Giáo trình Các điện tử công suất cho kỹ thuật

138 trang ngocly 2600

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Các điện tử công suất cho kỹ thuật", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_cac_dien_tu_cong_suat_cho_ky_thuat.doc

Nội dung text: Giáo trình Các điện tử công suất cho kỹ thuật

Tác giả : Ashfaq Ahmed Người dịch : Vũ Ngọc Dũng Chủ biên : Nguyễn Trọng Linh TP.HCM – 2004
MỤC LỤC I. CÔNG SUẤT ĐIỆN TỬ 1 Đề cương học tập 1. Giới thiệu 2 2. Công suất điện tử là gì ? 2 3. Tại sao có công suất điện tử 3 4. Các chuyển mạch công suất nửa dẫn 6 5. Tổn thất công suất trong chuyển mạch thực tế 7 6. Các kiểu mạch công suất điện tử 13 7. Các ứng dụng của công suất điện tử 15 8. Thảo luận 15 9. Các công thức 17 Trọng tâm học tập II. CÔNG SUẤT DIOT 18 Đề cương học tập 1. Giới thiệu 19 2. Nối diot PN 19 3. Đặc tính điện áp – dòng điện của diot 19 4. Diot lý tưởng 20 5. Diot schottky 21 6. Phân tích mạch điện diot 22 7. Tổn thất diot 25 8. Nguyên tắc hiệu suất cho diot 27 9. Bảo vệ diot 28 10. Kiểm tra diot 29 11. Hoạt động nối tiếp và song song của diot 29 12. Thảo luận 35 13. Các công thức 37 Trọng tâm học tập III. CÔNG SUẤT BÁN DẪN 38 Đề cương học tập 1. Giới thiệu 39 2. Công suất các bán dẫn nối lưỡng cực (BJTs) 40 3. Công suất bán dẫn oxit kim loại trường tác dụng các bóng bán dẫn (MOSFETs) 52 4. Cách điện cổng các bán dẫn lưỡng cực (IGBTs) 62 5. Các bán dẫn một cực (UJT) 65 6. Thảo luận 70 7. Các công thức 71 Trọng tâm học tập
IV. CÁC DỤNG CỤ THYRISTOR 73 Đề cương học tập 1. Giới thiệu 74 2. Chỉnh lưu có điều khiển silic (SCR) 74 3. Đường cong đặc tính SCR 76 4. Kiểm tra SCRs 78 5. Các hiệu suất SCR 79 6. Nối hiệu suất nhiệt độ 90 7. Tăng các hiệu suất SCR 90 8. Mắc SCR nối tiếp và song song 91 9. Tổn thất công suất 97 10. Bảo vệ SCR 99 11. Cổng bảo vệ mạch điện 100 12. Các mạch điện cổng kích SCR 101 13. Kích SCRs trong mạch nối tiếp và song song 106 14. Các mạch đóng mở SCR ( đảo mạch ) 107 15. Các kiểu khác của thyristor 111 16. Thảo luận 119 17. Các công thức 120 Trọng tâm học tập V. CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN MỘT PHA 122 Đề cương học tập 1. Giới thiệu 123 2. Chỉnh lưu nửa sóng (chỉnh lưu một xung) 123 a) Với một tải điện trở 123 b) Với một tải cảm ứng RL 128 c) Với một tải cảm ứng và diot FWD 130 3. Chỉnh lưu toàn sóng điểm giữa biến áp ( chỉnh lưu hai xung) 132 a) Với một tải điện trở 132 b) Với một tải cảm ứng RL 137 4. Chỉnh lưu cầu toàn sóng 140 a) Với một tải điện trở 140 b) Với một tải cảm ứng RL 144 5. Thảo luận 147 6. Các công thức 148 Trọng tâm học tập VI. CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN MỘT PHA 150 Đề cương học tập 1. Giới thiệu 151 2. Chỉnh lưu nửa sóng có điều khiển 151 a) Với một tải điện trở 151 b) Với một tải cảm ứng RL 156 c) Với một diot FWD 157 3. Chỉnh lưu toàn sóng có điều khiển điểm giữa 158 a) Với một tải điện trở 158 b) Với một tải cảm ứng RL 159
c) Với một diot FWD 165 4. Chỉnh lưu cầu toàn sóng có điều khiển 166 a) Với một tải điện trở 166 b) Với một tải cảm ứng RL 169 c) Với một diot FWD 173 5. Chỉnh lưu cầu bán điều khiển 175 6. Máy đổi điện kép 180 7. Thảo luận 181 8. Các công thức 186 Trọng tâm học tập VII. CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN BA PHA 188 Đề cương học tập 14. Giới thiệu 189 15. Chỉnh lưu ba pha nửa sóng (ba xung) 189 a) Với một tải điện trở 189 b) Với một tải cảm ứng RL 196 16. Chỉnh lưu cầu ba pha toàn sóng ( sáu xung) 198 a) Với một tải điện trở 198 b) Với một tải cảm ứng RL 207 17. Chỉnh lưu mười hai xung dòng điện 210 18. Thảo luận 213 19. Các công thức 214 Trọng tâm học tập VIII. CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN BA PHA 216 Đề cương học tập 1. Giới thiệu 217 2. Chỉnh lưu nửa sóng (ba xung) có điều khiển 217 a) Với một tải điện trở 217 b) Với một tải cảm ứng RL không có FWD 223 c) Với một tải cảm ứng RL có FWD 229 3. Chỉnh lưu cầu toàn sóng ( sáu xung) có điều khiển 230 a) Với một tải điện trở ( hay với tải cảm ứng và FWD ) 231 b) Với một tải cảm ứng RL không có FWD 242 4. Chỉnh lưu cầu toàn sóng bán điều khiển với FWD 254 5. Máy đổi điện cầu mười hai xung 260 6. Thảo luận 262 7. Các công thức 265 Trọng tâm học tập 267 IX. MẠCH BĂM DC 269 Đề cương học tập 1. Giới thiệu 269 2. Những nguyên tắc của mạch băm DC cơ bản 269 3. Mạch băm giảm 273 a) Kiểu dòng điện liên tục 274 b) Kiểu dòng điện gián đoạn 277 4. Mạch băm tăng 284
5. Mạch băm tăng giảm 295 6. Thảo luận 300 7. Các công thức 302 Trọng tâm học tập 303 X. MÁY ĐỔI ĐIỆN ( INVERTER ) 304 Đề cương học tập 1. Giới thiệu 305 2. Cơ bản về máy đổi điện 305 3. Mạch đổi điện áp nguồn (VSI) 307 4. Kỹ thuật điều khiển đổi điện áp 318 5. Điều biến bề rộng xung (PWM) 321 6. Máy đổi điện điều biến bề rộng xung 324 7. Các kiểu cơ bản khác của máy đổi điện một pha 328 8. Nguyên tắc cơ bản của máy đổi điện cầu ba pha (VSI) 329 9. Máy đổi dòng điện nguồn lý tưởng 347 10. Thảo luận 350 11. Các công thức 351 Trọng tâm học tập 352 XI. ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP AC 353 Đề cương học tập 1. Giới thiệu 354 2. Điều khiển công suất AC 354 3. Điều khiển tích phân chu kỳ 357 4. Điều khiển pha AC 359 5. Điều khiển pha AC ba pha 369 6. Điều khiển điện áp AC bán điều khiển 387 7. Máy đổi điện chu kỳ 394 8. Thảo luận 405 9. Các công thức 408 Trọng tâm học tập 409 XII. CHUYỂN MẠCH TĨNH HỌC 410 Đề cương học tập 1. Giới thiệu 411 2. So sách chuyển mạch cơ học và tĩnh học 411 3. Chuyển mạch tĩnh học AC 412 4. Chuyển mạch tĩnh ba pha 416 5. Chuyển mạch ghép 419 6. Rơle trạng thái rắn (SSR) 419 7. Điều khiển thay đổi điểm tĩnh 420 8. Điều khiển (SVC) tĩnh (VAR) 421 9. Thảo luận 423 10. Các công thức 424 Trọng tâm học tập 424 TP. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 05 năm 2004 Tác giả : ASHFAQ AHMED
Người dịch : VŨ NGỌC DŨNG Chủ biên : NGUYỄN TRỌNG LINH
CHƯƠNG I : CÔNG SUẤT ĐIỆN TỬ Phác thảo nội dung chương 1.1 Giới thiệu 1.2 Điện tử công suất là gì ? 1.3 Tại sao có công suất điện tử ? 1.3.1 Biến trở đóng vai trò như một dụng cụ điều khiển 1.3.2 Công tắc đóng vai trò như một dụng cụ điều khiển 1.4 Các linh kiện bán dẫn công suất 1.5 Các loại tổn thất công suất trong các chuyển mạch thực tế 1.5.1 Tổn thất dẫn điện 1.5.2 Tổn thất chuyển mạch 1.6 Các loại mạch điện công suất điện tử 1.7 Các ứng dụng của công suất điện tử 1.8 Bài tập 1.9 Công thức Mục tiêu Sau khi hoàn thành chương này sinh viên cần có khả năng  Định nghĩa thuật ngữ công suất điện tử  Liệt kê những ưu điểm của việc dùng chuyển mạch để điều khiển công suất điện  Liệt kê các loại bán dẫn công suất  Xác định tổn hao công suất trong chuyển mạch thực  Liệt kê các loại mạch điện tử công suất khác nhau  Liệt kê các ứng dụng điển hình của điện tử công suất 1.1 Giới thiệu Các ứng dụng của điện tử bán dẫn trong lĩnh vực công suất điện ngày một tăng dần, và một khóa học về điện tử công suất hiện này là phổ biến trong rất nhiều chương trình học của ngành công nghệ kỹ thuật điện. Thuật ngữ điện tử công suất đã được dùng từ những năm 1960, sau khi hãng General Electric giới thiệu linh kiện SCR. Công suất điện tử đã
phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất mà những linh kiện này có thể chuyển mạch dòng điện lớn có hiệu qủa ở điện áp cao. Vì những linh kiện này làm việc với độ tin cậy cao, kích cỡ nhỏ, điện tử công suất đã mở rộng phạm vi của nó và phạm vi đến các ứng dụng như điều khiển nhiệt và chiếu sáng, điều chỉnh công suất cung cấp, thay đổi tốc độ động cơ AC và DC, sự bù tĩnh VAR, và hệ thống truyền tải điện áp DC cao. 1.2 Công suất điện tử là gì ? Lĩnh vực rộng lớn của kỹ thuật điện có thể được chia thành ba khu vực chính : công suất điện ; điện tử ; và điều khiển. Điện tử công suất có liên quan đến ứng dụng của các linh kiện bán dẫn công suất, chẳng hạn như thyristor và transistor, 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 lĩnh vực gồm ba lĩnh 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 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 R1 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 RL . 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 nghĩa 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. Ví dụ 1.1 Một nguồn DC 100 V cungcấp cho tải điện trở 10  . Tìm công suất phân phối đến tải PL , công suất tổn hao trong biến trở P R , tổng công suất cung cấp bởi nguồn PT , và hiệu suất  , nếu biến trở đặt ở : a) 0  b) 10  c) 100  Giải đáp : a) Điện áp qua tải VL = 100 V 2 Công suất cung cấp đến tảiP L = 100 / 10 = 1 kW Công suất tiêu thụ trong biến trởP R = 0 kW Công suất cungcấp bởi nguồnPR = PL + PR = 1 kW P Hiệu suất  L *100 100% PT b) Điện áp qua tảiV L = 10 * 100 / 20 = 50 V
2 Công suất cung cấp đến tảiP L = 50 / 10 = 250 W Công suất tiêu thụ trong biến tảiP R = 250 W Công suất cungcấp bởi nguồnPT = PL + PR = 500 W P Hiệu suất  L *100 50% PT c) Điện áp qua tảiV L = 10 * 100 / 110 = 9 V 2 Công suất cung cấp đến tảiP L = 9 / 10 = 8,1 W Công suất tiêu thụ trong biến tảiP R = 91 * 19 / 100 = 82,8 W Công suất cungcấp bởi nguồnPT = PL + PR = 90,9 W P Hiệu suất  L *100 8,9% PT 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 vị 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 định 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. Hình 1.3 : Một chuyển mạch điều khiển tải Ví dụ 1.2 Một nguồn DC 100 V cung cấp tải điện trở 10  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 PT , 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 tảiV L = 100 V 2 Công suất phân phối đến tảiP L = 100 / 10 = 1 kW Công suất tổn hao trong chuyển mạchP s = 0 Công suất cung cấp bởi nguồnP T = 1 kW b) Với chuyển mạch mở Điện áp qua tảiV L = 0 V Công suất phân phối đến tảiP L = 0 kW Công suất tổn hao trong chuyển mạchP s = 0 Công suất cung cấp bởi nguồnP T = 0 kW c) Đóng 50% thời gian ( xem hình 1.4 ) Điện áp qua tảiV L = 50 V 2 Công suất phân phối đến tảiP L = 50 / 10 = 250 W Công suất tổn hao trong chuyển mạchP s = 0 Công suất cung cấp bởi nguồnP T = 250 W d) Đóng 20% thời gian Điện áp qua tảiV L = 20 V 2 Công suất phân phối đến tảiP L = 20 / 10 = 40 W Công suất tổn hao trong chuyển mạchP s = 0 Công suất cung cấp bởi nguồnP T = 40 W 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%. Dĩ 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 ) Lĩnh 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 : 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 chịu 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 (mở), 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 (đóng), Có một dòng ( Vs / RL ) 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.
