GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.53 MB, 124 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY ĐÔ
--------------------
MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
CẦN THƠ, tháng 8 năm 2015
MỤC LỤC
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU
1
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT
CHƯƠNG III: CHỈNH LƯU NỬA SÓNG
11
33
CHƯƠNG IV: CHỈNH LƯU TOÀN SÓNG
CHƯƠNG V: BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP AC 1 PHA
49
69
CHƯƠNG VI: DC – DC CONVERTER
CHƯƠNG VII: NGUỒN CUNG CẤP DC
77
96
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU
1.1. Định nghĩa:
Điện tử công suất đề cập đến điều khiển (Control) và chuyển đổi (Converter) năng
lượng điện của các linh kiện bán dẫn trong đó các linh kiện này hoạt động như công tắc
hoặc khóa (Switch).
Nhiệm vụ chính của ĐTCS: điều khiển và chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang
dạng khác. Các ứng dụng của nó chiếm toàn bộ lĩnh vực hệ thống điện với khoảng công
suất từ vài VA/W đến vài MVA/MW.
Có 4 dạng chuyển đổi chính:
- AC/DC (bộ chỉnh lưu Rectifier): Chuyển đổi năng lượng dạng xoay chiều thành
năng lượng dạng một chiều.
- DC/AC (bộ nghịch lưu Inverter): Chuyển đổi năng lượng dạng một chiều thành
năng lượng dạng xoay chiều.
Ví dụ: UPS chuyển điện áp 12V DCtừ acquy sang 220V AC/50Hz.
- DC/DC (Chopper): Chuyển đổi áp một chiều ngõ vào có giá trị không đổi thành
dạng điện áp một chiều điều khiển được.
Ví dụ: Tạo điện áp 5V từ 12V DC.
- AC/AC (Cycloconverter): Biến đổi áp xoay chiều tần số không đổi ở ngõ vào
thành điện áp xoay chiều có tần số khác (hoặc điều khiển được) ở ngõ ra, song song đó có
khả năng điều khiển cả giá trị hiệu dụng áp hài cơ bản ngõ ra.
Ví dụ: Mạch Dimmer điều khiển ánh sáng đèn, điều khiển tốc độ mô tơ.
1.2. Khái niệm ĐTCS:
Ta xem xét vấn đề: Thiết kế mạch tạo ra điện áp DC 3V từ acquy 9V.
- Đặt vấn đề: Cung cấp điện áp 3V đến điện trở tải.
- Giải quyết vấn đề:
Để cho đơn giản ta dùng cầu chia điên áp như Hình 1-1.
Mạch này có 2 nhược điểm:
i. Công suất hấp thụ trên 2RL
bằng 2 lần trên tải RL, dẫn
đến hiệu suất của mạch
chỉ đạt 33%.
ii. Khi giá trị RL thay đổi, điện
áp ngỏ ra sẽ thay đổi.
1
Hình 1-1: Cầu chia điện áp
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
Để khắc phục nhược điểm thứ 2 ta sử dụng mạch ở Hình 1-2.
2N3055
Q
BAT
R1
9V
RL
2.2K
3.6V
3V
D
Hình 1-2: Thay thế 2RL bằng cụm linh kiện Q, D, R1
Transistor Q được điều khiển để điện áp ngang qua nó là 6V nên ngỏ ra duy trì 3V.
Mạch này tuy khắc phục được nhược điểm thứ 2, nhưng hiệu suất vẫn chỉ đạt 33%.
Để đạt được hiệu suất mong muốn ta xem xét mạch ở Hình 1-3.
SW
Hình 1-3: (a) Mạch Switching (b) Dạng sóng ngỏ ra
Khi SW đóng vx = 9V. SW hở vx = 0V. Nếu thời gian SW đóng bằng 1/3 chu
kỳ thì ta có dạng sóng như Hình 1-3b.
