Slide điện tử công suất

Điện tử công suất
Mã số: EE3147
Ts. Trần Trọng Minh
Bộ môn Tự đông hóa,
Khoa Điện, ĐHBK Hà nội
Hà nội, 9 - 2010

Mục tiêu:
◦
Nắm được các kiến thức cơ bản về quá trình biển đổi năng lượng điện dùng các bộ biến đổi
bán dẫn công suất cũng như những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của biến đổi điện năng.
◦
Có hiểu biết về những đặc tính của các phần tử bán dẫn công suất lớn.
◦ Có các khái niệm vững chắc về các quá trình biến đổi xoay chiều – một chiều (AC – DC),
xoay chiều – xoay chiều (AC – AC), một chiều – một chiều (DC – DC), một chiều – xoay
chiều (DC – AC) và các bộ biến tần.
◦ Biết sử dụng một số phần mềm mô phỏng như MATLAB, PLEC,… để nghiên cứu các chế
độ làm việc của các bộ biến đổi.
◦ Sau môn học này người học có khả năng tính toán, thiết kế những bộ biến đổi bán dẫn trong
những ứng dụng đơn giản.

Yêu cầu:
◦
Nghe giảng và đọc thêm các tài liệu tham khảo,
◦
Sử dụng Matlab-Simulink để mô phỏng, kiểm chứng lại các quá trình xảy ra trong các bộ biến
đổi,
◦
Củng cố kiến thức bằng cách tự làm các bài tập trong sách bài tập.
M c tiêu và yêu c uụ ầ
10/22/20102


Đánh giá kết quả:
◦
Điểm quá trình: trọng số 0,25
◦ Kiểm tra giữa kỳ: 0,25
◦
Thi cuối kỳ: 0,75

Tất cả các lần thi và kiểm tra đều
được tham khảo tất cả các loại tài
liệu (Open book examination).
10/22/20103
Thi và ki m traể

1. Điện tử công suất; Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải,
Trần Trọng Minh; NXB KH&KT Hà nội, 2009.

2. Phân tích và giải mạch điện tử công suất; Phạm
Quốc Hải, Dương Văn Nghi; NXB KH&KT, 1999.

3. Giáo trình điện tử công suất; Trần Trọng Minh;
NXB Giáo dục, 2009.

4. Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất; Phạm Quốc
Hải; NXB KH&KT 2009.
Tài li u tham kh oệ ả
10/22/20104
ĐTCS: Xu hư ng phát tri n và ớ ể
ph m vi ng d ngạ ứ ụ
Xu hư ngớ Ví dụ


Xu hư ng phát tri n: d i ớ ể ả
công su t tr i r ng, t ấ ả ộ ừ
nh , …ỏ

… Đ n l n và r t l n.ế ớ ấ ớ

ng d ng: r ng kh p, t Ứ ụ ộ ắ ừ
các thi t b c m tay, dân ế ị ầ
d ng đ n các h th ng ụ ế ệ ố
thi t b công nghi p.ế ị ệ

Đ c bi t: tham gia vào ặ ệ
đi u khi n trong h ề ể ệ
th ng năng lư ng.ố ợ

Vài W đ n vài trăm W, ế
thành ph n chính trong ầ
các h th ng Power ệ ố
management c a các thi t ủ ế
b nh .ị ỏ

Vài trăm kW đ n vài ch c ế ụ
MW.

FACTS: h truy n t i,ệ ề ả

DG – Distributed
Generation, Custom Grid,
Renewable Energy System,

…
10/22/20105
ĐTCS: Xu hư ng phát tri n và ớ ể
ph m vi ng d ngạ ứ ụ
Nguyên nhân phát tri nể Các d li u th c tữ ệ ự ế

S phát tri n c a ĐTCS ự ể ủ
liên quan đ n:ế
◦ Công ngh ch t o các ệ ế ạ
ph n t bán d n công ầ ử ẫ
su t đ t đư c nh ng ấ ạ ợ ữ
bư c ti n l n.ớ ế ớ
◦
Các ti n b vư t b c ế ộ ợ ậ
trong công ngh các ệ
ph n t đi u khi n và lý ầ ử ề ể
thuy t đi u khi n.ế ề ể

MOSFET, IGBT: t n s đóng c t ầ ố ắ
cao, ch u đư c đi n áp cao, ị ợ ệ
dòng đi n l n.ệ ớ

Các chip vi x lý, vi đi u khi n, ử ề ể
DSP 16 bit, 32 bit, nhanh, m nh ạ
v đi u khi n:ề ề ể
◦
Tích h p ADC, đ u vào counter, PWM ợ ầ
built-in;
◦
Truy n thông: I2C, CAN, UART, …ề

