Giáo trình điện tử công suất - ĐH & CĐ potx

Đ
Đ
Ạ
Ạ
I
I


H
H
Ọ
Ọ
C
C


C
C
Ô
Ô
N
N
G
G


N
N
G
G

H
H
I
I
Ệ
Ệ
P
P


T
T
P
P
.
.
H
H
C
C
M
M


K
K
H
H
O
O

A
A


C
C
Ô
Ô
N
N
G
G


N
N
G
G
H
H
Ệ
Ệ


Đ
Đ
I
I
Ệ
Ệ

N
N


T
T
Ử
Ử


-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-


B
B
À
À
I
I


G
G
I
I
Ả
Ả
N
N
G
G

Đ
Đ
I
I
Ệ
Ệ
N
N


T
T
Ử
Ử


C
C
Ô
Ô
N
N
G
G


S
S
U
U

Ấ
Ấ
T
T


Sử dụng cho hệ cao đẳng & đại học
T
3 T
5
T
1
Z
A
A
Z
B
0
B
U
N
Z
C
C
T
2
T
6
T
4

BIÊN SOẠN: Trần Văn Hùng
L
L
Ư
Ư
U
U


H
H
À
À
N
N
H
H


N
N
Ộ
Ộ
I
I


B
B
Ộ

Ộ


2
2
0
0
0
0
8
8


LỜI NÓI ĐẦU
Tài liệu ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT là một trong những tài liệu phục vụ cho việc
giảng dạy môn học ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT cho sinh viện Khoa Công Nghệ Điện Tử
của trường đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, nhằm cung cấp các kiến
thức cơ bản liên quan đến lĩnh vực điều khiển và biến đổi công suất bằng các bộ biến
đổi công suất
Để có thể hiểu được nội dung trình bày trong tài liệu này sinh viên cần nắm vững
các kiến thức lý thuyết về mạch điện, các kiến thức cơ bản về điện tử, lý thuyết điều
khiển và truyền động điện…
Tài liệu ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT bao gồm 5 chương
Chương 1 – Mở đầu, chương này giới thiệu cách tính toán các đại lượng
điện cơ
bản, giới thiệu tính chất cơ bản của các linh kiện công suất bán dẫn như: Diode, BJT,
Mosfet, SCR, Triac, IGBT, GTO, IGCT
Chương 2 – Chỉnh lưu, chương này sẽ giới thiệu các bộ chỉnh lưu điều khiển pha
của điện một pha và ba pha.
Chương 3 – Biến đổi điện áp một chiều, chương này phân tích và tính toán cho

các bộ băm xung áp như: bộ giảm áp, tăng áp, tăng - giảm áp.
Ch
ương 4 – Biến đổi điện áp xoay chiều, chương này được mô tả và phân tích
các kiểu làm việc của bộ biến đổi một pha và ba pha.
Chương 5 – Nghịch lưu và biến tần, chương này trình bày các bộ nghịch lưu một
pha cơ bản và các mạch nghịch lưu ba pha loại sáu bước.
Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến cho tài liệu trong
quá trình biên soạn


Tác giả
Trần Văn Hùng
MỤC LỤC
Lời nói đầu
Chương 1 – MỞ ĐẦU
1.1 Các đại lượng đặc trưng 2
1.1.1. Giá trị trung bình 2
1.1.2. Giá trị hiệu dụng 3
1.1.3. Công suất 3
1.1.4. Hệ số công suất 4
1.2 Linh kiện điện tử công suất 6
1.2.1. Đặc tính giao hoán của công tắc bán dẫn 6
1.2.2. Diode công suất 9
1.2.3. Transistor công suất 11
1.2.4. Thyristor 19
Chương 2 – CHỈNH LƯU
2.1 Chỉnh lưu một pha 37
2.1.1. Chỉnh lưu bán kỳ 37
2.1.2. Chỉnh lưu toàn kỳ 46
2.1.3. Sơ đồ cầu một pha 53

2.2 Tính công suất với dạng sóng tuần hoàn phi sin 55
2.2.1. Cấp Fourier 55
2.2.2. Công suất trung bình 56
2.3 Chỉnh lưu ba pha 57
2.3.1. Sơ đồ hình tia 57
2.3.2. Cầu ba pha điều khiển toàn phần 64
2.3.3. Cầu ba pha điề
u khiển bán phần 70
2.4 Họa tần 73
Chương 3 – BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
3.1 Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi điện một chiều 75
3.2 Phân loại và các cách điều khiển của bộ biến đổi DC 77
3.3 Các bộ chuyển đổi điện áp hoạt động dòng không liên tục 77
3.3.1. Mạch chuyển đổi giảm áp (Buck Converter) 79
3.3.2. Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter) 83
3.3.3. Mạch chuyển đổi tăng - giảm áp (Buck - boost converter) 87
3.3.4. B
ộ chuyển đổi C’uk 91
3.4 Bộ chuyển đổi hoạt động với dòng không liên tục 93
3.4.1. Bộ chuyển đổi giảm áp 96
3.4.2. Bộ chuyển đổi tăng áp 98
Chương 4 – BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU
4.1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha điều khiển toàn chu kỳ 101
4.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha
điều khiển pha 103
4.2.1. Bộ biến đổi điện AC điều khiển không đối xứng 130
4.2.2. Bộ biến đổi điện AC điều khiển đối xứng 106
4.3 Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 113
4.3.1. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha tải mắc hình sao 114
4.3.2. Ba trường hợp điều khiển sóng ra 116