1.5.1 Tổn hao dẫn điện Khi bóng bán dẫn trong hình 1.6a là đóng (off), nó mang một dòng dò rỉ ( I leak ). Công suất tổn hao liên đới với dòng dò rỉ là P off = Vs * Ileak . 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 (on), 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 : Pon = VCE(SAT) * Ic 1.1 Ở đây : Vs VCE(SAT ) Vs Ic 1.2 RL RL Công thức 1.1 cho tổn hao công suất do sự dẫn điện nếu chuyển mạch vẫn còn mở là không xác định. 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 : t P V * I * on V * I *d 1.3 on(avg ) CB(SAT ) c T CB(SAT ) c Tương tự t P V * I * off 1.4 off (avg ) s leak T Ở đây, hệ số chu kỳ d được xác định như tỷ lệ của chu kỳ trong chuyển mạch mở: t t d on on 1.5 ton toff T Hình 1.6 : Các tổn hao công suất trong chuyển mạch bán dẫn 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 Tsw(on) và Tsw(off) với chuyển mạch thực thường không bằng nhau, Tsw(on) nói chung là lớn hơn. Tuy nhiên chúng ta giả sử rằng T sw(on) là bằng Tsw(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 IC . 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 trị tức thời Ic và giá trị tương ứng VCE . 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 trị 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 : PswOn(max) = 0,5 VCE(max) * 0,5 IC(max) 1.6 Có điều nên nhớ rằng đường công công suất nhìn cơ bản giống một chỉnh lưu sóng sin. Giá trị trung bình của dạng sóng này là : Pswon(avg) = 0,637 * Pswon(max) = 0,637 * 0,5 VCE(max) * 0,5 Ic (max) = 0,167 VCE(max) * IC (max) Hay :
1 Pswon(avg) = VCE(max) * IC (max) 1.7 6 Tổn thất năng lượng ( công suất * thời gian ) trong lúc mở sẽ là Psw on(avg) * tsw(on) 1 Wsw on = VCE(max) * IC(max) * tsw(on) ( jun) 1.8 6 Phân tích tương tự cho tổn hao năng lượng lúc đóng là 1 Wsw off = VCE(max) * IC(max) * tsw(off) ( jun) 1.9 6 Tổng tổn thất năng lượng trong một chu kỳ do chuyển mạch được cho bởi : 1 Wsw = Wsw on + Wsw off = VCE(max) * IC(max) * [ tsw(on) + tsw(off) ] 6 Công suất trung bình tiêu thụ trong chuyển mạch sẽ là Wsw Psw = = Wsw * f T 1 Psw = VCE(max) * IC(max) * [ tsw(on) + tsw(off) ] * f 6 Ở đây T là định kỳ chuyển mạch và f là tỷ lệ tái diễn xung (tần số của chuyển mạch ) Nên nhớ rằng : T = ton + tsw(on) + toff + tsw(off) Nếu chúng ta cho phép : tsw(on) = tsw(off) = tsw Thì : 1 Psw = VCE(max) * IC(max) * 2 tsw * f 1.10 6 Tổng tổn hao công suất trong chuyển mạch là PT = Pon(avg) + Poff(avg) + Psw 1.11 Pon(avg) + Psw 1 PT = d * VCE(sat) * IC + * VCE(max) * IC(max) * tsw * f 1.12 3 Ví dụ 1.3 Trong hình 1.5 , Vs là 50 V , RL = 5 , 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: 50 1,5 a) Dòng điện dẫn là = = 9,7 A 5 Tổn hao công suất trong trạng thái mở Pon = 1,5 * 9,7 = 14,55 W
b) Tổn hao công suất trong trạng thái đóng Poff = 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 : Định kỳ chuyển mạch T = 1 / 500 = 2 ms Hệ số chu kỳ d = 50% Thời gian mởt on = 1 ms Thời gian đóng toff = 1 ms ton Tổn hao công suất trung bình trong trạng thái mở = Pon * = 14,55 * 0,5 = 7,27 W T toff Tổn hao công suất trung bình trong trạng thái đóng = Poff * = 0,075 * 0,5 = 0,037W T Tổn hao công suất trung bình cho một chu kỳ = P0(avg) + Poff(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, Vs là 120 V , RL là 6 và bóng bán dẫn là lý tưởng không có tổn hao dẫn điện. Nếu t sw(on) = tsw(off) = 1,5  s, tính tổn hao công suất chuyển mạch trung bình với tần số chuyển mạch là 1 kHz. Giải đáp : IC(max) = 120 / 6 = 20 A 1 Psw on(avg) = VCB(max) * IC(max) = ( 120 * 20 ) / 6 = 400 W 6 Tổn hao năng lượng là : -6 -3 Wsw on = Psw on(avg) * tsw(on) = 400 * 1,5 (10 ) = 0,6 (10 ) Jun -3 Tổn hao năng lượng trong lúc đóng là : Wsw off = 0,6 (10 ) Jun Tổng tổn hao năng lượng trong một chu kỳ do chuyển mạch được cho bởi -3 -3 Wsw = Wsw on + Wsw off = 2 * 0,6 (10 ) = 1,2 (10 ) Jun Công suất trung bình tiêu thụ trong lúc chuyển mạch sẽ là -3 Psw = Wsw * f = 1,2 (10 ) * 1000 = 1,2 W 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 IRATED = 50 A VRATED = 500 V Ileakage = 1 mA VCE(sat) = 1,5 V Thời gian mở tsw(on) = 1,5  s Thờigian đóng tsw(off) = 3,0  s Điện áp nguồn Vs là 500 V , và RL là 10  , 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 : IC(max) = 500/10 = 50 A T = 1 / 100 = 10 ms Với d = 50% Ton = toff = 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 500 50 c) Tổn hao côngsuất cực đại lúc mở 6250W 2 2 1 d) Tổn hao năng lượng lúc mở = 500 * 50 * 1,5 (10-6) = 6,25 mJ 6 1 e) Tổn hao năng lượng lúc đóng = 500 * 50 * 3,0 (10-6) = 12,5 mJ 6 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 396*25(10 3 ) i) Tổn hao công suất trung bình 3 39,6W 10(10 ) 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 * 103 ) = 10  s Vì định kỳ nhỏ, chúng ta không bỏ qua tsw(on) và tsw(off T – tsw(on) – tsw(off) = ( 10 – 1,5 -3 ) = 5,5  s Với d = 50% Ton = toff = 2,75  s 1 d)Tổn hao năng lượng lúc mở = 500 * 50 * 1,5 (10-6) = 6,25 mJ 6 1 e) Tổn hao năng lượng lúc đóng = 500 * 50 * 3,0 (10-6) = 12,5 mJ 6 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
20*33(10 3 ) i) Tổn hao công suất trung bình 6 2033W 10(10 ) 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 định. 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 định 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 định thành đện áp DC thay đổi được. 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 định 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 định thành một điện áp AC và tần số ba pha hay một pha thay đổi hay ổn định 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 định 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 tĩnh 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 tĩnh học Thay thế chuyển mạch cơ khí và điện tư( 1.7 các ứng dụng của các điện tử công suất Công suất điện tử tìm được sự áp dụng trong bất cứ lĩnh 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 bị 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 tĩnh 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  nối đến tải điện trờ 30  . 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  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  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 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 lĩnh 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  , 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 VCE(SAT) = 1,1 V ; tsw(on) = 1,0  s , và tsw(off) = 1,5  s Bảng 1.2 Tần số Hệ số chu kỳ Tổn hao dẫn Tổn hao chuyển Tổng tổn hao mạch 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  tính tổn hao công suất chuyển mạch khi tsw = 1  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  . điện trở biến trở thay đổi các bước từ 0 đến 100  . 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
1.9 Các công thức Pon = VCE(SAT) * Ic 1.1 Vs VCE(SAT ) Vs Ic 1.2 RL RL t P V * I * on V * I *d 1.3 on(avg ) CB(SAT ) c T CB(SAT ) c t P V * I * off 1.4 off (avg ) s leak T t t d on on 1.5 ton toff T PswOn(max) = 0,5 VCE(max) * 0,5 IC(max) 1.6 1 Pswon(avg) = VCE(max) * IC (max) 1.7 6 1 Wsw on = VCE(max) * IC(max) * tsw(on) ( jun) 1.8 6 1 Wsw off = VCE(max) * IC(max) * tsw(off) ( jun) 1.9 6 1 Wsw = Wsw on + Wsw off = VCE(max) * IC(max) * [ tsw(on) + tsw(off) ] 6 1 Psw = VCE(max) * IC(max) * 2 tsw * f 1.10 6 PT = Pon(avg) + Poff(avg) + Psw 1.11 1 PT = d * VCE(sat) * IC + * VCE(max) * IC(max) * tsw * f 1.12 3 CHƯƠNG 2 : CÔNG SUẤT DIOT Đề cương học tập 2.1. Giới thiệu 2.2. Nồi âm dương diot (PN) 2.3. Đặc tính dòng điện – điện áp của diot
2.4. Điot lý tưởng 2.5. Diot schottky 2.6. Phân tích mạch điện diot 2.6.1. Các diot trong mạch DC 2.6.2. Các diot trong mạch AC 2.7. Tổn hao diot 2.8. Các đánh giá chủ yếu đối với diot 2.8.1. Điện áp ngược đỉnh ( PIV) 2.8.2. Dòng điện thuận trung bình cực đại ( If(avg)max ) 2.8.3. Thời gian khôi phục nghịch ( trr ) 2.8.4. Nhiệt độ nối cực đại ( Tj(max) ) 2.8.5. Dòng điện tràn cực đại ( IFSM ) 2.9. Bảo vệ diot 2.9.1. Điện áp qúa tải 2.9.2. Dòng điện qúa tải 2.9.3. bảo vệ tạm thời 2.10. Kiểm tra một diot 2.11. Hoạt động nối tiếp và song song của diot 2.11.1. Mắc nối tiếp các diot 2.11.2. Mắc song song các diot 2.12. Bài tập thảo luận 2.13. Các công thức Trọng tâm học tập Sau khi hoàn thành phần này, sinh viên cần có khả năng để  Mô tả các đặc tính và hoạt động của diot  Phân tích các mạch điện diot  Xác định tổn hao công suất của diot  Mô tả làm thế nào để kiểm tra diot  Mô tả làm thế nào để bảo vệ các diot  Giải thích làm thế nào các diot có thể mắc nối tiếp và song song để tăng hiệu suất của chúng 2.1 Giới thiệu Các diot công suất có vai trò quan trọng trong các mạch điện tử công suất . Chúng được dùng chủ yếu trong các chỉnh lư không điều khiển để biến đổi điện áp AC thành điện áp DC ổn định và như các diot líp (FWD) để cung cấp đường dẫn cho dòng điện chảy trong tải cảm ứng . Các diot công suất giống như chức năng các diot nối PN; tuy nhiên các điện tử công suất có các tiềm năng lớn về công suất, điện áp và dòng điện. 2.2 Diot nối âm dương PN Các diot có thể làm từ một hoặc hai vật liệu bán dẫn là silic và germani. Các điện tử công suất thường dùng cấu trúc silic. Diot silic có thể làm việc ở dòng điện cao và nhiệt độ nối cao và chúng có điện trở ngược lớn.
