Bài giảng Điện tử công suất - Chương nhập môn

CHƯƠNG 0 NHẬP MƠN 1. ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT 2. ĐẶC ĐIỂM LINH KIỆN BÁN DẪN CƠNG SUẤT (KHĨA CƠNG SUẤT) 3. LINH KIỆN BÁN DẪN CƠNG SUẤT LÝ TƯỞNG 4. HỆ QUẢ DO CHUYỂN MẠCH (ĐĨNG CẮT KHĨA CS) 5. HỆ QUẢ DO SĨNG HÀI 6. SỰ KẾT HỢP GIỮA ĐTCS & VI ĐIỀU KHIỂN (P, DSP, C) CHƯƠNG 0 THUẬT NGỮ 1. Chế độ khĩa (Blocking mode) 2. Chuyển mạch (Commutation) 3. Bộ chuyển mạch (Commutation circuit) 4. Chuyển mạch phụ thuộc lưới (line commutation) 5. Chuyển mạch cưỡng bức (Forced commutation) 6. Quá trình kích đĩng Thyristor (Thyristor turn-on) 7. Quá trình ngắt Thyristor (Thyristor turn-off) 8. Thời gian ngắt dịng (Turn-off time) 9. Tỷ số đĩng (Duty cycle) CHƯƠNG 0 THUẬT NGỮ : BỘ BIẾN ĐỔI CƠNG SUẤT 1. Chỉnh lưu (Rectifier, Redresseur) 2. Chỉnh lưu điều khiển (Controlled Rectifier) 3. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều (AC Voltage Controller, Gradateur) 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều (Chopper, Hacheur) 5. Bộ nghịch lưu (Inverter, Onduleur) 6. Bộ biến tần (Frequency Converter, Convertisseur de frequence) CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN • Linh kiện không điều khiển • Có cấu tạo gồm một lớp chuyển tiếp p-n, 2 điện cực ngoài • Phương pháp chế tạo : Khuyếch tán nguyên tử tạp chất loại p vào một mặt của phiến tinh thể Si loại n • Cực Anode nối với lớp p, Cathode nối với lớp n • Quá trình đóng ngắt : Nếu VAK > 0 (điện áp Anode dương hơn điện áp Cathode) thì diode dẫn (đóng), ngược lại diode ngắt 1. DIODE CÔNG SUẤT: ĐẶC ĐIỂM 1. DIODE CÔNG SUẤT: ĐẶC ĐIỂM CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN + Khả năng điều khiển dòng điện (vài A  vài kA ) + Khả năng khóa điện áp (vài chục V  vài kV ) 1. DIODE CÔNG SUẤT : ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPÈRE CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: THỜI GIAN PHỤC HỒI TÍNH NGHỊCH Thời gian cần thiết để diode phục hồi khả năng chịu áp khoá khi quá trình dẫn thuận chấm dứt – phục hồi nhanh - phục hồi chậm CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: THỜI GIAN PHỤC HỒI TÍNH NGHỊCH Tính tốn trr để đánh giá khả năng đĩng ngắt với tần số phù hợp. (Example 2.1 – PE Handbook) Bài tập : Xem Tutorial 2.1 p.19, 20 PE Handbook CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: BẢO VỆ LINH KIỆN Giá trị dv/dt tra từ thơng số kỹ thuật của linh kiện. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. DIODE CÔNG SUẤT: ĐỊNH MỨC LINH KIỆN Xem ví dụ 2.2 p.18 PE Handbook Định mức áp : VRRM – giá trị áp ngược tức thời lớn nhất trên diode Định mức dịng : IAV – giá trị trung bình dịng qua diode CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT - Linh kiện điều khiển bằng dòng và có ba cực ngoài: Collector (C) , Emitter (E) và cổng điều khiển Base (B). + Mạch công suất nối giữa 2 cực C và E + Xung điều khiển cấp vào giữa 2 cực B và E - Transistor vận hành như một khóa đóng cắt bán dẫn - BJT công suất được định mức đến 1200V và 400A. Chúng thường được sử dụng trong các bộ biến đổi vận hành đến 10kHz. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT :ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPÈRE CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT : ĐẶC TÍNH ĐỘNG CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT : MẠCH BẢO VỆ CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR CÔNG SUẤT : MẠCH KÍCH VCC C A E GND Q1 Q2 Q3 Q4 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 TX1 C2 D1 1 2 D2 1 2 C1 C3 3 CHỨC NĂNG : -CÁCH LY ĐIỆN - KHUẾCH ĐẠI - TẠO DẠNG XUNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 2. TRANSISTOR DARLINGTON Điều khiển dịng cơng suất IC bằng dịng điều khiển IB trị số thấp. hFE= IC/IB CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM Sử dụng trong các bộ nguồn, bộ biến đổi DC-DC, bộ điều khiển động cơ... CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM + Linh kiện điều khiển bằng áp. Điện áp gate- source VGS đủ lớn sẽ đóng MOSFET. + VDS > 0 và VGS > 0  ON VGS≤ 0  OFF CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT - ĐẶC ĐIỂM + MOSFET có cấu trúc diode ngược ký sinh . CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT- ĐẶC ĐIỂM + Công suất tổn hao nhiệt ở trạng thái đóng của MOSFET cao hơn BJT. MOSFET điện áp thấp sẽ có điện trở lúc dẫn RDS(on) nhỏ hơn 0.1, tuy nhiên các MOSFET cao áp có điện trở dẫn lên đến vài . + Định mức MOSFET khoảng 1000V và 50A. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT - Đặc tuyến Volt- Ampere CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT - Đặc tính động MOSFET đóng cắt nhanh và được sử dụng trong các bộ biến đổi vận hành với tần số đến 100kHz và hơn. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 3. MOSFET CÔNG SUẤT - Mạch kích CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT - VCE > 0 và VGE > 0  ON VGE≤ 0  OFF -Không có khả năng khóa áp ngược giá trị lớn hơn 10V -Định mức IGBT áp U <= 1200 V, dòng I <= 1 KA -Tần số đóng ngắt cao hơn so với BJT nhưng thấp hơn MOSFET -IJBT có thể làm việc với tần số đóng cắt lên đến 20kHz CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 4. TRANSISTOR IGBT + Giống MOSFET , khác ở điện trở lúc IGBT đóng RCE ( ON ) nhỏ hơn nhiều so với RDS(ON) MOSFET vì cấu trúc IGBT có lớp chuyển tiếp pn  có sự dẫn điện bằng hạt dẫn không cơ bản  dòng I điều khiển được đối với IGBT lớn hơn 5, 10 lần so với MOSFET + Có tín hiệu áp điều khiển VGE  dòng qua lớp pn phân cực thuận từ cực C  E. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - dùng cho mạch công suất lớn; - bốn lớp p, n với 3 cực ngoài Anode (A), Cathode (K) và Gate (G); - mạch điều khiển được nối giữa cực G & K . Mạch công suất được nối giữa A & K ; - linh kiện điều khiển bằng dòng. Xung dòng IG kích đóng SCR; - không kích ngắt, dòng qua SCR đang dẫn if bị ngắt khi giá trị dòng này thấp hơn dòng duy trì If < Ih  0 - định mức SCR : áp vài kV, dòng vài kA CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Ba trạng thái của SCR: a. Trạng thái khóa áp ngược ( SCR ngắt ) V R G K A CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Ba trạng thái của SCR: b. Trạng thái khóa áp thuận ( SCR ngắt ) V R G A K CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Ba trạng thái của SCR: c. Trạng thái dẫn ( SCR đĩng ) CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Quá trình đóng ngắt a. Hiện tượng đóng mạch xảy ra ( chuyển từ ngắt  đóng ) khi - SCR được đặt ở trạng thái khóa áp thuận - Xung dòng IG > 0 đưa vào cổng GK Mạch tương đương của SCR gồm 2 transistor mắc đối Collector và Base với nhau, xung IG làm 2 transistor nhanh chóng dẫn bão hòa. Lúc SCR dẫn, trạng thái của nó giống diode nên dòng IG không còn cần thiết nữa để duy trì trạng thái đóng SCR. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR Quá trình đóng ngắt b. Hiện tượng ngắt mạch gồm 2 giai đoạn; Chuyển từ đóng  ngắt Giai đoạn 1: Giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu bằng cách thay đổi điện trở hoặc điện áp giữa anode và cathode ( đặt áp ngược ) Giai đoạn 2: khôi phục khả năng khóa của SCR Sau khi dòng thuận bị triệt tiêu SCR cần có 1 thời gian ngắt an toàn (tq) để SCR có thể chuyển sang trạng thái khóa áp thuận an toàn. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - THỜI GIAN NGẮT AN TỒN tq tq : sau khi phục hồi lớp điện trở nghịch của J1 và J3 quá trình ngắt vẫn chưa chấm dứt, cần có thêm một thời gian nữa để khôi phục khả năng khóa áp thuận tức là khôi phục điện trở nghịch của lớp J2 . Thời gian ngắt an toàn vì vậy sẽ được định nghĩa : tq- Nó bắt đầu khi dòng thuận trở về không cho đến khi xuất hiện điện áp khóa thuận mà SCR vẫn không bị đóng trở lại khi chưa có xung dòng điều khiển IG. CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - MẠCH KÍCH SCR VCC A - X1 R1 R2 R3 R4 R5 R6 Q2 Q1 TX1 D1 D2 K A G CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 5. THYRISTOR - MẠCH BẢO VỆ dV/dt dV/dt di/dt CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. GTO – Gate turn off thyristor CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. GTO – Gate turn off thyristor - Thyritor GTO cũng giống như SCR, được đóng bằng xung dòng cổng Gate nếu điện áp anode- cathode dương. - GTO có khả năng điều khiển ngắt bằng dòng cổng Gate giá trị âm. - Dòng âm ngắt GTO cần phải ngắn (vài s), nhưng biên độ phải rất lớn so với dòng đóng GTO và thông thường dòng kích ngắt GTO khoản 1/3 dòng anode ở trạng thái dẫn. - Đặc tuyến V-A cho GTO giống của SCR. - Định mức GTO : dòng vài kA , áp vài kV: Dùng cho mạch công suất lớn CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. GTO – Gate Turn Off Thyristor U1 U2 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 Q5 Q4A Q2A C1 X1 + - PS1 PS2 Xung đóng Xung ngắt A K G Q1 Q3 +VGG -VGG ON OFF CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 6. TriAc - Linh kiện điều khiển dòng xoay chiều và có 1 cổng điều khiển. - Kích đóng bằng xung dòng điều khiển giống SCR - Ngắt tự nhiên bằng áp ngược G A1 A2