Giáo trình mô đun Điện tử công suất - Ngành/nghề: Điện công nghiệp
BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI
GIÁO TRÌNH
MÔ ĐUN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
( Áp dụng cho Trình độ Cao đẳng)
LƯU HÀNH NỘI BỘ
NĂM 2017
1
LỜI GIỚI THIỆU
Điện tử công nghiệp ngày nay không chỉ bó hẹp trong lĩnh vực công nghiệp mà còn có
mặt ở hầu hết các lĩnh vực kinh tế khác nhau, khi chúng ta phấn đấu xây dựng một nền kinh tế
theo phương thức công nghiệp hóa. Vì vậy Bài giảng điện tử công suất không thể thiếu được
trong quá trình nghiên cứu học tập của mô đun.
Hiện nay có rất nhiều tài liệu điện tử công suất tuy nhiên lại không phù hợp với học
sinh, sinh viên học nghề. Như vậy với mục đích để học sinh, sinh viên học nghề có thể dễ
dàng tiếp cận tôi viết bài giảng náy. Bài giảng “ Điện tử công suất” gồm 5 bài:
Bài 1: Các linh kiện điện tử công suất
Bài 2: Bộ chỉnh lưu
Bài 3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều
Bài 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều
Bài 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần
Mỗi bài sẽ đề cập tới các nội dung kiến thức cơ bản, các ví dụ minh hoạ và các
bài tập điều khiển thực tế để học sinh, sinh viên có thể hiểu rõ hơn. Dù đã cố gắng
nhưng không thể tránh khỏi sai sót. Vì vậy tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến
chân thành của đồng nghiệp và các bạn đọc.
Xin chân thành cảm ơn
Lào Cai, ngày …..tháng …..năm……
Tham gia biên soạn
Chủ biên: Phạm Thị Huê
2
MỤC LỤC
Bài1: Các linh kiện điện tử công suất
1
2
4
4
1. Phân lọai
2. Diode
4
3. Transistor
7
4. Thyristor SCR, Diac, Triaac
5. Gate Turn off Thyristor GTO
10
13
Bài 2: Bộ chỉnh lưu
19
19
32
44
1. Bộ chỉnh lưu một pha
2. Bộ chỉnh lưu ba pha
3. Các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu
3
4
Bài 3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều
1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha
2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha
54
54
60
Bài 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều
1. Bộ giảm áp
62
62
69
75
2. Bộ tăng áp
3. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều
5
Bài 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần
1. Bộ nghịch lưu áp một pha
78
78
81
83
84
87
89
2. Phân tích bộ nghịch lưu áp ba pha
3. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp
4. Bộ nghịch lưu dòng điện
5. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu dòng
6. Bộ biến tần gián tiếp, trực tiếp
3
Bài 1:
CÁC LINH KIỆN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
1. Phân loại linh kiện điện tử công suất
+ Để thực hiện các ngắt ngắt điện điện tử có thể dung nhiều linh kiện hay
nhóm linh kiện điện tử chịu được áp cao, dòng lớn, làm việc trong 2 chế độ:
- Dẫn điện hay bão hòa (ON) sụt áp qua kênh dẫn điện rất bé, dòng phụ
thuộc vào tải.
- Khóa (OFF) dòng qua nó rất bé (≈ 0) kênh dẫn điện như hở mạch.
Các linh kiện chính: Điode, Transisstor BJT, Transistor MOSFET, Transistor
IGBT, Thyristor SCR, Triac, Gate Turn Off Thyristor GTO.
