Bài giảng Điện tử công suất

LỜI NĨI ĐẦU Học phần Điện tử cơng suất môn học chuyên ngành ngành CN Điện-Điện tử, CN Kỹ thuật Điện Chương trình mơn học xây dựng theo chương trình học chế tín Bộ Giáo dục & Đào tạo Hiện có nhiều tài liệu, giáo trình liên quan đến mơn học Điện tử cơng suất Tuy nhiên giáo trình chưa thật phù hợp với chương trình đào tạo Do cần có giáo trình phù hợp với chương trình đào tạo nhà trường Với yêu cầu “Bài giảng Điện tử công suất” biên soạn với mục tiêu: - Chuẩn hoá nội dung chi tiết chương trình Điện tử cơng suất Xây dựng giảng theo phương thức đào tạo theo tín - Tập giảng Điện tử cơng suất thống q trình giảng dạy, đảm bảo tính khoa học, bản, đại, đáp ứng nhu cầu học tập, nghiên cứu - Giáo trình dùng cho đào tạo CN Điện-Điện tử, CN Kỹ thuật Điện Ngồi dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên trình độ khác Bài giảng biên soạn với thời lượng 30 lý thuyết lên lớp 60 tự học, giảng chia làm chương với nội dung đến kỹ thuật đại ứng dụng thực tế Được phân công biên soạn sau: Th.s Nghiêm Thị Thúy Nga chủ biên, biên soạn chương 1, chương Th.s Lê Anh Tuấn biên soạn chương 3,4 Th.s Đoàn Ngọc Sỹ biên soạn chương Chúng tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới thầy cô giáo tham gia giảng dạy môn học Điện tử công suất môn Kỹ thuật điện tử, Khoa Điện-Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đóng góp ý kiến xây dựng, tạo điều kiện thuận tiện cho biên soạn tập giảng Tập giảng đề cập đến nhiều nội dung chuyên nghành kỹ thuật khác khơng tránh khỏi sai sót định Rất mong nhận ý kiến đóng góp bạn đồng nghiệp, bạn đọc gần xa giúp giáo trình hồn thiện Mọi góp ý xin gửi Bộ môn Kỹ thuật Điện tử, Khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Nam Định, ngày .tháng 11 năm 2012 Nhóm tác giả: Nghiêm Thị Thúy Nga Lê Anh Tuấn Đoàn Ngọc Sỹ i Mục lục LỜI NÓI ĐẦU i Chương 1: ĐẶC TÍNH CÁC PHẦN TỬ CƠNG SUẤT LỚN 1.1 DIODE 1.1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 1.1.2 Đặc tính V-A (Volt-Ampe) 1.1.3 Đặc tính đóng cắt 1.1.4 Các thông số 1.2 THYRISTO (SCR- SILICON CONTROLLED RECTIFIER) 1.2.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động 1.2.2 Đặc tính V-A 1.2.3 Đặc tính đóng cắt: 10 1.2.4 Các thông số 11 1.3 TRIAC .12 1.3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc: 12 1.3.2 Đặc tính volt-Ampe 13 1.4 TRANZITOR CÔNG SUẤT BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANZITOR) 14 1.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 14 1.4.2 Đặc tính V-A 15 1.4.3 Đặc tính đóng cắt BJT 16 1.4.4 Các thông số kỹ thuật: 18 1.5 MOSFET (METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FIELD – EFFECT) 18 1.5.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 18 1.5.2 Đặc tính V-A 20 1.5.3 Đặc tính đóng cắt MOSFET 21 1.5.4 Các thông số kỹ thuật: 23 1.6 GTO (GATE TURN-OFF THYRISTOR) 24 1.6.1 Cấu trúc nguyên lý làm việc: 24 1.6.2 Đặc tính đóng cắt GTO 26 1.6.3 Thông số GTO 27 1.7 IGBT (INSUALATED GATE BIPOLAR TRANZITOR) 27 1.7.