10/22/20106
Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Đi n t công su t trong h th ng năng lư ng t trư c đ n ệ ử ấ ệ ố ợ ừ ớ ế
nay và t nay v sau.ừ ề
10/22/2010
7
Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Các b bi n đ i Đi n t công su t.ộ ế ổ ệ ử ấ
10/22/2010
8
Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Các lĩnh v c liên quan đ n Đi n t công su t.ự ế ệ ử ấ
10/22/2010
9
Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Sơ đ kh i ch c năng c a b bi n đ i.ồ ố ứ ủ ộ ế ổ
10/22/2010
10
Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Sơ đ các l p m ch c a b bi n đ i.ồ ớ ạ ủ ộ ế ổ
10/22/2010
11
Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Các ph n t trong m ch c a b bi n đ i.ầ ử ạ ủ ộ ế ổ
10/22/2010
12
Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
T l kh i lư ng và th tích các ph n t trong b bi n ỷ ệ ố ợ ể ầ ử ộ ế
đ i bán d n.ổ ẫ
10/22/2010

13
Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Chuy n m ch: v n đ c c kỳ quan tr ng đ i v i công su t l n.ể ạ ấ ề ự ọ ố ớ ấ ớ
Ba lo i chuy n m ch: C ng (Hard switching), Snubbered, Soft-ạ ể ạ ứ
switching.
10/22/2010
14
Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n ầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế
đ iổ
Chuy n m ch m m: gi i pháp gi m t n th t do chuy n m ch, tăng t n ể ạ ề ả ả ổ ấ ể ạ ầ
s làm vi c, tăng công su t b bi n đ i.ố ệ ấ ộ ế ổ
Zero voltage switch - ZVS Zero current switch - ZCS
10/22/201015
Chương I
Những phần tử bán dẫn công suất
10/22/201016

I.1 Nh ng v n đ chungữ ấ ề

I.2 Điôt

I.3 Thyristor

I.4 Triac

I.5 GTO (Gate-Turn-off Thyristor)

I.6 BJT (Bipolar Junction Transistor)

I.7 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect

Transistor)

I.8 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

C n n m đư c:ầ ắ ợ
◦
Nguyên lý ho t đ ngạ ộ
◦
Các thông s cơ b n ố ả
(Đ c tính k thu t), c n thi t đ l a ch n ph n t ặ ỹ ậ ầ ế ể ự ọ ầ ử
cho m t ng d ng c th .ộ ứ ụ ụ ể

Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ
khóa
◦ Mở dẫn dòng: iV > 0, uV = 0;
◦
Khóa: iV = 0, uV > 0;
◦ Tổn hao pV = iV*uV ~ 0;

Lưu ý rằng phần tử bán dẫn nói chung chỉ
dẫn dòng theo một chiều.
◦ Muốn tạo ra các van bán dẫn hai chiều hai
chiều phải kết hợp các phần tử lại.

Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn
được phân loại:
◦ Van không điều khiển, như ĐIÔT,
◦
Van có điều khiển, trong đó lại phân ra:


Điều khiển không hoàn toàn, như TIRISTOR, TRIAC,

Điều khiển hoàn toàn, như BIPOLAR TRANSISTOR,
MOSFET, IGBT, GTO.
10/22/201017
Chương I
Những phần tử bán dẫn công suất
I.1 Những vấn đề chung
Đặc tính vôn-ampe của van lý
tưởng: dẫn dòng theo cả hai chiều;
chịu được điện áp thep cả hai chiều.

Cấu tạo từ một lớp tiếp giáp p-n
◦ Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ
anot đến catot
◦
uAK >0 iD >0; Phân cực thuận.
◦ uAK < 0 iD = 0; Phân cực
ngược
10/22/201018
Chương I
Những phần tử bán dẫn công suất
I.2 Điôt
Ký hiệu điôt
Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của điôt

Đặc tính vôn-ampe của điôt
◦ Giúp giải thích chế độ làm việc thực tế của điôt
◦
Tính toán chế độ phát nhiệt (tổn hao trên điôt) trong quá trình làm việc.

10/22/201019
Chương I
Những phần tử bán dẫn công suất
I.2 Điôt
Đặc tính Vôn-ampe thực tế của điôt Đặc tính tuyến tính hóa:
uD = UD,0 + rD*iD; rD = ΔUD/ΔID

Đặc điểm cấu tạo của điôt
công suất (Power diode)
◦
Phải cho dòng điện lớn
chạy qua (cỡ vài nghìn
ampe), phải chịu được điện
áp ngược lớn (cỡ vài nghìn
vôn);
◦ Vì vậy cấu tạo đặc biệt
hơn là một tiếp giáp bán
dẫn p-n thông thường.
Trong lớp bán dẫn n có
thêm lớp nghèo điện tích
n-
10/22/201020
Chương I
Những phần tử bán dẫn công suất
I.2 Điôt
Vùng nghèo n-, làm tăng kh năng ch u ả ị
đi n áp ngư c, nhưng cũng làm tăng s t ệ ợ ụ
áp khi d n dòng theo chi u thu nẫ ề ậ