Chương 5 – NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN
5.1 Bộ nghịch lưu một pha 125
5.1.1. Bộ đổi điện cơ bản 125
5.1.2. Bộ nghịch lưu bán cầu 126
5.1.3. Bộ nghịch lưu cầu đầy đủ 129
5.1.4. Bộ đổi điện song song 131
5.1.5. Kỹ thuật điều khiển điện thế bộ đổi điệ
n 133
5.1.6. Bộ đổi điện tạo sóng sin 137
5.2 Nghịch lưu ba pha 140
5.2.1. Bộ nghịch lưu áp sáu tia tải mắc hình sao 142
5.2.2. Bộ nghịch lưu áp sáu tia tải mắc hình tam giác 150
5.2.3. Tải cảm kháng R, L, trường hợp dẫn 180
0
mắc tam giác 154
5.3 Bộ biến tần 155
5.3.1. Biến tần trực tiếp một pha 156
5.3.2. Biến tần ba pha 159
5.4 Bộ biến tần gián tiếp 162
5.4.1. Biến tần áp 163
5.4.2. Biến tần dòng 168
5.5 Giới thiệu một số biến tần công nghiệp 171

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Chương 1: Mở đầu




1

Chương 1
MỞ ĐẦU

Điện tử công suất là lĩnh vực áp dụng khá rộng trong sản xuất, trong công
nghiệp, mà nó dựa trên nền tảng của các môn học mạch điện tử, kỹ thuật xung
số… Trong đó đối tượng được điều khiển để truyền năng lượng điện có kiểm
soát từ nguồn đến tải. Công suất này có trị số từ vài chục watt đến vài gigawatt.
Yêu cầu quan trọ
ng trong điện tử công suất là hiệu suất và giá trị kinh tế do đó
phải sử dụng kỹ thuật giao hoán nhằm giảm thiểu tổn thất trong quá trình chuyển
đổi và điều khiển. Lĩnh vực áp dụng điện tử công suất được mô tả như hình 1.1

Hình 1.1
Hình 1.1 bao gồm 4 kỹ thuật biến đổi cốt lõi nhất của điện tử công suất đó là
• AC biến đổi thành DC: chỉnh lưu
• DC biến đổi thành DC: biến đổi điện một chiều
• DC biến đổi thành AC: nghịch lưu
• AC biến đổi thành AC: biến đổi điện AC
Trong công nghiệp, ngoài tải riêng ra, phần lớn mạch điện tử
công suất là
điều khiển động cơ để thực hiện các yêu cầu của tải
Trong chương này chúng ta khảo sát các nội dung sau
• Các đại lượng đặc trưng về điện: trị trung bình, trị hiệu dụng, công suất…
• Các linh kiện công suất giao hoán có những đặc tính sau
− Tốc độ giao hoán nhanh
− Giảm thiểu công suất tiêu tán
− Cho phép điều khiển các tải nặng (dòng tải l
ớn hay điện trở tải nhỏ)
Chương 1: Mở đầu

2
− Có gắn các bộ vi xử lý, vi điều khiển hoặc PLC
• Các linh kiện công suất giao hoán thông dụng là: Diode,Transistor, Mosfet,
SCR, TRIAC, GTO, SCS, IGBT, MCT…
1.1 Các đại lượng đặc trưng
1.1.1 Giá trị trung bình
Gọi i(t) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T
p
. Giá trị
trung bình của đại lượng i(t), viết tắt là I
AV
(AV: average…giá trị trung bình)
được xác định bởi hệ thức
dtti
T
I
p
Tt
t
p
AV
∫
+
=
0
0

)(
1
(1.1)
Với t
0
là thời điểm đầu của chu kỳ được lấy tích phân.
Các đại lượng thông dụng được tính trung bình bao gồm
− Tính trị trung bình của dòng điện I
AV

