Giáo trình Điện tử công suất và ứng dụng (Nghề: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trình độ Cao đẳng): Phần 1 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG

GIÁO TRÌNH

MƠN HỌC/MƠ ĐUN: ĐIỆN TỬ
CƠNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG
NGÀNH/ NGHỀ : CN KTĐK VÀ TĐH
TRÌNH ĐỘ : Cao đẳng
(Ban hành theo Quyết định số:630/QĐ-CĐN, ngày 05 tháng 04
năm 2022 của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang)

An Giang, Năm ban hành: 2022

1


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được phép dùng
nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành
mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

1


LỜI GIỚI THIỆU
Mô đun Điện tử công suất và ứng dụng là một trong những môn chuyên ngành
của ngành tự động hóa. Nhằm cung cấp cho người học những kiến thức chuyên sâu về
lĩnh vực điều khiển công suất. Môn học Điện tử công suất và ứng dụng là một trong
những môn chủ yếu đào tạo cho sinh viên ngành Cơng nghệ kỹ thuật điều khiển và tự

động hóa nói riêng và ngành kỹ thuật nói chung.
Nội dung giáo trình chủ yếu danh cho soạn theo hướng thức hành, nhằm nâng
cao kỹ năng thực hành cho các sinh viên ngành kỹ thuật.
Với mục tiêu trên, nội dung môn học được chia thành 9 bài như sau:
- Bài 1: Tổng quan về điện tử công suất.
- Bài 2: Chỉnh lưu.
- Bài 3: Biến đổi DC - DC (DC - DC converter)
- Bài 4: Phương thức điều rộng xung (PWM)
- Bài 5: Bộ nghịch lưu
- Bài 6: Bộ biến tần (cycle-converter).
- Bài 7: Nguồn DC đóng ngắt và cộng hưởng.
Các bài học trên được sắp xếp theo trình tự phù hợp với nhận thức và phát triển
nhận thức của người học nghề. Tuy nhiên để đạt được hiệu quả cao hơn khi đọc giáo
trình này, người học cần nắm vững các kiến thức cơ bản của các môn học cơ sở khác
như: kỹ thuật điện, linh kiện điện tử, mạch số…
Giáo trình cung cấp kiến thức cơ bản làm cơ sở để phát triển nhận thức của người
học. Tuy nhiên trong các bài giảng cần tăng cường liên hệ, so sánh với các hệ thống sản
xuất, các hệ thống công suất trong cơng nghiệp để người học có cái nhìn tổng thể hơn.
Trong quá trình biên soạn, mặc dù đã cố gắng tham khảo nhiều tài liệu và giáo
trình khác nhưng tác giả khơng khỏi tránh được những thiếu sót và hạn chế. Tác giả
chân thành mong đợi những nhận xét, đánh giá và góp ý để cuốn giáo trình ngày một
hồn thiện hơn.
An Giang, ngày 20 tháng 05 năm 2021
Tham gia biên Soạn
1. Nguyễn Trường Sanh
2. Võ Thành Lâm
3. Lý Đa Tạo

2

MỤC LỤC
LỜI GIỚI THIỆU ........................................................................................................... 2
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 3
CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN ........................................................................................ 7
BÀI 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ................................................... 16
I. Giới thiệu chung về điện tử công suất ............................................................... 16
II. Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công suất: (Diode, SCR, DIAC,
TRIAC, IGBT, GTO). ............................................................................................ 17
1. Diode .................................................................................................................. 17
2. SCR .................................................................................................................... 22
3. TRIAC ............................................................................................................... 23
4. DIAC ................................................................................................................. 25
5. IGBT ................................................................................................................. 27
6 GTO ................................................................................................................... 30
BÀI 2. CHỈNH LƯU .................................................................................................... 33
I. Mạch chỉnh lưu không điều khiển (theo từng loại tải). ..................................... 33
1. Mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ ........................................................................ 33
2. Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ dùng biến áp có điểm giữa ...................................... 34
3 . Mạch chỉnh lưu tồn kỳ hình cầu...................................................................... 36
4 . Mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia (M3) ................................................................ 38
5. Mạch chỉnh lưu 3 pha hình cầu .......................................................................... 42
6. Chỉnh lưu có điều khiển, chỉnh lưu điều độ rộng xung .................................... 46
1/ Mạch chỉnh lưu công suất một nửa chu kỳ ........................................................ 46
2/ Khảo sát về dòng điện ........................................................................................ 47
3/ Khảo sát về điện áp ........................................................................................... 48
7. Mạch chỉnh lưu cơng suất hai nửa chu kỳ có điều khiển ................................... 49
8. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha có điều khiển. .............................................. 50
9. Mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia có điều khiển..................................................... 51
II. Điện áp ngõ vào, ngõ ra mạch chỉnh lưu, sóng hài ngõ ra mạch chỉnh lưu ...... 53

1. Mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ ........................................................................ 53
2. Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ dùng biến áp có điểm giữa ...................................... 55
3


3. Mạch chỉnh lưu tồn kỳ hình cầu....................................................................... 56
4. Mạch chỉnh lưu công suất một nửa chu kỳ ........................................................ 56
5. Mạch chỉnh lưu cơng suất hai nửa chu kỳ có điều khiển ................................... 56
III. Lọc điện cảm, lọc điện dung ............................................................................ 56
1 Lọc điện dung .................................................................................................... 57
2 Lọc điện cảm ...................................................................................................... 57
IV Tính tốn mạch chỉnh lưu ................................................................................. 58
1. Tính toán thiết kế mạch chỉnh lưu bán kỳ .......................................................... 58
2 Tính tốn thiết kế tương tự cho các mạch chỉnh lưu còn lại ............................. 59
V. Thực hành khảo sát Board mạch tạo xung kích: .............................................. 63
Bài 3. BIẾN ĐỔI DC-DC (DC-DC converter) ............................................................ 67
I. Đại cương về biến đổi DC - DC. ........................................................................ 67
1. Khái quát về điều áp một chiều ......................................................................... 67
2. Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở .................................... 67
3. Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một transistor ................................ 68
4. Điều khiển bằng băm áp (băm xung) ................................................................ 68
5. Nguồn cấp trong băm xung 1 chiều .................................................................. 69
II. Bộ ổn áp............................................................................................................. 69
1. Sơ lược về lý thuyết ổn áp ................................................................................. 69
2. Ổn áp tuyến tính ................................................................................................. 70
3. Ổn áp tuyến tính dùng zenner transistor ............................................................ 71
4. Ổn áp ngắt mở .................................................................................................... 72
III. Bộ băm áp (chopper)....................................................................................... 73
1. Bộ băm tăng áp (boost) ...................................................................................... 73
2. Bộ băm giảm áp (buck). ..................................................................................... 75

IV. Nguồn ổn áp đóng cắt ...................................................................................... 76
1. Nguồn Push – pull .............................................................................................. 77
2. Nguồn Buck - Boost ........................................................................................... 79
V. Nguyên tắc tạo tín hiệu điều khiển cho bộ biến đổi DC - DC. ......................... 79
BÀI 4. PHƯƠNG THỨC ĐIỀU RỘNG XUNG (PWM) ............................................ 85
I. Chiến lược cực tiểu hóa tổn hao cơng suất ở nguồn đóng cắt ........................... 85
1. Các thành phần chính của nguồn switching: Cuộn cảm, biến áp và PWM ....... 85
4


2. Một số loại nguồn switching thông dụng ........................................................... 87
II. Loại bỏ, giảm thiểu tổn hao do hài gây ra: ........................................................ 91
III.Kỹ thuật lập trình cho bộ điều rộng xung (PWM) ............................................ 93
IV.Thiết kế, tối ưu dựa theo những mục tiêu sử dụng nguồn ................................ 96
BÀI 5. NGHỊCH LƯU ................................................................................................. 98
I. Các khái niệm và phân loại ............................................................................... 98
II. Mạch nghịch lưu một pha: ................................................................................. 98
1. Nghịch lưu phụ thuộc: ........................................................................................ 98
2. Nghịch lưu độc lập ............................................................................................. 99
3. Nghịch lưu 3 pha .............................................................................................. 103
1/ Nghịch lưu 3 pha phụ thuộc ............................................................................. 103
2/ Nghịch lưu độc lập ba pha: ............................................................................. 104
3/ Mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha: ..................................................... 105
4. Thực hành lắp bộ nghịch lưu ........................................................................... 107
BÀI 6. BỘ BIẾN TẦN ( CYCLO-CONVERTER) ................................................... 111
I. Khái niệm về bộ biến tần ................................................................................. 111
1. Biến tần trực tiếp .............................................................................................. 111
2. Biến tần gián tiếp ............................................................................................. 111
II. Biến tần nguồn lưới 1 pha và 3 pha có điều khiển ........................................... 112
III. Biến tần dùng dao động nghẹt ....................................................................... 113

III.Các loại biến đổi AC - AC dùng cộng hưởng................................................. 114
IV. Thiết lập kết nối, cài đặt bộ biến tần điều khiển động cơ AC ....................... 114
1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 114
2. Cài đặt biến tần................................................................................................. 115
Bài 7. NGUỒN DC ĐÓNG NGẮT VÀ CỘNG HƯỞNG......................................... 117
I. Forward converter ( Bộ đổi Forward) .............................................................. 117
1. Lý thuyết ......................................................................................................... 117
2. Thực hành ........................................................................................................ 118
II. Flyback converter ( Bộ đổi Flyback): ........................................................... 118
1 . Lý thuyết ......................................................................................................... 118
2. Thực hành: ....................................................................................................... 120
III. Boost converter ( Bộ đổi Boost) .................................................................. 120
5