Cấu trúc của một diot bán dẫn và ký hiệu của nó trình bày trong hình 2.1. Diot có hai cực – một cực dương A ( chỗ nối P ) và một cực âm K ( mối nối N ). Khi điện áp cực dương là dương nhất hơn cực âm, diot được gọi là thuận, và nó dẫn điện dễ dàng với điện áp thấp. Khi điện áp cực âm là âm nhất hơn cực dương, diot được gọi là nghịch và nó chặn dòng điện chảy.Mũi tên trên ký hiệu diot trình bày hướng quy ước của dòng điện chảy khi diot dẫn điện. Hình 2.1 Cấu trúc và ký hiệu của diot 2.3 Đặc tích điện áp – dòng điện của diot Hình 2.2 trình bày đặc tính V – I của diot. Khi thuận, diot bắt đầu dẫn dòng vì điện áp qua cực dương của nó là tăng dần. Khi điện áp gần đến cái gọi là điện áp xoay, khoảng 1 V cho diot silic, điện áp tăng nhẹ làm dòng điện tăng nhanh. Dòng điện tăng chỉ đến giới hạn bởi điện trở mắc nối tiếp với diot Hình 2.2 Đặc tính áp dòng V-I của diot
Khi điot là nghịch, một dòng điện nhỏ được gọi là dòng dò rỉ chảy qua vì điện áp từ cục dương đến cực âm là tăng dần. Tín hiệu này là do diot có điện trở rất cao trong hướng nghịch. Đặc tính điện trở lớn này được duy trì khi tăng điện áp ngược cho đến khí đạt đến điện áp ngược đánh thủng. Tại điện áp đánh thủng, diot để cho dòng điện lớn chảy với một điện áp tăng nhỏ. Một điện trở giới hạn dòng điện phải dùng mắc nối tiếp để ngăn ngừa phá hỏng diot. 2.4 Diot lý tưởng Trong các điện tử công suất các điện áp và dòng điện cao . Vì vậy đặc tính chi tiết của diot ( ví dụ hình 2.2 ) là không quan trọng; chúng ta có thể coi điot như một yếu tố lý tưởng. Hình 2.3 trình bày đặc tính lý tưởng của diot. Nên nhớ rằng khi diot thuận; không có điện áp qua nó. Dòng điện qua diot lúc này tùy thuộc điện áp nguồn và các yếu tố mạch điện. Khi diot nghịch, không có dòng điện qua nó. Điện áp qua diot tùy thuộc điện áp nguồn và các yếu tố mạch điện khác Hình 2.3 Đặc tính diot lý tưởng Đặc tính này của diot lý tưởng làm cho nó giống như một chuyển mạch dẫn dòng điện chỉ trong một hướng. Chuyển mạch có thể tự mở hay đóng tùy thuộc phân cực của điện áp. Hính 2.4a trình bày một diot thuận, và hình 2.4b trình bày mạch điện chuyển mạch tương đương của nó. Khi cực dương của diot dương hơn cực âm của của nó, nó hoạt động giống như một chuyển mạch đóng. Hình 2.4c trình bày một diot ngịch , và hình 2.4 d trình bày chuyển mạch tương đương của nó. Khi cực duơng của diot âm hơn cực dương của nó, coi như nó hoạt động giồng một chuyển mạch mở. Hình 2.4 Các mạch điện chuyển mạch tương đương của diot
2.5 Điot schottky diot schottky là một dụng cụ tốc độ cao, điện áp thấp làm việc khác với nguyên tắc diot nối PN. Nó cấu trúc không như nối PN thông thường. Thay cho một hàng rào kim loại mỏng ( như crom, platin, vonfram) là mặt phân giới bằng chất bán dẫn kiểu N. Cấu trúc này cho kết qủa một điện áp trạng thái mở thấp ( khoảng 0.6 V ) qua diot khi nó dẫn. Hơn nữa, nó có thể đóng nhanh hơn diot nối PN, như vậy tần số chuyển mạch cao. Tuy nhiên, dòng dò rỉ ngược phải cao hơn, và điện áp đánh thủng ngược thấp hơn so với diot nối PN. Các diot schottky vì vậy được dùng như các chỉnh lưu sử dụng điện áp thấp ở đây hiệu qủa biến đổi là quan trọng. Các diot này cũng dùng nhiều trong chuyển mạch công suất cung cấp làm việc ở tần số 20 kHz hay cao hơn. Ví dụ 2.1 Một diot schottky loại 40 V và 25 A có điện áp trạng thái mở 0,5 V và dòng dò rỉ ngược 50 nA. Tìm tổn hao công suất trạng thái mở và trạng thái đóng Giải đáp : Tổn hao công suất trạng thái mở = 25 * 0,5 = 12,5 W Tổn hao công suất trạng thái đóng = 40 * 50 (10-9) = 2  W Ví dụ 2.2 Giống như ví dụ 2.1 cho diot nối PN loại 40V và 25A, với điện áp trạng thái đóng 1,1V và dòng dò rỉ ngược 0,5 nA Giải đáp : Tổn hao công suất trạng thái mở = 25 * 1,1 = 27,5 W Tổn hao công suất trạng thái đóng = 40 * 0,5 (10-9) = 0,02  W Tổn hao công suất trạng thái mở của diot schottky là ít hơn một nửa của diot nối PN, hoàn toàn có ý nghĩa khi hiệu quả có lợi. Có tiêu hao công suất cao hơn trong trạng thái đóng và dòng dò cao hơn, tuy vậy tổng tổn hao công suất vẫn còn thấp hơn với diot nối âm dương. 2.6 phân tích mạch điện diot 2.6.1 Các diot trong mạch điện DC
Để phân tích mạch điện diot, đầu tiên phải tìm trạng thái diot ( mở hay đóng ). Diot có thể được thay thế bằng mạch điện chuyển mạch tương đương trình bày trong hình 2.4 . Tuy nhiên, trong một vài mạch điện có thể khác với hình vẽ chuyển mạch tương đương này ( ví dụ như các mạch điện nhiều nguồn hay nhiều diot mắc nối tiếp ). Trong các mạch điện này nó giúp để thay thế diot về tình thần bằng yếu tố điện trở và kết qủa hướng dòng điện theo điện áp cung cấp. Nếu kết qủa dòng điện có hướng như mũi tên trên ký hiệu diot thì diot là mở Ví dụ 2.3: Cho mạch điện trình bày trong hình 2.5 tìm dòng diot ID , điện áp diot VD và điện áp qua điện trở VR Hình 2.5 Xem ví dụ 2.3 Giải đáp : Vì dòng điện chảy từ nguồn theo hướng mũi tên của diot, diot là mở và được thay thế bằng một chuyển mạch đóng Điện áp qua diot VD = 0 V Điện áp qua điện trơ&VR = Es - VD = 20-0= 20 V Dòng điện qua diot ID = VR / R = 20 / 100 = 0,2 A Ví dụ 2.4 Diot nghịch trong hình 2.5 và lặp lại ví dụ 2.3 Giải đáp : Hướng của dòng điện bây giờ ngược với mũi tên . Diot là đóng và được thay thế bằng một chuyển mạch mở. Dòng điện qua diot ID = 0A Điện áp qua điện trởV R = ID * R = 0V Điện áp qua diot VD = Es - VR = 20 - 0 = 20 V Ví dụ 2.5 Cho mạch điện trong hình 2.6, tìm dòng điện I, và điện áp Vo , V1 và V2 Hình 2.6 Xem ví dụ 2.5
Giải đáp : Hai nguồn giúp mỗi mạch đóng; diot là mở và có thể thay bằng chuyển mạch đóng Aùp dụng định luật điện áp của Kirchhoff E1 - V1 - V2 + E2 = 0 E1 - I*R1 – I*R2 + E2 = 0 Giải pháp cho I E E 25 I 1 2 3,5mA R1 R2 7k V1 = I*R1 = 17,5V V2 = I*R2 = 7,0 V V0 = V2 - E2 = 7 - 5 = 2 V 2.62. Các diot trong mạch AC Mạch điện AC có điện áp thay đổi theo thời gian. Vì vậy có những lúc điện áp AC thuận với diot và có những lúc nó ngược với diot. Mạch điện diot có thể không tách riêng các nửa chu kỳ dương và âm. Nó phải lưu ý khi điện áp phân cực qua diot thuận và diot ngược với nó. Diot lúc này được thay bằng mạch điện chuyển mạch tương đương. Hình 2.7 Diot trong mạch A Ví dụ 2.6 Tìm mạch điện chuyển mạch tương đương của diot với nguồn AC điện áp V s trình bày trong hình 2.7 Giải đáp: Trong nửa chu kỳ dương cực dương dương hơn cực âm , vì thế diot là thuận. Chúng ta có thể thay diot bằng một chuyển mạch đóng Trong nửa chu kỳ âm cực dương âm hơn cực dương của nó, diot là ngịch. Chúng ta có thể thay diot bằng một chuyển mạch mở Ví dụ 2.7
Cho mạch điện trình bày trong hình 2.8, vẽ dạng sóng của điện áp qua điện trở VR và điện áp qua diot VD Hình 2.8 Xem ví dụ 2.7 Giải đáp : Trong nửa chu kỳ dương, diot là thuận và được thay bằng chuyển mạch đóng. Điện áp qua diot bằng 0, và điện áp qua điện trở giống như điện áp nguồn. Trong nửa chu kỳ âm, diot là nghịch và được thay bằng chuyển mạch mở. Điện áp qua điện trở bằng 0, và điện áp qua diot giống như điện áp nguồn. Dạng sóng của VR và VD trình bày trong hình 2.9 Hình 2.9 Dạng sóng của VR và VD 2.7 Tổn hao diot Tổng công suất tổn hao xảy ra trong diot là tổng số của tổn hao trạng thái mở, trạng thái đóng và chuyển mạch:
PT = Pon + Poff + Psw 2.1 Ơû đây : ton Pon = Vf * If * 2.2 T toff Poff = VR * IR * 2.3 T Psw = Psw(on) + Psw(off) 2.4 1 Psw(on) = VF(max) * IF(max) * tf * f 2.5 6 1 Psw(off) = VF(max) * IF(max) * tR * f 2.6 6 Trong các công thức này VF = điện áp thuận IF = dòng điện thuận VR = điện áp nghịch IR = dòng điện dò rỉ nghịch Ton = thời gian diot dẫn Toff = thời gian diot nghịch TF = thời gian chuyển mạch hướng thuận TR = thời gian chuyển mạch hướng nghịch Ví dụ 2.8 Trên mạch điện trình bày trong hình 2.8 , Vs = 400 V ; f = 10 kHz ; d = 50% và ID = 30A. Nếi diot có các đặc tính sau, tìm tổng công suất tổn hao trong diot VF = 1,1 V IR = 0,3 mA TF = 1  s TR = 0,1  s Giải đáp : T = 1 / f = 0,1 ms T = ton + tF + Toff + tR T tF tR 100 1 0,1 Ton = toff = s 49,45s 2 2 49,45*10 6 Pon = 1,1 * 30 * 3 16,32W 0,1*10 6 -3 49,45*10 Poff = 400*0,3* 10 * 3 0,06W 0,1*10 1 1,1*10 6 Psw = 2 *400*30* 3 44W 6 0,1*10 PT = 16,32 + 0,06 + 44 = 60,38 W
Ví dụ 2.9 Lặp lại ví dụ 2.8 với f = 100 kHz Giải đáp : T = 1 / f = 10  s 10 1,1 Ton = toff = s = 4,95  s 2 4,95*10 6 Pon = 1,1 * 30 * = 16,32 W 10*10 6 6 -3 4,95*10 Poff = 400 * 0,3 * 10 * = 0,06 W 10*10 6 1 1,1*10 6 Psw = 2 *400*30* 6 = 440 W 6 10*10 PT = 16,32 + 0,06 + 440 = 456,40 W Tổng tổn hao công suất gần gấp tám lần trong ví dụ 2.8 2.8 Các đánh giá chủ yếu cho diot 2.8.1 Điện áp ngược đỉnh (PIV) Điện áp ngược đỉnh của diot là điện áp ngược cực đại có thể qua diot mà không đánh thủng. Nếu vượt quá PIV, diot trở thành dẫn điện nghịch hướng và có thể là mất hiệu lực tức thời. Các dải PIV dàn rộng từ 10 vol đến vài ngàn vol, tùy theo cấu trúc. Dải PIV còn được gọi là điện áp ngược đỉnh ( PRV) hay điện áp đánh thủng (BRV) 2.8.2 Dòng điện thuận trung bình cực đại ( If(avg)max ) Dòng điện thuận trung bình cực đại là dòng cực đại diot có thể sờ tay an toàn khi hướng thuận. Các diot công suất hiện nay có khả năng dải từ vài ampe đến vài trăm ampe. Nếu một diot được sử dụng kinh tế khi nó làm việc gần với dải dòng điện thuận cực đại 2.8.3 Thời gian khôi phục nghịch ( trr ) Thời gian khôi phục nghịch của diot có ý nghĩa lớn trong sử dụng chuyển mạch tốc độ cao. Một diot thực không chuyển mạch ngay lập tức từ trạng thái dẫn đến trạng thái klhông dẫn. Thay vì một dòng điện ngịch chảy một thời gian ngắn, và diot không vặn đóng cho đến khi dòng điện nghịch suy giảm đến 0, như trong hình 2.10. Diot lúc ban đầu dẫn một dòng I F ; khi diot hướng nghịch, dòng điện này giảm và dòng nghịch chảy. Thời gian dòng nghịch chảy được gọi là thời gian khôi phục nghịch. Trong thời gian này, tích điện dự trữ trong chỗ nối khi dẫn điện thuận giới hạn chuyển tiếp. Hình 2.10 Đặc tính khôi phục ngịch
Các diot được phân loại như kiểu khôi phục nhanh, khôi phục chậm dựa trên thời gian khôi phục nghịch của chúng. Dải thời gian khôi phục từ vài micro giây trong diot nối PN dến vài trăm nanô giây trong diot khôi phục nhanh kiểi diot schottky. Diot nối PN thường vừa đủ cho chỉnh lưu 60 Hz AC. Các diot khôi phục nhanh với t rr thấp được dùng trong ứng dụng tần số cao như mạch đổi điện (inverter), mạch băm, cung cấp công suất liên tục ( UPS) 2.8.4 Nhiệt độ nối cực đại ( Tj(max) ) Thông số này chỉ rõ nhiệt độ nối cực đại mà một diot có thể chịu được mà không hỏng. Dải nhiệt độ của diot silic điển hình từ – 400C đến + 2000C. Sự hoạt động ở nhiệt độ thấp kết qủa chung thực hiện tốt hơn. Các diot thường sắp đặt nhiệt độ thấp để cải thiện dải nhiệt độ của chúng 2.8.5 Dòng điện tràn cực đại ( IFSM ) Dải dòng điện tràn cực đại là dòng điện cực đại mà diot có thể dùng như một nhất thời không thường xuyên hay từ một mạch điện rò. 2.9 Bảøo vệ diot Một diot công suất phải được bảo vệ chống điện áp siêu tải, dòng điện siêu tải và đoản mạch ( transient = đột biến điện ) 2.9.1 Điện áp qúa tải
