DTCS.pptx

 Trần Trọng Minh, Giáo trình điện tử công suất , NXB Giáo dục
 Nguyễn Bính, Điện tử công suất, NXB khoa học và kỹ thuật
 Nguyễn Văn Nhờ, Giáo trình điện tử công suất, NXB ĐHQG TPHCM
 Nguyễn Văn Thuấn, Điện tử công suất, HVKTQS
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Chương I: Tổng quan về điện tử công suất
Chương II: Các phần tử bán dẫn công suất
Chương III: Mạch chỉnh lưu
Chương IV: Điều chỉnh điện áp một chiều
Chương V: Các thiết bị điện tử công suất trong mạch xoay chiều
Chương VI: Thiết bị biến tần
NỘI DUNG

TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN
TỬ CÔNG SUẤT

1.1 Giới thiệu chung
1.2 Cấu trúc chung của bộ biến đổi công suất
1.2.1 Khái niệm
1.2.2 Cấu trúc bộ biến đổi công suất
1.2.3 Các phần tử trong bộ biến đổi công suất
1.3 Các linh kiện bán dẫn và các bộ biến đổi cơ bản
1.3.1 Các linh kiện bán dẫn cơ bản
1.3.2 Các bộ biến đổi cơ bản
1.4 Ứng dụng của điện tử công suất
NỘI DUNG

1.1 Giới thiệu chung
Hiện nay rất nhiều thiết bị biến đổi công suất được đề xuất để phục
vụ những yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống. Điện tử công suất đã
giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, các linh kiện
điện tử công suất được sử dụng trong quá trình biến đổi cũng như
điều khiển công suất.
Điện tử công suất đóng vai trò quan trọng trong các mô hình công
nghệ và được thiết kế để điều khiển năng lượng.
Những lĩnh vực liên quan đến điện tử công suất: Điện tử rời rạc,
tương tự, hệ thống năng lượng điện, vi xử lý, vi điều khiển, máy điện,
điều khiển máy điện, máy tính…
TỔNG QUAN VỀ ĐTCS

1.2 Cấu trúc chung của bô biến đổi công suất
1.2.1 Khái niệm
Điện tử công suất là môn học nghiên cứu quá trình biến đổi, điều
khiển các đại lượng đặc trưng năng lượng điện cho phù hợp với tải
như: Dạng điện áp và dòng điện (một chiều DC và xoay chiều AC),
hình dạng điện áp dòng điện (sin, không sin tuần hoàn, xung), giá trị
điện áp, dòng điện (trị trung bình, trị hiệu dụng, biên độ, tần số)

1.2.2 Cấu trúc bộ biến đổi công suất

1.2.2 Các phần tử trong bộ biến đổi công suất
- Các linh kiện bán dẫn công suất.
- Các phần tử như tụ điện, cuộn dây, lõi thép.
- Các phần tử biến đổi điện từ: máy biến áp lực, máy biến áp đo
lường.
- Hệ thống điều khiển: các linh kiện điện tử, hay vi sử lý, DSP
- Hệ thống bảo vệ và tín hiệu báo sự cố.

1.3 Các linh kiện bán dẫn và các bộ biến đổi cơ bản
1.3.1 Các linh kiện bán dẫn cơ bản

- Bộ chỉnh lưu: biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều
- Bộ biến đổi điện áp xoay chiều: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều có
trị hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng
thay đổi được.

- Bộ biến đổi điện áp một chiều: Biến đổi điện áp một chiều có trị
trung bình không đổi thành điện áp một chiều có trị trung bình thay
đổi được.
- Bộ nghịch lưu: Biến đổi năng lượng từ nguồn một chiều không đổi
sang dạng năng lượng xoay chiều

- Bộ biến tần trực tiếp: Biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng
và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng và tần
số thay đổi.
- Bộ biến tần gián tiếp: Chỉnh lưu điện áp xoay chiều ngõ vào, sau đó
chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có trị hiệu
dụng và tần số thay đổi được.