1. Lý thuyết .......................................................................................................... 120
2. Thực hành:........................................................................................................ 124
IV. Buck – boost converter ( Bộ đổi Buck – boost) ............................................ 124
1. Lý thuyết .......................................................................................................... 124
2. Thực hành:........................................................................................................ 128
V. Cuk converter ( Bộ đổi Cuk) .......................................................................... 128
1. Lý thuyết ......................................................................................................... 128
2. Thực hành ........................................................................................................ 130
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 131

6


CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN
Tên Mơđun: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG

Mã số mô đun: MĐ24
Thời gian môn học: 120h;
tra6h:)

(Lý thuyết: 30h; Thực hành, bài tập: 84h; kiểm

I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠN HỌC:
Trước khi học Mơn học này cần hồn thành các Mơn học cơ sở, đặc biệt là các Môn
học: Mạch tương tự; Điện tử cơ bản.
II. MỤC TIÊU MƠN HỌC :
Sau khi hồn tất mơn học này học viên có năng lực:
1. Kiến thức :
- Mơ tả đặc trưng và những ứng dụng chủ yếu của các linh kiện Diode, Mosfet,
DIAC, TRIAC, IGBT, SCR, GTO.
- Giải thích dạng sóng vào, ra ở bộ biến đổi AC-AC.
- Giải thích ngun lý làm việc và tính tốn những bộ biến đổi DC-DC.
- 2. Kỹ năng:
- Vận dụng được các kiến thức về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch tạo
xung và biến đổi dạng xung.
Vận dụng được các loại mạch điện tử công suất trong thiết bị điện công nghiệp
3. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
- Tổ chức được nơi thực hành khoa học và an toàn.
3. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
- Tổ chức được nơi thực hành khoa học và an tồn.
III. NỘI DUNG MƠN HỌC
1. Nội dung tổng qt và phân bố thời gian:
Số

Tên các bài trong Môn học

Thời gian
7


TT

Tổng
số

Lý
thuyết

Thực
hành

1

Tổng quan về điện tử công suất.

8

8

0

2

Chỉnh lưu.

20

4

14

3

Biến đổi DC - DC (DC - DC
converter)

20

4

16

4

Phương thức điều rộng xung
(PWM).

20

4

14

5

Bộ nghịch lưu.

20

4

16

6

Bộ biến tần (cycle-converter).

26

6

18

7

Nguồn DC đóng ngắt và cộng
hưởng

8

Cộng:

120

Kiểm
tra*

2

2

2

8
30

84

6

* Ghi chú: Thời gian kiểm tra được tích hợp giữa lý thuyết với thực hành và được tính
vào giờ thực hành.
2. Nội dung chi tiết:
Bài 1: Tổng quan về diện tử công suất
Mục tiêu của bài:
- Phát biểu các khái niệm về điện tử công suất.
- Nhận dạng được các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện điện tử.
- Xác định được điện áp, dòng điện vào, ra của bộ biến đổi cơng suất.
- Trình bày được nội dung các thông số kỹ thuật của mạch điện tử công suất.
Nội dung của bài:
0h;KT:0h)

Thời gian: 8h (LT:8h; TH:

1. Giới thiệu chung về điện tử công suất.

Thời gian:

(2h)

2. Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công
suất : (Diode, SCR, DIAC, TRIAC, IGBT, GTO).

Thời gian:

(4h)
8


3. Các tổn hao trong mạch điện tử công suất.

Thời gian:

(1h)

4. Phân tích các hệ thống điện tử cơng suất dùng trong
công nghiệp.

Thời gian:

(1h)

Bài 2: Chỉnh lưu
Mục tiêu của bài:
- Xác định nhiệm vụ và chức năng của từng khối của bộ chỉnh lưu khơng điều khiển
và có điều khiển.

- Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong mạch chỉnh lưu AC - DC 1 pha và
3 pha theo đúng yêu cầu kỹ thuật.
- Trình bày được mục tiêu tính tốn các thơng số kỹ thuật của mạch chỉnh lưu.
- Thiết kế được biến áp cung cấp mạch chỉnh lưu.
Nội dung của bài:
14h;KT:2h)

Thời gian: 20h (LT: 4h; TH:

1. Mạch chỉnh lưu không điều khiển (theo từng loại
tải).

Thời gian:

(4h)

2. Chỉnh lưu có điều khiển, chỉnh lưu điều rộng xung

Thời gian:

(6h)

3. Điện áp ngõ vào, ngõ ra mạch chỉnh lưu, sóng hài
ngõ ra mạch chỉnh lưu

Thời gian:

(3h)

4. Lọc điện cảm, lọc điện dung

Thời gian:

(2h)

5.Tính tốn mạch chỉnh lưu

Thời gian:

(3h)

Bài 3: Biến đổi DC-DC (DC - dc converter)
Mục tiêu của bài:
- Trình bày được nhiệm vụ và chức năng từng khối của bộ biến đổi DC - DC.
- Lắp ráp được bộ biến đổi DC - DC không cách ly.
- Lắp ráp được bộ ổn áp tuyến tính khả điều chỉnh.
- Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong mạch biến đổi DC - DC theo đúng
yêu cầu kỹ thuật.
9


- Sử dụng đúng chức năng các loại mạch biến đổi DC - DC đáp ứng từng thiết bị
điện điện tử thực tế
Nội dung của bài:
16h;KT:0h)

Thời gian: 20h (LT: 4h; TH:

1. Đại cương về biến đổi DC - DC.

