bài giảng điện tử công suất

2/23/2019

MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG
Giảng viên:
Khoa:
Tổ môn:
Email:

Ths.Nguyễn Đức Dương
Điện
Điều khiển và tự động hóa


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh: “Điện tử
công suất”. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2004.
2. Trần Trọng Minh: “Giáo trình Điện tử công suất”. Nhà xuất
bản giáo dục, Hà Nội, 2015.
3. Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi: “Phân tích và giải mạch
điện tử công suất” . Nhà xuất bản giáo dục, Hà Nội, 2007.

2

1


2/23/2019

CHƯƠNG 1

CÁC LINH KIỆN BÁN
DẪN

NỘI DUNG CHƯƠNG 1

1.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn
công suất
1.2. Diode
1.3. Transistor
1.4. Thyristor
1.5. Triac
1.6. MOSFET
1.7. IGBT

2


2/23/2019

1.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử công suất.
•
•
•
•
•

Dòng điện làm việc: phải lớn hơn dòng tải.
Điện áp ngược chịu được
Thời gian dẫn thời gian tắt
Điện áp rớt trên phần tử công suất khi dẫn

Tổn hao công suất

1.2. Diod công suất
Sơ đồ cấu trúc
• Nguyên lí cấu tạo
J
• Gồm hai chất bán dẫn p,n tạo
A p n
thành một mối nối J
• UAK> 0 có dòng điện IAK#0
• UAK< 0 không dòng IAK

K

3


2/23/2019

Phân cực cho mối nối p-n
p
n

p

Etx
a)

n

Etx

Engoµi
+

p

n
b)
Etx

Engoµi
+

c)

•
•
•
•
•
•
•

Thông số của diode:
Iđm – dòng điện định mức, có thể tới 7000A
U – sụt áp thuận, trong khoảng (0,7 - 2)V
P – tổn hao công suất; P = U.I (đến hàng kW)
Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; tới khoảng 2000oC
UN - điện áp ngược; Trong khoảng (50-4000)V

Irò – dòng điện rò, tới vài trăm mA

4


2/23/2019

Một số Điốt thông dụng thường gặp
Điốt Zener còn gọi là điốt ổn áp, là một loại Điốt bán dẫn làm
việc ở chế độ phân cực ngược trên vùng điện áp đánh thủng .
Điện áp này còn gọi là điện áp Zener hay thác lở . Khi đó giá trị
điện áp ít thay đổi.
Nó được chế tạo sao cho khi phân cực ngược thì điốt Zener sẽ
ghim một mức điện áp gần cố định bằng giá trị ghi trên diode,
làm ổn áp cho mạch điện.

Diode xung Trong các bộ nguồn xung thì ở đầu ra của biến áp
xung , ta phải dùng Diode xung để chỉnh lưu. diode xung là diode
làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz , diode nắn điện
thông thường không thể thay thế vào vị trí diode xung được,
nhưng ngựơc lại diode xung có thể thay thế cho vị trí diode
thường, diode xung có giá thành cao hơn diode thường nhiều lần.
Về đặc điểm , hình dáng thì Diode xung không có gì khác biệt
với Diode thường, tuy nhiên Diode xung thường có vòng dánh
dấu đứt nét hoặc đánh dấu bằng hai vòng

Diode nắn điện Là Diode tiếp mặt dùng để nắn điện trong các bộ
chỉnh lưu nguồn AC 50Hz , Diode này thường có 3 loại là 1A, 2A
và 5A.

5


2/23/2019

1.3. Transistor lưỡng cực BJT
Bibolar Junction Transistor

1. Nguyên lí, cấu tạo.
2. Đặc tính, thông số
3. Đặc điểm cấu tạo
4. Sơ đồ darlington

1. Nguyên lí cấu tạo BJT
• Cấu tạo của transistor có dạng như hình vẽ
C
Colector

Emitter
p

n

B

C

p
B

E

Base
Emitter

E

a)

e)

c)
C
Colector

n

p

n

C

E

Base
b)

E

B

d)

B
f)

6


2/23/2019

Hoạt động của transistor.
Dòng hạt thiểu số

Dòng hạt đa số
E

p

n

p

C

E

B

Vùng hiếm

p

p

n
B

Vùng hiếm

a.

Dòng hạt
đa số
E
IE

b.