Điện áp trung bình qua tải:
T
T
1
1
Vx vx t dt
T0
T
3
0
T
1
1 T 3
9dt 0 dt 9t
3V
0
TT
T
3
Tính hiệu suất của mạch:
SW đóng:
VSW = 0V
pSW = IVSW = 0
SW hở:
I = 0A
pSW = IVSW = 0
Tải hấp thụ hoàn toàn công suất nên mạch có hiệu suất 100%.
2
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
Tuy nhiên mạch chưa tạo ra điện áp DC 3V. Dạng sóng của nó có thể được biểu
diễn thành chuổi Fourier chứa thành phần DC và các hài hình sin của nó. Do vậy để được
3V, mạch phải qua bộ lọc hạ thông (Low Pass Filter) như Hình 1-4.
Hình 1-4: Thêm bộ lọc LPF cho Hình 1-3
Nếu bộ lọc lý tưởng, không suy hao thì hiệu suất mạch là 100%. Nhưng trong thực
tế, bộ lọc hấp thụ 1 số công suất và linh kiện SW cũng không lý tưởng nên hiệu suất
mạch giảm xuống nhưng vẫn còn > 90%.
Quá trình chuyển đổi công suất thường bao gồm cả hệ thống điều khiển. Các đại
lượng ngỏ ra của bộ chuyển đổi như điện áp, dòng điện được đo kiểm và các thông số
hoạt động được điều chỉnh để đạt được ngỏ ra mong muốn. Ví dụ, nếu điện áp 9V ở Hình
1-4 giảm còn 6V, thời gian đóng SW phải bằng ½ chu kỳ thì Vx mới bằng 3V. Một hệ
thống điều khiển hồi tiếp sẽ phát hiện nếu Vx < 3V thì điều khiển thời gian đóng và mở
SW cho phù hợp như ở Hình 1-5.
Hình 1-5: Đường hồi tiếp điều khiển SW và duy trì điện áp ra
1.3. Các loại khóa bán dẫn SW (Switch):
Một khóa bán dẫn được đặc trưng bởi hai trạng thái ON (đóng) và OFF (ngắt)
(dựa vào tính chất của bán dẫn : làm việc như chất cách điện tương đương trạng thái
OFF, làm việc như chất dẫn điện tương đương trạng thái ON).
3
Điện Tử Công Suất
1.2.1.
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
Diode:
Kí hiệu và đặc tuyến V-A cho ở Hình 1-6.
(b)
(c)
(a)
Hình 1-6: a) Đặc tuyến V-I b) Kí hiệu Diod c) Đặc tuyến V-I lý tưởng
- Cấu tạo gồm một lớp chuyển tiếp p-n, 2 điện cực ngoài.
- Cực Anode nối với lớp p, Cathode nối với lớp n.
Từ đặc tuyến, diode có 3 vùng hoạt động:
- Dẫn (trạng thái ON): Diode được phân cực thuận VAK > 0 (Forward-bias).
- Ngưng (trạng thái OFF): Diode được phân cực nghịch VAK ≤ 0 (Reverse-bias).
- Bị đánh thủng (Breakdown): Điện áp phân cực nghịch lớn hơn điện áp nghịch
đỉnh (PIV) của diode. Lúc này diode bị hỏng.
Có 2 thông số quan trọng khi chọn diode:
- Điện áp nghịch đỉnh PIV (Peak Inverse voltage).
- Dòng điện trung bình tối đa.
1.2.2.
Thyristor:
1.2.2.1. SCR:
Cấu tạo, kí hiệu và sơ đồ tương đương cho ở Hình 1-7.
Hình 1-7: Cấu tạo, kí hiệu và sơ đồ tương đương SCR
4
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
- Cấu tạo gồm bốn lớp p, n với 3 cực ngoài Anode (A), Cathode (K) và Gate (G).
- Mạch điều khiển được nối giữa cực G&K. Mạch công suất được nối giữa A&K.
Các trạng thái hoạt động:
- Trạng thái khóa áp ngược (SCR ngắt) (Hình 1-8a).
- Trạng thái khóa áp thuận (SCR ngắt) (Hình 1-8b).
- Trạng thái đóng (ON) dẫn thuận (Hình 1-8c).
(b)
(a)
(c)
Hình 1-8
Đặc tuyến V-A cho ở Hình 1-9.
