CHÖÔNG I : COÂNG SUAÁT ÑIEÄN TÖÛ Ñeà cöông hoïc taäp 1.1 Giôùi thieäu 1.2 Coâng ppt

1

CHƯƠNG I : CÔNG SUẤT ĐIỆN TỬ


Đề cương học tập
1.1 Giới thiệu
1.2 Công suất điện tử là gì ?
1.3 Tại sao có công suất điện tử ?
1.3.1 Một biến trở như một dụng cụ điều khiển
1.3.2 Một chuyển mạch như một dụng cụ điều khiển
1.4 Các chuyển mạch nửa dẫn công suất
1.5 Tổn thất công suất trong chuyển mạch thực tế
1.5.1 Tổn thất dẫn điện
1.5.2 Tổn thất chuyển mạch
1.6 Các kiểu mạch điện công suất điện tử
1.7 Các ứng dụng của công suất điện tử
1.8 Thảo luận
1.9 Các công thức


Trọng tâm học tập
Sau khi hoàn thành chương này sinh viên cần có khả năng
 Đònh rõ giới hạn công suất điện tử
 Kể các ứng dụng của việc dùng chuyển mạch để điều khiển công suất điện
 Liệt kê các kiểu khác của dụng cụ nửa dẫn công suất
 Xác đònh tổn hao công suất trong chuyển mạch thực
 Liệt kê các kiểu khác của mạch công suất điện tử
 Liệt kê các kiểu ứng dụng của công suất điện tử

2

1.1 Giới thiệu
Các ứng dụng của điện tử trạng thái rắn trong lónh vực công suất điện tăng trưởng
vững chắc, và chiều hướng công suất điện tử hiện nay là đặc trưng phổ biến của nhiều
chương trình kỹ thuật cơ điện. Các điện tử công suất đã được dùng từ những năm
1960, sau việc giới thiệu mạch chỉnh lưu có điều khiển silíc (SCR) của điện khí đại
cương. Công suất điện tử tăng trưởng nhanh chóng trong những năm gần đây với sự
phát triển của các dụng cụ nửa dẫn công suất như chuyển mạch các dòng điện lớn có
hiệu qủa ở điện áp cao. Từ những dụng cụ này với độ tin cậy cao, kích cỡ nhỏ, công
suất điện tử mở rộng chủng loại và phạm vi đến các ứng dụng như điều khiển nhiệt
và ánh sáng, điều chỉnh công suất cung cấp, thay đổi tốc độ động cơ AC và DC, sự bù
tónh VAR, và hệ thống biến thế DC cao áp.


1.2 Công suất điện tử là gì ?
Lónh vực rộng lớn của công việc kỹ sư điện có thể được chia thành ba chủ đề : công
suất điện ; điện tử ; và điều khiển. Công suất điện tử với các ứng dụng của các dụng
cụ nửa dẫn công suất, như là thyristor và bán dẫn , cho sự biến đổi và điều khiển năng

lượng điện tại các mức công suất cao. Sự biến đổi này thường từ AC thành DC, trong
đó thông số điều khiển là điện áp, dòng điện hay tần số. Ví dụ như, chỉnh lưu đơn
giản từ AC thành DC là biến đổi công suất, nhưng nếu điều chỉnh mức điện áp được
cung cấp đến chỉnh lưu, cả hai biến đổi và điều khiển công suất điện là gắn với
nhau.Vì vậy, công suất điện tử có thể được xem xét là mộ công nghệ liên quan nhiều
lónh vực gồm ba lónh vực co bản : công suất , điện tử, và điều khiển, như trình bày
trong hình 1.1
Hình 1.1 : Công suất điện tử : một tổ hợp của công suất, điện tử và điều khiển


3

Cuốn sách này sẽ bao gồm việc sữ dụng các dụng cụ nửa dẫn công suất trong các ứng
dụng như chỉnh lưu, sự đảo chiều , biến đổi tần số, dụng cu AC và DC, và công suất
cung cấp. Trong công suất điện tử, các dụng cu như diot, bán dẫn, thyristor, và triac
được dùng chủ yếu như là chuyển mạch để thực hiện công việc đóng mở đó là căn
bản các mạch công suất điện tử.