Dòng hạt
thiểu số
n

p

p
B

IB

C

C
IC

c.

Nguyên lý hoạt động của tranzitor

2. Đặc điểm kết cấu
• Dòng điện điều khiển Ib được xác định Ib = IC/
• Trong điện tử công suất, dòng điện lớn nên transistor làm việc ở
chế độ đóng cắt nên khi mở phải thoả mãn điều kiện:
• Ib = kbh. IC/ (kbh = 1,2  1,5 - hệ số bão hoà),
• điện áp bão hoà CE khoảng 1-1,5 V Ib = IC/
• Do cần hệ số khuếch đại lớn nên BJT thường cấu tạo dạng
darlington

7


2/23/2019

Thông số
•
•
•
•
•

•

IC – dòng điện định mức, ( tới 1000A)
 - hệ số khuếch đại dòng điện
IB = IC/ β – dòng điện base mA
U – sụt áp thuận; (khoảng (0,7 - 2)V)
P – tổn hao công suất sinh nhiệt (đến hàng kW)
Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giáp khoảng
2000C
• UCE - điện áp CE; Trong khoảng (50-1500)V
• UBE - điện áp BE; hàng vôn

3. Sơ đồ darlington
• Từ đặc tính tĩnh ở trên thấy rằng hệ số khuếch đại dòng điện
của các transistor công suất nhỏ chỉ khoảng hàng chục. Do đó
cần mắc hai transistor nối tiếp nhau như hình vẽ
• Hệ số khuếch đai:  = 1 2
iC1

iC
iC2

iB = iB1
iE1 = iB2

8


2/23/2019

1.4. Thyristor (SCR)
Cấu tạo của thyristor

• Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn
p-n-p-n tạo thành.
• Tiristor có 3 lớp tiếp giáp J1, J2, J3 hình thành 3 cực
Anot: A, Katot: K, cực điều khiển: G.

3. Mở thyristor
• Tăng điện áp thuận UAK cho đến khi lớn hơn Uthmax khi đó điện
trở nội của tiristor giảm mạnh, dòng qua tiristor sẽ do mạch ngoài
xác định. Phương pháp này trong thực tế không dùng (cần phải
tránh) do những nguyên nhân sau:
– Không phải khi nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị
Uthmax.
– Trường hợp này thường xảy ra do tác dụng của xung áp tại
một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước.
• Tăng tốc độ biến thiên điện áp du/dt.
• Đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào cực điều khiển
(UGK>0) . Đây là phương pháp điều khiển tiristor được áp dụng
trong thực tế

9


2/23/2019

4. Khoá thyristor
• Khi một tiristor đã mở, sự hiện diện của tín hiệu điều
khiển Ig là không cần thiết, để khoá tiristor có 2 cách:

• Giảm dòng qua tiristor xuống dưới giá trị dòng duy trì Idt.
• Đặt một điện áp ngược lên tiristor (biện pháp thường
dùng).

Tham số chính của thyristor
•
•
•
•

Itb
Ungmax
Ig
Ug

• tmở
• tkhoá
• du/dt
• di/dt

Ưu
• Cấu trúc đơn giản;
• Sụt áp khi dẫn nhỏ;
• Chịu được điện áp cao;
• Công suất điều khiển nhỏ;
• Van hai cực tính.

Nhược
• Van bán điều khiển (chỉ
đk mở, không đk khóa);

• Tần số chuyển mạch
thấp

10


2/23/2019

1.5. Triac
• Cấu trúc và kí hiệu
• Triac là linh kiện có thể dẫn dòng điện ở hai chiều. Vì vậy,
định nghĩa dòng thuận và dòng ngược không có ý nghĩa
tương tự cho các khái niệm điện áp ngược. Việc kích dẫn
triac thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cực điều khiển
G, điều khiển để Triac đóng điện là đưa xung dòng kích
vào cực điều khiển trong điều kiện tồn tại điện áp trên
linh kiện khác zero.
• Giống như Thyristor, không thể điều khiển ngắt dòng qua
triac. Triac sẽ ngắt theo quy luật đã được giải thích đối với
Thyristor .

a)