Khi một diot hướng thuận, điện áp qua nó thấp . Một diot hướng nghịch làm việc như một mạch mở. Nếu điện áp qua diot vượt quá điện áp siêu tải, nó bị đánh thủng, kết qủa có dòng điện lớn chảy. Với dòng điện cao và điện áp lớn này qua diot, xảy ra công suât tiêu thụ tại chỗ nối sẽ vượt quá giá trị cực đại của nó, phá hủy diot. Thường trong thực tế chọn diot có điện áp ngược đỉnh cao hơn 1,2 lần điện áp mong đợi trong điều kiện làm việc bình thường. 2.9.2 Dòng điện qúa tải Nhưng trang dữ liệu của nhà sản xuất cung cấp dải dòng điện dựa trên nhiệt độ chỗ nối cực đại sản sinh bởi tổn hao công suất dẫn điện trong diot. Trong mạch điện đã cho yêu cầu dòng diot giữ dưới giá trị dải này. Dòng qúa tải bảo vệ là hoàn thiện khi dùng một cầu chì để bảo đảm dòng diot không vượt qúa mức mà sẽ tăng nhiệt độ làm việc vượt qua giá trị cực đại. 2.9.3 Đột biến điện Đột biến điện có thể là chì để các điện áp cao hơn bình thường qua một diot. Bảo vệ chống lại đột biến điện thường từ một mạch điện RC nối tiếp mắc ngang diot. Sự sắp xếp này trình bày trong hình 2.11, tăng hay giảm tỷ lệ thay đổi điện áp và thường được gọi là mạch điện giảm xóc Hình 2.11 Mạch điện giảm xóc 2.10. Kiểm tra một diot Một cái đo ôm ( ohmmeter) có thể dùng để kiểm tra các diot công suất một cách dễ dàng và an toàn. Các mạch điện diot chuyển mạch tương đương trình bày trong hình 2.4 có thể dùng để kiểm tra các diot. Nối đồng hồ điện sao cho thuận chiều với diot; điều này sẽ cho một số ghi ( trên đồng hồ điện ) một điện trở thấp. Số ghi thực tế tuỳ thuộc vào dòng
điện chảy qua diot từ cực pin của đồng hồ điện. Ngược lại sẽ cho số ghi điện trở cao hơn nhiều hay số ghi không xác định. Một số ghi điện trở cao cho cả hai hướng chỉ ra một diot mở, trong khi một số ghi điện trở rất thấp cho cả hai hướng chỉ ra một diot đã ngắn mạch. 2.11. Hoạt động nối tiếp và song song của các điot : Công suất cực đại có thể được điều khiển bởi một diot đơn được xác định bởi dải điện áp nghịch và bởi dải dòng điện thuận của nó. Trong các ứng dụng công suất cao, một diot đơn có thể không đủ tiềm năng chứa công suất. Để tăng tiềm năng công suất, các diot được mắc nối tiếp để tăng dải điện áp hay mắc song song để tăng dải dòng điện. Một sự sắp xếp nối tiếp hay song song các diot được dùng cho các ứng dụng điện áp cao và dòng điện cao. 2.11.1 Các diot mắc nối tiếp Trong các ứng dụng điện áp rất cao, dải điện áp ngược của một diot đơn có thể chưa đầy đủ. Mắc nối tiếp hai hay nhiều diot ( xem hình 2.12 ) dùng khi tăng dải điện áp. Tuy nhiên, điện áp ngược không thể chia đều giữa hai diot : diot với dòng dò thấp có thể có điện áp ngược quá mức qua nó. Nếu chúng ta dùng các diot cỡ số giống nhau, Đặc tính áp – dòng V-I của chúng có thể không đúng như minh họa trong hình 2.13. Dải dòng điện của các diot mắc nối tiếp giống như dải dòng điện của một trong các diot đó. Trong hướng nghịch, cả hai diot nối tiếp có dòng rò rỉ ngược như nhau, nhưng như trình bày, chúng có các giá trị điện áp ngược khác nhau. Trong trường hợp như thế diot D 1 có thể vượt qúa dải điện áp ngược của nó. Hình 2.12 Mắc nối tiếp các diot
Hình 2.13 Đặc tính áp – dòng V-I của hai diot Sức điện động phân bổ có thể đạt được bởi nối các điện trở phân bổ điện áp giá trị phù hợp qua mỗi diot mắc nối tiếp. Hình 2.14 trình bày tác dụng của vị trí các điện trở ngang qua diot. Để có hiệu qủa, điện trở phải dẫn một dòng lớn hơn dòng điện rò của các diot. Các điện trở phân bổ này sẽ tiêu thụ công suất trong hoạt động hướng nghịch như vậy quan trọng là dùng điện trở càng lớn càng tốt. Thêm vào đó, có thể vượt qúa điện áp ngược qua diot với các thời gian khôi phục ngược khác nhau . Một tự điện nối song song với mỗi diot ( xem hình 2.15 ) sẽ bảo vệ diot khỏi đột biến điện áp Giá trị của điện trở phân chia điện áp có thể đạt được như sau : Dòng điện nguồn là V V I D1 I D2 I s R D1 R D2 Giải pháp cho R V V R D1 D2 2-7 ID2 ID1 Công suất tiêu thụ trong R là 2 2 PR IR1 * R IR2 * R 2.8 Hình 2.14 Mắc nối tiếp các diot và thêm các điện trở
Hình 2.15 Mắc nối tiếp các diot và thêm điện trở với tụ điện Ví dụ 2.10 Hai diot với dải điện áp 800 V và dòng rò rỉ ngược 1 mA mắc nối tiếp qua nguồn AC giá trị đỉnh là 980V. Đặc tính ngược là trình bày trong hình 2.13. Xác định a) Điện áp ngược qua mỗi diot b) Giá trị của điện trở phân chia điện áp, sao cho điện áp qua diot bất kỳ không lớn hơn 55% của Vs (max) c) Tổng dòng điện nguồn và tổn hao công suất trong các điện trở Giải đáp : a) Khi không có năng lượng phân chia, dòng điện qua các diot là dòng rò 1 mA, từ hình 2.13 VD1 = 700V VD2 = 280V b) Tác động phân chia điện áp VD1 = 55% * 980 = 539V VD2 = 900 – 495 = 441V Chúng ta đạt được từ sơ đồ
ID1 = 0,7 mA ID2 = 1,4 mA Dùng công thức 2.7 V V R D1 D2 140 ID2 ID1 c) Dòng điện qua R là IR1 = 539 / 140 K = 3,85 mA IR2 = 441 / 140 K = 3,15 mA Dòng điện nguồn = 0,00385 + 0,0007 = 4,55 mA Hay dòng nguồn = 0,00315 + 0,0014 = 4,55 mA Công suất tiêu thụ trong R là 2 2 PR IR1 * R IR2 * R 2,1 0,44 2,54W 2.11.2 Nối song song các diot Nếu dòng điện tải lớn hơn dải dòng điện của một diot đơn, khi đó có thể mắc song song hai hay nhiều diot để thực hiện một dải dòng điện thuận cao hơn. Các diot mắc nối song song không phân chia dòng điện bằng nhau với các đặc tính hướng thuận khác nhau. Diot với điện áp thuận thấp nhất se mang dòng lớn hơn và có thể qúa nhiệt. Hình 2.17 trình bày các đặc tính V-I trạng thái mở của hia diot. Nếu có hai diot mắc song song ở một điện áp, dòng chảy khác nhau trong mỗi diot. Dòng điện tổng là tổng của I D1 và ID2 . Dải dòng điện tổng của một cặp không là tổng của dải dòng điện cực đại cho mỗi cái nhưng l2 giá trị lớn hơn dải dòng của một diot. Hình 2.16 Mắc song song các diot
Hình 2.17 Các đặc tính áp – dòng V-I của hai diot Các diot song song có tác dụng phân chia dòng điện bởi nối một điện trở rất nhỏ với mỗi diot. Trong hình 2.18, điện trở phân chia dòng điện R hình thành giá trị của I D1 và ID2 là gần bằng nhau. Mặc dù dòng phân chia là rất hiệu qủa, tổn hao công suất trong các điện trở là rất cao. Hơn nữa, nó là nguyên nhân tăng điện áp qua tổ hợp. Trừ phi dùng mắc nối song song là hoàn toàn cần thiết, tốt hơn dùng một dụng cụ với dải dòng điện tương xứng Hình 2.18 Mắc song song các diot và thêm các điện trở
Giá trị của điện trở phân chia dòng điện được tính như sau V = VD1 + ID1 * R = VD2 + ID2 * R Giải pháp cho R V V R D2 D1 2.9 ID1 ID2 Công suất tiêu thụ trong R là 2 2 PR ID1 * R ID2 * R 2.10 Điện áp qua tổ hợp diot là V VD1 ID1 * R VD2 ID2 * R 2.11 Ví dụ 2.11 Hai diot có đặc tính trình bày trong hình 2.17 được mắc nối song song. Tổng dòng điện qua các diot là 50A. Để làm cho có hiệu lực dòng phân chia, hai điện trở được mắc nối tiếp. Xác định: a) điện trở của cái điện trở phân chia dòng, sao cho dòng qua mỗi diot bất kỳ không lớn hơn 55% của I b) Tổng tổn hao công suất trong các điện trở c) Điện áp qua tổ hợp diot (V) Giải đáp : a) Với dòng phân chia tác dụng ID1 = 55% * 50 = 27,5 A ID2 = 50 - 27,5 = 22,5 A Chúng ta đạt được từ công thức 2.17 VD1 = 1,3 V VD2 = 1,6 V V = VD1 + ID1 * R = VD2 + ID2 * R = 1,3 + 27,5 * R = 1,6 + 22,5 * R Giái pháp cho R R = 0,06  b) Công suất tiêu thụ trong R là
2 2 2 2 PR ID1 * R ID2 * R 27,5 *0,06 22,5 *0,06 75,8W c) Điện áp qua tổ hợp diot là V VD1 ID1 * R VD2 ID2 * R = 1,3 + 27,5 * 0,06 = 1,6 + 22,5 * 0,06 = 2,95 V 2.12 Bài tập thảo luận 2.1. Kiểu vật liệu bán dẫn gì được dùng trong các diot công suất ? 2.2. Các ưu điểm chính của các diot silic là gì ? 2.3. Một diot dẫn hướng thuận là gì ? 2.4. Một diot dẫn hướng nghịch là gì ? 2.5. Hướng thuận của diện áp qua một diot lý tưởng là gì ? 2.6.Vẽ mạch điện chuyển mạch tương đương của một diot hướng thuận 2.7. Vẽ mạch điện chuyển mạch tương đương của một diot hướng nghịch 2.8. Xác định dải PIV của một diot 2.9. Làm thế nào để dùng một điện kế kiểm tra một diot ? 2.10. Cho mạch điện trong hình 2.19, tìm ID. Điện áp ngược cực đại qua diot là gì ? Hình 2.19 Xem bài tập 2.10 2.11. Cho mạch điện trong hình 2.20, tìm I1 , I2 , ID và VD Hình 2.20 xem bài tập 2.11
2.12 Cho mạch điện trong hình 2.21 tìm I ; ID và ID2 Hình 2.21 Xem bài tập 2.12 2.13. Cho mạch điện trong hình 2.22 , vẽ dạng sóng cho I Hình 2.22 Xem bài tập 2.13 2.14. Cho mạch điện trong hình 2.23, tìm a) dòng thuận cực đại mà diot nên dùng b) điện áp ngược cực đại mà diot chịu được Hình 2.23 Xem bài tập 2.14
2.15 Từ các trang dữ liệu của nhà chế tạo khác nhau, tìm được các dải sau đây cho một vài diot công suất được chế tạo hiện nay : a) Điện áp ngược đỉnh b) Dòng điện thuận cực đại c) Nhiệt độ chỗ nối làm việc cực đại d) Điện áp trạng thái mở cực đại tại dải dòng điện e) Dòng rò rỉ ngược cực đại f) Tần số chuyển mạch cực đại g) Thời gian mở h) Thời gian đóng 2.16. Viết một chương trình vi tính để pháp họa đặc tính V-I của một diot 2.13 Các công thức PT = Pon + Poff + Psw 2.1 ton Pon = Vf * If * 2.2 T toff Poff = VR * IR * 2.3 T Psw = Psw(on) + Psw(off) 2.4 1 Psw(off) = VF(max) * IF(max) * tR * f 2.6 6 1 Psw(on) = VF(max) * IF(max) * tf * f 2.5 6 V V R D1 D2 2-7 ID2 ID1 2 2 PR IR1 * R IR2 * R 2.8 V V R D2 D1 2.9 ID1 ID2 2 2 PR ID1 * R ID2 * R 2.10 V VD1 ID1 * R VD2 ID2 * R 2.11 CHƯƠNG 3 : CÔNG SUẤT BÁN DẪN
Đề cương học tập 3.1 Giới thiệu : 3.2 Các bán dẫn nối lưỡng cực công suất (BJT = bipolar junction transistor) 3.2.1 Đặc tính vôn-ampe BJT 3.2.2 Thế hiệu dịch của bóng bán dẫn 3.2.3 Tổn hao công suâ(t trong BJT 3.2.4 Kiểm tra một bóng bán dẫn 3.2.5 Bảo vệ bóng bán dẫn lưỡng cực 3.2.6 Các dải công suất bán dẫn 3.2.7 Vùng làm việc an toàn ( SOA = safe operating Area) 3.2.8 Sự đánh thủng thứ cấp 3.2.9 Kết nối quen thuộc 3.2.10 Mắc nối tiếp và song song các bóng bán dẫn 3.3 Công suất bán dẫn oxit kim loại phạm vi ứng dụng các bóng bán dẫn ( MOSFETS) 3.3.1 Đặc tính điện áp – dòng điện của MOSFET 3.3.2 Đặc tính truyền tải của MOSFET 3.3.3 Đặc tính của MOSFET lý tưởng 3.3.4 Một MOSFET như một chuyển mạch 3.3.5 Tổn hao trong MOSFET 3.3.6 Diot sơ cấp của một MOSFET công suất 3.3.7 Bảo vệ MOSFET ( metal oxide semiconductor field effect transistor ) 3.3.8 Vùng làm việc an toàn ( SOA ) 3.3.9 Các MOSFET mắc nối tiếp và song song 3.4 Cách điện cổng bán dẫn lưỡng cực ( IGBTs) 3.4.1 Các nguyện tắc làm việc 3.4.2 Đặc tính điện áp dòng điện của IGBTs 3.4.3 Đặc tính của IGBT lý tưởng 3.4.4 Tổn hao trong IGBT 3.5 Các bán dẫn một mối nối ( UJT = Unijunction transistor ) 3.5.1 Thế hiệu dịch của UJT 3.5.2 Kiểm tra một UJT 3.5.3 Dùng mạch UJT để kích thyristor 3.6 Bài tập thảo luận 3.7 Các công thức Trọng tâm học tập  Mô tả đặc tính và hoạt động của bán dẫn hai cực  Liệt kê các tổn hao công suất trong BJT  Mô tả thế nào là kiểm tra BJTs  Mô tả làm thế nào bảo vệ một BJTs  Liệt kê Các nguyên tắc đánh gia BJTs  Giải thích làm thế nào mắc BJTs nối tiếp và song để nâng cao hiệu suất của chúng