Thời gian:

(2h)

2. Bộ ổn áp.

Thời gian:

(2h)

3. Bộ băm áp (chopper).

Thời gian:

(8h)

- Bộ băm tăng áp (boost).

Thời gian:

- Bộ băm giảm áp (buck).

Thời gian:

4. Nguồn ổn áp đóng cắt.

Thời gian:

(4h)

5. Nguyên tắc tạo tín hiệu điều khiển cho bộ biến đổi
DC - DC.

Thời gian:

(4h)

Bài 4: Phương thức điều rộng xung (pwm)
Mục tiêu của bài:
- Tối ưu hóa bộ nguồn đóng cắt dùng phương thức điều chế độ rộng xung.
- Thiết kế được các mạch ổn áp dùng phương thức điều rộng xung.
- Kiểm tra, sửa chữa được các bộ điều rộng xung và cách khử hài trong bộ điều rộng
xung.

Nội dung của bài:
14h;KT:2h)

Thời gian: 20h (LT: 4h; TH:

1. Chiến lược cực tiểu hóa tổn hao cơng suất ở nguồn
đóng cắt.

Thời gian:

(2h)

2. Loại bỏ, giảm thiểu tổn hao do hài gây ra.

Thời gian:

(2h)

3. Kỹ thuật lập trình cho bộ điều rộng xung (PWM).

Thời gian:

(8h)

4. Thiết kế, tối ưu dựa theo những mục tiêu sử dụng
nguồn.

Thời gian:

(8h)
10


Bài 5: Bộ nghịch lưu (inverter)
Mục tiêu của bài:
- Trình bày được nguyên tắc làm việc của bộ nghịch lưu một pha và ba pha với các
loại tải khác nhau.
- Xác định nhiệm vụ và chức năng từng khối của bộ nghịch lưu.
- Kiểm tra, sửa chữa được các mạch nghịch lưu (ngõ ra: một pha, ba pha).
- Chọn lựa sử dụng đúng chức năng các bộ nghịch lưu đáp ứng được từng thiết bị
thực tế.
Nội dung của bài:
16h;KT:0h)

Thời gian: 20h (LT: 4h; TH:

1. Giới thiệu về nguồn điện áp nghịch lưu.

Thời
gian:

(1h)

2. Bộ nghịch lưu áp ra một pha .

Thời
gian:

(3h)

3. Bộ nghịch lưu áp ra ba pha.

Thời
gian:

(4h)

4. Bộ nghịch lưu PWM, hài trong bộ nghịch lưu PWM.

Thời
gian:

(4h)

5. Ứng dụng bộ nghịch lưu.

Thời
gian:

(8h)

Bài 6: Bộ biến tần ( cyclo-converter)
Mục tiêu của bài:
- Trình bày được nguyên lý biến nguồn AC tần số cố định thành nguồn AC tần số
thấp hơn.
- Xác định nhiệm vụ và chức năng của từng khối của bộ biến tần.
- Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong bộ biến tần AC - AC một pha và ba
pha.
11


- Chọn lựa sử dụng đúng chức năng các bộ biến tần đáp ứng được từng thiết bị thực
tế.

Nội dung của bài:
18h;KT:2h)

Thời gian: 26h (LT: 6h; TH:

1. Khái niệm về bộ biến tần.

Thời
gian:

(2h)

2. Biến tần nguồn lưới một pha và ba pha có điều khiển.

Thời
gian:

(4h)

3. Biến tần dùng dao động nghẹt

Thời
gian:

(2h)

4. Các loại biến đổi AC - AC dùng cộng hưởng.

Thời
gian:

(4h)

5. Thiết lập kết nối, cài đặt bộ biến tần điều khiển động
cơ AC

Thời
gian:

(14h)

Bài 7: Nguồn DC đóng ngắt và cộng hưởng

Mục tiêu của bài:
- Xác định nhiệm vụ và chức năng của từng khối của bộ nguồn
- Đo kiểm tra được những hư hỏng trong bộ nguồn .
- Chọn lựa sử dụng đúng chức năng các bộ nguồn đáp ứng được từng thiết bị thực tế.
Nội dung của bài:

Thời gian: 8(LT: 0h; TH: 8h;KT:0h)