1.3 Tại sao có công suất điện tử ?
Truyền tải công suất điện từ một nguồn đến tải có thể điều khiển bởi thay đổi điện áp
cung cấp (dùng biến thế) hay bằng cách thêm một máy điều chỉnh ( như là biến trở, lò
phản ứng hay chuyển mạch ) . Các dụng cụ bán dẫn dùng làm chuyển mạch có ư
điểm là kích cỡ nhỏ, không đắt, và hiệu qủa, và chúng có thể dùng điều khiển công
suất tự động. Một ư điểm nữa của dùng chuyển mạch như một yếu tố điều khiển ( so
với dùng biến trở hay cái phân thế để điều chỉnh điện trở) như trình bày trong phần
sau

1.3.1 Dụng cụ điều khiển là một biến trở
Hình 1.2 trình bày một biến trở điều khiển tải. Khi R

1
đặt ở điện trở 0, toàn công suất
được phân phối đến tải. Khi R
1
đặt ở điện trở cực đại, công suất phân phối đóng
xuống 0. Để truyền tải công suất cực đại đến tải, R
1
phải bằng R
L
. Với điều kiện này,
biến trở tiêu thụ nhiều công suất đến ảti – hiệu qủa của sự biến đổi chỉ còn 50%. Hơn
nữa, biến trở lớn hơn tải và tiêu hao thêm nhiệt.

Hình 1.2 :
Một biến trở điều khiển tải



Trong ứng dụng này, công suất được điều khiển lớn, hiệu qủa của sự biến đổi là quan
trọng. Hiệu qủa thấp có nghóa là tổn hao lớn, xem xét tính kinh tế vì nó còn phát nhiệt
và phải có lớp chuyển tiếp của hệ thống để ngăn ngừa qúa nhiệt.

4

Ví dụ 1.1 Một nguồn DC 100 V cungcấp cho tải điện trở 10
Ω
. Tìm công suất phân
phối đến tải P
L
, công suất tổn hao trong biến trở P

R
, tổng công suất cung cấp bởi
nguồn P
T
, và hiệu suất
η
, nếu biến trở đặt ở :
a) 0
Ω

b) 10
Ω

c) 100
Ω

Giải đáp :
a) Điện áp qua tải V
L
= 100 V
Công suất cung cấp đến tải P
L
= 100
2
/ 10 = 1 kW
Công suất tiêu thụ trong biến trở P
R
= 0 kW
Công suất cungcấp bởi nguồn P
R

= P
L
+ P
R
= 1 kW
Hiệu suất
*100 100%
L
T
P
P
η
= =

b) Điện áp qua tải V
L
= 10 * 100 / 20 = 50 V
Công suất cung cấp đến tải P
L
= 50
2
/ 10 = 250 W
Công suất tiêu thụ trong biến tải P
R
= 250 W
Công suất cungcấp bởi nguồn P
T
= P
L
+ P

R
= 500 W
Hiệu suất
*100 50%
L
T
P
P
η
= =

c) Điện áp qua tải V
L
= 10 * 100 / 110 = 9 V
Công suất cung cấp đến tải P
L
= 9
2
/ 10 = 8,1 W
Công suất tiêu thụ trong biến tải P
R
= 91 * 19 / 100 = 82,8 W
Công suất cungcấp bởi nguồn P
T
= P
L
+ P
R
= 90,9 W
Hiệu suất

*100 8,9%
L
T
P
P
η
= =

Từ ví dụ này rõ ràng là hiệu suất của công suất truyền tải từ nguồn đến tải là rất thấp
–nên nhớ rằng nó chỉ bằng 50% trong trường hợp (b)
1.32. Dụng cụ điều khiển là một chuyển mạch
Trong hình 1.3 , một chuyển mạch được dùng để điều khiển tải. Khi chuyển mạch mở,
công suất cực đại được phân phối đến tải. Công suất tổn hao trên chuyển mạch là 0 vì
không có điện áp qua nó. Khi chuyển mạch đóng, không có công suất phân phối đến
tải. Một lần nữa, chuyển mạch không có tổn hao công suất vì không có dòng điện qua
nó. Hiệu suất là 100% bởi vì chuyển mạch không có tổn hao công suất ở cả hai vò trí
của nó. Vấn đề với phương pháp này đó là không giống như biến trở, một chuyển
mạch không thể đặt tại điểm giữa để biến đổi công suất. Tuy nhiên, chúng ta có thể
tạo hiệu qủa giống như vậy bằng cách vặn đổi chiều đònh kỳ chuyển mạch đóng và
mở. Bóng bán dẫn và SCRs được dùng như một chuyển mạch có thể tự động vặn đổi
chiều đóng và mở hàng trăm lần trong một giây. Chuyển mạch điện tử đặt mở cho
một thời gian dài hơn và đặt đóng cho một thời gian ngắn hơn. Khi cần công suất
thấp, nó đặt thời gian đóng dài hơn.
5