Hình 1-9: Đặc tuyến V-A của SCR.
1.2.2.2. GTO:
Thyritor GTO (Hình 1-10) cũng giống như SCR,
được đóng bằng xung dòng cổng Gate nếu điện áp AnodeCathode dương. Tuy nhiên, khác với SCR, GTO có khả
năng điều khiển ngắt bằng dòng cổng Gate giá trị âm. Vì
vậy, GTO thích hợp cho một số ứng dụng khi yêu cầu điều
5
Hình 1-10
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
khiển cả hai quá trình đóng và ngắt khóa bán dẫn. Dòng âm ngắt GTO cần phải ngắn (vài
µs), nhưng biên độ phải rất lớn so với dòng đóng GTO và thông thường dòng kích ngắt
GTO khoản 1/3 dòng anode ở trạng thái dẫn.
1.2.2.3. Triac:
Hình 1-11: Sơ đồ tương đương và kí hiệu Triac
Sơ đồ tương đương và kí hiệu Triac cho ở Hình 1-11. Triac được dùng trong mạch
AC.
Kích đóng bằng xung dòng điều khiển giống SCR
Ngắt tự nhiên bằng áp ngược
1.2.2.4. Diac:
Diac (Hình 1-12) giống như Triac nhưng không có cổng G. Diac dẫn cả 2 hướng tùy
thuộc vào điện áp nối vào 2 cực của nó. Khi điện áp ở 2 cực lớn hơn điện áp đánh thủng,
Diac dẫn và dòng điện đi từ điện áp cao đến điện áp thấp. Đặc tuyến V-A cho ở Hình 113.
Hình 1-12: Cấu tạo Diac và kí hiệu
Hình 1-13: Đặc tuyến V-A của Diac
6
Điện Tử Công Suất
1.2.3.
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
Transistor công suất:
1.2.3.1. BJT:
Cấu tạo và kí hiệu cho ở Hình 1-14.
Hình 1-14: Cấu tạo và kí hiệu BJT
Có hai loại : npn và pnp, ba cực ngoài Collector (C) , Emitter (E) và cổng điều
khiển Base (B).
Chiều dòng điện IB, IC và IE của BJT npn cho ở Hình 1-15a. Đối với pnp thì có
chiều ngược lại.
(a)
(b)
(c)
Hình 1-15: a) BJT NPN b) Đặc tuyến V-A của BJT c) Đặc tuyến V-A lý tưởng
- Đặc tuyến của BJT được trình bày trên Hình 1-15b. BJT chuyển sang trạng thái
dẫn khi cấp cho nó một dòng cổng IB đủ lớn để BJT dẫn bão hoà. Điện áp bão
hòa VCE khoảng 1 –2V đối với BJT công suất. Dòng IB = 0 làm BJT ngắt.
- BJT là một linh kiện điều khiển bằng dòng, có hệ số khuếch đại hFE thấp, thường
nhỏ hơn 20. Sự vận hành của khoá được đặc trưng bởi dòng vào ở cực điều khiển
IB để đóng dòng IC ở cực chính
hFE
IC
, hFE 20
IB
7
(1.1)
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
1.2.3.2. MOSFET:
Cũng giống như BJT có 2 loại MOSFET kênh P và N, ba cực ngoài Drain (D),
Source (S) và cổng điều khiển Gate (G). Kí hiệu và đặc tuyến V-A cho ở Hình 1-16.
(b)
(c)
(a)
Hình 1-16: (a) MOSFET kênh N (b) Đặc tuyến V-A (c) Đặc tuyến V-A lý tưởng
- MOSFET được điều khiển bằng áp, chỉ cần dòng điều khiển rất nhỏ ở cổng điều
khiển (vài mA) để duy trì MOSFET ở trạng thái đóng. Điện áp VGS đủ lớn sẽ
đóng MOSFET. Ở trạng thái dẫn, sự biến thiên VDS tỷ lệ thuận với sự biến thiên
dòng ID.
- MOSFET có cấu trúc diode ngược ký sinh (do cấu trúc bán dẫn) đôi khi có lợi
cho một số mạch ứng dụng.