1. Forward converter

Thời
gian:

(1h)

2. Flyback converter

Thời
gian:

(2h)

3. Boost converter

Thời
gian:

(2h)

12

4. Buck-boost converter

Thời
gian:

(2h)

5. Cuk converter

Thời
gian:

(1h)

IV. ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN MÔN HỌC
*Vật liệu:
- Một số linh kiện điện tử công suất mẫu: Diode, BJT, SCR, triac, Diac, IGBT,
GTO, điện trở, tụ điện.
*Dụng cụ và trang thiết bị:
- Mơ hình mạch ứng dụng điện tử cơng suất.
- Bản vẽ, hình ảnh cần thiết.
*Nguồn lực khác:
- PC và phần mềm chuyên dùng
- Projector; Overhead.
V. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG ĐÁNH GIÁ:
Áp dụng hình thức kiểm tra tích hợp giữa lý thuyết với thực hành. Các nội dung trọng
tâm cần kiểm tra là:
Lý thuyết:

- Cách tính tốn thiết kế các bộ chỉnh lưu, nghịch lưu đơn giản.
- Nhận dạng, khảo sát tính hiệu ở bộ biến đổi DC-DC; bộ PWM.
- Lựa chọn thông số kỹ thuật của biến tần theo yêu cầu cho trước.
Thực hành:
- Kỹ năng lắp ráp, cân chỉnh các mạch chỉnh lưu, nghịch lưu, biến đổi DC - DC...
- Cài đặt, điều chỉnh thơng số của biến tần.
- Phân tích các sự cố hỏng hóc, xử lý thay thế linh kiện mới hoặc linh kiện tương
đương.
13


VI. HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MÔN HỌC
1. Phạm vi áp dụng chương trình:
Chương trình mơn học này được sử dụng để giảng dạy cho trình độ Cao đẳng nghề.
2. Hướng dẫn một số điểm chính về phương pháp giảng dạy Môn học:
- Trước khi giảng dạy, giáo viên cần căn cứ vào nội dung của từng bài HỌC để
chuẩn bị đầy đủ các điều kiện cần thiết nhằm đảm bảo chất lượng giảng dạy.
- Nên áp dụng phương pháp đàm thoại để Học viên ghi nhớ kỹ hơn.
- Khi giải bài tập, làm các bài thực hành... Giáo viên hướng dẫn, thao tác mẫu và
sửa sai tại chổ cho Học viên.
- Nên sử dụng các mơ hình, học cụ mơ phỏng để minh họa các bài tập ứng dụng các
hệ truyền động dùng điện tử công suất, các loại thiết bị điều khiển.
3. Những trọng tâm cần chú ý:
- Các dạng mạch, đặc tính làm việc... của bộ chỉnh lưu, nghịch lưu, biến tần...
- Phương pháp tính tốn các bộ chỉnh lưu, ổn áp.
4. Tài liệu cần tham khảo:
- Mạch điện 1 - Phạm Thị Cư (chủ biên) - Nhà Xuất bản Giáo dục - 1996.
- Lý thuyết mạch - Hồ Anh Túy - Nhà Xuất bản khoa HỌC và kỹ thuật - 1997.
- Giáo trình lý thuyết mạch - Nguyễn Hiền Quan - Trường CĐSPKT VL, 2001.
- Điện tử cơng suất - Nguyễn Bính - Nhà Xuất bản khoa học và kỹ thuật - 1993

- Cơ sở kỹ thuật điện - Hoàng Hữu Thận - Nhà Xuất bản Giao thông vận tải - 2000.
- Cơ sở lý thuyết mạch điện-Nguyễn Bình Thành - Đại HỌC Bách khoa Hà Nội 1980.
- Điện tử công suất - Đỗ xuân Tùng - Trương Tri Ngộ - Nhà Xuất bản xây dựng - Hà
nội 1999.
- Introductory circuit analysis - Ivar Pearson - University of Colorado
- Electrical Engineering concepts and applications - A.Bruce Carlson - (Rensselaer polytechnic institude)
- Power Electronics and Ac Drives- B. K. Bose-, Prentice Hall, 1986
14


- Variable-Frequency Ac Motor Drive Systems- D. Finney- P. Peregrinus Ltd,
London, 1988
WEB SITE:
- www.jhu.edu;www.aoe.vt.edu
- www.controleng.com;www.colorado.edu
- ;
-
-
-
-
-
- />
15


BÀI 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
A. MỤC TIÊU
- Phát biểu các khái niệm về điện tử công suất.
- Nhận dạng được các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện điện tử.
- Xác định được điện áp, dòng điện vào, ra của bộ biến đổi cơng suất.