11


2/23/2019

• Đặc tính Volt-Ampere của TRIAC bao gồm hai đoạn đặc tính ở
góc phần tư thứ nhất và thứ ba, mỗi đoạn đều giống như đặc tính

thuận của một thyristor.
• TRIAC có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương
(dòng đi vào cực điều khiển) lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực
điều khiển). Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém
hơn, nghĩa là để mở được TRIAC sẽ cần một dòng điều khiển âm
lớn hơn so với dòng điều khiển dương. Vì vậy trong thực tế để
đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua TRIAC thì sử dụng
dòng điện dương là tốt hơn cả.
• Ứng dụng: Người ta dùng triac để điều chỉnh ánh sáng điện, nhiệt
độ lò ….vv…

1.6.Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
( MOSFET )

Trạng thái van
• làm việc với Uds> 0.
• dẫn: Ugs> 0 ; bão hoà tốt nếu Ugs=15V
• khoá Ugs 0

12


2/23/2019

Hoạt động
• Khi UGS>0V, các điện trường dương ở cực G sẽ hút các
điện tử của nền P về phía giữa của hai vùng bán dẫn N.
• Khi lực hút đủ lớn thì số điện tử bị hút nhiều hơn, đủ để
nối liền hai vùng bán dẫn N thì kênh dẫn được hình
thành.

• Dòng điện ID đi từ D sang S, điện áp phân cực cho cực
G càng tăng thì dòng ID càng lớn.
• Điện áp UGS đủ lớn để tạo thành kênh dẫn điện gọi là
điện áp ngưỡng UGS(T) hay UT.
• Khi UGS
Ưu:

Nhược:

+ điều khiển bằng áp

+ sụt áp khi dẫn lớn (có thể tới
10V)

+ công suất điều khiển nhỏ
+ tham số ít phụ thuộc nhiệt độ

+ Khả năng chịu điện áp ở trạng
thái khóa thấp

+ có thể không cần điện áp âm ở
trạng thái khóa.

+ Van một cực tính

+ tốc độ chuyển mạch nhanh ( có
thể làm việc với tần số hàng trăm
kHz).
Hiện nay đã chế tạo MOSFET:

+ dòng lớn: 1900A x 200V
+ điện áp cao: 900V x 85A
+ loại trung bình: 300A x 300V

13


2/23/2019

1.7. Insulated Gate Bipolar Transistor
(IGBT )

Trạng thái van:
làm việc với Uce>0.
dẫn : Uge> 0 ; bão hoà tốt nếu
Uge=15V
khoá Uge  0 , khoá tốt nếu Uge= -7V

Ưu:
• Điều khiển bằng điện áp;
•

Công suất điều khiển nhỏ;

•

Chịu được điện áp khá cao;

•

Sụt áp dẫn nhỏ (2-4V tương đương một
điôt và điện trở nối tiếp);

•

Tham số ít phụ thuộc vào nhiệt độ;

•

Tần số chuyển mạch cao đến 30kHz ( thấp
hơn MOSET, nhưng cao hơn các van họ
thyristor và BT-Dalinhtơn)

•

Dễ mắc song song;

•

Công nghệ cho phép nhanh chóng chế tạo
với cấp điện áp và dòng lớn hơn nữa;

Nhược:
•

Van một cực tính;

•

Cấp điện áp vẫn thấp hơn

họ thyristor;

Hiện nay đã chế tạo IGBT :
+ điện áp cao: 6500V x 600A
+ dòng lớn: 1700V x 3600A

14


2/23/2019

Th«ng sè IGBT
•
•
•
•
•
•
•
•
•

UCES - Điện áp cực đại CE khi GE ngắn mạch.
UGES - Điện áp GE cực đại cho phép khi CE ngắn mạch.
IC- Dòng điện một chièu cực đại
ICmax - Dòng điện đỉnh của colector;
Pm - Công suất tổn hao cực đại;
TCP - Nhiệt độ cho phép;
IL - Dòng điện tải cảm cực đại;
Ir - Dòng điện rò

UGEng - Điện áp ngưỡng GE

• GTO (Gate Turn Off Thyristor)

15


2/23/2019

Là một phần tử bán dẫn có 4 lớp bán dẫn PNPN như SCR
Về cơ bản GTO giống như tiristo, nghĩa là nó có khả năng đóng
cắt dòng điện rất lớn, chịu được điện áp cao, ngoài ra nó có khả
năng chủ động hoàn toàn thời điểm mở và khoá dưới tác động
của tín hiệu điều khiển
Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp P, anot được bổ xung thêm
các lớp bán dẫn n+. Khi chưa có dòng điều khiển nếu anot có
điện áp dương hơn K thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở
giữa. Nếu K có điện áp dương hơn A thì tiếp giáp p+- n sẽ bị đánh
thủng ngay ở điện áp thấp nghĩa là GTO không thể chịu được điện
áp ngược.