- Với công suất nhỏ hơn 1 W: dùng làm nguồn cho thiết bị công suất
nhỏ như điện thoại.
- Với công suất nhỏ hơn 1kW: dùng làm nguồn cho thiết bị công suất
như máy tính.
- Với công suất từ 1kW-1MW: dùng cho điều khiển máy điện, lò cao
tần, hệ thống nạp acquy, hệ thống chiếu sáng, bù công suất phản
kháng
- Với công suất 1000MVA: dùng cho truyền tải điện DC đi xa

CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN
CÔNG SUẤT

2.1 Tổng quan
2.2 Mặt ghép P – N
2.3 Diode công suất
2.4 Transistor công suất
2.5 Thyristor
2.6 Triac
NỘI DUNG

2.1 Tổng quan
Các linh kiện bán dẫn công suất trong lĩnh vực điện tử công suất
có hai chức năng cơ bản: đóng và ngắt dòng điện đi qua nó. Trạng
thái linh kiện dẫn điện (đóng) là trạng thái linh kiện có tác dụng như
một điện trở rất nhỏ (gần bằng không). Trạng thái linh kiện không
dẫn điện (ngắt) là trạng thái linh kiện có tác dụng trong mạch như
một điện trở lớn vô cùng.
Linh kiện bán dẫn hoạt động với hai chế độ làm việc đóng và
ngắt dòng điện được xem là lý tưởng nếu ở trạng thái dẫn điện nó có
độ sụt áp bằng không và ở trạng thái không dẫn điện (ngắt), dòng
điện qua nó bằng không.
Linh kiện bán dẫn bao gồm hai loại: Linh kiện bán dẫn điều khiển
được và linh kiện bán dẫn không điều khiển được.
CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CƠ BẢN

2.1 Tổng quan
Linh kiện bán dẫn điều khiển được là những linh kiện bán dẫn có
thể chuyển đổi trạng thái làm việc từ trạng thái không dẫn điện (ngắt)
sang trạng thái dẫn điện (đóng) và ngược lại thông qua tác dụng kích
thích của tín hiệu lên cổng điều khiển của linh kiện. Tín hiệu điều
khiển có thể tồn tại dưới dạng dòng điện hay điện áp. Ví dụ BJT,
MOSFET, IGBT, GTO, IGCT,MCT, MT SCR, TRIAC.
Linh kiện bán dẫn không điều khiển được là những linh kiện
không có cổng điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc của
linh kiện xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất. Ví dụ: diode,
diac.

2.2 Mặt ghép P – N
Mặt ghép P – N là cơ sở của điện tử học hiện đại.
Tại mặt ghép này xảy ra hiện tượng khuếch tán. Các lỗ trống ở
vùng P có xu hướng chuyển động khuếch tán sang vùng N, cùng lúc,
vùng P lại nhận các điện tử từ vùng N chuyển sang. Kết quả là tại
chuyển tiếp P– N, vùng P tích điện âm và vùng N tích điện dương.

Trong vùng chuyển tiếp hình thành một điện trường cục bộ, ký
hiệu là , có chiều từ vùng N hướng về vùng P như hình 2.2. Điện
trường này ngăn cản sự di chuyển của điện tích đa số (điện tử của
vùng N và lỗ trống của vùng P) và làm dễ dàng sự dịch chuyển của
điện tích thiểu số. Sự di chuyển của điện tích thiểu số hình thành
dòng ngược còn gọi là dòng rò.

Khi mặt ghép P –N được phân cực thuận, nghĩa là vùng P được
nối với dương nguồn, vùng N được nối với âm nguồn, chiều của điện
trường ngoài E ngược với chiều của điện trường Ei mà E lại lớn hơn
rất nhiều so với Ei dẫn đến điện trường tổng hợp làm dễ dàng cho sự
di chuyển của điện tích đa số , các điện tích tái chiếm vùng chuyển
tiếp, khiến nó trở thành dẫn điện.

Ngược lại, khi mặt ghép P – N được phân cực ngược, nghĩa là
vùng P được nối với âm nguồn, vùng N được nối với dương nguồn,
như hình 2.4, chiều của điện trường ngoài E cùng chiều với điện
trường Ei. Khi đó, điện trường tổng hợp cản trở sự di chuyển của điện
tích đa số. Các điện tử của vùng N chạy thẳng về cực dương của
nguồn E, khiến cho điện thế vùng N đã cao lại càng cao hơn. Vùng
chuyển tiếp lại càng rộng ra.

2.3 Diode công suất
2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Diode là linh kiện bán dẫn ứng dụng trong điện tử công suất có
cấu tạo đơn giản nhất, bao gồm 2 điện cực Anode (A) và Cathode (K)
và có chứa một lớp tiếp xúc p-n. Diode là một linh kiện bán dẫn
không điều khiển.