- Trình bày được nội dung các thông số kỹ thuật của mạch điện tử công suất.
B. NỘI DUNG
I. Giới thiệu chung về điện tử công suất
Điện tử công suất là công nghệ kết nối hai lĩnh vực truyền thống nguồn điện và mạch
điện tử. Điện tử cơng suất có nhiều bước phát triển nhanh chống và được ứng dụng rộng rãi
trong hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống.
Hiện nay rất nhiều thiết bị biến đổi công suất được đề xuất để phục vụ những yêu cầu ngày
càng cao của cuộc sống. ĐTCS đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, các
linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong quá trình biến đổi cũng như điều khiển cơng
suất: hiệu quả cao và tổn hao thấp trong lò cao tần, truyền tải điện DC. Các thiết bị điện tử
công suất mới hiện nay được cải tiến phát triển để nâng cao, hiệu suất hơn nữa việc sử dụng
năng lượng.
Điện tử công suất theo nghĩa hẹp là tập hợp các thiết bị dùng để biến đổi và điều khiển
dòng năng lượng dựa trên các công cụ bán dẫn công suất.
Theo nghĩa rộng điện tử cơng suất có thể được hiểu như một nghành khoa học kỹ thuật
chuyên nghiên cứu về quá trình phát triển và ứng dụng các thiết bị điện tử công suất.
Điện tử công suất ngày càng phát triển nhanh chống chính nhờ q trình phát triển của
các linh kiện bán dẫn. Công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn ngày càng phát triển, giá trị dòng
điện, điện áp và các đặc trưng chuyển mạch của linh kiện bán dẫn ngày càng được cải thiện
và tối ưu, đáp ứng được với nhiều yêu cầu cao và khắc khe của các thiết bị máy mác và cả
các công nghệ điều khiển hiện đại như: các lĩnh vực điều khiển diều khiển đèn điện, cấp
nguồn cho điều khiển máy móc, lĩnh vực vận tải, năng lượng, các hệ truyền động trong công
nghiệp, lĩnh vực nông nghiệp và cả thiết bị trong lĩnh vực y tế,…
Lịch sử phát triển của điện tử công suất được bắt đầu vào những cuối thế kỷ 19. Năm 1882
nhà bác học Pháp J. Jasmin phát minh ra hiện tượng bán dẫn. Năm 1892 nhà nghiên cứu
người Đức L. Arons tạo được hồ quang thủy ngân chân không đầu tiên. Năm 1901 P.C.
16


Hewitt tại Mỹ đã chế tạo ra bộ chỉnh lưu thủy ngân. Năm 1906 J.A. Fleming chế tạo diode

chân không đầu tiên. Sau đó G.W. Pickard (USA) chế tạo đèn Silicon.
- Đầu thế kỷ XX phần lớn các linh kiện điện tử là các đèn thiratron và đèn initron, chúng
có kích thước và khối lượng rất lớn cùng với hệ thống làm mát và hệ thống điều khiển rất
phức tạp, với độ tin cậy lại rất thấp. Mặc dù vậy các bộ biến đổi công suất này được ứng dụng
rất rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong hệ thống giao thông công cộng và đường sắt.
- Năm 1873 Frederick Guthrie đưa ra nguyên lý hoạt động của diode, cho đến năm 1919
linh kiện diode công suất thực mới ra đời.
- Thyristor được phát minh bởi William Shockley vào năm 1950 và được ứng dụng trong
công nghiệp vào năm 1958 bởi Moll từ phịng thí nghiệm Bell Labs và hãng General Motor
Transistor đầu tiên được đưa ra vào năm 1925 từ Canada do nhà vật lý học
AustrianHungarian physicist Julius Edgar Lilienfeld, đến năm 1934 tại Đức nhà vật lý Oskar
Heil đã đưa ra một dạng khác của transistor. Tuy nhiên cho đến năm 1948 transistor mới thực
sự được hoàn thiện.
- IGBT bắt đầu được đề xuất từ năm 1968 bởi Yamagami – Nhật bản và dần dàn được
hoàn thiện vào năm 1990.
- Cuộc cách mạng đầu tiên trong ĐTCS bắt đầu vào năm 1948 với việc phát minh ra silicon
transistor tại phịng thí nghiệm Bell Telephone Laboratories bởi Bardeen, Bratain, and
Schockley. Phần lớn công nghệ điện tử tiên tiến ngày nay dựa trên phát minh này, các mơ
hình microelectronics cũng được phát triển từ linh kiện bán dẫn này.
II. Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công suất: (Diode, SCR, DIAC,
TRIAC, IGBT, GTO).
1. Diode
1/ Cấu tạo, ký hiệu, hình dạng
Cấu tạo
Người ta dùng hai miếng bán dẫn loại P và loại N ghép tiếp xúc với nhau.
Ở tại vị trí tiếp xúc hình thành nên một lớp tiếp giáp P- N gọi là J. Từ chất bán dẫn loại P
lấy ra cực anốt (A). Từ chất bán dẫn loại N lấy ra cực Catốt (K).