Hình 1.3 : Một chuyển mạch điều khiển tải


Ví dụ 1.2
Một nguồn DC 100 V cung cấp tải điện trở 10

Ω
qua một chuyển mạch. Tìm công
suất cung cấp đến tải P
L
, công suất tổn hao trong chuyển mạch P
s
, và tổng công suất
cung cấp bởi nguồn P
T
, nếu chuyển mạch là :
a) đóng
b) Mở
c) Đóng 50% thời gian
d) Đóng 20% thời gian
Giải đáp :
a) Với chuyển mạch đóng
Điện áp qua tải V
L
= 100 V
Công suất phân phối đến tải P
L
= 100
2
/ 10 = 1 kW
Công suất tổn hao trong chuyển mạch P
s
= 0
Công suất cung cấp bởi nguồn P
T
= 1 kW

b) Với chuyển mạch mở
Điện áp qua tải V
L
= 0 V
Công suất phân phối đến tải P
L
= 0 kW
Công suất tổn hao trong chuyển mạch P
s
= 0
Công suất cung cấp bởi nguồn P
T
= 0 kW
c) Đóng 50% thời gian ( xem hình 1.4 )
Điện áp qua tải V
L
= 50 V
Công suất phân phối đến tải P
L
= 50
2
/ 10 = 250 W
Công suất tổn hao trong chuyển mạch P
s
= 0
Công suất cung cấp bởi nguồn P
T
= 250 W
d) Đóng 20% thời gian
Điện áp qua tải V

L
= 20 V
Công suất phân phối đến tải P
L
= 20
2
/ 10 = 40 W
Công suất tổn hao trong chuyển mạch P
s
= 0
Công suất cung cấp bởi nguồn P
T
= 40 W
6

Hình 1.4 : xem ví dụ 1.2



Như ví dụ này trình bày, tất cả công suất cung cấp bởi nguồn được phấn phối đến tải.
Hiệu suất truyền tải công suất là 100%. Dó nhiên, trong ví dụ này chuyển mạch giả sử
là lý tưởng, nhưng khi chúng ta dùng bóng bán dẫn làm chuyển mạch, kết qủa rất gần
với sự làm việc của mạch lý tưởng.


1.4 Công suất chuyển mạch bán dẫn
Công suất các chuyển mạch bán dẫn là yếu tố quan trong nhất trong mạch điện công
suất điện tử. Các loại chủ yếu của các dụng cụ bán dẫn được dùng làm chuyển mạch
trong mạch công suất điện tử là :
Các diot

Các bóng bán dẫn nối hai cực ( BJT )
Lónh vực chất bán dẫn oxit kim loại – các bóng bán dẫn hiệu qủa ( MOSFET)
Các chỉnh lưu có điều khiển silic ( SCR )
Các triac
Các thyristor cổng rẽ ( GTO )
Các thyristor có điều khiển – MOS ( MCT )
Trong các điện tử công suất, các dụng cụ này làm việc theo kiểu chuyển mạch. Các
chuyển mạch này có thể làm để hoạt động ở các tần số cao để biến đổi và điều khiển
công suất điện với hiệu suất cao vàcách thức tốt. Công suất tổn hao trong chuyển
mạch tự nó rất nhỏ vì điện áp gần là 0 khi chuyển mạch mở và dòng điện gần là 0 khi
chuyển mạch đóng.
Chúng ta sẽ xem như các chuyển mạch này là lý tưởng ( các hạn chế của một chuyển
mạch thực tế trình bày trong phần tiếp theo ). Một chuyển mạch lý tưởng thoả mãn
các điều kiện sau :
7

1. Nó vặn mở và vặn đóng trong thời gian là 0
2. Khi chuyển mạch mở, điện áp qua nó là 0
3. Khi chuyển mạch đóng, dòng điện qua nó là 0
4. Nó không tiêu thụ công suất
Thêm vào còn muốn các điều kiện sau :
5. Khi mở, nó có thể mang dòng điện lớn
6. Khi đóng , nó có thể chòu được điện áp cao
7. Nó dùng ít công suất để điều khiển hoạt động của nó
8. Nó có độ tin cậy cao
9. Nó có kích cỡ và trong lương nhỏ
10. Nó có chi phí thấp
11. Nó khôngcần bảo dưỡng

1.5 Tổn hao công suất trong chuyển mạch thực:
Một chuyển mạch lý tưởng trình bày trong hình 1.5. Công suất tổn hao phát sinh trong
chuyển mạch là sản phẩm của dòng điện qua chuyển mạch và điện áp qua chuyển
mạch. Khi chuyển mạch là đóng, không có dòng điện qua nó ( dẫu cho có một điện áp
V
s
qua nó ), Và vì vậy không có công suất tiêu thụ. Khi chuyển mạch mở, Có một
dòng ( Vs / R
L
) qua nó , nhưng không có điện áp qua nó , như vậy không có công suất
tổn hao. Chúng ta cũng giả sử rằng với một chuyển mạch lý tưởng thời gian tăng vượt
và rơi xuống của dòng điện là 0, đó là chuyển mạch lý tưởng thay đổi từ trạng thái
đóng sang trạng thái mở tức thời. Công suất tổn hao trong chuyển mạch vì thế là 0.
Hình 1.5 :Tổn hao công suất trong chuyển mạch lý tưởng