 Mô tả các đặc tính và hoạt động của bán dẫn oxit kim loại trường tác dụng bóng bán dẫn  Liệt kê các tổn hao công suất trong một MOSFET  Mô tả làm thế nào để bảo vệ MOSFET  Giải thích thế nào là mắc nối tiếp và song MOSFETs để tăng hiệu suất của chúng  Mô tả các đặc tính và hoạt động của cổng cách điện bóng bán dẫn lưỡng cực (IGBT)  Liệt kê các tổn hao công suất trong IGBT 3.1 Giới thiệu Các bóng bán dẫn có dải điện áp và dòng điện cao được hiểu là các bóng bán dẫn công suất. Một bóng bán dẫn là một dụng cụ ba lớp bán dẫn PNP hay NPN với hai chỗ nối. Các bóng bán dẫn có hai loại cơ bản :Khuyếc đại và chuyển mạch . Trong các điện tử công suất chủ yếu là hiệu qủa điều khiển côngsuất, với các bóng bán dẫn là hoạt động ổn định như một chuyển mạch. Chúng chủ yếu được dùng trong mạch băm và các ứng dụng biến đổi điện ( inverter). Các diot là các chuyển mạch không có khả năng điều khiển chỉ có hai đầu cực. Chúng chỉ đáp ứng để chuyển mạch điện áp qua chúng. Các bóng bán dẫn hơn thế nữa có ba đầu cực. Hai đầu cực làm việc như các công tắc chuyển mạch, trong lúc đầu cực thứ ba được dùng để vặn chuyển mạch đóng và mở. Như vậy mạch điều khiển có thể độc lập với mạch điện được điều khiển. Hai loại bán dẫn công suất được dùng rộng rãi trong các mạch điện tử công suất : Bóng bán dẫn hai cực (BJT) vàchất bán dẫn ô xít kim loại trường tác dụng bóng bán dẫn (MOSFET). MOSFET và BJT công suất vẫn còn phát triển là dụng cụ được chọn trong các ứng dụng điện tử công suất. Tốc độ chuyển mạch của một BJT nhiều thời gian trễ hơn một MOSFET cùng kích cỡ và hiệu suất. Một BJT là một dụng cụ điều khiển mạch điện , và yêu cầu một dòng điện cơ bản lớn để giữ dụng cụ trong trạng thái mở. Thêm vào đó, để đạt được việc đóng nhanh, yêu cầu một dòng điện căn bản ngược cao hơn. Những hạn chế này của MOSFET làm cơ sở thiết kế mạch điện hoàn thiện hơn và vì vậy mắc hơn. Mặt khác, các MOSFET công suất là các dụng cụ điều khiển điện áp. Chúng được ưa chuộng hơn với BJT trong các ứng dụng tần số cao nơi chuyển mạch tổn hao công suất chuyển mạch là quan trọng. Tuy nhiên, điện áp trạng thái mở rơi trên MOSFET công suất là cao hơn của một BJT cùng kích cỡ và công suất. Vì vậy, trong các ứng dụng điện áp cao nơi tổn hao trạng thái mở là tối thiểu, một BJT được ưa chuộng nơi tiêu phí thực hiện làm nghèo tần số cao. Sáng kiến cổng cách điện bóng bán dẫn hai cực (IGBT) đã phần nào khắc phục các hạn chế của các BJTs và MOSFETs . Các IGBTs cung cấp khả năng điện áp cao, tổn hao trạng thái mở thấp, mạch điện đơn giản, tốc độ chuyển mạch nhanh. IGBTs vì vậy trở thành chọn lựa lý tưởng cho các ứng dụng điện áp cao, tổn thất dẫn điện phải thấp. 3.2 Các bán dẫn công suất hai cực : Các bán dẫn công suất có khả năng trong cả hai loại NPN và PNP. Tuy nhiên chúng ta sẽ tập trung vào dụng cụ PNP. Cấu trúc và ký hiệu của một bán dẫn (NPN) trình bày trong
hình 3.1. Loại bán dẫn này được gọi là bán dẫn hai dầu cực BJT. BJT thường thường được quy vào như một bán dẫn. CHƯƠNG5: CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN MỘT PHA Phần đề cương : 5.1 Giới thiệu 5.2 Chỉnh lưu nửa sóng ( chỉnh lưu một xung) 5.2.1 Với một tải điện trở 5.2.2 Với một tải cảm ứng (RL) 5.2.3 Với một tải cảm ứng và một điot (FWD) 5.3 Chỉnh lưu biến áp có điểm giữa toàn sóng ( chỉnh lưu hai xung) 5.3.1 với một tải điện trở 5.3.2 Với một tải cảm ứng (RL) 5.4 Chỉnh lưu cầu toàn sóng. 5.4.1 Với một tải điện trở 5.4.2 Với một tải cảm ứng (RL) 5.5 Thảo luận 5.6 Các công thức Mục đích học tập  Mô tả qúa trình hoạt động dạng sóng của chỉnh lưu không điều khiển nửa sóng với tải điện trở và tải cảm ứng  Giải thích ý nghĩa của diot FWD  Giải thích sự khác nhau giữa chỉnh lưu nửa sóng và toàn sóng  Mô tả hoạt động dạng sóng của một chỉnh lưu không điều khiển toàn sóng với các tải là điện trở và cảm ứng  Thảo luận ưu điểm của chỉnh lưu toàn sóng so với chỉnh lưu nửa sóng 5.1 Giới thiệu
Sự chỉnh lưu là qúa trình biến đổi điện thế hay dòng điện xoay chiều sang một chiều. Chỉnh lưu không điều khiển chỉ sử dụng các diot như những thành phần chỉnh lưu. Điện áp ra một chiều DC là ổn định có độ lớn bằng biên độ dao động của điện áp vào xoay chiều AC. Tuy nhiên dòng ra DC là không thuần túy- có nghĩa nó bao gồm các thành phần xoay chiều AC được gọi là gợn sóng. Để loại trừ sự gợn sóng này, một sự lọc được đưa vào sau chỉnh lưu Trong chương này, chúng ta sẽ học dòng một pha, dãy chỉnh lưu không điều khiển từ chỉnh lưu nửa sóng đơn giản dùng một diot đơn đến chỉnh lưu cầu đủ sóng phức tạp dùng một vài diot. Chúng ta sẽ giả sử rằng các diot được dùng có đặc điểm tiêu chuân như nhau trên hình 2.3 5.2 Chỉnh lưu nửa sóng ( chỉnh lưu một xung) 5.2.1 Với một tải điện trở : Chỉnh lưu nửa sóng đơn giản mach điện chỉ một tải điện trở trình bày trên hình 5.1a. Điện áp nguồn là một sóng hình sin với giá trị cực đại V m và chu kỳ T . Trong nửa chu kỳ dương, khi đó điện áp tại cực dương là dương so với cực âm, diot ở vị trí mở, dòng điện này chạy qua tải điện trở R. Điện áp tải (v o ) theo sau nửa sóng sin dương. Trong lúc nửa chu kỳ âm, điện áp ở cực dương trở thành âm so với cực âm , diot ở vị trí đóng. Khi đó không có dòng điện chạy qua R. Điện áp ra (v o ) trình bày trên hình 5.1b, cũng trình bày dòng điện tải. Chỉnh lưu nửa sóng như vây đã thay đổi nguồn điện AC thành DC. Điện áp ra dao động một chiều DC bao gồm gợn sóng rộng. Vì vậy, dòng điện một dao động có giới hạn giá trị thực tế khi sử dụng cho công suất cao. Con số chú ý trong dòng điện này là trung bình hay điện áp tải và dòng điện tải Điện áp tải trung bình cho bởi : Vs 2 Vo(avg) = = Vm / = 0,318 Vu1 5.1 Ở đây : Vs = giá trị hiệu dụng RMS của điện áp cung cấp ( điện áp hiệu dụng) Vm = Giá trị cực đại của điện áp cung cấp ( điện áp đỉnh)
Hình 5.1 Chỉnh lưu nửa sóng với tải điện trở (a) các dạng sóng của dòng điện Dạng sóng của dòng điện có hình dạng giống như dạng sóng điện áp, như vậy quan hệ đồng dạng trên công thức 5.1 cho ra dòng điện tải trung bình : I0 (avg.) = Im / = 0,318 Im 5.2 Ở đây Im = Vm / R Dòng điện hiệu dụng cho bởi : (Giá trị RMS của dòng điện tải) IRMS = Im / 2 5.3 Kết qủa trên phương trình 5.3 là đặc thù của dòng điện nửa sóng dạng sóng. Dạng sóng của điện áp diot ( hình 5.1b ) cho thấy rằng diot phải có khả năng chịu được một điện áp đổi chiều bằng đỉnh chóp của điện áp nguồn. Điện áp này được sử dụng để chọn diot thích hợp trên một dòng điện đã cho. Rải PIV ( hay PRV) đối với diot được cho bởi : Rải PIV Vm 5.4 Mục đích của chỉnh lưu là biến đổi nguồn AC thành nguồn DC. Từ đó chúng ta có ý tưởng một thiết bị hoàn hảo, không bi mất năng lượng khi chỉnh lưu, dòng điện lưới xoay
chiều AC đầu vào với chu kỳ đủ phải bằng năng lượng dòng điện một chiều DC đầu ra. Dòng điện một chiều DC ( trung bình) ra trên tải được cho bởi : P0 (avg.) = V0 (avg.) * I0 (avg.) V I V *V = m * m = m m 2 * R V 2 = m 5.5 2 * R Dòng điện AC đầu vào cho bởi : PAC = VRMS * IRMS VRMS đối với một giai đoạn từ ) tới ( nửa chu kỳ ) là Vm / 2, Bởi vì : 2 Vm Im Vm *Vm Vm PAC = * = = 5.6 2 2 4* R 4R Hiệu qủa chỉnh lưu được xác định qua tỷ số công suất DC đầu ra và công suất AC đầu vào P  0(avg.) 5.7 PAC Dạng thực tế đo được gần đúng hình dạng của điện áp đầu ra. Một cách lý tưởng , điện áp DC đầu ra của một máy chỉnh lưu là hằng số. Trong thực tế, các máy chỉnh lưu cung cấp dòng ra là nhưng dạng sóng hình sin thiếu. Dạng thực tế được xác định qua tỷ số RMS điện áp ra với giá trị trung bình của điện áp ra : V Dạng thực tế (FF) = oRMS 5.8 Vo(avg.) Giá trị lý tưởng của FF là đồng nhất. FF là đồng nhất nếu điện áp ra là một giá trị DC hằng số, để mà VoRMS = Vo (avg.) Điện áp ra của một máy chỉnh lưu bao gồm cả hai DC và AC ( gợn sóng ) cấu thành. Tần số và độ lớn của điện áp gợn sóng là một nhân tố quan trọng trong lựa chọn các máy chỉnh lưu. Dòng gợn sóng tần số cao hơn và biên độ nhỏ hơn, dễ lọc gợn sóng hơn trong giới hạn chấp nhận được. Số xung là tỷ số giữa tần số gợn sóng cơ bản của điện áp DC với tần số điện áp AC cung cấp tan sogonsongcoban Số xung = 5.9 tan songuonAC Thành phần gợn sóng là tỷ số giữa giá trị RMS của thành phần AC với thành phần DC I Hệ số gợn sóng = oAC IoDC Theo lý tưởng thành phần gợn sóng nên là 0. Thành phần gợn sóng có thể xác định bởi lần đầu tìm ra công suất đã tiêu hao trong tải điện trở R
2 2 2 PL = IRMS R IDC R I AC R 2 2 2 Hay : I AC IRMS IDC 2 2 2 I AC IRMS IDC 2 2 2 IDC IDC IDC 2 2 IRMS RF 2 1 5.10 IDC 2 IRMS RF 2 1 IDC Vi dụ 5.1 : Một máy chỉnh lưu nửa sóng trên hình 5.1a được nối với nguồn điện AC 50V. Nếu tải điện trở là 100 , tìm a) Điện áp tải cực đại b) Điện áp tải trung bình c) Dòng điện tải cực đại d) Dòng điện tải trung bình e) Dòng điện tải RMS f) Rải PIV cho diot g) Công suất ra DC (trung bình) h) Công suất vào AC i) Tần số máy chỉnh lưu ( hiệu suất chỉnh lưu) j) Dạng thành phần (Hệ số định dạng) k) Số xung l) Thành phần gợn sóng (Hệ số gợn sóng) m) Góc độ dẫn Giải đáp : a) Điện áp tải cực đại Vm = 2 . 50 = 70,7 V b) Điện áp tải trung bình Vo(avg) = 0,318 . Vm = 0,318 * 70,7 = 22,5 V c) Dòng tải cực đại Im = Vm / R = 70,7 / 100 = 707 mA d) Dòng tải trung bình : Io(avg) = 0,318 * 0,707 = 225 mA e) Dòng tải RMS: IoRMS = Im / 2 = 0,707 / 2 = 353,5 mA f) Rải PIV của diot : PIV Vm = 70,7 V
V 2 70,72 g) Công suất dòng DC ra : P m 5,1W DC 2 * R 2 *100 V 2 70,72 h) Công suất dòng AC vào : P m 12,5W AC 4R 4*100 pDC 4 i) Hiệu suất chỉnh lưu:  2 0,405 40,5% PAC V V / 2 j) Hệ số định dạng: FF oRMS m / 2 1,57 Vo(avg ) Vm / tan sogonsongcoban 60 3600 k) Số xung : p = 1 tan songuonAC 60 3600 2 2 IRMS (Im / 2) 2 l) Hệ số gợn sóng : RF 2 1 2 1 ( / 2) 1 1,21 IDC (Im / ) m) Góc độ dẫn : = 1800 Ví dụ 5.2 Trong hình 5.1a, điện áp nguồn là 120V với tải điện trở là 10 . Tìm a) Dòng tải cực đại b) Điện áp tải trung bình c) Dòng tải trung bình d) Dòng tải RMS e) Công suất đặt trên tải f) Hệ số công suất g) Rải PIV của diot Giải đáp : Gọi giá trị điện áp nguồn là Vm = 2 VRMS = 1,414 * 120 = 169,7 V a) Dòng tải cực đại: Im = Vm / R = 169,7 / 10 = 16,97 A b) Điện áp tải trung bình : V0(avg) = 0,318 Vm = 0,318 * 169,7 = 54,0 V c) Dòng tải trung bình : I0(avg) = 0,318 Im = 0,318 * 16,97 = 5,4 A d) Dòng tải RMS : IRMS = Im / 2 = 16,97 / 2 = 8,49 A 2 2 e) Công suất đặt lên tải : P = IRMS * R 8,49 * 10 = 720 W f ) Công suất biểu kiến : S = VRMS * IRMS = 120 * 8,49 = 1018,8 VA P 720 Hệ số công suất : 0,707 ô& S 1018,8 g) Rải PIV của diot : PIV Vm = 169,7 V
5.2.2 với một tải cảm ứng (RL) Dòng điện nửa sóng với một tải cảm ứng (RL) , thực tế trình bày trên hình 5.2a. Chúng ta hãy phân tích hoạt động của mạch điện này a) Như trong trường hợp của tải điện trở, diot ở vị trí mở, trong khi cực dương của nó trở nên dương so với cực âm. Điện áp qua tải giống như nửa chu kỳ dương của nguồn AC. b) Trong thời gian này, năng lượng truyền tải từ nguồn AC và là năng luợng tích trong vùng từ trường ngoại vi phần cảm. c) Dòng điện đi qua bộ phận cảm không thể thay đổi ngay lập tức. Bởi vì dòng điện tăng thêm dần dần cho tới khi nó đạt đến giá trị cực đại của nó. Nên nhớ rằng dòng điện không đạt đến đỉnh chót của nó khi điện áp là ở cực đại. Điều này là phù hợp với thực tế dòng điện đó chạy qua phần cảm trể với điện áp. d) Khi điện áp nguồn giảm đi, dòng điện bắt đầu giảm dần dần, trở thành 0 khi tất cả năng lượng dự trữ bởi phần cảm được phóng thích tới dòng điện. Vậy thì dòng điện tải tắt hẳn đối với nửa nhỏ hơn toàn bộ giai đoạn e) Ơû cùng một thời gian, từ trường gấp liên kết với phần cảm và cảm ứng một điện áp đối ngược với sự giảm của điện áp cung cấp f) Dòng điện càng sớm bằng 0 , diot là dốc ngược. Diot lúc đó giữ nguyên vị trí tắt đối với sự nghỉ của chu kỳ âm. Hình 5.2b cho thấy dạng sóng Trong khoảng từ 0 đến /2 , điện áp nguồn vs tăng dần từ 0 đến cực đại dương của nó, trong khi điện áp cảm ứng trên phần cảm v L ngược với sự thay đổi của dòng điện qua tải. Trong khoảng thời gian /2 đến , điện áp nguồn giảm dần từ giá trị cực đại dương đến 0 . Cùng thời gian này, điện áp cảm ứng có đổi chiều phân cực ngược với sự giảm của dòng điện, đó là nó hiện thêm diot trước dòng điện.