− Tính trị trung bình của điện áp U
AV

− Tính trị trung bình của công suất P
AV

Nếu dòng qua tải có giá trị không đổi trong cả chu kỳ. Công suất trung bình
có thể tính bởi hệ thức:
P
d
= U
d
I
d
(1.2)
Các trường hợp đặc biệt:
a. Tải R
Quan hệ giữa điện áp và dòng điện tức thời qua điện trở R là:
u
R

= Ri
R
(1.3)
Lấy trị trung bình hai vế ta được:
U
RAV
= RI
RAV
(1.4)
b. Tải L
Quan hệ giữa điện áp và dòng điện tức thời qua cảm L là:
dt
di
Lu
t
L
= (1.5)
Ở chế độ xác lập i
L
(t
0
) = i
L
(t
0
+ T
p
). Trị trung bình của điện áp trên L được
tính bằng cách lấy tích phân hai vế của phương trình trên trong thời gian (t
0

, t
0
+
T
p
), kết quả thu được
Chương 1: Mở đầu




3
U
LAV
= 0 (1.6)
c. Tải R-L
Tương tự:
dt
di
LiRU
Z
ZZ
+= . (1.7)
Trị áp trung bình:U
ZAV
= RI
ZAV
+ U
LAV
= RI

ZAV
(1.8)
Từ đó: I
ZAV
= U
ZAV
/R
Trị trung bình dòng không phụ thuộc vào giá trị L mà chỉ phụ thuộc vào R
và điện áp U
Z
d. Tải R-L-E
E
dt
di
LiRU
Z
ZZ
++= .
(1.8)
Với E là suất điện động không đổi E= const.
U
ZAV
= RI
ZAV
+ E (1.9)
1.1.2 Giá trị hiệu dụng
Giả thiết đại lượng i(t) biến thiên theo thời gian, theo một hàm tuần hoàn
với chu kỳ T
p
hoặc với chu kỳ theo góc X

p
= ω T
p
. Giá trị trung bình của đại
lượng i(t) được tính theo công thức
∫∫
++
==
pp
Xx
x
p
Tt
t
p
RMS
dxi
X
dti
T
I
0
0
0
0
22
11
(1.10)
Chỉ số RMS: Root Mean Square – giá trị hiệu dụng
1.1.3 Công suất

Công suất tức thời của một tải tiêu thụ được xác định bằng tích điện áp và
dòng điện tức thời dẫn qua nó.
p(t) = u(t).i(t) (1.11)
Công suất trung bình
dttitu
T
dttp
T
P
p
p
Tt
t
Tt
t
pp
AV
)()(
1
)(
1
0
0
0
0
∫∫
+
+
==
(1.12)

Nếu dòng qua tải không đổi thì
P
AV
= U
AV
.I = U
AV
.I
AV
(1.13)
Nếu điện áp đặt trên tải không đổi thì
P
AV
= U.I
AV
= U
AV
.I
AV
(1.14)
Chương 1: Mở đầu




4
Các trường hợp đặc biệt
a. Tải R
dttiR
T

dttitu
T
P
pp
T
p
T
p
AV
)(
1
)()(
1
0
2
0
∫∫
==
(1.15)
b. Tải L
P
AV
= 0 (1.16)
c. Tải C
P
AV
= 0 (1.17)
1.1.4 Hệ số công suất
Hệ số công suất pF định nghĩa cho một tải tiêu thụ, như là tỉ số giữa công
suất tiêu thụ thực tế trên tải P và công suất biểu kiến S của nguồn cung cấp cho

tải đó.
S
P
pF = (1.18)
Trong trường hợp đặc biệt của nguồn áp dạng sin và tải tuyến tính chứa các
phần tử như R,L,C không đổi và suất điện động dạng sin cùng tần số của nguồn
áp với góc lệch pha có độ lớn bằng
ϕ. Ta có công thức tính hệ số công suất như
sau
P = mUI cos
ϕ
S = mUI
pF =
S
P
= cosϕ (1.19)
Trong đó U, I là các giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện qua tải, m là
tổng số pha.
Các bộ biến đổi công suất là những thiết bị có tính phi tuyến. Giả sử nguồn
cung cấp dạng sin và dòng điện qua nó có dạng tuần hoàn không sin. Dựa vào
phân tích Fourier áp dụng cho dòng điện i, ta có thể tách dòng điện thành các
sóng hài cơ bản i
1
cùng tần số với nguồn áp và các sóng hài bật cao i
2
, i
3
, dễ
dàng thấy rằng sóng điện áp nguồn và sóng hài cơ bản của dòng điện tạo nên
công suất tiêu thụ của tải

P = P
1
= mUI
1
cosϕ
1
(1.20)
Trong đó
ϕ
1
là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện hài cơ bản. Các sóng
hài bậc cao tạo nên công suất ảo
Chương 1: Mở đầu