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 27 1.7.2 Đặc tính đóng cắt IGBT 28 1.7.3 Các thông số IGBT 31 1.8 GHÉP VÀ BẢO VỆ CÁC VAN BÁN DẪN CÔNG SUẤT .32 1.8.1 Ghép linh kiện điện tử công suất 32 ii 1.8.2 Bảo vệ linh kiện điện tử công suất 34 1.9 CÔNG SUẤT TIÊU TÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT 36 1.9.1 Tổn hao công suất phần tử bán dẫn 36 1.9.2 Phương pháp làm mát 41 Câu hỏi ôn tập chương 46 Chương 2: CHỈNH LƯU 48 2.1 KHÁI NIỆM 48 2.1.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu 48 2.1.2 Phân loại .49 2.1.3 Các thông số mạch chỉnh lưu 50 2.1.4 Luật dẫn van 51 2.1.5 Khái niệm góc điều khiển (α) 52 2.2 CHỈNH LƯU MỘT PHA NỬA CHU KỲ: 54 2.2.1 Chỉnh lưu pha nửa chu kỳ không điều khiển 54 2.2.2 Chỉnh lưu pha nửa chu kỳ có điều khiển 62 2.3 Chỉnh lưu pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính 69 2.3.1 Chỉnh lưu pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính khơng điều khiển .69 2.3.2 Chỉnh lưu pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính có điều khiển 74 2.4.Chỉnh lưu cầu pha 81 2.4.1 Chỉnh lưu cầu pha không điêu khiển .81 2.4.2 Chỉnh lưu cầu pha có điều khiển 86 2.4.3 Chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển 89 2.5 Chỉnh lưu hình tia ba pha 92 2.5.1 Chỉnh lưu tia pha không điều khiển 92 2.5.2 Chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển 97 2.6.Chỉnh lưu hình cầu ba pha 100 2.6.1 Chỉnh lưu cầu pha không điều khiển 100 2.6.2 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn 103 2.6.3 Chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển .105 2.7 Ghép chỉnh lưu chỉnh lưu kép 107 2.7.1 Ghép chỉnh lưu .107 2.7.2 Chỉnh lưu kép 108 2.8 Trùng dẫn 113 2.8.1 Khái niệm 113 2.8.2.Quy luật chuyển mạch trùng dẫn 114 2.8.3 Ảnh hưởng chuyển mạch trùng dẫn 117 2.8.4 Quá trình chuyển mạch số mạch chỉnh lưu 118 iii 2.9 Nghịch lưu phụ thuộc 123 2.9.1 Khái niệm 123 2.9.2 Bản chất nghịch lưu phụ thuộc điều kiện thực 123 CHƯƠNG 3: NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP – BIẾN TẦN .136 3.1 Nghịch lưu độc lập 136 3.1.1 Khái quát nghịch lưu độc lập 136 3.1.2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng 136 3.1.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp 143 3.2 BIẾN TẦN .147 3.2.1 Khái quát biến tần 147 3.2.2 Biến tần trực tiếp 148 3.2.3 Biến tần gián tiếp 155 3.2.4 So sánh biến tần trực tiếp biến tần gián tiếp 158 3.2.5 Ứng dụng 159 Câu hỏi ôn tập chương 160 CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP 162 4.1 BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU 162 4.1.1 Khái quát biến đổi xung áp 162 4.1.2 Bộ giảm áp 164 4.1.3 Hiệu suất giảm áp 177 4.1.3 Bộ giảm áp 177 4.2 BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP XOAY CHIỀU 179 4.2.1 Khái quát biến đổi xung áp xoay chiều 179 4.2.2 Bộ biến đổi xung áp xoay chiều pha 180 4.2.3 Bộ biến đổi xung áp xoay chiều ba pha 183 Câu hỏi ôn tập chương 189 Chương 5: ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI .192 5.1 KHÁI QUÁT VÀ PHÂN LOẠI 192 5.1.1 Chức cấu trúc hệ thống điều khiển biến đổi 192 5.1.2 Phân loại hệ điều khiển 197 5.2 CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI .199 5.2.1 Mạch tạo tín hiệu đồng 199 5.2.3 Mạch so sánh 203 5.2.4 Các mạch khuếch đại xung 204 5.3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC 212 5.3.1 Mạch điều khiển chỉnh lưu dùng UJT 212 iv 5.3.3 Mạch điều khiển chỉnh lưu dùng IC OPAM 