Không giống chuyển mạch lý tưởng, một chuyển mạch thực tế, như là bóng bán dẫn
nối lưỡng cực, có hai nguồn chủ yếu tổn thất công suất : tổn hao dẫn điện và tổn hao
chuyển mạch.
8

1.5.1 Tổn hao dẫn điện
Khi bóng bán dẫn trong hình 1.6a là đóng, nó mang một dòng dò rỉ ( I
leak
). Công suất
tổn hao liên đới với dòng dò rỉ là P
off
= V
s

* I
leak
. Tuy nhiên vì dòng dò rỉ là hoàn
toàn nhỏ và không thay đổi đáng kể với điện áp, như thế tổn hao công suất bóng bán
dẫn cơ bản là 0. Khi bóng bán dẫn là mở, như hình 1.6b, có một điện áp nhỏ qua nó.
Điện áp này được gọi là điện áp bão hòa ( V
CE(SAT)
) . Công suất tiêu thụ của bóng
bán dẫn hay tổn hao dẫn điện hưởng từ điện áp bão hòa là :
P
on
= V
CE(SAT)
* I
c
1.1
Ở đây :

( )s CE SAT
s
c
L L
V V
V
I
R R
−
= ≈ 1.2
Công thức 1.1 cho tổn hao công suất do sự dẫn điện nếu chuyển mạch vẫn còn mở là
không xác đònh. Tuy nhiên , để điều khiển công suất với ứng dụng đã cho, chuyển

mạch vặn mở và đóng một cách tuần hoàn. Vì vậy, để tìm tổn hao công suất trung
bình chung ta phải xét đến hệ số chu kỳ :

( ) ( ) ( )
* * * *
on
on avg CB SAT c CB SAT c
t
P V I V I d
T
= =
1.3
Tương tự

( )
* *
off
off avg s leak
t
P V I
T
=
1.4
Ở đây, hệ số chu kỳ d được xác đònh như tỷ lệ của chu kỳ trong chuyển mạch mở:

on on
on off
t t
d
t t T

= =
+
1.5

Hình 1.6 : Các tổn hao công suất trong chuyển mạch bán dẫn






9

1.5.2 Tổn hao chuyển mạch
Thêm vào tổn hao dẫn điện, một chuyển mạch thực còn có tổn hao chuyển mạch bởi
vì nó không thể thay đổi từ trạng thái mở sang trạng thái đóng ngay lập tức. Một
chuyển mạch thực lấy đi một thời gian có hạn T
sw(on)
để vặn mở và một thời gian có
hạn T
sw(off)
để vặn đóng. Những thời gian này không chỉ đưa vào công suất tiêu thụ
mà còn giới hạn tần số chuyển mạch cao nhất có thể được. Các thời gian qúa độ
T
sw(on)
và T
sw(off)
với chuyển mạch thực thường không bằng nhau, T
sw(on)
nói chung là

lớn hơn. Tuy nhiên chúng ta giả sử rằng T
sw(on)
là bằng T
sw(off)
. Hình 1.7 trình bày
dạng sóng chuyền mạch cho a) điện áp qua chuyển mạch và b) dòng điện qua nó. Khi
chuyển mạch đóng, điện áp qua nó là bằng điện áp nguồn. Khi vặn đóng, một thời
gian có hạn để điện áp qua chuyển mạch giảm xuống 0. Trong thời gian như vậy,
dòng điện qua chuyển mạch tăng dần từ 0 đến I
C
. Bóng bán dẫn dòng điện qua nó và
một điện áp qua nó trong lúc thời gian chuyển mạch; vì vậy nó có tổn hao công suất

Hình 1.7 : Dạng sóng lúc chuyển mạch hoạt động (a) điện áp qua chuyển mạch (b)
dòng điện qua chuyển mạch (c) Công suất tiêu thụ trong chuyển mạch



Để tìm công suất tiêu thụ trong bóng bán dẫn trong các khoảng thời gian chuyển
mạch, chúng ta nhân giá trò tức thời I
c
và giá trò tương ứng V
CE
. Đương cong công suất
tức thời trình bày trong hình 1.7c. Năng lượng tiêu thụ trong chuyển mạch là bằng với
diện tích phần dưới dạng sóng công suất. Nên nhớ rằng công suất cực đại tiêu thụ khi
cả hai dòng điện và điện áp đi qua các giá trò trung điểm của chúng. Vì vậy, tổn hao
công suất cực đại khi chuyển mạch từ trạng thái đóng chuyển sang trạng thái mở là :
P
swOn(max)