2. Diode
Điôt là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n. Điôt có
hai cực, anôt A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p, catôt K là cực nối với lớp bán
dẫn kiểu n. Dòng điện chỉ chạy qua điôt theo chiều từ A đến K khi điện áp UAK
dương. Khi UAK âm, dòng qua điôt gần như bằng không. Cấu tạo và ký hiệu của
điôt nh- trên hình 1.1
2.1 Cấu tạo
Tiếp giáp bán dẫn p-n là bộ phận cơ
bản trong cấu tạo của một điôt. Ở nhiệt
độ môi trường, các điện tử tự do trong
lớp bán dẫn n khi khuếch tán sang lớp
bán dẫn p sẽ bị trung hoà bởi các ion
a)
b)
dương ở đây. Do các điện tích trong
vùng tiếp giáp tự trung hoà lẫn nhau
nên vùng này trở nên nghèo điện tích,
hay là vùng có điện trở lớn. Tuy nhiên
vùng nghèo điện tích này chỉ mở rộng
Hình: 1.1
a) Cấu tạo; b) Ký hiệu
ra đến một độ dày nhất định vì ở bên vùng n khi các điện tử di chuyển đi sẽ để
lại các ion dương, còn bên vùng p khi các điện tử di chuyển đến sẽ nhập vào lớp
các điện tử hoá trị ngoài cùng, tạo nên các ion âm. Các ion này nằm trong cấu
trúc tinh thể của mạng tinh thể silic nên không thể di chuyển được. Kết quả tạo
thành một tụ điện với các điện tích âm ở phía lớp p và các điện tích dương ở
phía lớp n. Các điện tích của tụ này tạo nên một điện trường E có hướng từ vùng
n sang vùng p, ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các điện tử từ vùng n sang
4
vùng p. Điện trường E cũng tạo nên một rào cản Uj với giá trị không đổi ở một
nhiệt độ nhất định, khoảng 0,65V đối với tiếp giáp p-n trên tinh thể silic ở nhiệt
độ 250C (hình 1.2).
Các điôt công suất được chế tạo chịu được một giá trị điện áp ngược nhất
định. Điều này đạt được nhờ một lớp bán dẫn n- tiếp giáp với lớp p, có cấu tạo
giống như lớp n, nhưng ít điện tử tự do hơn.
Khi lớp tiếp giáp p - n-
được đặt dưới tác dụng của
điện áp bên ngoài, nếu điện
trường ngoài cùng chiều với
điện trường E thì vùng nghèo
điện tích sẽ mở rộng sang
vùng n- điện trở tương đương
U j
của điôt càng lớn và dòng điện
Hình: 1.2. Sự tạo thành điện thế rào cản trong
tiếp giáp p-n
không thể chạy qua. Toàn bộ
điện áp ngoài sẽ rơi trên vùng
nghèo điện tích. Ta nói rằng
điôt bị phân cực ngược.
n-
n-
a)
b)
Hình: 1.3. Sự phân cực của điôt công suất: a) Phân cực ngược; b) Phân cực thuận
2.2 Đặc tính vôn-ampe của điôt:
Một số tính chất của điôt trong quá trình làm việc có thể được giải thích
thông qua việc xem xét đặc tính vôn-ampe của điôt trên hình 1.4a. Đặc tính gồm
hai phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư I tương ứng với UAK > 0, đặc
tính ngược nằm trong góc phần tư III tương ứng với UAK < 0.
Trên đường đặc tính thuận, nếu điện áp anôt-catôt tăng dần từ 0 đến khi
vượt qua ngưỡng điện áp UD0 cỡ 0,6 – 0,7 V, dòng có thể chảy qua điôt. Dßng
điện ID có thể thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên ®iôt UAK hầu như ít thay
5
đổi. Như vậy đặc tính thuận của điôt đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương
đương nhỏ.
Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị
Ung.max, gọi là điện áp ngược lớn nhất thì dòng điện qua điôt vẫn có giá trị rất
nhỏ, gọi là dòng rò, nghĩa là điôt cản trở dòng điện theo chiều ngược. Cho đến
khi UAK đạt đến giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dòng qua điôt tăng đột ngột,
tính chất cản trở dòng điện ngược của điôt bị phá vỡ. Quá trình này không có
tính đảo ngược, nghĩa là nếu lại giảm điện áp trên anôt-catôt thì dòng điện vẫn
không giảm. Ta nói điôt đã bị đánh thủng.