MOSFET có 2 ưu điểm quan trọng hơn BJT:
- IG hoạt động rất thấp.
- Tần số đóng cắt rất cao lớn hơn 100kHz.
1.2.3.3. IGBT:
IGBT (Hình 1-17) là mạch tích hợp một MOSFET và một BJT, ba cực ngoài
Collector (C), Emitter (E) và cổng điều khiển Gate (G).
IGBT có tần số đóng cắt lớn hơn BJT nhưng nhỏ hơn MOSFET, bình thường
khoảng 40kHz.
Hình 1-17: Kí hiệu và đặc tuyến V-A của IGBT
8
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
1.4. Chọn lựa SW:
Việc chọn lựa linh kiện công suất không chỉ tùy thuộc vào điện áp và dòng điện mà
còn thông số chuyển mạch của nó.
- Điều khiển được cả 2 chiều ON và OFF: BJT và GTO.
- Điều khiển chỉ 1 chiều ON: SCR.
- Không điều khiển: Diod.
Tốc độ chuyển mạch và suy hao công suất rất quan trọng trong mạch ĐTCS. Tốc độ
chuyển mạch của MOSFET cao hơn BJT, thời gian trễ nhỏ hơn, suy hao chuyển mạch
thấp hơn, do đó MOSFET được sử dụng nhiều hơn BJT.
Khi chọn linh kiện SW, xem xét đầu tiên điểm hoạt động và đặc trưng ON/OFF. Ví
dụ 1.1 cho ta thấy phương pháp chọn lựa SW.
Ví dụ 1.1: Mạch ở Hình 1-18 có 2 SW S1 và S2. S1 đóng (Close - ON) thì S2 mở
(Open - OFF) và ngược lại. Tần số điều khiển SW là 200kHz. Chọn linh kiện cho mỗi
SW, xác định điện áp và dòng điện tối đa trên mỗi SW.
Hình 1-18: a) S1 đóng, S2 mở b) S1 mở, S2 đóng
Giải:
Điểm hoạt động cho SW S1 (Hình 1-19a):
S1 đóng:
(v1, i1) = (0, I0)
S1 mở:
(v1, i1) = (Vs, 0)
Điểm hoạt động cho SW S2 (Hình 1-19b):
S2 mở:
(v2, i2) = (-Vs, 0)
S2 đóng:
(v2, i2) = (0, I0)
(a)
(b)
Hình 1-19: Điểm hoạt động của:
9
a) S1
b) S2
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
Điểm hoạt động của S1 nằm ở góc phần tư thứ I của hệ trục tọa độ (v1,i1): v1>0 &
i1>0, linh kiện sử dụng cho S1 phải điều khiển được cả 2 chiều ON và OFF. Đặc tuyến VA của BJT và MOSFET ở Hình 1-15c và 1-16c thỏa mãn điều kiện có thể chọn BJT
hoặc MOSFET cho S1. Do yêu cầu tần số chuyển mạch cao, điện áp và dòng điện thấp
(24V/2A) nên ta chọn MOSFET.
Điểm hoạt động của S2 nằm ở góc phần tư thứ II của hệ trục tọa độ (v2,i2): v2<0
& i2>0. Đặc tuyến V-A của Diod ở Hình 1-6c thỏa mãn điều kiện chọn Diod cho S2.
Mạch được trình bày ở Hình 1-20.
Hình 1-20: Chọn Diod cho S2
10
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT
2.1. Giới thiệu:
Tính toán công suất là điều cần thiết trong việc phân tích và thiết kế mạch ĐTCS.
Khái niệm công suất cơ bản được xem xét trong chương này, với sự nhấn mạnh đặc biệt
vào tính công suất cho các mạch điện với điện áp và dòng điện không Sin. Xử lý thêm
cho một số trường hợp đặc biệt có thể bắt gặp thường xuyên trong ĐTCS.