= 0,5 V
CE(max)
* 0,5 I
C(max)
1.6
10

Có điều nên nhớ rằng đường công công suất nhìn cơ bản giống một chỉnh lưu sóng sin.
Giá trò trung bình của dạng sóng này là :
P
swon(avg)
= 0,637 * P
swon(max)

= 0,637 * 0,5 V
CE(max)
* 0,5 I
c (max)

= 0,167 V
CE(max)
* I
C (max)

Hay :
P
swon(avg)
=
1
6

V
CE(max)
* I
C (max)
1.7
Tổn thất năng lượng ( công suất * thời gian ) trong lúc mở sẽ là
P
sw on(avg)
* t
sw(on)

W
sw on
=
1
6

V
CE(max)
* I
C(max)
* t
sw(on)
( jun) 1.8
Phân tích tương tự cho tổn hao năng lượng lúc đóng là
W
sw off
=
1

6

V
CE(max)
* I
C(max)
* t
sw(off)
( jun) 1.9
Tổng tổn thất năng lượng trong một chu kỳ do chuyển mạch được cho bởi :
W
sw
= W
sw on
+ W
sw off
=
1
6
V
CE(max)
* I
C(max)
* [ t
sw(on)
+ t
sw(off)
]
Công suất trung bình tiêu thụ trong chuyển mạch sẽ là
P

sw
=
sw
W
T
= W
sw
* f
P
sw
=
1
6
V
CE(max)
* I
C(max)
* [ t
sw(on)
+ t
sw(off)
] * f
Ở đây T là đònh kỳ chuyển mạch và f là tỷ lệ tái diễn xung (tần số của chuyển mạch )
Nên nhớ rằng :
T = t
on
+ t
sw(on)
+ t
off

+ t
sw(off)

Nếu chúng ta cho phép :
t
sw(on)
= t
sw(off)
= t
sw

Thì :
P
sw
=
1
6
V
CE(max)
* I
C(max)
* 2 t
sw
* f 1.10
Tổng tổn hao công suất trong chuyển mạch là
P
T
= P
on(avg)
+ P

off(avg)
+ P
sw
1.11

≈

P
on(avg)
+ P
sw

P
T
= d * V
CE(sat)
* I
C
+
1
3
* V
CE(max)
* I
C(max)
* t
sw
* f 1.12

11

Ví dụ 1.3 Trong hình 1.5 , V
s
là 50 V , R
L
= 5
Ω
, và chuyển mạch là lý tưởng
không có tổn hao chuyển mạch. Nếu điện áp trạng thái mở là 1,5 V và dòng điện dò
rỉ là 1,5 mA, tính công suất tổn hao trong chuyển mạch khi nó là :
a) Mở
b) Đóng
Giải đáp:
a) Dòng điện dẫn là =
50 1,5
5
−
= 9,7 A
Tổn hao công suất trong trạng thái mở P
on
= 1,5 * 9,7 = 14,55 W
b) Tổn hao công suất trong trạng thái đóng P
off
= 50 * 0,0015 = 75 mW
Đối với các điều kiện tải thông thường, công suất tiêu thụ trong trạng thái đóng có thể
không đáng kể so với tổn thất công suất trong trạng thái mở.

Ví dụ 1.4 Tính tổn hao công suất trung bình và cực đại cho chuyển mạch trong ví dụ
1.3 nếu tần số chuyển mạch là 500 Hz với hệ số chu kỳ 50%
Giải đáp :
Đònh kỳ chuyển mạch T = 1 / 500 = 2 ms
Hệ số chu kỳ d = 50%
Thời gian mở t
on
= 1 ms
Thời gian đóng t
off
= 1 ms
Tổn hao công suất trung bình trong trạng thái mở = P
on
*
on
t
T
= 14,55 * 0,5 = 7,27 W
Tổn hao công suất trung bình trong trạng thái đóng = P
off
*
off
t
T
= 0,075 * 0,5 = 0,037W
Tổn hao công suất trung bình cho một chu kỳ = P
0(avg)
+ P
off(avg)
= 7,27 + 0,037 = 7,3W

Công suất tiêu thụ cực đại ( từ ví dụ 1.3) = 14,55 W
Ví dụ 1.5 Trong hình 1.6, V
s
là 120 V , R
L
là 6
Ω
và bóng bán dẫn là lý tưởng không
có tổn hao dẫn điện. Nếu t
sw(on)
= t
sw(off)
= 1,5
µ
s, tính tổn hao công suất chuyển
mạch trung bình với tần số chuyển mạch là 1 kHz.
Giải đáp :
I
C(max)
= 120 / 6 = 20 A
P
sw on(avg)
=
1
6
V
CB(max)
* I
C(max)
= ( 120 * 20 ) / 6 = 400 W