Hình 5.2 : chỉnh lưu nửa sóng với tải cảm ứng (a) biểu đồ dòng điện (b) dạng sóng của điện áp và dòng điện Tại , điện áp nguồn đổi chiều và tăng dần đến giá trị cực đại âm. Tuy nhiên điện áp cảm ứng ngang qua phần cảm vẫn còn dương và sẽ duy trì đổi chiều dẫn của diot cho đến khi điện áp cảm ứng giảm đến 0, tại điểm diot cản. Nên nhớ rằng mặc dù diot là dốc ngược , có một dòng điện chạy qua diot cho đến khi góc   được đạt đến. Đó là kết qủa của năng lượng tích trữ trong từ trường là được trở về nguồn. Dạng sóng của điện áp ngang qua điện trở cũng giống như dạng sóng của io(vR = io R). Sự khác nhau giữa v R và vo là điện áp ngang qua phần cảm ( xem hình 5.2b) g) Nếu chúng ta tăng tải cảm ứng L, diot sẽ dẫn dòng điện nhiều lần trong chu kỳ. Nếu chúng ta áp dụng L để là vô hạn, dòng điện đi qua diot sẽ có thể trọn vẹn bằng phẳng và vì vậy liên tục. Trong tình trạng này, diot sẽ có thể là chu kỳ đủ, điện áp ngang qua diot sẽ có thể bằng 0 và giá trị của vs và vo sẽ có thể bằng nhau. Dòng điện sẽ có thể không hiệu chỉnh dài hơn, như vậy dòng điện có thể là xoay chiều. Điều đó không thực hiện được, bởi vì, dòng điện đầu ra phải là 0 một thời gian ít hơn nửa một chu kỳ. Điện áp ra trung bình vì vậy phụ thuộc sự liên quan phần cảm và
điện trở của tải. Dạng sóng trình bày trên hình 5.2b là vẽ cho trường hợp mà điện áp trung bình ra là khác 0 và dòng điện do đó là không liên tục. Giá trị trung bình của điện áp tải được cho bởi : V V m (1 cos ) 5.11 0(avg ) 2   là góc dẫn ( phụ thuộc vào giá trị của R và L) 0  180 ,V0(avg ) 0 0  360 ,V0(avg ) 0 Tải cảm ứng giảm điện áp tải trung bình. 0 Nhớ rằng nếu  = 180 thì V0(avg) = Vm / ( công thức 5.1) V I m (1 cos ) 5.12 0(avg ) 2 R Aùp dụng đối với công suất cao, dòng điện một xung có giới hạn thực tế dùng điện áp ra thấp và gợn sóng rộng trong điện áp DC ra. 5.2.3 Với một tải cảm ứng và diot líp FWD Dòng điện trên hình 5.2 có thể thay đổi ra kết qủa dòng điện trình bày trên hình 5.3, mà thực tế sử dụng công suất thấp. Nó vẫn còn là chỉnh lưu nửa sóng, qua dòng điện tải có thể chạy trong toàn bộ chu kỳ Điot thứ hai D 2 , được mắc song song với tải, được biết như là diot líp FWD . Diot này ngăn ngừa điện áp âm xuất hiện trên tải, kết qủa là nó làm tăng điện áp trung bình V0(avg) trên tải, cũng như vậy với dòng điện trung bình. Trong nửa chu kỳ âm của điện áp cung cấp, FWD dẫn và chuan bị phần xoay chiều đối với dòng điện. Trong khoảng thời gian này FWD dẫn, diot chính D 1 là dốc ngược và ngừng dẫn , và như thế dòng điện nguồn là bằng 0 đới với nửa giai đoạn này. FWD giúp ngăn ngừa dòng điện tải đi tới 0, và như vậy giảm bout gợn sóng. Dạng sóng của điện áp tải là giống như trong dòng nửa sóng với một tải điện trở. Điện áp tải trung bình là Vm / , cho bởi công thức 5.1 Dạng sóng của điện áp và dòng điện trình bày trong hình vẽ này cho là tải cảm ứng lớn. Tải cảm ứng càng lớn, dòng điện tải càng trở nên bằng phẳng hơn.
Hình 5.3 : tải cảm ứng với một diot FWD (a) , sơ đồ dòng điện (b) kiểu dạng sóng với một tải cảm ứng lớn Ví dụ 5.3 : Trong dòng điện trình bày trên hình 5.3, V s = 240 V và R = 10  . Nếu tải điện cảm là lớn, tìm a) Điện áp tải trung bình b) Dòng điện tải trung bình c) Giá trị RMS của dòng điện tải d) Công suất tiêu thụ trên tải e) Hệ số gợn sóng f) Hệ số công suất Giải đáp : Vm = 2 ( 240 ) = 339,4 V a) Điện áp tải trung bình : V0(avg) = 0,318 * 339,4 = 108 V b) Dòng điện tải trung bình : I0(avg) = 108 / 10 = 10,8 A c) Theo giá trị lớn của tải cảm ứng , dòng điện tải gần như là không đổi. Giá trị RMS của dòng điện tải vì vậy bằng giá trị trung bình của nó. 2 2 d) Công suất tiêu thụ trên tải : PL IRMS R (10,8) *10 1166,4W
e) Hệ số gợn sóng : 2 2 VRMS (339,4 / 2) RF 1 1 1,211 VDC 108 f)Hệ số công suất : P 1166,4 0,45 S 240*10,8 5.3 Chỉnh lưu biến áp toàn sóng có điểm giữa ( chỉnh lưu hai xung) Một pha đơn, chỉnh lưu nửa sóng là rất không thực tế , điện áp ra trung bình của nó thấp, hiệu suất kém, và hệ số gợn sóng cao. Những nhược điểm này có thể khắc phục bằng chỉnh lưu toàn sóng. Chỉnh lưu toàn sóng thường được sử dụng hơn chỉnh lưu nửa sóng. Dòng điện và điện áp trung bình cao hơn, hiệu suất cao hơn, và giảm hệ số gợn sóng 5.3.1 Với một tải điện trở : Hình 5.4(a) trình bày giản đồ của chỉnh lưu toàn sóng dùng một máy biến áp với một thou cấp có điểm giữa. Điện áp nguồn và tải điện trở là như nhau trong trường hợp nửa sóng. Trong chu kỳ nửa dương ( hình 5.4b) diot D 1 dẫn và diot D2 là dốc ngược. Dòng điện chảy qua tải là nguyên nhân rơi giảm điện dương Hình 5.4 Chỉnh lưu toàn sóng điểm giữa (a) dòng điện (b) đương lượng dòng điện trong nửa chu kỳ dương (c) đương lượng dòng điện trong nửa chu kỳ âm Hình 5.4 (d) Dạng sóng của dòng điện và điện áp
Trong nửa chu kỳ âm (hình 5.4c) diot D2 dẫn và D1 là đóng. Dòng điện chảy qua R, duy trì cũng như phân cực đối với điện áp ngang qua tải (xem hình 5.4d) . Bởi vì dạng sóng của điện áp tải không thay đổi tốt hơn nửa chu kỳ sóng sin , kết qủa là giá trị trung bình cao hơn và hệ số gợn sóng cao hơn. Giá trị trung bình và RMS giống một chút với trường hợp nửa sóng
V0(avg) = (2 Vm ) / = 0,636 Vm Nhớ rằng trung bình toàn sóng bằng hai lần trung bình nửa sóng, điều này là hiển nhiên bởi kiểm tra hai đồ thị điện áp đấu. Tương tự điện áp tải trung bình cũng cho bởi : 0,636Vm Io(avg ) (2Im) / 0,636Im R 5.14 Dòng điện ra RMS cho bởi : I Im 0,707.I (I ) 5.15 o(avg ) 2 m 0RMS Đồ thị của điện áp ngang qua diot trên hình 5.4d cho thấy rằng mỗi một diot phải không có điện áp ngược bằng 2 V m. Rải PIV đối với diot được sử dụng trong dòng điện này được tính bởi : Rải PIV cho diot 2 Vm 5.16 Dòng điện trung bình qua diot là : ID1(avg) = ID2(avg) = I0(avg) / 2 = Im / 5.17 Dòng điện RMS qua diot là : IDRMS = Im / 2 5.18 Trung bình hay công suất phân phối trên tải được cho bởi : P0(avg) = V0(AVG) * I0(AVG) 2V 2I 4V *V 4V 2 = m * m m m m 5.19 2 * R 2 * R Công suất vào AC được cho bởi : PAC = VRMS * IRMS V I V *V V 2 = m * m m m m 5.20 2 2 2* R 2* R Ví dụ 5.4 : Chỉnh lưu toàn sóng trình bày trên hình 5.4a, được cung cấp từ nguồn 120 V, 60 Hz. Nếu tải điện trở là 10  . Tìm a) Dòng điện tải cực đại b) Điện áp tải trung bình c) Dòng điện tải trung bình d) Dòng điện trung bình diot e) Giá trị RMS của dònh điện tải
f) Công suất trên tải g) Dải PIV của diot h) Tần số gợn sóng Giải đáp : Điện áp đỉnh : Vm = 2 (120) = 169,7 V a) Dòng điện tải cực đại Im = Vm / R = 169,7 / 10 = 16,97 A b) Điện áp tải trung bình V0(avg) = 0,636 Vm = 0,636 * 169,7 = 108 V c) Dòng điện tải trung bình I0(avg) = 0,636 * 16,97 = 10,8 A d) Dòng điện trung bình diot ID1(avg) = ID2(avg) = I0(avg) / 2 = 10,8 / 2 = 5,4 A e) Giá trị RMS của dòng điện tải I0RMS = Im / 2 = 16,97 / 1,414 = 12 A f) Công suất trên tải I2 R = 122 * 10 = 1440 W g) Dải PIV của diot = 2 Vm = 339,4 V h) Từ khi hai chu kỳ dòng ra xuất hiện đối với mỗi một chu kỳ của dòng vào Tần số gợn sóng = 2 * tần số dòng vào = 2 * 60 = 120 Hz Ví dụ 5.5 : Chỉnh lưu toàn sóng trình bày trên hình 5.4a, được cung cấp từ nguồn 120 V, 60 Hz. Nếu tải điện trở là 10  . Tìm a) điện áp tải trung bình b) Dòng điện tải cực đại c) Dòng điện tải trung bình d) Giá trị RMS của dònh điện tải e) Rải PIV đối với diot f) Công suất trung bình phân phối trên tải g) Công suất vào AC h) Hiệu suất của máy chỉnh lưu i) Hệ số dạng j) Số xung k) Hệ số gợn sóng l) Góc dẫn m) Hệ số công suất Giải đáp : Điện áp đỉnh : Vm = 2 (50) = 70,7 V a) Điện áp tải trung bình : V0(avg) = 0,636 Vm = 0,636 * 70,7 = 45 V b) Dòng tải cực đại : Im = Vm / R = 70,7 / 100 = 707 mA c) Dòng tải trungbình : I0(avg) = 0,636 * 0,707 = 450 mA d) Dòng tải RMS: I0RMS = Im / 2 = 0,707 / 1,414 = 500 mA e) Raûi PIV cho diot : PIV 2 Vm = 141,4 V f) Công suất trung bình phân phối trên tải:
2 2 4Vm 4(70,7) P0(avg) = 20,25W 2 * R 2 *100 V 2 70,72 g) Công suất vào AC : P m 25W AC 2R 2*100 2 Pavg Vm 2R 8 h) Hiệu suất chỉnh lưu :  4 2 * 2 2 0,81 81% PAC * R Vm V 50 i) Hệ số hình dáng : FF = 0(RMS ) 1,11 V0(avg ) 45 j) Số xung : tan.so.gon.song.co.ban p = 120 / 60 3600 /1800 2 tan.so.nguon.AC 2 2 IRMS 0,5 k) Hệ số gợn sóng : RF 2 1 2 1 0,484 IDC 0,45 l) Góc dẫn :  = 1800 (V / )(I / 2) m) Hệ số công suất : PF m 0(avg ) 2 / 0,64 (Vm / 2 2)(I0(avg ) / 2) 5.3.2 Với một tải cảm ứng RL Thêm một bộ phận cảm ứng cùng với một tải điện chở làm thay đổi dạng sóng của điện áp và dòng điện, như trình bày ở phần 5.2.2. Nên nhớ rằng dòng điện tải tiếp tục chảy một giai đoạn của thời gian sau khi diot dốc ngược, và kết qủa là làm giảm biên độ của điện áp rat trung bình. Hình 5.5 trình bày chỉnh lưu toàn sóng có điểm giữa với một tải cảm ứng và dạng sóng của dòng điện và điện áp tổng hợp của nó. Như có thể thấy trên hình 5.5b Hình 5.5 : Chỉnh lưu có điểm giữa với một tải cảm ứng (a) sơ đồ dòng điện (b) dạng sóng của dòng điện và điện áp