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Khi điện cực dương của nguồn điện được gắn vào Anode và cực
âm được gắn vào Cathode ta có tiếp xúc phân cực thuận, diode dẫn.
Ngược lại, khi điện cực âm của nguồn điện được gắn vào Anode và
cực dương được gắn vào Cathode ta có tiếp xúc phân cực ngược,
diode khóa.
DIODE CÔNG SUẤT

2.3.2 Ký hiệu và sơ đồ kết nối
DIODE CÔNG SUẤT

2.3.3 Đặc tính V – A
DIODE CÔNG SUẤT

2.3.3 Đặc tính làm việc
Đặc tính V – A được chia thành 3 vùng :
Vùng phân cực thuận: Khi 0<VD<VTD ( VD ≈ 0.7 với bán dẫn
Silic, VD ≈ 0.3 đối với Ge): Diode bắt đầu dẫn dòng điện qua diode
rất nhỏ. Khi VD>VTD dòng điện tăng nhanh và diode đạt trạng thái
dẫn điện ổn định. VTD gọi là điện áp đóng.
Vùng phân cực ngược: Khi VD<0, dòng điện qua diode giảm dần
về 0, dòng điện qua diode không tắt ngay và tiếp tục dẫn theo chiều
ngược lại với tốc độ giảm ban đầu. Sau một thời gian ngắn, khả
năng dẫn điện theo chiều nghịch bị mất. Diode ngắt.
Vùng đánh thủng: Khi VD<-VBR, với VBR là điện áp đánh thủng
(Breakdown voltage), làm cho diode bị phá hủy.
DIODE CÔNG SUẤT

2.3.4 Đặc tính chuyển mạch của diode
DIODE CÔNG SUẤT

Khi tác động lên diode một điện áp xoay chiều, trong nửa chu kì
dương của điện áp nguồn, diode được phân cực thuận, cho dòng
chảy qua, ta nói diode ở chế độ bão hòa S. Trong nửa chu kỳ âm,
diode bị phân cực ngược, trở thành vật cách điện, ta nói diode ở chế
độ khóa B. Việc chuyển từ chế độ này sang chế độ kia không thể
được thực hiện một cách tức khắc.
DIODE CÔNG SUẤT

Từ chế độ S sang chế độ B:
Khi được đặt dưới điện áp dương (phân cực thuận), nhiều điện tử
từ vùng N vượt qua mặt ghép sang vùng P để đến cực dương của
nguồn. Nếu bỗng nhiên diode bị đặt dưới điện áp âm (phân cực
nghịch), các điện tử đang có mặt tại vùng P phải quay trở về vùng
N, sự di động quay trở về này của các điện tử làm nên dòng ngược
chảy qua diode trong khoảng thời gian ngắn, nhưng cường độ lớn
hơn nhiều so với dòng điện bình thường. Cường độ dòng điện này
ban đầu lớn, sau suy giảm và sau một khoảng thời gian được ký hiệu
là toff nó giảm xuống gần bằng 0.
DIODE CÔNG SUẤT

Từ chế độ B sang chế độ S:
Đang ở chế độ khóa, dòng điện ngược rất nhỏ,không đáng kể,
nếu diode bỗng nhiên bị đặt dưới điện áp thuận, dòng i cũng không
thể ngay tức khắc đạt giá trị U/R mà phải sau một khoảng thời gian
ton để cả điện tích đa số đồng loạt di động.
DIODE CÔNG SUẤT

Nhận xét:
Khi điện áp nguồn biến thiên với tần số cao (f > 100Hz ) diode sẽ
không còn chế độ khóa nữa.
DIODE CÔNG SUẤT

2.3.5 Những thông số cơ bản của diode
- Dòng điện định mức : Dòng điện thuận cực đại chạy qua diode mà
không làm cho nhiệt độ của nó vượt quá nhiệt độ cho phép.
- Điện áp định mức: Điện áp ngược cực đại mà nó chịu đựng được
- Điện áp thuận: Là điện áp giữa hai đầu cực A – K khi diode dẫn.
- Dòng điện ngược: dòng điện qua diode khi điện áp ngược nhỏ hơn
điện áp đánh thủng.
DIODE CÔNG SUẤT

2.4 Transistor công suất
2.4.1 Transistor lưỡng cực (BJT)
a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
TRANSISTOR CÔNG SUẤT

Một số hình ảnh transistor thực tế
TRANSISTOR LƯỠNG CỰC

Nguyên lý hoạt động

Đặc tính V – A

- Vùng tuyến tính: là vùng mà transistor hoạt động ở chế độ khuếch
đại tín hiệu, tương ứng với giá trị và giá trị được tính như sau:
- Vùng bão hòa: Dòng IB lớn, điện áp VCE nhỏ và BJT hoạt động như
một khóa đóng. Cả hai lớp tiếp xúc đều phân cực thuận Collector –
Base và Base – Emitter.
- Vùng nghịch: Đặc tính ra với thông số IB=0 nằm trong vùng này.
Transistor ở chế độ ngắt. Dòng Base không đủ lớn để đóng BJT. Cả
hai lớp tiếp xúc đều phân cực ngược.