Trong thực tế, để đơn giản cho việc tính toán, người ta thường dïng đặc
tính khi dẫn dòng, tuyến tính hoá điôt như được biểu diễn trên hình 1.4b. Đặc
tính này có thể biểu diễn qua công thức:
uDU D.0rD.I D
U
ID
Trong đó: rD
là điện trở tương đương của điôt khi dẫn dòng.
Đặc tính vôn-ampe của các điôt thực tế sẽ khác nhau, phụ thược vào dòng
điện cho phép chạy qua điôt và điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu được.
Tuy nhiên để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng cho trên
hình 1.4c được sử dụng nhiều hơn cả. Theo đặc tính lý tưởng, điôt có thể cho
một dòng điện bất kỳ chạy qua với sụt áp trên nó bằng 0. Nghĩa là, theo đặc tính
lý tưởng, điôt có điện trở tương đương khi dẫn bằng 0 và khi khoá bằng .
iD
iD
Ung. max
UD.0
UD.0
UD.0
Hình 1.4. Đặc tính vôn-ampe của điôt:
a) Đặc tính thực tế; b) Đặc tính tuyến tính; c) Đặc tính lý tưởng
cảm.
3. Transistor - BJT (Bipolar Junction Tranzitor)
6
3.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của BJT
Tranzito là phần tử
bán dẫn có cấu trúc bán dẫn
gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p
(bóng thuận) hoặc n-p-n
n-
(bóng ngược), tạo nên hai
tiếp giáp p-n. Cấu trúc này
thường được gọi là Bipolar
Junction Tranzitor (BJT) vì
dòng điện chạy trong cấu
trúc này bao gồm cả hai loại
b)
a)
Hình 1.5. a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu
điện tích âm và dương.
Tranzito có ba cực: Bazơ (B), colectơ (C) và emitơ (E). BJT công suất thường là
loại bóng ngược. Cấu trúc tiêu biểu và ký hiệu trên sơ đồ của một BJT công suất
được biểu diễn trên hình 1.11, trong đó lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh
thủng của tiếp giáp B-C và do đó của C-E.
Trong chế độ tuyến tÝnh hay còn gọi là chế độ khuếch đại, tranzito là phần tử
khuếch đại dòng điện với dòng colectơ IC bằng lần dòng bazơ (dòng điều
khiển), trong đó được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện. IC = .IB
Tuy nhiên, trong điện tử công suất, tranzito chỉ được sử dụng như một
phần tử khoá. Khi mở dòng điều khiển phải thoả mãn điều kiện:
IC
IC
IB
hay IB kbh
Trong đó: kbh = 1,2 1,5 gọi là hệ số bão hoà. Khi đó tranzito sẽ ở trong chế độ
bão hoà với điện áp giữa colectơ và emitơ rất nhỏ, cỡ 1 – 1,5 V, gọi là điện áp
bão hoà, UCE.bh
.
Khi khoá, dòng điều khiển IB bằng không, lúc đó dòng colectơ gần bằng
không, điện áp UCE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối
tiếp với tranzito.
Tổn hao công suất trên tranzito bằng tích dòng điện colectơ với điện áp
rơi trên colectơ-emitơ, sẽ có giá trị rất nhỏ trong chế độ khoá.