Dòng điện tải đạt cực đại khi điện áp nguồn V s bằng 0. Khi Vs tăng dần độ lớn trong khoảng thời gian từ 0 đến / 2 , khi Vs đạt đến cực đại , dòng điện tải là nhỏ nhất. Trong khoảng thời gian giữa /2 và , ở nay điện áp nguồn giảm dần độ lớn, điện áp cảm ứng ngang qua phần cảm đối ngược với sự giảm dần của dòng điện tải bởi được thêm điện áp nguồn. Vì vậy dòng điện tải tăng dần đến một giá trị cực đại khi v s = 0 . Qúa trình tiếp tục với mọi nửa chu kỳ của chỉnh lưu sóng sin. Dòng điện tải không bao giờ giảm đến 0 từ lúc năng lược dự trữ trong từ trường duy trì cho dòng điện chảy Công thức là như nhau đối với chỉnh lưu điểm giữa với một tải điện trở. Giá trị trung bình của điện áp tải là : V0(avg) = (2 Vm) / = 0,636 Vm 5.21 Hình 5.6 Dạng sóng của dòng điện đối với một tải cảm ứng cao
Giá trị trung bình của dòng điện tải là : 2V V I m 0,636 m 5.22 0(avg ) R R Nếu tải cảm ứng là đủ lớn, dòng điện tải gần như không đổi, giống như trình bày trên hình 5.6 Giá trị RMS của dòng điện tải là : I0(RMS) = I0(avg) = V0(avg) / R 5.23 I0(avg ) ID(RMS) = 5.24 2 Ví dụ 5.6 : Chỉnh lưu toàn sóng trình bày trên hình 5.5a, nguồn điện cung ứng là 115 V. Nếu tải điện trở là 100  , tìm : a) Điện áp ra DC b) Dòng điện tải trung bình
c) Công suất phân phối trên tải d) Công suất vào AC e) Hiệu suất chỉnh lưu f) Hệ số gợn sóng g) Hệ số hình dạng Giải đáp : Điện áp đỉnh là : Vm = 2 (115) = 162,6 V a) Điện áp ra DC là : V0(avg) = 0,636 Vm = 0,636 * 162,6 = 103,4 V b) Dòng điện tải trung bình là : I0(avg) = 103,4 / 100 = 1,03 A c) Công suất phân phối trên tải : PL = V0(avg) * I0(avg) = 103,4 * 1,03 = 107 W d) Công suất đầu vào AC: 2 2 Vm 162,6 PAC = VRMS * IRMS = 132,2W 2R 2*100 e) Hiệu suất chỉnh lưu : P 107  L 0,81 81% PAC 132,2 f) Hệ số gợn sóng : 2 2 VRMS 115 RF 1 1 0,48 Vdc 103,4 g) Hệ số hình dáng: V 115 FF = RMS 1,11 V0(avg ) 103,4 5.4 Chỉnh lưu cầu toàn sóng 5.4.1 Với một tải điện trở Chỉnh lưu toàn sóng cũng có thể đạt được bởi chỉnh lưu cầu như trình bày trên hình 5.7. Chỉnh lưu toàn sóng cầu này sử dụng bốn diot. Trong nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn (hình 5.8a, diot D2 và D3 là dốc ngược do vậy có thể thay thế bằng một nút đóng. Dòng điện tải chảy qua trong giai đoạn này đi qua D2 và tải R sau đó đi qua D3 và trở về nguồn. Nguyên do này là một điện áp dương rơi ngang qua R Hình 5.7 Mạch điện chỉnh lưu cầu toàn sóng
Hình 5.8b cho thấy dòng điện cầu toàn sóng trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn. Bây giờ diot D1 và D4 là dốc ngược và vì thế có thể được thay thề bằng một nut đóng. Dòng điện tải bay giờ đi ngang qua D4 và qua R , sau đó qua D1 đến nguồn. Đường đi của dòng điện qua R là có hướng cũng như trước, bởi vì co sự rơi giảm điện dương ngang qua R trong cả hai nửa chu kỳ . Như vậy, chỉnh lưu cầu toàn sóng mục đích là dòng điện tải chảy trong cả hai nửa chu kỳ. Hình 5.9 trình bày những dạng sóng thích hợp. Giá trị trung bình và RMS của điện áp và dòng điện là tương tự như với trường hợp chỉnh lưu toàn sóng có điểm giữa. Tuy nhiên dạng sóng của điện áp ngang qua diot trênhình 5.9 cho thấy rằng mỗi một diot phải chịu được một điện áp ngược bằng Vm Hình 5.8 Chỉnh lưu cầu (a) nửa chu kỳ dương (b) nửa chu kỳ âm.
Hình 5.9 Những dạng sóng của chỉnh lưu cầu Rải PIV đối với diot Vm Bởi vì có hai đường dẫn cho dòng điện tải, dòng điện diot trung bình chỉ là một nửa của dòng điện tải trung bình ID(avg) = Iavg / 2
Ví dụ 5.7: Chỉnh lưu cầu toàn sóng trên hình 5.7, được cung cấp bởi nguồn 120V . Nếu điện trở tải là 10,8  , tìm : a) Điện áp tải đỉnh b) Điện áp DC ngang qua tải c) Dòng điện tải DC d) Dòng điện trung bình trong mỗi một diot e) Công suất ra trung bình f) Hiệu suất chỉnh lưu g) Hệ số gợn sóng h) Hệ số công suất Giải đáp : a) Điện áp đỉnh : Vm = 2 VRMS = 1,414 * 120 = 170 V b) Điện áp DC ngang qua tải : V0(avg) = 0,636 * 170 = 108 V c) Dòng điện tải DC I0(avg) = 108 / 10,8 = 10 A d) dòng điện trung bình trong mỗi diot : từ lúc các diot mang dòng tải trên các nửa chu kỳ xoay chiều ID(avg) = I0(avg) / 2 = 10 / 2 = 5 A e) Công suất ra trung bình : P0(avg) = V0(avg) * I 0(avg) = 108 * 10 = 1080 W f) Hiệu suất chỉnh lưu :  8/ 2 = 0,81 = 81% g) Hệ số dạng : 2 2 VRMS 120 RF 1 1 0,482 VDC 108 h) Hệ số công suất P V * I 108*10 PF = 0(avg ) 0(avg ) 0,9 S VRMS * IRMS 120*10 Vì dụ 5.8 : Chỉnh lưu cầu toàn sóng trên hình 5.7, được cung cấp bởi nguồn điện 120V, 60 Hz. Nếu tải điện trở là 10 , tìm : a) Điện áp tải trung bình b) Dòng điện tải cực đại c) Dòng điện tải trung bình d) Dòng điện tải RMS e) Công suất trên tải f) Rải PIV cho các diot g) Dòng điện diot trung bình
h) Tần số gợn sóng Giải đáp : Điện áp tải đỉnh là : Vm = 2 VRMS = 1,414 * 120 = 170 V a) Điện áp tải trung bình : V0(avg) = 0,636 * 170 = 108 V Vm 170 b) Dòng điện tải cực đại : Im = 17A R 10 c) Dòng điện tải trung bình : I 0(avg) = 0,636 * 17 = 10,8 A d) Dòng điện tải RMS : IRMS = 172 = 12 A 2 2 e) Công suất trên tải : P = IRMS R 12 *10 1440W f) Rải PIV cho các diot : PIV Vm = 170 V g) Dòng diot trung bình : ID(vag) = I0(avg) /2 = 10,8 / 2 = 5,4 A h) Từ hai chu kỳ của đầu ra xảy ra cho mỗi một chu kỳ của đầu vào, Tần số gợn sóng = 2 * tần số của AC vào = 2 * 60 = 120 Hz Ví dụ 5.9: Chỉnh lưu cầu toàn sóng trên hình 5.7, được cung cấp bởi một nguồn 50V, nếu điện trở tải là 100  , tìm : a) Điện áp trung bình ngang qua tải b) Dòng điện tải trung bình c) Dòng điện RMS d) Số xung e) Góc dẫn f) Rải PIV cho diot g) Hệ số hình dạng h) Hệ số gợn sóng Giải đáp : Điện áp tải đỉnh là : Vm = 2 VRMS = 1,414 * 50 = 70,7 V a) Điện áp trung bình ngang qua tải : V0(avg) = 0,636 * 70,7 = 45 V b) Dòng điện tải trung bình : I0(avg) = 45 / 100 = 0,45 A Im Vm c) Dòng RMS: IRMS = 0,5A 2 2R d) Số xung : p = 2 e) Góc dẫn : = 1800 f) Rải PIV : PIV = Vm = 70,7 V V 50 g) Hệ số hình dạng : FF = RMS 1,11 V0(avg ) 45 2 2 VRMS 50 h) Hệ số gợn sóng : RF = 1 1 0,483 VDC 45 5.4.2 Với một tải điện cảm RL
Thêm một cuộn cảm cùng loại với một điện trở làm thay đổi dạng sóng của điện áp và dòng điện. Hình 5.10 cho thấy một chỉnh lưu cầu với một tải điện cảm. Hãy thêm một cuộn cảm L độ chừng bằng R . Dòng điện tải không đổi lâu hơn của nửa sóng sin, nhưng dòng điện trung bình còn cược tính như công thức 5.22 2Im 2Vm I0(avg) = R Đường dòng điện không là hàm số sin mà gần như là một sóng vuông. Hình 5.11 trình bày dạng sóng của điện áp và dòng điện. Hình 5.10 Chỉnh lưu cầu dòng điện (sơ đồ xoay chiều) với tải cảm ứng Nếu chúng ta tăng dần tải cảm ứng cho đến khi nó lớn hơn R , gợn sóng ngang qua tải trở nên nhỏ. Nếu chúng ta thêm vô hạn tải cảm ứng , dòng điện tải trở nên không đổi và cách chạy của dòng điện như những dạng sóng trên hình 5.12. Diot D 2 và D3 dẫn dòng tải không đổi trên nửa chu kỳ dương, trong diot D1 và D4 làm việc như vậy trên nửa chu kỳ âm. Dòng điện nguồn được cho bởi : Is = i3 - i1 = i2 - i4 5.27 Dẫu cho không phải là một sóng sin, dòng nguồn AC là một dạng sóng xoay chiều có hình dạng chữ nhật. Tải là luôn luôn nối tiếo với nguồn, nhưng sự nối tiếp là đảo ngược trên nửa chu kỳ xoay chiều. Điện áp ra V0 là một dạng sóng chỉnh lưu toàn sóng. Giá trị trung bình của nó có thể được xác định từ : V0(avg) = VL(avg) + VR(avg) 5.28 Hình 5.11: Dạng sóng đối với hình 5.10 ( L=R)
Hình 5.12: Dạng sóng đối với hình 5.10 ( L >> R ) Ơ đây VR là điện áp ngang qua điện trở và V L là điện áp ngang qua phần cảm. Trong qúa trình hoạt động V L(avg) điện áp trung bình ngang qua phần cảm , phải bằng 0, vì vậy : VR(avg) = V0(avg) = (2Vm) / = 0,636 Vm 5.29 Điện áp tải trung bình là giống như đối với trường hợp điện trở. Dòng điện tải trung bình có thể được xác định từ : I0(avg) = VR(avg) / R = 0,636 ( Vm / R ) 5.30 Từ nay dòng điện tải bay giờ về bản chất là không đổi, giá trị RMS, cực đại và trung bình của nó là như nhau: IRMS = I0(max) = I0(avg) 5.31
Từ nay các diot trong cầu dẫn trên nửa chu kỳ xoay chiều, dòng điện trung bình trong mỗi một diot là : ID(avg) = I0(avg) / 2 5.32 Và dòng điện RMS trong mỗi một diot là : I0(avg ) ID(RMS) = 5.33 2 Ví dụ 5.10: Một chỉnh lưu cầu toàn sóng với một tải RL nối tiếp với một nguồn 120V. Nếu tải điện trở là 10  và L ? R, tìm : a) Điện áp tải trung bình b) Dòng điện tải trung bình c) Dòng điện tải cực đại d) Giá trị RMS của dòng tải e) Dòng trung bình trên mỗi diot f) Dòng RMS trong mỗi diot g) Công suất đặt trên tải Giải đáp : Điện áp tải đỉnh là Vm = 2 VRMS = 1,414 * 120 = 170 V a) Dòng điện tải trung bình : V0(avg) = 0,636 * 170 = 108 V b) Dòng điện tải trung bình V0(avg) / R = 108 / 10 = 10,8 A c) Dòng tải cực đại = dòng tải trung bình = 10,8 A d) Giá trị RMS dòng tải = dòng tải trung bình = 10,8 A e) Dòng trung bình trong mỗi diot : ID(avg) = I0(avg) / 2 = 10,8 / 2 = 5,4 A I0(avg ) 10,8 f) Dòng RMS trong mỗi diot id(RMS) = 7,6A 2 2 2 2 g) Công suất trên tải : IRMS R 10,8 *10 1167W 5.5 thảo luận : 5.1 Định nghĩa chỉnh lưu 5.2 Phác học sơ đồ một chỉnh lưu nửa sóng và giải thích hoạt động của nó 5.3 Một máy chỉnh lưu nửa sóng có điện áp vào trung bình 120V. Tìm rải PIV yêu cầu cho diot 5.4 Một chỉnh lưu nửa sóng có điện áp nguồn 120 V. Nếu điện trở tải là 20  tìm : a) điện áp tải trung bình b) Dòng diot cực đại c) Dòng diot trung bình d) Rải PIV cho diot e) công suất tải trung bình f) hệ số gợn sóng g) hệ số dạng