• Để khoá GTO cần lấy một xung dòng ra khỏi cực điều khiển.
Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn
điện tích sinh ra do hiện tượng bắn phá của các điện tích tạo
lên vùng dẫn điện. Bằng cách lấy đi một số lượng lớn các điện
tích qua cực điều khiển vùng dẫn điện sẽ bị co hẹp và bị ép về
phía vùng n+ của K và n+ của A. Kết quả là dòng điện A sẽ
bị giảm cho đến khi về 0. Dòng điều khiển cần được duy trì
một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khoá.

16


2/23/2019

Điện tử công suất là kỹ thuật biến đổi và điều khiển năng
lượng điện víi hiệu quả cao nhất
Cấu trúc thiết bị điện tử công suất
sensors
Đầu vào :nguồn
- AC
- DC
cố định, không điều
khiển được

sensors

Tải

Mạch lực

Đầu ra:
- AC
- DC
Được điều khiển

Mạch điều
khiển

Tín hiệu đặt theo luật

điều khiển của công nghệ
33

Phần lực các chủng loại thiết bị điện tử công suất –
các dạng biến đổi năng lượng điện cơ bản

Các BBĐ xung áp DC

Biến tần,
BBĐ xung áp AC

Chỉnh lưu

Nghịch lưu

34

17


2/23/2019

TÓM TẮT LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Trang 35

Phần điều khiển thiết bị điện tử công suất
1. Van sử dụng là bán điều
khiển – Thyristor, TRIAC

2. Van điều khiển hoàn toàn
(cả quá trình mở và khóa): BT,
MOSFET, IGBT , MCT, IGCT…

Ứng dụng trong các thiết bị:
• Chỉnh lưu
• Điều áp xoay chiều.
• Nghịch lưu phụ thuộc
• Biến tần trực tiếp.

Ứng dụng trong các thiết bị:
• Băm xung một chiều.
• Nghịch lưu độc lập điện áp
• Chỉnh lưu tích cực.

Đặc điểm chung:
Chủ yếu làm việc với điện áp lưới
xoay chiều => phát xung mở van
Thyristor dựa vào tần số lưới điện,

Đặc điểm chung:
Làm việc không phụ thuộc vào nguồn
lưới điện, tần số hoạt động là tùy chọn
và do mạch điều khiển quyết định.

=> Hệ điều khiển phụ thuộc lưới điện

36
=> Hệ điều khiển tần số độc lập

18


2/23/2019

I. Đặc điểm các van bán dẫn công suất
Phần lực sử dụng các van bán dẫn đấu thành mạch thực hiện quá
trình biến đổi năng lượng điện.
Van bán dẫn là một phần tử khi hoạt động chỉ có hai
trạng thái chính:
• Van dẫn dòng: cho dòng điện đi qua nó đưa năng
lượng điện ra tải với sụt áp trên van nhỏ nhất có thể
(lý tưởng bằng 0 )
• Van khoá (không dẫn dòng), không cho dòng điện đi
qua, lý tưởng nếu dòng này bằng không.

37

Các van bán dẫn công suất hiện nay
1.

Van không điều
khiển

Chia ba nhóm chính
3. Nhóm Thyristor
•

Thyristor thường
(1958)

•

GTO (1980)

•

MCT (1988)

•

LTT (1988)

•

TRIAC (1958)

•

IGCT (1996)

Điôt (1955)
2. Nhóm Transistor
•

BT hoặc BJT
(1975)

•

MOSFET (1978)

•

IGBT (1985)

38

19


2/23/2019

Bipolar Transistor lùc (1975)

Trạng thái van của bóng BT loại
n-p-n
• chỉ làm việc với Uce>0
• dẫn dòng nếu Ube>0 ; bão
hoà khi ib ≥ ic/β;
• không dẫn dòng khi Ube ≤ 0;