Hình 1.1. Cấu tạo diode
17

Ký hiệu, hình dạng.

A
1

 Ký hiệu:

D

K

Hình 1.2. Ký hiệu diode
 - Hình dạng:

Hình 1.3. Hình dạng diode
2/ Nguyên lý hoạt động

Lỗ trống

- Phân cực thuận:
I1

Điện tử
I2

P

ID

N

R
R

VHình
DC
1.4. Phân cực thuận diode

VDC

Dùng một một nguồn điện DC nối cực dương của nguồn vào chân A và cực âm của
nguồn vào chân K của diode. Lúc đó điện tích dương ở nguồn sẽ đẩy lỗ trống trong vùng P và
điện tích âm của nguồn sẽ đẩy điện tử trong vùng N làm cho điện tử và lỗ trống lại gần mối
nối hơn và lực đẩy tĩnh điện đủ lớn thì điện tử từ N sang mối nối qua P và tái hợp với lỗ trống.

18


Khi vùng N mất điện tử trở thành mang điện tích dương thì vùng N sẽ kéo điện tích âm
từ cực âm của nguồn lên thế chỗ, khi vùng P nhận thêm điện tử trở thành hạt mang điện tích
âm từ vùng P về. Như vậy có một dịng điện tử chạy liên tục từ cực âm của nguồn qua diode
từ miền P sang miền N về cực dương của của nguồn, nói cách khác, có dịng điện đi qua diode
theo chiều từ A sang K.
ID 

VDC  0.6
R

- Phân cực ngược:
P

N

IS
P

N

R

R
VDC

VDC

Hình 1.5. Chất bán dẫn loại P

Dùng một nguồn điện DC nối cực âm của nguồn vào chân A và cực dương của nguồn
vào chân K của diode. Lúc đó điện tích âm của nguồn sẽ hút lỗ trống của vùng P và điện tích
dưong của nguồn của nguồn sẽ hút điện tử của vùng N làm cho lỗ trống và điện tử hai bên mối
nối càng xa nhau hơn nên hiện tượng tái hợp giữa điện tử và lỗ trống càng khó khăn. Tuy
nhiên trường hợp này vẫn có một dịng rất nhỏ đi qua diode từ vùng N vùng sang P gọi là dòng
điện rỉ trị số khoảng nA. Hiện tượng này được giải thích là do trong chất bán dẫn loại P cũng
có một ít điện tử và trong chất bán dẫn loại N cũng có một ít lỗ trống gọi là hạt tải thiểu số,
những hạt tải thiểu số này sẽ sinh ra hiện tượng tái hợp và sinh ra dòng điện rỉ.
Dòng điện rỉ còn gọi là dòng bảo hòa ngịch IS. Do dòng điện bảo hịa nghịch có trị số
rất nhỏ nên trong nhiều trường hợp nguời ta coi diode không dẫn điện khi được phân cực
ngược. Lúc này ID = 0, VD = VDC

Nếu tăng điện thế VDC đến một mức nào đó trong khi hàng rào điện thế có giới hạn.
Suất điện động của nguồn sẽ thắng hàng rào điện thế xuất hiện dòng điện tử đi ngược từ miền
P sang miền N người ta nói diode bị đánh thủng. Khi sử dụng luôn luôn tránh trường hợp này.
Bảng 1.1: Điện áp và dòng điện khi diode phân cực
Phân cực nghịch VDC  VRvào

Phân cực thuận VDC  VRào

19


ID = 0

ID  IR 

VDC = VD
ID 

VR
R

VDC  0.6
R

VD = 0.6
PD = 0.6.ID
*/ Tóm lại:
- Phân cực thuận: VA > VK  didode dẫn điện có dịng điện chạy qua diode theo chiều từ
AK.
- Phân cực nghịch: nghịch:VA < VK  diode khơng dẫn điện khơng có dịng điện chạy qua

diode.
- Lưu ý: + Thực tế thì để diode dẫn điện thì VAK > V
+ Trong đó V là giá trị điện áp ngưỡng của diode
+ V = 0,6 đối với chất bán dẫn cấu tạo bằng Si và V = 0,3 đối với chất bán dẫn cấu
tạo bằng Ge.
Đặc tính Volt –Ampe của diode
Đặc tính Volt-Ampere của Diode là đồ thị mơ tả quan hệ giữa dịng điện qua điốt theo
điện áp VAK đặt vào nó. Có thể chia đặc tuyến này thành hai giai đoạn:
* Giai đoạn ứng với VAK = 0.6V > 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực thuận.
* Giai đoạn ứng với VAK = 0.6V< 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực nghịch.
(VAK lấy giá trị 0,6V chỉ đúng với các điốt Si, với điốt Ge thông số này khác)
Khi điốt được phân cực thuận và dẫn điện thì dịng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của
mạch ngoài (được mắc nối tiếp với điốt). Dịng điện phụ thuộc rất ít vào điện trở thuận của
điốt vì điện trở thuận rất nhỏ, thường khơng đáng kể so với điện trở của mạch điện

20


Đo kiểm

Hình 1.6. Đặc tính Volt –Ampe của diode

a. Đo kiểm tra
-

Bước 1. Xác định chân Anot, Katot diode.