Các thông số cơ bản:
- Điện áp định mức: phụ thuộc vào điện áp đánh thủng các lớp bán
dẫn và xác định bởi giá điện áp cực đại đặt lên lớp collector-emitter
khi IB=0 và giá trị cực đại điện thế lớp emitter-base khi IC=0
- Dòng điện định mức: giá trị cực đại của dòng collector, dòng emitter
và dòng kích.
- Công suất tổn hao: công suất tổn hao tạo nên trong hoạt động của
transistor không được phép làm nóng bán dẫn vượt quá giá trị nhiệt
độ cho phép .

2.4.2 Transistor trường công suất (MOSFET)
- Loại transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng
ngắt thấp với cổng điều khiển bằng điện áp.
TRANSISTOR TRƯỜNG CÔNG SUẤT

- MOSFET đòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ
kích đóng nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp. Tuy nhiên, MOSFET
có điện trở khi dẫn điện lớn.
- Đặc tính V-A linh kiện loại n được mô tả như trên hình vẽ, có dạng
tương tự với đặc tính V-A của BJT. Điểm khác biệt là tham số điều
khiển là điện áp kích thay cho dòng điện kích .
TRANSISTOR TRƯỜNG CÔNG SUẤT

2.4.3 IGBT
- IGBT là transistor công suất hiện đại, chế tạo trên công nghệ VLSI,
cho nên kích thước gọn nhẹ. Nó có khả năng chịu được điện áp và
dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện.
IGBT

- IGBT có phần tử MOS với cổng cách điện được tích hợp trong cấu
trúc của nó. Giống như thyristor và GTO, nó có cấu tạo gồm hai
transistor. Việc điều khiển đóng và ngắt IGBT được thực hiện nhờ
phần tử MOSFET đấu nối giữa hai cực transistor npn.
- Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào
cổng kích G. Đặc tính V-A của IGBT có dạng tương tự như đặc tính
V-A của MOSFET.
.
IGBT

2.5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn p-n-p-n. SCR có 3: cực Anod
A, Catot K và cực điều khiển G.
.
THYRISTOR

Hình dạng Thyristor thực tế:
.
THYRISTOR

Nguyên tắc hoạt động
.
THYRISTOR

Nguyên tắc hoạt động
- Khi công tắc K2 đóng, SCR mặc dù được phân cực thuận nhưng vẫn
không có dòng điện chạy qua, đèn không sáng.
- Khi K1 đóng, điện áp U1 được cấp vào chân G làm Q2 dẫn, dẫn tới
Q1 cũng dẫn và đèn sáng.
- Tiếp theo, ngắt khóa K1, đèn vẫn sáng, đèn tắt khi ngắt khóa K2.
THYRISTOR

.
THYRISTOR

Đặc tính V – A của SCR gồm 4 đoạn:
- Đoạn 1 ứng với trạng thái khóa của SCR, chỉ có dòng điện dò chảy
qua SCR.
- Đoạn 2 ứng với giai đoạn phân cực thuận của . Trong giai đoạn này
mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn
của điện áp đặt trên SCR. Đoạn 2 còn được gọi là đoạn điện trở âm.
THYRISTOR

- Đoạn 3 ứng với trạng thái mở của SCR. Khi này cả 3 mặt ghép đã trở
thành dẫn điện. Dòng điện chảy qua SCR chỉ còn bị hạn chế bởi điện
trở mạch ngoài. Điện áp rơi trên SCR rất nhỏ, khoảng 1V.
- Đoạn 4 ứng với trạng thái SCR bị đặt dưới điện áp ngược. Dòng điện
ngược rất nhỏ, khoảng vài chục mA.
THYRISTOR

2.6 Triac
- Triac là phần tử bán dẫn ba cực, bốn lớp có đường đặc tính V – A
đối xứng. Triac có thể coi như là hai thyristor đấu song song ngược,
vì vậy, triac có thể dẫn dòng điện theo cả hai chiều.
TRIAC

.
TRIAC

DTCS.pptx

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to DTCS.pptx

Similar to DTCS.pptx (20)

DTCS.pptx