Q trình mở BJT tín hiệu điều khiển nhảy từ -UB2 lên mức UB1 Trong khoảng (2), tụ đầu vào, giá trị tương đương Cin = CBE + CBC, nạp điện từ điện áp -UB2 đến UB1 Khi UBE cịn nhỏ khơng , chưa có tượng xảy IC UCE Tụ Cin nạp đến giá trị ngưỡng mở U* tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 – 0,7V, điện áp rơi điơt theo chiều thuận, q trình nạp kết thúc Dịng điện điện áp BJT bắt đầu thay đổi UBE vượt giá trị không đầu giai đoạn (3) Khoảng thời gian (2) gọi thời gian trễ mở, td(on) BJT Trong khoảng (3), điện tử xuất phát từ emitơ thâm nhập vào vùng bazơ, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất dòng colêctơ Các điện tử thoát khỏi colêctơ làm tăng thêm điện tử đến từ emitơ Q trình tăng dịng IC, IE tiếp tục xảy bazơ tích luỹ đủ lượng điện tích dư thừa ∆QB mà tốc độ tự trung hoà chúng đảm bảo dịng bazơ khơng đổi: I B1 U B1 - U * RB Tại điểm cộng fòng điện bazơ sơ đồ hình 1.12a, ta có: I B1 i C BE i C BC i B Trong đó: iC.BE dịng nạp tụ CBE, iC.BC dòng nạp tụ CBC, iB dòng đầu vào tranzito, iC = β.iB Dòng colectơ tăng dần thưo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối IC(∞) = β.IB1 Tuy nhiên đến cuối giai đoạn (3) dịng IC đạt đến giá trị bão hồ, IC.bh, BJT khỏi chế độ tuyến tính điều kiện iC = β.iB khơng cịn tác dụng Trong chế độ bão hoà hai tiếp giáp B-E B-C phân cực thuận V× làm việc với tải trở colectơ nên điện áp colectơ – emitơ UCE giảm theo tốc độ với tăng dòng IC Khoảng thời gian (3) phụ thuộc vào độ lớn dòng IB1, dòng lớn thời gian ngắn Trong khoảng (4), điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hoà cuối cùng, xác định biểu thức: UCE.bh = Un – IC.bh.Rt Thời gian (4) phụ thuộc trình suy giảm điện trở vùng n- phụ thuộc cấu tạo BJT Trong giai đoạn (5), BJT hoàn toàn làm việc chế độ bão hồ b Q trình khố BJT Trong thời gian BJT chế độ bão hào, điện tích tích tụ khơng lớp bazơ mà lớp colectơ Tuy nhiên biến đổi bên không ảnh hưởng đến chế độ làm việc khoá Khi điện áp điều khiển thay đổi từ UB1 xuống –UB2 đầu giai đoạn (6), điện tích tích luỹ lớp bán dẫn thay đổi Dịng IB có giá trị: I B2 U B2 U * RB Lúc đầu điện tích di chuyển ngồi dịng khơng đổi IB2 Giai đoạn di chuyển kết thúc cuối giai đoạn (6) mật độ điện tích tiếp giáp bazơ – colectơ giảm không tiếp giáp bắt đầu bị phân cực ngược Khoảng thời gian (6) gọi thời gian trễ khố, td(off) Trong khoảng (7), dịng colectơ IC bắt đầu giảm không, điện pá UCE tăng dần tới giá trị +Un Trong khoảng BJT làm việc chế độ tuyến tính, dòng IC tỷ lệ với dòng bazơ Tụ CBC bắt đầu nạp tới giá trị điện áp ngược, –U n Lưu ý giai đoạn này, điểm cộng dịng điện bazơ sơ đồ hình 1.6a, ta có: IB2 = iC.BC - iB iC.BC dòng nạp tụ CBC; iB đòng đầu vào tranzito Từ thấy quy luật iC = β.iB thực Tiếp giáp B-E phân cực thuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược Đến cuối khoảng (7) tranzito khoá lại hoàn toàn Trong khoảng (8), tụ bazơ – emitơ tiếp tục nạp tới điện áp ngược –UB2 Tranzito chế độ khố hồn tồn khoảng (9) Thysistor SCR, Diac, Triac 4.1 Tiristo phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ba tiếp giáp p-n: J1, J2, J3 Tiristo có ba cực: anôt A, catôt K, cực điều khiển G biểu diễn hình 1.10 10 ... KIỆN VỀ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Phân loại linh kiện điện tử cơng suất + Để thực ngắt ngắt điện điện tử dung nhiều linh kiện hay nhóm linh kiện điện tử chịu áp cao, dòng lớn, làm việc chế độ: - Dẫn điện. .. viết giảng náy Bài giảng “ Điện tử công suất? ?? gồm bài: Bài 1: Các linh kiện điện tử công suất Bài 2: Bộ chỉnh lưu Bài 3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Bài 4: Bộ biến đổi điện áp chiều Bài 5: Bộ... Khi lớp tiếp giáp p - nđược đặt tác dụng điện áp bên ngoài, điện trường chiều với điện trường E vùng nghèo điện tích mở rộng sang - vùng n điện trở tương đương Uj điơt lớn dịng điện khơng thể chạy