Trong cấu trúc bán dẫn của BJT ở chế độ khoá, cả hai tiếp giáp B-E và B-
C đều bị phân cực ngược. Điện áp đặt giữa colectơ-emitơ sẽ rơi chủ yếu trên
vùng trở kháng cao của tiếp giáp p-n-. Độ dày và mật độ điện tích của lớp n- xác
định khả năng chịu điện áp của cấu trúc BJT. Tranzito ở chế độ tuyến tính nếu
7
tiếp giáp B-E phân cực thuận và tiếp giáp B-C phân cực ngược. Trong chế độ
tuyến tính, số điện tích dương đưa vào cực Bazơ sẽ kích thích các điện tử từ tiếp
giáp B-C thâm nhập vào vùng bazơ, tại đây chúng được trung hoà hết, kết quả là
tốc độ trung hoà quyết định dòng colectơ tỷ lệ với dòng bazơ, IC = .IB. Tranzito
ở trong chế độ bão hoà nếu cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực
thuận. Các điện tử sẽ thâm nhập vào đầy vùng bazơ, vùng p, từ cả hai tiếp giáp
B-E và B-C, và nếu các điện tích dương được đưa vào cực bazơ có số lượng dư
thừa thì các điện tích sẽ không bị trung hoà hết, kết quả là vùng bazơ có điện trở
nhỏ, dòng điện có thể chạy qua. Cũng do tốc độ trung hoà điện tích không kịp
nên tranzito không còn khả năng khống chế dòng điện được nữa và giá trị dòng
điện sẽ hoàn toàn do mạch ngoài quyết định. Đó là chế độ mở bão hoà.
3.2. Đặc tính đóng cắt của transistor
uB (t)
UB1
+ Un
Rt
UB2
CBC
0,7V
uBE (t)
iC (t)
C
RB
UB2
uB (t)
UB1
UB2
B
iB1(t)
iB (t)
iB(t)
E
CBE
iB2 (t)
uCE (t)
+ Un
a)
IC.bh
iC (t)
b)
Hình 1.6. Quá trình đóng cắt BJT: a) Sơ đồ ; b) Dạng dòng điện, điện áp
Chế độ đóng cắt của tranzito phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa các
tiếp giáp B-E và B-C, CBE và CBC. Ta phân tích quá trình đóng cắt của một
tranzito qua sơ đồ khoá trên hình 1.12a, trong đó tranzito đóng cắt một tải thuần
trở Rt dưới điện áp +Un điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ -UB2 đến +UB1 và
ngược lại. Dạng sóng dòng điện, điện áp cho trên hình 1.12b.
a. Quá trình mở
8
Theo đồ thị hình 1.12, trong khoảng thời gian (1) BJT đang trong chế độ
khoá với điện áp ngược –UB2 đặt lên tiếp giáp B-E. Quá trình mở BJT bắt đầu
từ khi tín hiệu điều khiển nhảy từ -UB2 lên mức UB1. Trong khoảng (2), tụ đầu
vào, giá trị tương đương bằng Cin = CBE + CBC, nạp điện từ điện áp -UB2 đến UB1.
Khi UBE còn nhỏ hơn không , chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với IC và UCE. Tụ
Cin chỉ nạp đến giá trị ngưỡng mở U* của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 – 0,7V, bằng điện
áp rơi trên điôt theo chiều thuận, thì quá trình nạp kết thúc. Dòng điện và điện áp
trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi UBE vượt quá giá trị không ở đầu giai đoạn (3).
Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ khi mở, td(on) của BJT.
Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ emitơ thâm nhập vào vùng
bazơ, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dòng colêctơ. Các điện tử thoát ra
khỏi colêctơ càng làm tăng thêm các điện tử đến từ emitơ. Quá trình tăng dòng
IC, IE tiếp tục xảy ra cho đến khi trong bazơ đã tích luỹ đủ lượng điện tích dư
thừa ∆QB mà tốc độ tự trung hoà của chúng đảm bảo một dòng bazơ không đổi:
UB1 - U*
IB1
RB
Tại điểm cộng fòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.12a, ta có:
IB1 iC.BE iC.BC iB
Trong đó:
iC.BE là dòng nạp của tụ CBE,
iC.BC là dòng nạp của tụ CBC,
iB là dòng đầu vào của tranzito, iC = β.iB.
Dòng colectơ tăng dần thưo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là
∞) = β.I
IC( B1. Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3) thì dòng IC đã đạt đến giá trị
bão hoà, IC.bh, BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện iC = β.iB không còn tác
dụng nữa. Trong chế độ bão hoà cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực
thuận. V× khi làm việc với tải trở trên colectơ nên điện áp trên colectơ – emitơ
UCE cũng giảm theo cùng tốc độ với sự tăng của dòng IC. Khoảng thời gian (3)
phụ thuộc vào độ lớn của dòng IB1, dòng này càng lớn thì thời gian này càng
ngắn.