-

Bước 2. Bật Vom ở thang đo x1 Ω

-

Bước 3. Đo thuận: Đặt que đen vào Anot, que đỏ vào Ktot.

+

Nếu kim lên thì bình thường.

+

Nếu kim khơng lên thì diode bị hỏng.

Hình 1.7. Đo kiểm tra diode
21


-

Bước 4. Đo nghịch: Đặt que đỏ vào Anot, que đen vào Ktot.

+

Nếu kim khơng lên thì bình thường.

+

Nếu kim lên thì diode bị hỏng.

 Nếu cả hai bước đo 2,3 diode đều bình thường thì diode cịn tốt.

b. Đo xác định chân diode.
-

Bước 1. Bật VOM ở thang x 1Ω .

- Bước 2. Đặt hai que đo vào hai chân diode => kim lên thì chân que đen đặt vào là Anốt,
chân que đỏ đặt vào là Katốt.
-

Bước 3. Nếu kim khơng lên thì đổi hai que đo lại và thực hiện tương tự bước 2.

2. SCR
1/ Cấu tạo, ký hiệu, hình dạng
Cấu tạo:
Thyristo (SSR) được chế tạo từ bốn lớp bán dẫn P1 - N1 - P2 - N2 đặt xen kẽ nhau.

Hình 1.8. a, b. Cấu tạo SCR; c.Sơ đồ tương đương SCR
- Giữa các lớp bán dẫn này hình thành các chuyển tiếp P - N lần lượt là J1, J2, J3 và lấy ra ba
cực là anốt (A), catốt (K), và cực khống chế (G).
b. Ký hiệu, hình dạng.

Hình 1.9. Ký hiệu SCR

Hình 1.10. Hình dạng SCR

2/ Nguyên lý hoạt động của SCR.
22


- Phân cực thuận (VA > VK)  SCR chưa dẫn, đợi có dịng kích IG (VGK > 0) SCR dẫn

có dịng điện chạy qua SCR theo chiều từ AK.
-

Phân cực nghịch (VA < VK)  SCR không dẫn  khơng có dịng điện chạy qua SCR.

Đặt tuyến Volt-ampe của SCR.

Hình 1.11. Đặc tính Volt –Ampe của SCR
Đo kiểm tra SCR.
- Bước 1. Xác định chân A, K, G của SCR.
- Bước 2. Bật VOM sang thang đo x1Ohm.
- Bước 3. Đặt que đỏ vào A, que đen vào K.
+ Nếu kim lên thì SCR hỏng.
+ Nếu kim khơng lên thì bình thường.
- Bước 4. Đặt que đen vào A, que đỏ vào K.
+ Nếu kim lên thì SCR hỏng.
+ Nếu kim khơng lên thì bình thường.
- Bước 5. Thực hiện bước 4 kết hợp với kích nhả G-A.
+ Nếu kim lên và tự giữ khi nhả G thì SCR tốt.
+ Nếu kim lên và không tự giữ khi nhả chân G thì SCR hỏng.
3. TRIAC
1/ Cấu tạo, ký hiệu, hình dạng
Cấu tạo
- Cấu tạo triac có các lớp bán dẫn ghép nối tiếp như hình vẽ và được nối ra ba chân, hai chân
MT1, MT2 và chân điều khiển (G).
23


- Về nguyên lý cấu tạo, triac có thể coi như hai thyristor ghép song song nhưng ngược chiều
nhau (ghép song song ngược) trên hình vẽ:

Hình 1.12. Cấu tạo Triac
- Các cực của nó là MT1, MT2 và G, MT2 đóng vai trị anốt, MT1 đóng vai trị ca tốt khi
VMT2> VG > VMT1, MT1 đóng vai trị anốt, MT2 đóng vai trị catốt khi VMT2< VG < VMT1
Ký hiệu

Hình 1.13. Ký hiệu triac
Hình dạng

Hình 1.14. Hình dạng triac
2/ Nguyên lý hoạt động:
+

Khi không phân cực: VMT2MT1 = 0  Triac không dẫn điện.

+ Khi phân cực nghich: VMT2MT1 >0  Triac chưa dẫn, khi có dịng kích iG  Triac dẫn có
dịng điện từ MT2 đến MT1
+ Khi phân cực thuận VMT1MT2 >0  Triac chưa dẫn, khi có dịng kích iG  Triac dẫn có
dịng điện từ MT1 đến MT2
+ Khi Triac đã dẫn điện thì khơng cần duy trì dịng kích IG thì Triac vẫn tiếp tục dẫn điện.
24