5
Tacó
S
2
= (mUI)
2
= m
2
U
2
(I
1
2

+ I
2
2
+ I
3
2
+ )
∑
∑
∞
=
∞
=
++=
+=
2
222
1
2222
1
2222
2
2222222
sincos
j
j
ÍÍ
j
j
Í

IUmIUmIUm
IUmIUmS
ϕϕ

S
2
= P
2
+ Q
2
+ D
2
(1.21)
Với
P = m.U.I
1
cosϕ
1
: là công suất tiêu thụ trên tải
Q = m.U.I
1
sinϕ
1
: là công suất phản kháng (công suất ảo do sóng hài cơ bản
của dòng điện tạo nên)
∑
∞
=
=
2

222
j
j
IUmD (1.22)
D: là công suất biến dạng (công suất ảo do các sóng hài bậc cao của dòng
điện tạo nên)
Khái niệm biến dạng (Deformative) xuất hiện từ ý nghĩa của các sóng dòng
điện này đi vào lưới điện tạo nên sụt áp trên các nội trở của nguồn, từ đó sóng áp
thực tế cấp cho tải bị méo dạng.
Từ đó ta rút ra biểu thức tính hệ số công suất theo các thành phần công suất
như
sau:
222
DQP
P
S
P
++
==
λ
(1.23)
Các cách tăng hệ số công suất
• Giảm Q: Công suất ảo của sóng hài cơ bản, có nghĩa là thực hiện bù công
suất phản kháng. Các biện pháp thực hiện như bù bằng tụ điện, bù bằng
máy điện đồng bộ kích từ dư hoặc dùng thiết bị hiện đại bù bán dẫn.
• Giảm D: Công suất ảo của sóng hài bậc cao. Tuỳ theo phạm vi hoạt động
của dãy tần số của sóng hài bậc cao được bù ta có thể phân biệt các biện
pháp sau đây
− Lọc sóng hài: Áp dụng cho các sóng hài bậc cao, lớn hơn các sóng hài cơ
bản đến giá trị khoảng hàng KHz. Có thể sử dụng các mạch lọc cộng hưởng

LC. Ví dụ dùng mạch lọc LC cộng hưởng với sóng hài bậc 5,7,11 mắc
song song với nguồn cần lọc
Chương 1: Mở đầu




6
− Khử nhiễu: Áp dụng cho các sóng hài bậc cao có tần số khoảng KHz đến
hàng MHz. Các sóng tần số cao này phát sinh từ các mạch điều khiển phát
sóng với tần số cao hoặc do quá trình đóng ngắt các linh kiện công suất.
Các sóng hoạt động trong các mạch điện có khả năng phát sóng điện trường
lan truyền vào môi trường và tạo nên tác dụng gây nhiễu cho các thiết bị
xung quanh, thậm chí gây nhiễu cho chính bản thân mạch điều khiển các
thiết bị công suất. Các thiết bị biến đổi công suất thường phải trang bị khử
nhiễu nghiêm ngặt. Một trong các biện pháp sử dụng là dùng tụ, dùng biện
pháp bọc kim dây dẫn hoặc dùng lưới chống nhiễu cho thiết bị
• Ngoài ra, có thể dẫn giải hệ thức hệ số công suất theo hệ thức sau
1
1
cos
ϕ
I
I
pF =
(1.24)
• Độ méo dạng THD: (Total Harmonic Distortion)
Là đại lượng để đánh giá tác dụng sóng hài bậc cao (bậc 2, 3…) xuất
hiện trong nguồn điện cho bởi hệ thức sau
[%]100.

1
2
2
I
I
THD
m
j
j
∑
=
=
(1.25)
Trong đó I
j
là trị hiệu dụng của sóng hài bậc j, j ≥ 2 và I
1
là trị hiệu
dụng dòng điện nguồn
1.2 Linh kiện điện tử công suất
1.2.1 Đặc tính giao hoán của công tắc bán dẫn
Do tính chất của chất bán dẫn nên khi chịu tác động của xung kích, dạng
sóng ngõ ra có dạng như ở hình 1.2
Đặc tuyến giao hoán được biểu diễn từ trạng thái tắt (off) sang trạng thái
dẫn (on) và từ trạng thái dẫn (on) sang trạng thái ngưng (off)
Chương 1: Mở đầu

7

Hình 1.2
a. Trường hợp công tắc lý tưởng (V
f
=0)

Hình 1.3
Chọn t = 0 lúc bắt đầu khởi dẫn, ta có phương trình dòng điện và điện
thế: do khi dẫn điện thế 2 đầu công tắc là V
f
= 0V nên
swon
t
t
Ii
= ;
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
swon
t
t
Vv 1 (1.25)

Công suất tức thời
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−==
swonswon
t
t
t
t
VIvip 1=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜

⎝
⎛
−
2
2
swon
swon
t
t
t
t
VI
(1.26)
Năng lượng thất thoát trong thời gian khởi dẫn bằng
W
swon
=
∫
swon
t
pdt
0
=
6
1
VIt
swon
(1.27)
Dòng điện I
Hiệu điện thế V

Công suất p

v,i
t
t
swoff
t
swon
t
swon
t
off
t
off
t
on
Chọn t=0
Chương 1: Mở đầu




8
Phân giải tương tự ta có kết quả năng lượng thất thoát trong thời gian
khởi ngưng turn off bằng
W
swoff
=
∫
swoff

t
pdt
0
=
6
1
VIt
swoff
(1.28)
Năng lượng thất thoát tổng cộng trong chu kỳ giao hoán bằng
W
sw
= W
swon
+ W
swoff
=
6
1
VI( t
swon
+ t
swoff
) (1.29)
Công suất tiêu tán trong chu kỳ giao hoán
P
sw
=
T
W

sw
=W
sw
f =
6
1
VI( t
swon
+ t
swoff
)f (1.30)
b. Trường hợp điện thế công tắc bán dẫn khác không (V
f

≠
0)

Hình 1.4
Do khi dẫn điện thế 2 đầu công tắc là V
f

≠
0V nên
i = I
swon
t
t
; v = - (V - V
f
)

swon
t
t
+ V = V
swon
f
swon
t
V
t
11
1 +
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
(1.31)
Công suất tức thời trong thời gian khởi dẫn
p = vi = VI
()
2
2
swon
f
swon

t
t
IVV
t
t
−−
(1.32)
Năng lượng tiêu tán trong thời gian khởi dẫn
W
swon
=
swonfswonfswon
t
tIVVIItVVItpdt
swon
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+=+=
∫
2
1
3
1
3
1
6

1
0
(1.33)
Tương tự, năng lượng tiêu tán trong thời gian khởi ngưng:
W
swoff
=
swofffswofffswoff
t
tIVVIItVVItpdt
swoff
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+=+=
∫
2
1
3
1
3
1
6
1
0
(1.34)
Năng lượng trong suốt thời gian giao hoán

Dòng điện I
Hiệu điện thế V
Công suất p

v,i
t
t
swoff
t
swon
t
swon
t
off
t
off
t
on
V
f
Chọn t=0
Chương 1: Mở đầu




9
W
sw
= W

swon
+ W
swoff
=
3
1
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
IVVI
f
2
1
( t
swon
+ t
swoff
) (1.35)
Vậy công suất giao hoán tiêu tán trung bình tại tần số giao hoán bằng
P
sw
= W
sw
f =
3
1

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
IVVI
f
2
1
( t
swon
+ t
swoff
)f (1.36)
c. Công suất thất thoát tĩnh
Gọi thời gian công tắc giao hoán dẫn tĩnh là T
s
, và thời gian dẫn thực tế
của công tắc là T
on
, ta có
T
on
= T
s
+
()
⇒+

swoffswon
tt
2
1
T
s
=
(
)
swoffswon
tt
f
D
+−
2
1
(1.37)
Với D là chu trình định dạng
OFFON
ON
TT
T
D
+
= (1.38)
Và V
f
là điện thế 2 đầu công tắc khi dẫn, ta có công suất tĩnh tiêu tán trung
bình tại tần số f bằng
P

s
= V
f
I
()
ftt
f
D
swoffswon
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+−
2
1
(1.39)
1.2.2 Diode công suất
Diod công suất hoạt động như diod công suất nhỏ (nối p-n) nhưng với dòng
điện lớn từ vài chục đến vài trăm Ampe.
•
Hình dạng cấu tạo và ký hiệu như hình 1.5


Hình 1.5

E
tx

E
ngoµi
p
n
+
E
t
p
n
E
tx
E
ngoµi
p
n
+
p n
J
A
K
Chương 1: Mở đầu




10
• Thời gian hồi phục
Khi diod đang dẫn thình lình chuyển sang trạng thái ngưng, diod
không thể ngưng ngay mà có thời gian chuyển tiếp do sự hồi phục của các
hạt tải trong nối p-n làm dòng và thế có dạng như hình 1.6

Hình 1.6
o t
rr
(thời gian hồi phục nghịch): là thời gian khi dòng điện giảm từ trị số 0
đến trị số I
RM
rồi lại trở về trị số 0. Thời gian t
rr
có giá trị từ vài ns →
s
µ
,
t
rr
= t
s
+ t
t
.
o t
s
thời gian tích trữ, khi điện thế giảm nhanh từ thuận đến nghịch nhưng số
hạt tải điện vẫn còn di chuyển trong vùng hiếm làm dòng điện thay đổi từ
trị số 0 đến trị số I
R
.
o t
t
thời gian chuyển tiếp, là thời gian dòng điện chuyển đổi từ trị số I