Trong khoảng (4), điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hoà
cuối cùng, xác định bởi biểu thức:
UCE.bh = Un – IC.bh.Rt
9
Thời gian (4) phụ thuộc quá trình suy giảm điện trở của vùng n- và phụ
thuộc cấu tạo của BJT.
Trong giai đoạn (5), BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hoà.
b. Quá trình khoá BJT
Trong thời gian BJT ở trong chế độ bão hào, điện tích tích tụ không chỉ
trong lớp bazơ mà cả trong lớp colectơ. Tuy nhiên những biến đổi bên ngoài hầu
như không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của khoá.
Khi điện áp điều khiển thay đổi từ UB1 xuống –UB2 ở đầu giai đoạn (6),
điện tích tích luỹ trong lớp bán dẫn không thể thay đổi ngay lập tức được. Dòng
IB ngay lập tức sẽ có giá trị:
UB2 U*
IB2
RB
Lúc đầu các điện tích được di chuyển ra ngoài bằng dòng không đổi IB2.
Giai đoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích trong tiếp
giáp bazơ – colectơ giảm về bằng không và tiếp theo tiếp giáp này bắt đầu bị
phân cực ngược. Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khoá, td(off)
.
Trong khoảng (7), dòng colectơ IC bắt đầu giảm về không, điện pá UCE sẽ
tăng dần tới giá trị +Un. Trong khoảng này BJT làm việc trong chế độ tuyến
tính, trong đó dòng IC tỷ lệ với dòng bazơ. Tụ CBC bắt đầu nạp tới giá trị điện áp
ngược, bằng –Un. Lưu ý rằng trong giai đoạn này, tại điểm cộng dòng điện tại
bazơ trên sơ đồ hình 1.6a, ta có: IB2 = iC.BC - iB
trong đó iC.BC là dòng nạp của tụ CBC; iB là đòng đầu vào của tranzito. Từ đó có
thể thấy quy luật iC = β.iB vẫn được thực hiện. Tiếp giáp B-E vẫn được phân cực
thuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược. Đến cuối khoảng (7) tranzito mới khoá
lại hoàn toàn.
Trong khoảng (8), tụ bazơ – emitơ tiếp tục nạp tới điện áp ngược –UB2.
Tranzito ở chế độ khoá hoàn toàn trong khoảng (9).
4. Thysistor SCR, Diac, Triac
4.1. Tiristo là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp
giáp p-n: J1, J2, J3. Tiristo có ba cực: anôt A, catôt K, cực điều khiển G như được
biểu diễn trên hình 1.10.
10
J3
J2
Q1
Q2
n+
J1
Hình 1.10. Tiristo: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu
Đặc tính vôn-ampe của tiristo:
Đặc tính vôn-ampe của tiristo gồm hai phần (hình 1.11). Phần thứ nhất
nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp
UAK > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược,
tương ứng với trường hợp UAK < 0.
1. Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0)
Khi dòng vào cực điều khiển của tiristo bằng 0 hay khi hở mạch cực điều
khiển tiristo sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp
giữa anôt-catôt. Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của tiristo, hai tiếp
giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy tiristo sẽ giống
như hai điôt mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua tiristo chỉ có một dòng điện
nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất
Ung.max sẽ xảy ra hiện tượng tiristo bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất
lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điôt, quá trình bị đánh thủng là quá
trình không thể đảo ngược, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức
Ung.max thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò. Tiristo đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp anôt-catôt theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có
một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch
anôt-catôt vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân
cực ngược. Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max
,
sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương của mạch anôt-catôt đột ngột giảm,
dòng điện chạy qua tiristo sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. Nếu khi
đó dòng qua tiristo lớn hơn mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đó
tiristo sẽ dẫn dòng trên đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở điôt.
Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính dẫn dòng có thể có giá trị
lớn nhưng điện áp rơi trên anôt-catôt nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá
trị của dòng điện.
11
iV
IG3 IG2 IG1
idt
Ung.max
U
v.thUth.max
Hình 1.11. Đặc tính vôn-ampe của tiristo
2. Trường hợp có dòng vào cực điều khiển (IG > 0)
Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catôt, quá trình
chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi
điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth.max. Được mô tả trên hình 1.6 bằng
những đường nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3,…
Nói chung, nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ
xảy ra với UAK nhỏ hơn.
Quá trình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có gì khác so với
trường hợp dòng điều khiển bằng 0.
4.2 Triac
Triac là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm năm lớp, tạo nên cấu
trúc p-n-p-n thể hiện trên hình 1.8a. Triac có ký hiện trên sơ đồ như hình 1.8b,
có thể dẫn dòng theo cả hai chiều T1 và T2. Về nguyên tắc, triac hoàn toàn có thể
coi tương đương với hai tiristo đấu song song ngược như trên hình 1.13c.
T2
T2
n
p
n
G
p
n
G
n
T1
b)
T1
c)
a)
Hình 1.13. Triac:
12
a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu;
c) Sơ đồ tương đương với hia tiristo song song ngược
Đặc tính vôn-ampe của triac bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ
I và thứ III, mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một tiristo như được
biểu diễn trên hình 1.14a.
Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều
hoặc các công tắc tơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ.
i
Iv
A
0
T2
I
G2 IG1
IG3
R
Idt
T
1
G
u
uv.th uth.max
b)
a)
Hình 1.14. a) Đặc tính vôn-ampe;
b) Điều khiển triac bằng dòng điều khiển âm
5. Thysistor khóa được bằng cực điều khiển – GTO (Gate Turn-off Thyistor)
Tiristo thường, được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ chỉnh lưu, từ công
suất nhỏ vài kW đến công suất cực lớn, vài trăm MW. Đó là vì trong các sơ đồ
chỉnh lưu, tiristo có thể khoá lại một cách tự nhiên dưới tác dụng của điện áp
lưới, điện áp chỉnh lưu có thể điều chỉnh bằng cách chủ động thay đổi thời điểm
mở của các tiristo. Tuy nhiên với các ứng dụng trong các bộ biến đổi xung áp
một chiều hoặc các bộ nghịch lưu, trong đó các van bán dẫn luôn bị đặt dưới
điện áp một chiều thì điều kiện để khoá tự nhiên sẽ không còn nữa. Khi đó việc
dùng các tiristo thường sẽ cần đến các mạch chuyển mạch cưỡng bức rất phức
tạp, gây tổn hao lớn về công suất, giảm hiệu suất của các bộ biến đổi.
Các GTO như tên gọi của nó, nghĩa là khoá lại được bằng cực điều khiÓn,
có khả năng về đóng cắt các dòng điện rất lớn, chịu được điện áp cao giống như
tiristo, là một van điều khiển hoàn toàn, có thể chủ động cả thời điểm khoá dưới
tác động của tín hiệu điều khiển. Việc ứng dụng các GTO đã phát huy ưu điểm
cơ bản của các phần tử bán dẫn, đó là khả năng đóng cắt dòng điện lớn nhưng lại
được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ.
13
A
Cấu trúc bán dẫn của
GTO phức tạp hơn so với
tiristo (hình 1.15). Ký hiệu
của GTO cũng chỉ ra tính
chất điều khiển hoàn toàn
của nó. Đó là dòng điện đi
vào cực điều khiển để mở
GTO, còn dòng điện đi ra
khỏi cực điều khiển dùng để
di chuyển các điện tích ra
khỏi cấu trúc bán dẫn của
nó, nghĩa là để khoá GTO
lại.
A
p+
p+
p+
p+
n+
n+
n
n+
J1
J2
J3
p
n+
n+
a)
n+
G
G
K
K
b)
Hình 1.15. GTO: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu
Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, anôt được bổ sung các lớp n+. Dấu
(+) ở bên cạnh chỉ ra rằng mật độ các điện tích tương ứng, các lỗ hoặc điện tử,
được làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của các vùng này.