Tổn hao năng lượng là :
W
sw on
= P
sw on(avg)
* t
sw(on)
= 400 * 1,5 (10
-6
) = 0,6 (10
-3
) Jun
Tổn hao năng lượng trong lúc đóng là : W
sw off
= 0,6 (10
-3
) Jun
Tổng tổn hao năng lượng trong một chu kỳ do chuyển mạch được cho bởi
W
sw
= W
sw on
+ W
sw off
= 2 * 0,6 (10
-3
) = 1,2 (10
-3
) Jun
Công suất trung bình tiêu thụ trong lúc chuyển mạch sẽ là

P
sw
= W
sw
* f = 1,2 (10
-3
) * 1000 = 1,2 W

12

Ví dụ 1.6
Một chuyển mạch bán dẫn với đặc tính sau đây điều khiển công suất 25 kW, tải như
trong hình 1.6
I
RATED
= 50 A
V
RATED
= 500 V
I
leakage
= 1 mA
V
CE(sat)
= 1,5 V
Thời gian mở t
sw(on)
= 1,5
µ
s

Thờigian đóng t
sw(off)
= 3,0
µ
s
Điện áp nguồn V
s
là 500 V , và R
L
là 10
Ω
, nếu tần số chuyển mạch là 100 Hz , hệ
số chu kỳ là 50% , tìm :
a) Tổn hao công suất lúc mở
b) Tổn hao công suất 1úc đóng
c) Tổn hao côngsuất cực đại lúc mở
d) Tổn hao năng lượng lúc mở
e) Tổn hao năng lượng lúc đóng
f) Tổn hao năng lượng trạng thái mở
g) Tổn hao năng lượng trạng thái đóng
h) Tổng tổn hao năng lượng
i) Tổn hao công suất trung bình

Giải đáp :
I
C(max)
= 500/10 = 50 A
T = 1 / 100 = 10 ms
Với d = 50%
T

on
= t
off
= 5ms
a) Tổn hao công suất lúc mở = 1,5 * 50 = 50 A
b) Tổn hao công suất 1úc đóng = 500 * 1 (10
-3
) = 0,5 W
c) Tổn hao côngsuất cực đại lúc mở
500 50
6250
2 2
W
  
=
  
  

d) Tổn hao năng lượng lúc mở =
1
6

500 * 50 * 1,5 (10
-6
) = 6,25 mJ
e) Tổn hao năng lượng lúc đóng =
1
6
500 * 50 * 3,0 (10
-6

) = 12,5 mJ
f) Tổn hao năng lượng trạng thái mở = 75 * 5 (10
-3
) = 375 mj
g) Tổn hao năng lượng trạng thái đóng = 0,5 * 5 (10
-3
) = 2,5 mj
h) Tổng tổn hao năng lượng = 6,25 + 12,5 + 375 + 2,5 Mj = 396,5 mj
i) Tổn hao công suất trung bình
3
3
396*25(10 )
39,6
10(10 )
W
−
−
 
=
 
 


13

Ví dụ 1.7
Trong ví dụ 1.6, lặp lại phần d) đến i) nếu tần số chuyển mạch tăng dần đến 100 kHz
và hệ số chu kỳ là 50%
Giải đáp
T = 1 / (100 * 10

3
) = 10
µ
s
Vì đònh kỳ nhỏ, chúng ta không bỏ qua t
sw(on)
và t
sw(off

T – t
sw(on)
– t
sw(off)
= ( 10 – 1,5 -3 ) = 5,5
µ
s
Với d = 50%
T
on
= t
off
= 2,75
µ
s
d)Tổn hao năng lượng lúc mở =
1
6

500 * 50 * 1,5 (10
-6

) = 6,25 mJ
e) Tổn hao năng lượng lúc đóng =
1
6
500 * 50 * 3,0 (10
-6
) = 12,5 mJ
f) Tổn hao năng lượng trạng thái mở = 75 * 2,75 (10
-6
) = 0,206 mj
g) Tổn hao năng lượng trạng thái đóng = 0,5 * 2,75 (10
-6
) = 1,375 mj
h) Tổng tổn hao năng lượng = 0,206 + 1,375 + 6,25 + 12,5 = 20,33 mj
i) Tổn hao công suất trung bình
3
6
20*33(10 )
2033
10(10 )
W
−
−
 
=
 
 


Từ các ví dụ này, rõ ràng là tại tần số chuyển mạch thấp, tổn hao công suất trạng thái

mở chiếm phần lớn tổng tổn hao. Chúng ta tăng tần số chuyển mạch, tổn thất công
suất chuyển mạch trở mên nhiều hơn. Công suất trung bình tiêu thụ cũng trở nên rất
cao ( 2033 W) tại tần số cao. Có thể thấy là bán dẫn 50 A không thể tiêu hao nhiệt
phát sinh và sẽ qúa nhiệt. Tần số cực đại mà một chuyển mạch có thể làm việc tùy
thuộc không chỉ công suất tiêu thụ trong chuyển mạch mà còn ở tốc độ chuyển mạch.
Dòng điện chuyển mạch cũng tăng tại tần số cao.