RM
về
trị số hay một trị số tối thiểu I
0
nào đó tuỳ theo loại diod.
o Đối với các diod có thời gian hồi phục nhanh, ta có thể xem đường cong
hồi phục như một tam giác và tính được
−
Điện tích tích trữ
Q
rr
=
rrRM
tI
2
1
(1.40)
Với: I
RM
=
s
D
t
t
i
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝

⎛
∂
∂

−
Suy ra thời gian hồi phục nghịch
I
F
I
t
di /dt
F
di /dt
R
V
rr
t
t
t
1
2
3
t
5
V
FP
t
V
on
0.25 I

rr
t
rr
Q = I t / 2
rr
rr
rr
t
5
t
4
S =
rr
V
R
t
4
Chương 1: Mở đầu




11
t
rr
=
s
D
rr
t

t
i
Q
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
2
(1.41)
−
Các trường hợp giới hạn
Trường hợp t
t
= 0 hay t
s
= t
rr
(giao hoán nhanh)
t
rr
=
t
i
Q
D
rr

∂
∂
2
; I
RM
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
t
i
Q
D
rr
2 (1.42)
Trường hợp t
s
= t
t

= t
rr
/2
t
rr
=
t
i
Q
D
rr
∂
∂
4
; I
RM
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂

∂
t
i
Q
D
rr
(1.43)
Khi điện thế biến thiên ở tần số cao f = 100kHZ, thì diod bình thường
không còn hoạt động ở chế độ giao hoán nữa (do có sự chuyển đổi trạng
thái nhanh).
•
Công suất thất thoát của diod công suất
Tương tự như đã tính ở trên ta có công suất tiêu tán tổng cộng bằng
P
T
= P
ON
+ P
OFF
+ P
sw
(1.44)
Với
P
ON
= V
F
I
F
T

t
ON

P
OFF
=V
R
I
R
T
t
OFF

P
sw
= P
swon
+ P
swoff
=
6
1
V
F(max)
I
F(max)
(
)
ftt
swoffswon

+

1.2.3 Transistor công suất
a.
BJT (Bipolar Junction Transistor)
Để chịu được dòng điện rất lớn, transistor phải có điện tích trong vùng phát
thật lớn, do đó các transistor công suất này được thiết kế với độ rộng vùng phát
hẹp (để giảm thiểu điện trở nền ký sinh) và có cấu trúc xen kẽ (interdigitated
structure) của nhiều cực nền và cực phát. Điện trở cực phát rất nhỏ.
Chương 1: Mở đầu




12

Hình 1.7
Darlington





Hình 1.8
•
Đặc tính của transistor công suất
Transistor công suất có đặc tính sau
− Độ lợi dòng nhỏ (20 – 100) và tuỳ thuộc vào dòng thu I
C
và nhiệt độ.

Dòng thu càng lớn độ lợi dòng càng nhỏ.
− Ngoài hiện tượng huỷ thác do phân cực nghịch ra còn có hiện tượng
huỷ thác thứ cấp do transistor hoạt động ở điện thế và dòng điện lớn.
− Đặc tuyến cho bởi hình 1.9
n
n
-
nnn
p
p
EB
C
p

p
-

p

p

p
n
n
E B
C

base
emitter
collector

PNP
BJT
base
emitter
collector
NPN
BJT
I
C
I
B
B
C
D
1
D
M
β
β
ββ
β = =
Ι
Ι
C
B
++
DM
DM
Chương 1: Mở đầu

13

Hình 1.9
−
Quá trình quá độ của transistor như hình 1.10

Hình 1.10
Ta thấy chỉ trong chế độ xung, điện tích hoạt động trong vùng an toàn
(SOA) được mở rộng hơn

• Công suất thất thoát
Cách tính toán như trên với các lưu ý sau
− Khi transistor dẫn bão hoà, ta có:
P
ON
= (V
CEbh
I
CM
+ V
BEbh
I
B
)
T
t
ON

≈
V
CEbh
I
CM
T
t
ON
(1.45)
− Khi transistor ngưng dẫn và dòng rỉ I
r
rất bé, ta có:
P
OFF
= V
CC
I
T
t
OFF
(1.46)
− Khi giao hoán, ta có:
W
sw
= W
swon
+ W
swoff
=

6
1
V
CEM
I
CM
(
)
swoffswon
tt
+

(1.47)
− Vậy công suất tiêu tán tổng cộng của transistor bằng
Chương 1: Mở đầu




14
P
Ttb
= ( P
ON
t
ON
+ P
OFF
t
OFF

+ W
swon
+ W
swoff
)f (1.48)
•
Mạch bảo vệ Transistor
Để tránh nối C-E chịu điện thế quá lớn khi transistor chuyển trạng thái
từ dẫn đến ngưng ta mắc thêm mạch hỗ trợ theo như hình 1.11
VCC
R
Q
D
B
Cs