213 5.3.2 Sơ đồ mạch điều khiển biến đổi phụ thuộc dùng IC CD4528 .216 5.3.3 Sơ đồ điều khiển biến đổi phụ thuộc dùng TCA785 .217 5.4 MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU 220 5.4.1 Yêu cầu chung mạch điều khiển 220 5.4.2 Nguyên lý điều khiển .220 5.4.3 Mạch điện 223 5.5 MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU 226 5.5.1 Nguyên lý điều khiển 226 5.5.2 Mạch điều khiển nghịch lưu dòng 232 5.5.3 Mạch điều khiển nghịch lưu áp 233 5.6 MẠCH ĐIỀU KHIỂN SỐ 236 5.6.1 Phương pháp dịch pha 236 5.6.2 Phương pháp điều khiển dọc 239 5.6.3 Bộ điều khiển dùng vi xử lý 241 5.7 MẠCH PHẢN HỒI VÀ ỔN ĐỊNH 242 5.7.1 Khái niệm 242 5.7.2 Ứng dụng 244 v CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CÁC PHẦN TỬ CƠNG SUẤT LỚN Điện tử cơng suất đóng vai trò quan trọng kỹ thuật đại, làm thay đổi tận gốc rễ kỹ thuật truyền động điện, sản xuất, truyền tải phân phối điện Là chuyên ngành kỹ thuật điện tử, nghiên cứu ứng dụng phần tử bán dẫn công suất biến đổi khống chế nguồn lượng điện Điện tử cơng suất (điện tử dịng điện mạnh) với đặc điểm chủ yếu chuyển mạch (đóng - cắt) dịng điện lớn, điện áp cao, làm thay đổi độ lớn, tần số, dạng sóng dịng cơng suất Công suất đầu biến đổi độ lớn, tần số, dạng sóng so với cơng suất đầu vào Tín hiệu đóng vai trị điều khiển dịng cơng suất Pin Mạch động lực Tín hiệu điều khiển Mạch điều khiển Pout Tải Tín hiệu hồi tiếp Tín hiệu đặt Hình 1: Sơ đồ khối biến đổi điện tử công suất Một biến đổi bao gồm mạch động lực (mạch điện tử công suất) mạch điều khiển Trong đó: Mạch điện tử cơng suất giới hạn sơ đồ sử dụng linh kiện điện tử làm việc chế độ đóng ngắt dùng cho biến đổi lượng điện Mạch điều khiển gồm mạch điều khiển vịng kín (nếu có) mạch phát xung Mạch phát xung cung cấp dòng, áp điều khiển linh kiện điện tử cơng suất để chúng đóng ngắt theo trình tự mong muốn Mạch động lực (mạch điện tử cơng suất): Bộ chỉnh lưu: Biến đổi dịng điện xoay chiều thành dòng chiều (AC-DC) Bộ nghịch lưu: Biến đổi dòng chiều thành dòng xoay chiều (DC-AC) Bộ băm điện áp (BBĐ xung áp chiều): Biến đổi điện áp chiều thành điện áp chiều (DC-DC) Bộ điều áp xoay chiều (BBĐ xung áp xoay chiều): Biến đổi điện áp xoay chiều thành địên áp xoay chiều tần số không đổi (AC-AC) Bộ biến tần: Biến đổi dòng điện xoay chiều tần số điện áp (AC-AC) Các phần tử bán dẫn cơng suất điển hình dùng biến đổi công suất: Diode công suất, thyristor cơng suất, thyristor khố cực điều khiển GTO (Gate Turn off Tiristor), transistor lưỡng cực công suất BJT (Bipolar Junction Transistor), transistor trường công suất FET (Field Effect Transistor), transistor lưỡng cực cổng cách ly IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), TRIAC (Triode Alternative Current), tiristor điều khiển MOSFET MCT (Mosfet Controlled Tiristor), linh kiện cảm ứng tĩnh điện SID (Static Induction Device) Các phần tử bán dẫn cơng suất lĩnh vực điện tử cơng suất có hai chức bản: đóng ngắt dịng điện qua Trạng thái linh kiện dẫn điện (đóng) trạng thái linh kiện có tác dụng điện trở nhỏ (gần không) Trạng thái linh kiện không dẫn điện (ngắt) trạng thái linh kiện có tác dụng mạch điện trở lớn vô Linh kiện bán dẫn hoạt động với hai chế độ làm việc đóng ngắt dịng điện