2.2. Công suất và Điện năng:
Công suất tức thời:
p t v t i t
(2.1)
Công suất tức thời là 1 đại lượng thay đổi theo thời gian.
p t > 0 : thiết bị đang hấp thụ công suất.
p t < 0 : thiết bị đang cung cấp công suất.
Điện năng hoặc năng lượng:
t2
t2
W p t dt v t i t dt
t1
(2.2)
t1
Đơn vị của điện năng là J (Joule), Wh (Watt giờ). Bội số của nó là kWh, đây
chính là đơn vị để tính tiền điện.
Công suất tác dụng hoặc công suất trung bình:
Các hàm điện thế và dòng điện tuần hoàn sinh ra Công suất tức thời tuần hoàn.
Công suất tác dụng là giá trị trung bình của p t trên một hoặc nhiều chu kỳ.
1
P
T
t0 T
t0
1
p t dt
T
t0 T
v t i t dt
(2.3)
t0
Ở đó T là chu kỳ của p t . Từ (2.2), (2.3) ta có:
P
W
T
(2.4)
Ví dụ 2.1: Cho mạch ở Hình 2-1, điện thế và dòng điện ở Hình 2-2a,b.
(a) Xác định Công suất tức thời p t được hấp thụ bỡi thiết bị.
(b) Xác định điện năng hấp thụ trong 1 chu kỳ.
(c) Xác định Công suất tác dụng.
11
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
Giải:
Hình 2-1
Hình 2-2
(a) Điện thế và dòng điện được biểu diễn như sau:
0 t 10ms
20V
v t
0 10ms t 20ms
0 t 6ms
20 A
i t
15 A 6ms t 20ms
Công suất tức thời được tính và được vẽ ở Hình 2-2c:
0 t 6ms
400W
p t v t i t 300W 6ms t 10ms
0
10ms t 20ms
(b) Điện năng hấp thụ được tính như sau:
t2
T
0.006
W p t dt p t dt
t1
0
0.010
400dt
0
0.006
0.020
300dt
0dt
0.010
W 2.4 1.2 1.2 J
(c) Công suất tác dụng:
0.010
0.020
2.4 1.2
1T
1 0.006
P p t dt
400
dt
300
dt
0
dt
0.020 60W
T0
0.020 0
0.006
0.010
Hoặc từ (2.4) :
P
W
1.2 J
60W
T 0.020 s
12
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
Trường hợp đặc biệt:
- v t = VDC = const:
1
PDC
T
t0 T
t0
1
v t i t dt
T
t0 T
t0
1 t T
VDC i t dt VDC i t dt
T t
0
0
PDC VDC I avg
(2.5)
- i t = IDC = const:
PDC Vavg I DC
(2.6)
2.3. Cuộn cảm và tụ điện:
2.3.1.
Cuộn cảm:
Hình 2-3
Hệ thức:
di t
1 t
v t L
; i t v t dt
dt
L
(2.7)
Đơn vị của cuộn dây là H (Henry)
Do cuộn cảm là phần tử tích trữ năng lượng nên ở thời điểm t0 nào đó có thể nó đã
trữ một năng lượng từ trường ứng với dòng điện i(t0)
Biểu thức viết lại:
1t
i t i t0 v t dt
Lt
(2.8)
0
Và mạch tương đương của cuộn cảm được vẽ lại ở Hình 2-3b
Năng lượng từ trường tích trữ trong cuộn cảm:
t
di t
WM t v t i t dt L
i t dt Li t di
dt
t
t
t
1
1
WM t Li 2 t Li 2 t 0
2
2
13
(2.9)
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
Khi dòng điện tuần hoàn: i t0 T i t0
Viết lại biểu thức (2.8):
→
t0 T
1
i t0 T i t0
L
t0 T
v t dt
t0
v t dt
t0
L
1
i t0 T i t0
T
T
→
VavgL
→
→
2.3.2.