Cực điều khiển vẫn được nối vào lớp p thứ ba nhưng được chia nhỏ ra và phân
bố đề so với lớp n+ của catôt.
Khi chưa có dòng điều khiển, nếu anôt có điện áp dương hơn so với catôt
thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa, giống như trong cấu trúc của
tiristo. Tuy nhiên nếu catôt có điện áp dương hơn so với anôt thì tiếp giáp p+-n ở
sát anôt sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp rất thấp, nghĩa là GTO không thể chịu
được điện áp ngược.
GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống
như ở tiristo thường. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì
ở GTO cao hơn ở tiristo thường. Do đó dòng điều khiển phải có biên độ lớn hơn
và duy trì trong thời gian dài hơn để dòng qua GTO kịp vượt xa giá trị dòng duy
trì. Giống như ở tiristo thường, sau khi GTO đã dẫn thì dòng điều khiển không
còn tác dụng. Như vậy có thể mở GTO bằng các xung ngắn, với công suất
không đáng kể.
Để khoá GTO, một xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển. Khi
van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn các điện tích sinh ra do
tác dụng của hiệu ứng bắn phá “vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các
điện tử di chuyển từ catôt, vùng n+, đến anôt, vùng p+, tạo nên dòng anôt. Bằng
cách lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện sẽ
14
bị co hẹp và bị ép về phía vùng n+ của anôt và vùng n+ của catôt. Kết quả là
dòng anôt sẽ bị giảm cho đến khi về đến không. Dòng điều khiển được duy trì
một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khoá.
Bài tập thực hành
Lắp và khảo sát mạch điện dùng SCR điều khiển động cơ
* Mạch điện 1
L
D
R1
220V
SCR
VR
C
R3
R4
* Nguyên lý làm việc:
Giả sử ở nửa chu kỳ đầu của điện áp xoay chiều dương ở a và âm ở b sẽ
ạch đi từ a → M→ D→ R
có dòng điện nạp cho tụ C1 (theo m
1→ VR → c → b).
Sau thời gian nạp = c1(R1 + Vr) thì tụ được nạp đầy, lúc này xuất hiện xung
điện áp đặt vào cực G của thyristor đủ để hình thành dòng điều khiển kích cho
thyristor mở. Khi có dòng điện IG thì SCR mở cho dòng chính AK cấp cho động
ệc (theo mạch đi từ a →M→ A
cơ làm vi
SCR → KSCR → b). Từ biểu thức
=
c1(R1 + Vr) cho thấy khi thay đổi vị trí của VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp của
tụ tức là thay đổi thời điểm có xung kích cho SCR mở dẫn đến thay đổi điện áp
cấp cho động cơ M như thế sẽ thay đổi được tốc độ cấp cho động cơ.
Mạch điện 2
75W/220V
TP1
TP3
C1
224
D2
R2
100
Diac 1
R1
1k
SCR2
2P4M
220VAC
VR1
250k
SCR1
2P4M
R3
100
Diac 2
C2
224
D1
TP2
15
Thực hành lắp và khảo sát mạch điện dùng Triac
Mạch điện 1
thích kết quả.
Nhận xét giải thích.
ết quả
Mạch điện 2
L
P
R
220V
VR
Triac
Diac
C
N
* Nguyên lý làm việc
+ Giả sử ở nửa chu kỳ đầu A dương hơn B diode phân cực thuận kích cho triac
16
ện cấp cho quạt (theo mạch đi từ A→T
dẫn xuất hiện dòng đi 1→T2 → quạt
→B).
Đồng thời tụ C được nạp ( theo mạch A → R1 và R2 → R3 → C→ quạt → B).