39

BT - BJT

Hiện nay đã chế tạo được BT với tham số
cao nhất: 1000A x 1000V loại dalinhtơn (4
transistor, sụt áp khi dẫn 4V)

40

20


2/23/2019

3. Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
( MOSFET -1978 )

Trạng thái van
• làm việc với Uds> 0.
• dẫn: Ugs> 0 ; bão hoà tốt nếu Ugs=15V
• khoá Ugs 0
41

Đánh giá về MOSFET
Ưu:

Nhược:

+ điều khiển bằng áp

+ sụt áp khi dẫn lớn (có thể tới
10V)

+ công suất điều khiển nhỏ
+ tham số ít phụ thuộc nhiệt độ
+ có thể không cần điện áp âm ở
trạng thái khóa.

+ Khả năng chịu điện áp ở trạng
thái khóa thấp
+ Van một cực tính

+ tốc độ chuyển mạch nhanh ( có
thể làm việc với tần số hàng trăm
kHz).
Hiện nay đã chế tạo MOSFET:
+ dòng lớn: 1900A x 200V
+ điện áp cao: 900V x 85A
+ loại trung bình: 300A x 300V

42

21


2/23/2019

4. Insulated Gate Bipolar Transistor
(IGBT – 1985 )

Tr¹ng th¸i van:
• lµm viÖc víi Uce>0.
• dÉn : Uge> 0 ; b·o hoµ tèt nÕu Uge=15V
• kho¸ Uge  0 , kho¸ tèt nÕu Uge= -7V
43

Đánh giá về IGBT

Ưu:
• Điều khiển bằng điện áp;
•

Công suất điều khiển nhỏ;

•

Chịu được điện áp khá cao;

•

Sụt áp dẫn nhỏ (2-4V tương đương
một điôt và điện trở nối tiếp);

•

Tham số ít phụ thuộc vào nhiệt độ;

•

Tần số chuyển mạch cao đến 30kHz (
thấp hơn MOSET, nhưng cao hơn các
van họ thyristor và BT-Dalinhtơn)

•

Dễ mắc song song;

•

Công nghệ cho phép nhanh chóng chế
tạo với cấp điện áp và dòng lớn hơn
nữa;

Nhược:
•

Van một cực tính;

•

Cấp điện áp vẫn thấp
hơn họ thyristor;

Hiện nay đã chế tạo IGBT :
+ điện áp cao: 6500V x 600A
+ dòng lớn: 1700V x 3600A
44

22


2/23/2019

5. THYRISTOR ( 1958 )

45

Đặc điểm van Thyristor

Trạng thái van:
•

Khoá cả hai chiều điện áp.

•

Dẫn dòng nếu đảm bảo hai điều kiện
đồng thời;
- điện áp trên thyristor dương.
- có dòng điều khiển Ig.

•

Khoá nếu điện áp âm,

•

trong trường hợp điện áp dương vẫn
có thể khoá van nếu đảm bảo hai điều
kiện nối tiếp :
- giảm dòng qua thyristor dưới giá trị duy
trì.
- trong thời gian van phục hồi tính chất
khoá điện áp trên van không được dương.
46

23

2/23/2019

Tham số chính của thyristor
•
•
•
•
•
•

Itb
Ungmax
Ig
Ug
Uo
Rđ

• tmở
• tkhoá
• du/dt
• di/dt

Sụt áp khi dẫn:

Đánh giá về Thyristor

U = Uo + Ithy Rđ

Ưu

Nhược

• Cấu trúc đơn giản;

• Chịu được điện áp cao;

• Van bán điều khiển
(chỉ đk mở, không đk
khóa);

• Công suất điều khiển
nhỏ;

• Tần số chuyển
mạch thấp

• Sụt áp khi dẫn nhỏ;

• Van hai cực tính.

47

H×nh d¹ng van Thyristor

Hiện đã chế tạo Thyristor:
Cao áp: 12kV x 2360A
Dòng lớn: 8200A x 5kV

Van đĩa 4500V/800A và 4500V/1500A
48

24


2/23/2019

Tham sè øng dông cña c¸c van b¸n dÉn hiÖn ®¹i

49

CHƯƠNG 2. CHỈNH LƯU

Trang 50

25