Đặc tính đóng cắt của điôt

◦
Đặc tính động uD(t), iD(t),
10/22/201021
Chương I Những phần tử bán dẫn công suất
I.2 Điôt
Khi mở: điện áp uFr lớn lên đến vài V
trước khi trở về giá trị điện áp thuận cỡ 1 –
1,5V do vùng n- còn thiếu điện tích
Khi khóa: dòng về đến 0, sau đó tiếp tục
tăng theo chiều ngược với tốc độ dir/dt đến
giá trị Irr rồi về bằng 0.
Đi n tích ệ
ph c h i Qrrụ ồ
Th i gian ờ
ph c h i trrụ ồ

Các thông số cơ bản của điôt
◦
Giá trị dòng trung bình cho
phép chạy qua điôt theo chiều
thuận: ID (A)
◦ Giá trị điện áp ngược lớn nhất
mà điôt có thể chịu đựng được,
Ung,max (V)
◦
Tần số, f (Hz)
◦
Thời gian phục hồi, trr (μs) và
điện tích phục hồi, Qrr (C)


Trang WEB của Proton-Electrotex,
Nga
◦
ton-electrotex.
com/

Trang WEB của PowerRex
◦
/>
Tại sao lại là dòng trung bình?
◦ Liên quan đến quá trình phát nhiệt.
◦ Cho ví dụ:

Khả năng chịu điện áp: 3 giá trị,
◦ Repetitive peak reverse voltages, URRM
◦ Non repetitive peak reverse voltages , URSM
◦ Direct reverse voltages, UR

Khi tần số tăng lên tổn thất do quá trình đóng cắt
sẽ đóng vai trò chính chứ không phải là tổn thất
khi dẫn.

Ba loại điôt công suất chính:
◦ 1. Loại thường, dùng ở tần số 50, 60 Hz. Không cần quan tâm
đến trr.
◦ 2. Loại nhanh: fast diode, ultrafast diode.
◦ 3. Schottky Diode: không phải là loại có tiếp giáp p-n. Sụt áp
khi dẫn rất nhỏ, cỡ 0,4 – 0,5 V, có thể đến 0,1 V. Dùng cho các
ứng dụng tần số cao, cần dòng lớn, điện áp nhỏ, tổn thất rất
nhỏ. Chỉ chịu được điện áp thấp, dưới 100 V.

10/22/201022
Chương I Những phần tử bán dẫn công suất
I.2 Điôt
( )
0
0
1
t T
D D
t
I i t dt
T
+
=
∫

Cấu tạo: cấu trúc bán dẫn gồm 4 lớp,
p-n-p-n, tạo nên 3 tiếp giáp p-n, J1,
J2, J3.

Có 3 cực:
◦ Anode: nối với lớp p ngoài cùng,
◦
Cathode: nới với lớp n ngoài cùng,
◦ Gate: cực điều khiển, nối với lớp p ở giữa.

Là phần tử có điều khiển. Có thể
khóa cả điện áp ngược lẫn điện áp
thuận.


Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anot
đến catot
◦ uAK >0 ; Phân cực thuận.
◦ uAK < 0 ; Phân cực ngược
10/22/201023
Chương I
Những phần tử bán dẫn công suất
I.3 Thyristor
Ký hiệu
thyristor
Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của
thyristor.
10/22/201024
Chương I
Những phần tử bán dẫn công suất
I.3 Thyristor
Thyristor: Cấu trúc bán dẫn và mạch điện tương đương.
L p n- làm ớ
tăng kh năng ả
ch u đi n ápị ệ

Đặc tính vôn-ampe của thyristor

1. Đặc tính ngược: UAK < 0.
◦ Rất giống đặc tính ngược của điôt.

2. Đặc tính thuận: UAK > 0.

2.1. Khi UGK = 0,
◦

Cho đến khi UAK < Uf,max thyristor cản trở
dòng điện.
◦ Cho đến khi UAK = Uf,max trở kháng giảm đột
ngột. Đặc tính chuyển lên đoạn điện trở nhỏ
như điôt khi dẫn dòng theo chiều thuận.

2.2 Khi UGK > 0,
◦
Đặc tính chuyển lên đoạn điện trở nhỏ tại UAK
<< Uf,max.
◦ Điện áp chuyển càng nhỏ nếu UGK càng lớn.

Trong mọi trường hợp thyristor chỉ dẫn
dòng được nếu IV > Ih, gọi là dòng duy
trì (Holding current).
10/22/201025
Chương I
Những phần tử bán dẫn công suất
I.3 Thyristor
Ur: reverse voltage
Uf: forward voltage