1
i t0 T i t0
L
1
T
t0 T
v t dt V
avgL
t0
t0 T
v t dt 0
(2.10)
t0
PL 0
Công suất trung bình:
(2.11)
Tụ điện:
Hình 2-4
dv t
1 t
i t C
; v t i t dt
dt
C
Hệ thức:
(2.12)
Đơn vị của tụ điện là F (Farad)
Do tụ điện là phần tử tích trữ năng lượng nên ở thời điểm t0 nào đó có thể nó đã trữ
một năng lượng điện trường ứng với hiệu thế v(t0)
Biểu thức viết lại:
1 t
v t v t0 i t dt
Ct
(2.13)
0
Và mạch tương đương của tụ điện được vẽ lại ở Hình 2-4
Năng lượng điện trường tích trữ trong tụ điện:
t
dv t
WE t v t i t dt v t C
dt Cv t dv
dt
t
t
t
1
1
WE t Cv 2 t Cv 2 t 0
2
2
14
(2.14)
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
v t0 T v t0
Khi điện áp tuần hoàn:
Viết lại biểu thức (2.12):
→
→
1
v t0 T v t0
C
t0 T
1
v t0 T v t0
C
t0 T
i t dt
t0
i t dt
t0
C
1
v t0 T v t0
T
T
I avgC
→
→
1
T
t0 T
i t dt I
avgC
t0
t0 T
i t dt 0
(2.15)
t0
PC 0
Công suất trung bình:
(2.16)
Ví dụ 2.2: Dòng điện trong 1 cuộn cảm 5mH ở Hình 2-5a là sóng tam giác tuần
hoàn ở Hình 2-5b. Xác định điện áp, công suất tức thời và công suất trung bình của cuộn
cảm.
Giải:
Hình 2-5:
(a) Sơ đồ mạch
(b) Dòng điện cuộn cảm
(c) Điện áp cuộn cảm
(d)
Công suất tức thời
Dòng điện của cuộn cảm có thể được biểu diễn như sau:
0 t 1ms
4 x103 t ( A)
i t
3
4 x10 t 8( A) 1ms t 2ms
15
(*) Viết theo PT đường thẳng: y = ax và y = ax + b
(*)
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
3
3
0 t 1ms
di t 5 x10 4 x10
→ v t L
3
3
dt
5 x10 4 x10 1ms t 2 ms
0 t 1ms
20V
20V 1ms t 2ms
→ v t
được vẽ ở Hình 2-5c
Công suất tức thời của cuộn cảm:
0 t 1ms
80 103 t (W )
p t v t i t
3
80 10 t 160(W ) 1ms t 2ms
được vẽ ở Hình 2-5d.
Theo (2.10), (2.11), điện áp và công suất trung bình của cuộn cảm = 0
2.4. Phục hồi năng lượng:
Cuộn cảm và tụ điện phải được cung cấp và giải phóng năng lượng trong 1 vài ứng
dụng của ĐTCS. Ví dụ, 1 cuộn Solenoid phun nhiên liệu trong một ô tô được nạp năng
lượng trong khoảng thời gian đặt bỡi BJT SW. Năng lượng được lưu trữ trong cuộn
Solenoid khi dòng điện được thiết lập. Mạch phải được thiết kế loại bỏ năng lượng dự trữ
trong cuộn cảm để bảo vệ BJT khi nó ngắt. Hiệu quả của mạch có thể được cải tiến nếu
năng lượng dự trữ được truyền tới tải hoặc nguồn hơn là tiêu tán trong mạch trở kháng.
Khái niệm phục hồi năng lượng dự trữ được mô tả bỡi các mạch thiết kế trong phần này.
Mạch cho ở Hình 2-6a, giả sử điện trở nội trong cuộn cảm là không đáng kể, BJT
SW và diod là lý tưởng. Nhánh diod – điện trở loại bỏ năng lượng trong cuộn cảm và bảo
vệ BJT khi nó ngắt.
Hình 2-6:
(a) Mạch cung cấp năng lượng cho cuộn cảm và sau đó truyền năng
lượng dự trữ cho điện trở.
(b) Mạch tương đương khi BJT dẫn (ON).
(c) Mạch tương đương khi BJT ngưng (OFF) và diod dẫn.
16
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
Giả sử BJT ON ở t = 0 và OFF ở t = t1. Ta tiến hành phân tích mạch.