+ ở nửa chu kỳ sau B dương hơn A diode phân cực nghịch nên không có
dòng điện tới cực G nhưng lúc này nhờ tụ C phóng điện cấp cho cực G (theo
ạch đi từ C→ Diode → G → T
2 → C). Khi cực G có điện kích cho triac mở
m
cấp điện cho quạt ( theo mạch đi từ B → quạt → Triac → A)
+ Quạt quay nhanh hay chậm tuỳ theo người sử dụng vặn triết áp R1 để làm thay
đổi thời gian nạp cho tụ C lúc đó sẽ thay đổi được góc kích mở của Triac
Bài tập 2
Bình thường đèn 6V cháy sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu. Lúc này
SCR ngưng dẫn do bị phân cực nghịch, accu được nạp qua D1, R1. Khi mất điện,
nguồn điện accu sẽ làm thông SCR và thắp sáng đèn
Khi accu nạp chưa đầy, SCR1 dẫn, SCR2 ngưng - Khi accu đã nạp đầy, điện thế
cực dương lên cao, kích SCR2 làm SCR2 dẫn, chia bớt dòng nạp bảo vệ accu. -
VR dùng để chỉnh mức bảo vệ (giảm nhỏ dòng nạp)
Thực hành lắp và khảo sát mạch điện dùng MOSFET
17
18
Bài 2:
BỘ CHỈNH LƯU
1. Bộ chỉnh lưu một pha
1.1. Chỉnh lưu một pha không điều khiển
1.1.1. Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ
Mạch van chỉ có một van duy nhất là điôt D (hình 2.3). Ở nửa chu kỳ đầu
(0) khi điện áp đặt vào mạch van u2 > 0 với cực tính dương ở trên thì điôt D
dẫn. Vì với UD = 0 nên có ud u2. Ở nửa chu kỳ sau ( 2) điện áp u2 đảo
dấu (cực tính trong ngoặc trên sơ đồ)nên điôt D khoá, vì thế ud = 0.
u2
D
i2
2
id
ud
u1
ud
u2
Rd
a)
b)
Hình 2.3a
ud 2.U2 .Sin
2.U2
:
.Sin
i
R
Trong khoảng 2,:
i=0, ud=0
giá trị điện áp lớn nhất
.
U max 2.U2
2.U2
1
Ud
.
2.U2 .Sin.d
0,45U2
2
0
Umax
1
Utb =
Umax sint.dt
2
0
Dòng điện trung bình qua tải:
U2
r
2.U2
.R
Id
- Khi tải R+L
19
di
dt
eL L
Cuộn cảm sinh ra sđđ tự cảm :
Theo đinh luât Ôm :
(0.1)
u2 + eL = R.i
(0.2)
di
dt
L
Ri ud 2U2 sint 2U2 sin
Hoặc:
(0.3)
Z R2 X 2
R Z.cos
X L Z sin
Đặt :
;
u2
2
id
0
D
L
R
ud
id
u2
ud
ud
id
2
0
1
Hình 1.2. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dòng điện, điện áp tải R, L
Giải phương trình vi phân ta có:
R
X
2U2
R2 X 2
id
sin sin.e
(0.4)
(0.5)
. Khi = , dòng i = 0 , Diode D bị khoá lại:
Từ đó có quan hệ:
sin sin.etg
- Gọi là góc tắt dòng
. Khi cho biết có thể xác định gần đúng
Từ hình vẽ ta thấy 0 < < 1 dòng i tăng từ từ do cuộn cảm L sinh ra sđđ
tự cảm có chiều ngược lại với u2, cuộn cảm L tích luỹ năng lượng.
Trong khoảng 1 < < 2 dòng i suy giảm, sđđ tự cảm eL tác động cùng
chiều với u2 , cuộn cảm L hoàn năng lượng. Vì vậy Diode D tiếp tục mở cho
dòng chảy qua trong khoảng < < 2 khi mà u2 < 0 .
20
Tải về để xem bản đầy đủ
98 trang
19/04/2022
1800
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình mô đun Điện tử công suất - Ngành/nghề: Điện công nghiệp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_mo_dun_dien_tu_cong_suat_nganhnghe_dien_cong_nghi.pdf