1.6 Các loại mạch điện công suất điện tử :
Các mạch côngsuất điện tử ( hay đổi điện, như thường gọi ) có thể được chia thành
các loại như sau :
1. Chỉnh lưu không điều khiển ( AC đến DC ) : Một chỉnh lưu không điều khiển
biến đổi điện áp AC một pha hay ba pha thành một điện áp DC ổn đònh. Các
diot được dùng như các yếu tố chỉnh lưu để cung cấp công suất biến đổi
2. Chỉnh lưu có điều khiển ( AC thành DC ) : một chỉnh lưu có điều khiển biến
đổi điện áp AC ổn đònh một pha hay ba pha thành điện áp DC thay đổi. SCRs
được dùng như yếu tố chỉnh lưu, cung cấp cả hai biến đổi và điều khiển công
suất
3. Các mạch băm DC ( DC thành DC ) : Một mạch băm DC biến đổi từ một điện
áp DC ổn đònh thành đện áp DC thay đổi được.
14

4. Các mạch điều khiển điện áp AC ( AC thành AC ) : Một mạch điều khiển điện
áp AC biến đổi một điện áp AC ổn đònh thành điện áp AC thay đổi tại tần số
số giống nhau. Có hai phương pháp cơ bản dùng trong điều khiển điện áp AC
là điều khiển đóng – mở và điều khiển pha.
5. Mạch đổi điện ( inverter DC thành AC) : Một mạch inverter biến đổi một điện
áp DC ổn đònh thành một điện áp AC và tần số ba pha hay một pha thay đổi
hay ổn đònh
6. Mạch đổi điện chu kỳ ( AC thành AC ) : Một mạch đổi điện chu kỳ biến đổi

một điện áp và tần số AC ổn đònh thành điện áp và tần số AC thay đổi. Sự
biến đổi này cũng có thể đại được bằng cách gián tiếp đầu tiên chỉnh lưu AC
thành DC, sau đó đảo ngược về AC tại tần số mong muốn.
7. Các chuyển mạch tónh học ( AC hay DC ) : Một dụng cụ công suất ( SCR và
TRIAC ) có thể làm việc như một chuyển mạch AC hay DC, bằng cách đó thay
thế cho chuyển mạch cơ khí truyền thống và chuyển mạch điện từ.

Bảng 1.1 : Một vài ứng dụng của các điện tử công suất

Chuyển đổi công suất Các ứng dụng
Chỉnh lưu không điều khiển Nguồn DC cho các mạch điện tử
Chỉnh lưu có điều khiển Điều khiển tốc độ động cơ DC từ một nguồn AC
Điều khiển tốc độ của các dụng cụ công suất xách tay
Truyền tải dòng DC cao áp
Mạch băm DC Điều khiển tốc động cơ DC từ một nguồn DC
Chuyển mạch công suất cung cấp
Điều khiển điện áp AC Chuyển mạch dụng cụ điều chỉnh ánh sáng
Điều khiển nhiệt độ
Điều khiển tốc độ các dụng cụ gia dụng
Phản ứng công suất điều khiển
Làm êm khởi động của các động cơ cảm ứng
Mạch đổi điện (inverter) Cung cấp công suất liên tục (UPS)
Điều khiển tốc độ động cơ AC ba pha
Cảm ứng nhiệt
Mạch đổi điện chu kỳ Điều khiển tốc độ động cơ AC
Nguồn tần số không đổi cho máy bay
Chuyển mạch tónh học Thay thế chuyển mạch cơ khí và điện tư(

15

1.7 các ứng dụng của các điện tử công suất
Công suất điện tử tìm được sự áp dụng trong bất cứ lónh vực nào yêu cầu biến đổi và
điều khiển công suất điện. Hệ thống công suất điện tử được dùng rộng rãi trong các
thiết bò công nghiệp và tiêu dùng : từ các động cơ nhỏ dười một mã lực dùng trong các
dụng cu gia dụng đến các động cơ công nghiệp công suất vài trăm mã lực; Từ điều
chỉnh công suất thấp công suất DC cung cấp đến các hệ thống truyền tải DC cao áp
nhiều hơn một ngàn megawatt ; Từ các dụng cụ điều chỉnh ánh sáng công suất thấp
đến các cơ cấu bù tónh VAR công suất hàng trăm megawatt trong các hệ thống công
suất. Bảng 1.1 cung cấp vài ý tưởng về tầm rộng lớn và mức quan trọng của công suất
điện tử