xem lý tưởng trạng thái dẫn điện có độ sụt áp khơng trạng thái khơng dẫn điện (ngắt), dịng điện qua không Phân loại linh kiện bán dẫn: a Linh kiện bán dẫn điều khiển được: Các linh kiện bán dẫn chuyển đổi trạng thái làm việc cùa từ trạng thái không dẫn điện (ngắt) sang trạng thái dẫn điện (đóng) ngược lại thơng qua tác dụng kích thích tín hiệu lên cổng điều khiển linh kiện, gọi linh kiện có tính điều khiển Tín hiệu điều khiển tồn dạng dịng điện hay điện áp Ví dụ BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IGCT, MCT, MT SCR, TRIAC - Linh kiện bán dẫn điều khiển hồn tồn – linh kiện đóng ngắt cưỡng (forced commutated device): linh kiện điều khiển đóng ngắt hồn tồn tín hiệu điều khiển, ví dụ BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IGCT, MCT, MT - Linh kiện bán dẫn điều khiển đóng: linh kiện điều khiển đóng tín hiệu điều khiển mà không điều khiển ngắt được: SCR, TRIAC b Linh kiện bán dẫn không điều khiển được: linh kiện khơng có cực điều khiển q trình chuyển trạng thái làm việc linh kiện xảy tác dụng nguồn cơng suất Ví dụ: Diode, diac 1.1 DIODE 1.1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Cấu tạo: Diode phần tử cấu tạo lớp tiếp giáp bán dẫn p-n Diode có cực, anode (A) cực nối với lớp bán dẫn P, cathode (K) cực nối với lớp bán dẫn N (Hình 1.1) a b c Hình 1.2: Diode công suất a Cấu tạo b Ký hiệu c Hình dạng Do hiệu ứng khuếch tán phần tử tải điện miền, lớp tiếp xúc (phần truyền) hình thành hiệu điện tiếp xúc, tạo từ trường E để ngăn cản khuếch tán tiếp tục phần tử tải điện Kết trạng thái cân bằng, ranh giới tiếp xúc tạo vùng nghèo phần tử tải điện Các diode công suất chế tạo để chịu giá trị điện áp ngược định Do cấu trúc diode có lớp bán dẫn n- tiếp giáp với lớp p có cấu tạo giống lớp n có điện tử tự Nguyên lý làm việc: Å n- p Å Å Å Å Å n - - E + Å Å - - p Å Å - Vùng nghèo điện tích n- n - Å - - - Å - Vùng trở nên có độ dẫn điện + U - - U + Hình 1.2d Phân cực ngược Hình 1.2e Phân cực thuận Nối điện điện trường (U), trạng thái cân bị phá vỡ, nối điện theo chiều dương (+) với anode âm (–) với cathode diode (hình 1.2e), điện trường ngược chiều với điện trường điện áp tiếp xúc, phần tử tải điện dịch chuyển qua vùng tiếp xúc tạo dòng điện thuận qua diode Nếu nối điện theo chiều dương (+) với cathode chiều âm (–) nối với anode diode hình 1.2d, tạo điện trường chiều với điện tiếp xúc, làm vùng nghèo mở rộng Vùng nghèo lớp tiếp xúc không cho phép phần tử tải điện chuyển qua lớp tiếp xúc dòng qua lớp tiếp xúc dịng điện rị 1.1.2 Đặc tính Volt-Ampe (V-A) Trên hình 1.3 mơ tả đặc tuyến Volt-Ampe diode, ứng với nhánh phân cực ngược dòng rò khơng đáng kể, phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Diode cơng suất làm việc với dịng thuận lớn địi hỏi chế độ giảm nhiệt thích hợp Thơng thường có cực tính chế tạo thuận lợi cho việc ghép với tản nhiệt Các diode công suất sử dụng cho thiết bị công nghiệp thường địi hỏi phải có khả chịu đựng điện áp ngược lớn, khoảng vài trăm vài ngàn Volt Dịng điện định mức (dịng tải hay dịng thuận) phải đạt vài trăm Ampe Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận nằm góc phần tư thứ I tương ứng với U AK>0, đặc tính ngược nằm góc phần tư thứ III tương ứng UAK