BJT dẫn ON (0 < t < t1 ): Mạch tương đương Hình 2-6b.
Diode phân cực ngược: OFF.
vL = Vcc
(2.17)
Ta có:
1t
1t
V t
iL t iL 0 vL d 0 VCC d CC
L0
L0
L
, 0 < t < t1
iS(t) = iL(t)
Dòng điện qua cuộn cảm và nguồn tăng tuyến tính khi BJT ON.
(2.18)
(2.19)
BJT ngưng OFF (t1 < t < T) : Mạch tương đương Hình 2-6c.
Diode: phân cực thuận, ON.
iS = 0
(2.20)
iL là 1 hàm mũ giảm với thời hằng L . Điều kiện đầu cho iL được xác định
R
từ (2.18):
iL t1
VCC t1
L
(2.21)
Ta có:
V t t t
t t
iL t iL t1 e 1 CC 1 e 1
L
, t1 t T
Dạng sóng của iL(t) và iS(t) được vẽ ở Hình 2-7.
Hình 2-7: Dạng sóng của iL(t) và iS(t)
17
(2.22)
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
Công suất trung bình được cung cấp từ nguồn, áp dụng (2.5):
1 t1 V t
V t 2
1 T
1T
CC
PS VS I S VCC iS t dt VCC
dt 0dt CC 1
Tt
2 LT
T 0 L
T 0
1
(2.23)
Công suất trung bình qua điện trở R:
PS = PBJT + PD + PL + PR
Mà BJT, diod là lý tưởng và dòng iL tuần hoàn nên:
PBJT = PD = PL = 0
PR PS
V t
CC 1
2
(2.24)
2 LT
Hoặc ta tính theo công suất tức thời trên R:
pR RiR2 RiL2
, t1 t T
2
V t
R
2
pR R CC 1 e t t1 2 VCC t1 e 2 t t1
L
L
T
T
1T
R
R
2
2 2 t t
2 t t
PR pR dt 2 VCC t1 e 1 dt 2 VCC t1 e 1
T0
LT
LT
2
t1
t1
2
V t
R
2
PR 2 VCC t1 CC 1
2 LT
2L T
Hoặc ta tính theo năng lượng tích trữ trong cuộn cảm truyền đến R khi BJT OFF.
Năng lượng đỉnh tích trữ trong cuộn cảm L:
2
Vcct1
1 2
1 Vcct1
W LiL t1 L
2
2 L
2L
2
Công suất trung bình qua R theo (2.4):
2
W V t
PR CC 1
T
2 LT
Từ phân tích trên ta thấy điện trở R có nhiệm vụ hấp thụ năng lượng dự trữ trong
cuộn cảm L và bảo vệ BJT. Năng lượng này được chuyển thành nhiệt và biểu thị tiêu tán
công suất trong mạch.
Một phương pháp khác để loại bỏ năng lượng dự trữ trong cuộn cảm được trình bày
ở Hình 2-8. Hai BJT dẫn và ngưng đồng thời, các diod tạo đường dẫn năng lượng lưu trữ
trong L quay về nguồn cung cấp. Giả sử các BJT dẫn ở t = 0 và ngưng ở t = t1.
Các BJT dẫn ON (0 < t < t1 ): Mạch tương đương Hình 2-8b.
Các diod phân cực ngược, OFF.
vL = Vcc
18
(2.25)
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
Ta có:
1t
1t
V t
iL t iL 0 vL d 0 VCC d CC
L0
L0
L
iS(t) = iL(t)
Dòng điện qua cuộn cảm và nguồn tăng tuyến tính khi các BJT ON.
(2.26)
(2.27)
Hình 2-8:
(a) Mạch cung cấp năng lượng cho cuộn cảm và sau đó phục hồi năng lượng dự
trữ trở lại nguồn.
(b) Mạch tương đương khi các BJT dẫn (ON).
(c) Mạch tương đương khi các BJT ngưng (OFF) và diod dẫn.
Các BJT ngưng OFF (t1< t < T ): Mạch tương đương Hình 2-8c.