Hình 1.11
Khi transistor dẫn, điện thế V
CEbh
rất bé, tụ Cs xả (vì trước đó đã nạp
đầy), transistor hoạt động bình thường.
Khi transistor thình lình chuyển sang ngưng, điện thế cực thu tăng
nhưng không tăng nhanh đột ngột mà tăng từ từ do tụ Cs nạp điện, và giữ
V
CE
gần như không đổi sau khi tụ nạp đầy. Nhờ đó Transistor không bị phá
huỷ vì điện thế cao và dòng lớn hình 1.12

Hình 1.12
b. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

•
Cấu tạo- ký hiệu
Mosfet công suất có cấu trúc chữ V (còn gọi là VMOSFET) để cấp
dòng lớn hình 1.13. Các nghiên cứu được thực hiện nhằm tăng khả năng
công suất của các linh kiện rắn. Một lĩnh vực cho thấy nhiều hứa hẹn các
khả năng của mosfet, trong đó các kênh dẫn được điều chỉnh có cấu trúc
t
t
t
i
c
i
s
v
CE
I
c
0
0
t
f
t
f
I
s
Chương 1: Mở đầu

15
khác với kênh dẫn thẳng như loại cổ điển tức từ máng đến nguồn. Mà nó
được thực hiện kênh dẫn theo hình V như hình , một lớp bán dẫn được thêm
vào. Thành phần của VMOS được đưa ra là do hiện tượng dòng máng
nguồn chảy thẳng đứng do cấu trúc của nó gây ra. Cực máng bây giờ được
đặt trên một mảnh vật liệu bán dẫn được gắn thêm vào. Điều này cho phép
cực máng của mosfet đượ
c đặt với các cánh tỏa nhiệt để có thể phân tán
nhiệt tỏa ra từ linh kiện. Cổng có dạng hình V điều khiển hai mosfet, mỗi
transistor nằm hai bên khe lõm. Bằng cách làm song song hai chân cực S,
khả năng dòng tăng gấp đôi. VMOS không đối xứng vì thế D và S không
thể thay thế cho nhau như mosfet công suất thấp. Các loại fet cổ điển giới
hạn dòng khoảng vài mA, nhưng VMOS có khả năng cấp dòng đến 100A.
Như vậy nó có khả n
ăng chịu được công suất lớn hơn nhiều so với fet cổ
điển.
Các linh kiện VMOS có thể áp dụng tốt các ứng dụng ở tần số cao,
công suất lớn. Đồng thời có ưu điểm là có hệ số nhiệt độ âm nên tránh được
hiện tượng trôi nhiệt, dòng rỉ rất nhỏ và chúng còn có khả năng thực hiện
chuyển mạch ở tốc độ cao. VMOS có thể có các khoả
ng cách giửa các
đường đặc tuyến bằng nhau theo các giá trị bằng nhau của áp cổng, vì thế
nó có thể sử dụng giống như BJT cho các mạch khuếch đại tuyến tính công
suất cao
Mosfet có những đặc tính sau



Hình 1.13
•

Đặc tuyến
Chương 1: Mở đầu




16

Hình 1.14
• Nguyên tắc hoạt động

Hình 1.15
− Đặc tuyến có trị giới hạn tối đa, không có hiện tượng huỷ thác thứ
cấp như ở transistor công suất
−
Dòng thoát I
DS
từ vài chục đến vài trăm Ampe, điện thế đánh thủng
cực đại BV
DS
từ 500V – 800V
−
Điện trở động khi dẫn nhỏ r
dson
vài chục mΩ
−
Tổng trở vào rất lớn.
−
V
GSmax

lớn khoảng 20 V
−
Thời gian giao hoán nhanh khoảng f > 100kHZ
−
Thời gian đáp ứng trên khoảng nhiệt độ rộng
−
Thiết kế mạch điều khiển đơn giản
−
Khác với Mosfet công suất nhỏ, dòng thoát I
Ds
của Mosfet công
suất cho bởi
i
D
= k( V
GS
- V
TH
) (1.49)
•
Công suất thất thoát của VMOSFET
Cách tính tương tự như trên, ta có
− Công suất tổn hao khi dẫn
Chương 1: Mở đầu




17
P

ON
=
()
T
t
RI
ON
onDSD
2
(1.50)
− Công suất tổn hao khi ngưng dẫn
P
OFF
= V
DSmax
I
DSS
T
t
OFF