1.8 Bài tập thảo luận

1.1 Công suất điện tử là gì ?
1.2 Phương pháp hiệu quả nhất của điều khiển công suất điện là gì ?
1.3 Dùng biến trở điều khiển côngsuất điện đến tải có nhược điểm gì ?
1.4 Giải thích tại sao một chuyển mạch tốt hơn một biến trở trong việc điều khiển
công suất điện đến tải
1.5 Một biến trở 20

Ω
nối đến tải điện trờ 30

Ω
. Nếu điện áp nguồn là 120 V,

tìm công suất tiêu thụ bởi biến trở.
1.6 Một chuyển mạch điều khiển một bếp lò 20
Ω
nối đến nguồn AC 208 V. Nếu
chuyển mạch mở, tìm công suất tiêu hao bời bếp lò và chuyển mạch
1.7 Lặp lại câu 1.6 nếu chuyển mạch là đóng
1.8 Một chuyển mạch lý tưởng điều khiển tải điện trở 20

Ω
nối đến nguồn AC
120 V. Nếu chuyển mạch mở 20% của thời gian, tìm công suất tiêu thụ bởi tải
1.9 Hình 1.8 trình bày một chuyển mạch lý tưởng không có tổn thất chuyển mạch.
Nếu điện áp trạng thái mở là 2,0 V và dòng điện dò rỉ là 1 mA, tính tổn hao công
suất trong chuyển mạch khi nó là
a) mở
b) đóng
hình 1.8 : xem câu 1.9


16

1.10 Liện kê các đặc tính của chuyển mạch lý tưởng
1.11 Liệt kê vài ứng dụng thôngthường của công suất điện tử trong các lónh vực sau
a) Nhà ở
b) Công nghiệp
c) Thương nghiệp
d) Hệ thống điện công cộng
e) Chương trình truyền hình
f) Không gian vũ trụ
g) Vận tải

1.12 Nếu một nguồn điện áp trong hình 1.8 là 150V và tải điện trở là 1

Ω
, tính tổn
hao dây dẫn, tổn hao chuyển mạch, và tổng tổn hao cho các hệ số chu kỳ và các
tần số được cho trong bảng 1.2. Dùng V
CE(SAT)
= 1,1 V ; t
sw(on)
= 1,0
µ
s , và t
sw(off)

= 1,5
µ
s
Bảng 1.2

Tần số Hệ số chu kỳ Tổn hao dẫn Tổn hao
chuyển mạch
Tổng tổn hao
1 kHz 20%
1 kHz 50%
1 kHz 75%
2 kHz 20%
2 kHz 50%
2 kHz 75%

1.13 Nếu một điện áp nguồn trong hình 1.6 là 120V và tải điện trở là 10

Ω
tính
tổn hao công suất chuyển mạch khi t
sw
= 1
µ
s và bóng bán dẫn vặn mở và đóng
tại tần số 5 kHz
1.14 Một biến trở điều khiển công suất cung cấp bởi nguồn 100 VDC đến tải điện
trở 10

Ω
. điện trở biến trở thay đổi các bước từ 0 đến 100

Ω
. Viết một chương
trình vi tính để tính công suất cung cấp từ nguồn, công suất tiêu thụ trong biến trở,
công suất tiêu thụ bởi tải, và hiệu suất. Lập bảng kê và vẽ các kết qủa









17

1.9 Caùc coâng thöùc

P
on
= V
CE(SAT)
* I
c
1.1

( )s CE SAT
s
c
L L
V V
V
I
R R
−
= ≈
1.2

( ) ( ) ( )
* * * *
on
on avg CB SAT c CB SAT c
t
P V I V I d
T
= =

1.3

( )
* *
off
off avg s leak
t
P V I
T
=
1.4

on on
on off
t t
d
t t T
= =
+
1.5
P
swOn(max)
= 0,5 V
CE(max)
* 0,5 I
C(max)
1.6
P
swon(avg)
=

1
6

V
CE(max)
* I
C (max)
1.7
W
sw on
=
1
6

V
CE(max)
* I
C(max)
* t
sw(on)
( jun) 1.8
W
sw off
=
1
6

V
CE(max)
* I

C(max)
* t
sw(off)
( jun) 1.9
W
sw
= W
sw on
+ W
sw off
=
1
6
V
CE(max)
* I
C(max)
* [ t
sw(on)
+ t
sw(off)
]
P
sw
=
1
6
V
CE(max)
* I

C(max)
* 2 t
sw
* f 1.10
P
T
= P
on(avg)
+ P
off(avg)
+ P
sw
1.11
P
T
= d * V
CE(sat)
* I
C
+
1
3
* V
CE(max)
* I
C(max)
* t
sw
* f 1.12