Các diode phân cực thuận, ON.
vL = -Vcc
Ta có:
iL t iL t1
(2.28)
1t
VCC t1 1 t
V
v
d
VCC d CC t1 t1 t
L
Lt
L
Lt
L
1
1
VCC
, t1 t 2t1
(2.29)
2t1 t
L
Dòng điện qua cuộn cảm giảm tuyến tính khi các BJT OFF và bằng 0 khi
t=2t1, lúc đó các diod ngưng dẫn. iL giữ bằng 0 cho đến khi BJT dẫn lần nữa.
Khi các BJT OFF và diod ON:
iS(t) = -iL(t)
(2.30)
iL t
19
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
Nguồn đang hấp thụ công suất.
Dạng sóng của iL(t) và iS(t) được vẽ ở Hình 2-9.
Hình 2-9: Dạng sóng của iL(t) và iS(t)
Dòng trung bình qua nguồn:
t
2 t1
1T
11
I s iS t dt
iL t dt iL t dt
T0
T 0
t1
t
2 t1
V
VCC 1
tdt t 2t1 dt CC
Is
LT
LT 0
t1
Is
t 2 t t 2t 2 2t
1
1
1
2 0
t1
2
VCC 2
2
t1 0 0 t1 0
2 LT
Công suất trung bình của nguồn:
(2.31)
PS VS I S 0
(2.32)
Nguồn cung cấp công suất khi BJT ON và hấp thụ công suất khi BJT OFF, diod
ON. Vì thế năng lượng dự trữ trong cuộn cảm được phục hồi bằng cách truyền nó trở lại
nguồn. Trong các mạch thực tế, do các linh kiện không có lý tưởng nên có 1 số công suất
suy hao trên nó, nên không phải tất cả năng lượng được truyền tới nguồn.
Mạch ở Hình 2-8 không có tổn thất năng lượng vốn có để thiết kế và vì thế hiệu quả
hơn mạch Hình 2-6.
Ví dụ 2.3: Mạch ở Hình 2-6a có VCC = 90 V, L = 200 mH, R = 20 Ω, t1 = 10 ms và
T = 100 ms. Xác định:
(a) Dòng điện đỉnh và năng lượng lưu trữ đỉnh trong cuộn cảm.
20
Điện Tử Công Suất
Chương I
Huỳnh Gia Danh Nhân
(b) Công suất trung bình hấp thụ bỡi điện trở.
(c) Công suất trung bình và đỉnh của nguồn.
(d) So sánh kết quả với Hình 2-8a.
Giải:
(a) Từ biểu thức (2.18):
VCC t 90t
=
450t A , 0 < t < 10ms
L
0.2
Dòng điện và năng lượng lưu trữ đỉnh của cuộn cảm:
iL t
iL t1 450t1 450 10 2 4.5 A
1 2
1
2
LiL t1 0.2 4.5 2.025 J
2
2
(b) Thời hằng của dòng điện khi BJT OFF:
WL
L 0.2
10 ms
R 20
Thời gian BJT OFF: T – t1 = 100 – 10 = 90 ms = 9τ
Toàn bộ năng lượng lưu trữ trong cuộn cảm cơ bản được truyền tới R:
WR = WL = 2.025 J
Công suất trung bình hấp thụ bỡi điện trở theo (2.4):
WR 2.025
20.25 W
T
0.1
(c) Công suất đỉnh và trung bình của nguồn:
Ta có:
PR
i t
0 t 10 ms
iS t L
10 ms t 100 ms
0
0 t 10 ms
450t A
iS t
10 ms t 100 ms
0
90 450t 40500t W
0 t 10 ms
pS t vs t is t
0
10 ms t 100 ms
Công suất đỉnh của nguồn tại t1 = 10 ms:
pS ,max pS t1 405 W
Công suất trung bình của nguồn:
0.1
1T
1 0.01
PS pS t dt
40500tdt 0dt 20.25 W
T0
0.1 0
0.01
Hoặc từ (2.24) ta có PS = PR = 20.25 W.
(d) Dòng điện của cuộn cảm ở Hình 2-8a được biểu diễn theo (2.26 & 2.29):
21