(1.51)
− Năng lượng tổn hao khi khởi dẫn
W
swon
=
6
1
V
DSmax

I
D
t
swon
(1.52)
− Năng lượng tổn hao khi khởi ngưng
W
swoff
=
6
1
V
DSmax
I
D
t
swoff
(1.53)
− Công suất tổn hao trong thời gian giao hoán bằng
P
sw
= ( W
swon
+ W
swoff
)f (1.54)
− Công suất tổn hao tổng cộng của Vmosfet
P
T
= P

ON
+ P
OFF
+ P
sw
(1.55)
•
Bảo vệ cho Mosfet công suất
Cấu tạo khác biệt của MOSFET so với BJT làm cho linh kiện hoạt
động tốt mà không cần bảo vệ nhiều như BJT. Tuy nhiên, ta có thể sử dụng
mạch RC nhỏ mắc song song với ngõ ra của linh kiện để hạn chế tác dụng
các dãy điện áp và các xung nhiễu dao động xuất hiện khi linh kiện đóng

Hình 1.16
c. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
•
Cấu tạo, ký hiệu và mạch tương đương như hình 1.17
Là linh kiện kết hợp giữa đặc tính tác động nhanh và công suất lớn
của Transistor với điện thế điều khiển lớn ở cực cổng của MOSFET. Mạch
cấu tạo có dạng sau
Chương 1: Mở đầu




18

Hình 1.17

Hình 1.18

•
IGBT còn có các tên gọi theo các hãng khác sau:
COMET (hãng RCA)
GEMET (Gain Enhanced Mosfet, hãng Motorola)
MOSIGT (IXYS Co)
MEGAMOS (IXYS Co )
•
Ví dụ thông số kỹ thuật của
IGBT D4FQ4,R4 có
I
c
= 18A
V
CE
= 400V, 500V
Công suất cấp cho tải vài kW
p
+

n
-

p
p

n
n
n n
C
E

E
G
Cách điện
C
E
G
D
S
pn
np
Chương 1: Mở đầu




19
t
swoff
rất bé, 0,15
s
µ

V
CE
bh = 2V
Tần số làm việc cao vài kHz
•
IGBT có đặc tuyến sau

Hình 1.19

•
Công suất trên tải
Công suât trung bình cấp cho tải
P
L
=
L
L
R
V
2
(1.56)
Với thời gian dẫn t
ON
, ta có
V
L
=
T
tV
ONcc
(1.57)
Thay vào, ta được
P
L
=
T
t
R
V

ON
L
s
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
2
(1.58)
Các công suất tiêu tán trong thời gian khởi dẫn P
swon
và khởi tắt P
swoff

tương tự như ở transistor công suất ở trên, và công suất tiêu tán tổng cộng
giao hoán:
P
sw
= P
swon
+ P
swoff
= 1/6( V
CEmax
.I
cmax

)( t
swon
+ t
swoff
)f
sw
(1.59)
1.2.4 Thyristor
Gồm các linh kiện công suất có cấu trúc gần với Thyristor (SCR gọi theo
phòng thí nghiệm Bell từ năm 1956) và các linh kiện kích cho các linh kiện công
suất theo bảng tóm tắt sau
Thyristor được ứng dụng trong các ứng dụng sau: relay, bộ nguồn cấp điện
ổn định, mạch trễ, công tắc tĩnh (công tắc giao hoán), điều khiển động cơ, mạch
chopper, mạch Inverter, biến tần (cycloconverter), mạch nạp accu, điều khiển
Chương 1: Mở đầu




20
nhiệt độ, lò nung, mạch điều khiển pha…Nên SCR thường được sử dụng trong
công nghiệp, các xí nghiệp sản xuất, điều khiển công suất lớn…
a. SCR ( Silicon Controlled Rectifier)
Còn được gọi là linh kiện chỉnh lưu có điều khiển làm bằng chất bán dẫn
silic
•
Cấu tạo hình dạng và ký hiệu
Gồm 4 lớp pnpn ghép xen kẽ

Hình 1.20
•
Cách hoạt động
Có thể xem SCR như gồm 2 transistor npn và pnp ghép “ khoá chặt”
như ở hình 1.21




Hình 1.21
Khi phân cực nghịch ( V
A
< V
K
và V
AK
< 0), các nối đều phân cực
nghịch nên ngưng dẫn, SCR ngưng dẫn, có dòng rỉ rất bé qua SCR.
A
J
1

J
2

J
3
K
p

1

n
1

p
2
n
2
A
K
G
p
2
p
1
n
1
n
2

T
1
T
2

G
K
p
p

2
n
1
n
2
A
J
1
J
2

J
3

i
AG

i
AK

K
pp
n
n
2
A
G
J
1
J

2

J
3

i
GK

i
A
+

+
A
K
G
p
2
p
1
n
1

n
2

T
1
T
2