5.5 Chỉnh lưu nửa sóng với một tải cảm ứng và FWD co điện áp vào 120V, một tải điện trở 5  và một tải cảm ứng 20 mH. Tìm a) Điện áp tải trung bình b) Dòng tải trung bình c) Dải điện áp và dòng diot 5.6 Ưu điểm chính của chỉnh lưu toàn sóng so với chỉnh lưu nửa sóng là gì ? 5.7 Trong một chỉnh lưu toàn sóng có điểm giữa, Vs = 208 V , và điện trở tải R = 100  , tìm : a) Điện áp tải cực đại b) điện áp tải trung bình c) Dòng diot cực đại d) Dòng diot trung bình e) Rải PIV cho diot f) Giá trị RMS của điện áp ra g) Hệ số gợn sóng 5.8 Biến áp cung cấp cho chỉnh lưu toàn sóng có điểm giữa từ một nguồn 400 V . Nếu điện trở tải R = 500  và L = 1 H. Tìm : a) Điện áp tải trung bình b) Điện áp tải trung bình c) Dòng diot cực đại d) Công suất phân phối trên tải e) Rải PIV cho diot 5.9 Cho một chỉnh lưu toàn sóng một pha với một tải RL , điện áp ngang qua cuộn thứ cấp là 400 V. Nếu tải điện trở là 100  . Tìm : a) Điện áp tải trung bình b) Điện áp tải RMS c) Dòng diot cực đại d) Dòng diot trung bình e) Rải PIV cho diot 5.10 Phác họa dạng sóng đầu vào của hình 5.7 tất cả các diot ngược 5.11 Trong một chỉnh lưu cầu toàn sóng, V s = 240 V , và tải điện trở R = 10  . Tìm : a) Điện áp tải trung bình b) Dòng tải trung bình c) Dòng tải RMS d) Dòng diot trung bình e) Công suất ra trung bình f) Rải PIV cho diot 5.12 Phác họa dạng sóng đầu ra của hình 5.13. Tìm điện áp ra trung bình, và rải PIV cho diot Hình 5.13: cho câu 5.12
5.6 Các công thức : V0(avg) = 0,318 Vm 5.1 I0(avg) = Im / 5.2 I0RMS = Im / 2 5.3 PIV Vm 5.4 2 Vm P0(avg) = 5.5 2 * R 2 Vm PAC = 5.6 4R P  avg 5.7 PAC V FF = 0RMS 5.8 V0(avg ) tan.so.gon.song.co.ban Số xung = 5.9 tan.so.nguon.AC 2 IRMS RF = 2 5.10 IDC 1 Vm V0(avg) = (1 cos ) 5.11 2 Vm I0(avg) = (1 cos ) 5.12 2 R V0(avg) = (2Vm ) / = 0,636 Vm 5.13 I0(avg) = ( 2 Im ) / = 0,636 Im = 0,636 Vm / R 5.14 Im I0(RMS) = = 0,707 Im 5.15 2 PIV 2 Vm 5.16 ID1avg = ID2avg = I0avg / 2 = Im / 5.17 ID(RMS) = Im / 2 5.18 2 4Vm P0(avg) = 5.19 2 * R
2 Vm PAC = 5.20 2R V0(avg) = (2Vm ) / = 0,636 Vm 5.21 2Vm Vm I0(avg) = 0,636 5.22 R R IRMS = I0(avg) = V0(avg) / R 5.23 I0(avg ) ID(RMS) = 5.24 2 PIV Vm 5.25 ID(avg) = I0(avg) / 2 5.26 Is = i3 - i1 = i2 - i4 5.27 V0(avg) = VL(avg) + VR(avg) 5.28 VR(avg) = V0(avg) = (2Vm ) / 5.29 I0(avg) = VR(avg) / R 5.30 IRMS = I0(nax) = I0(avg) 5.31 ID(avg) = I0(avg) / 2 5.32 I0(avg ) ID(RMS) = 5.33 2 CHƯƠNG 6: CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN MỘT PHA Phần đề cương 6.1 Giới thiệu 6.2 Chỉnh lưu có điều khiển nửa sóng 6.2.1 Với tải điện trở 6.2.2 Với một tải cảm ứng 6.2.3 Với một diot lip FWD 6.3 Chỉnh lưu toàn sóng có điều khiển điểm giữa 6.3.1 Với một tải điện trở 6.3.2 Với một tải cảm ứng RL 6.3.3 Với một diot líp FWD 6.4 Chỉnh lưu toàn sóng có điều khiển cầu 6.4.1 Với một tải điện trở 6.4.2 Với một tải cảm ứng RL 6.4.3 Với một diot líp FWD 6.5 Chỉnh lưu cầu bán điều khiển 6.6 Máy biến điện kép 6.7 Thảo luận 6.8 Các công thức
Mục đích học tập : Sau khi hoàn thành phần đề cương, sinh viên can làm :  Mô tả hoạt động dạng sóng của chỉnh lưu nửa sóng có điều khiển với tải điện trở và cảm ứng  Mô tả hoạt động dạng sóng của chỉnh lưu toàn sóng có điều khiển điểm giữa với tải điện trở và cảm ứng  Mô tả hoạt động dạng sóng của chỉnh lưu toàn sóng có điều khiển cầu với tải điện trở và cảm ứng  Thảo luận những ưu điểm và nhược điểm của máy biến điện điểm giữa với máy biến điện cầu  Mô tả hoạt động của chỉnh lưu bán điều khiển cầu  Mô tả hoạt động của máy biến điện kép 6.1 giới thiệu : Để xây dựng một chỉnh lưu có điều khiển hay chỉnh lưu có điều khiển một pha; các diot trong may chỉnh lưu dòng điện trong phần 5 được thay thế bởi SCRs. Kết qủa những mạch điện này điện áp đầu ra DC có thể biến đổi được cường độ dòng điện khác nhau bởi điều khiển pha, đó là, bằng điều khiển khoảng thời gian của quá trình dẫn , bởi những điểm khác nhau ở cổng tín hiệu được cung cấp đến SCR. Không giống một diot, một SCR sẽ không tự động dẫn điện khi điện áp cực dương đến cực âm trở nên dương – một cổng xung phải được chuẩn bị. Nếu chúng ta chỉ làm trễ thời gian của cổng xung , và nếu qúa trình này là đã thực hiện lặp lại, khi đó chỉnh lưu đầu ra có thể điều khiển. Qúa trình này được gọi là điều khiển pha. Các chỉnh lưu có điều khiển hay máy biến điện (biến tần ) , như chúng thường được gọi là phân loại chung thành các kiểu điều khiển hoàn toàn và bán điều khiển. Điều khiển hoàn toàn hay kiểu hai phần tư sử dụng SCRs như những thiết bị điều chỉnh. Dòng điện DC là theo một phương hướng duy nhất, nhưng điện áp DC có thể có một hoặc hai phân cực. Với một cực dòng chảy của điện năng là từ nguồn AC đến dòng tải DC – điều này được gọi là chỉnh lưu. Với sự đảo ngược của điện áp DC bởi tải, dòng chảy của điện năng là từ nguồn DC đến dòng AC cung ứng, qúa trình này được gọi là sự đảo dòng. Nếu chúng ta thay thế một nửa của SCRs bằng các diot, dòng điện được coi như là được điều khiển một nửa hay dòng biến đổi một nửa. Như vậy dòng điện cũng chấp nhận giá trị trung bình của điện áp ra là khác nhau bởi điều khiển pha của SCR. Tuy nhiên sự phân cực của điện áp ra DC và hướng của dòng điện là không thay đổi , đóù là, dòng chảy của điện năng từ nguồn AC đến dòng tải DC . Máy đổi điện kiểu này cũng được gọi là máy đổi điện góc một phần tư Chỉnh lưu có điều khiển cung cấp công suất DC cho nhiều ứng dụng khác nhau, như là điều khiển tốc độ động cơ DC, nạp điện pin, và truyền tải dòng DC cao áp. Điều
khiển pha thuận tiện khi tần số dưới 400 Hz, điển hình là 60Hz . Nhược điểm chính của điều khiển pha là sự nhiễu tần số sóng vô tuyến. Chặt bằng sóng nửa sin cho kết qủa hài hòa bền vững mà trở ngại ( nhiễu) với máy thu thanh, máy truyền hình, và các thiết bị viễn thông khác. Trong phần này chúng ta sẽ học chỉnh lưu có điều khiển, theo thứ tự từ cấu hình đơn giản, chỉnh lưu nửa sóng ( hiếm khi sử dụng trong điện tử ứng dụng bởi vì điện áp gợn sóng cao ở đầu ra) đến chỉnh lưu cầu và có điểm giữa dòng điện. 6.2 Chỉnh lưu có điều khiển nửa sóng : 6.2.1 Với một tải điện trở: Hình 6.1a trình bày chỉnh lưu có điều khiển nửa sóng dòng điện với một tải điện trở. Trong nửa chu kỳ dương của điện áp cung ứng, SCR là ngược chiều và sẽ dẫn điện nếu khởi đầu xung được ứng dụng đến cổng. Nếu CSR bật mở tại t 0 dòng điện tải chảy và điện áp ra v0 sẽ giống như điện áp vào. Ở thời điển t = , dòng điện giảm tự nhiên đến 0, từ lúc CSR là dốc ngược. Trong nửa chu kỳ âm, CSR làm tắc nghẽn dòng điện , và không có điện áp cung ứng đến tải . CSR vẫn còn đóng cho đến khi cổng tín hiệu được cung cấp trở lại tại ( t0 + 2 ) . Giai đoạn từ 0 đến t 0 trong hình 6.1b trình bày thời gian trong nửa chu kỳ dương khi SCR là đóng. Góc này ( đo bằng độ) gọi là góc kích hay góc trễ ( ) . SCR dẫn điện từ t0 đến , góc này được gọi là góc dẫn  Giá trị trung bình của điện áp tải được cho bởi : V (1 cos ) V m 0(avg ) 2 6.1
Hình 6.1 Chỉnh lưu có điều khiển nửa sóng (a) dòng điện (b) dạng sóng của dòng điện và điện áp Ơû đây Vm = giá trị cực đại của điện áp nguồn AC = 2 Vs Vs = giá trị RMS của điện áp nguồn AC Tương tự như vậy dòng điện ra trung bình là I (1 cos ) V (1 cos ) I m = m 0(avg ) 2 2 R 6.2
Giá trị RMS của dòng điện tải được cho bởi : 1/ 2 Im sin 2 IRMS = 1 2 2 6.3 Những công thức này cho chúng ta thấy biên độ của điện áp ra được điều khiển bằng góc kích ( góc trễ) . góc trễ tăng dần bởi CSR trễ trong chu kỳ điện áp thấp hơn, và nhược điểm toàn cầu. Điện áp ra cực đại Vdo = Vm / xuất hiện khi = 00 . Điều này giống như điện áp dòng diot nửa sóng. Vì vậy nếu SCR bắn ở = 00 dòng điện hành động một chỉnh lưu diot Điện áp trung bình thông thường là : Vm (1 cos ) / 2 1 cos Vn V0(avg ) /Vdo Vm / 2 6.4 Vn như là một chức năng của được biết như là một đặc tính điều khiển của máy chỉnh lưu và được trình bày trên hình 6.2 Hình 6.2 Đặc tính điều khiển đối với một chỉnh lưu nửa sóng Ví dụ 6.1 : Một chỉnh lưu có điều khiển nửa sóng được cung cấp từ nguồn 120V . Nếu tải điện trở là 10  . Tìm điện áp tải và công suất trên tải đối với các góc trễ như sau : a) 0 b) 450 c) 900 d) 1350 e) 1800 Giải đáp : Điện áp đỉnh = Vm = 2 Vs = 1,414 * 120 = 170 V V (1 cos ) Điện áp tải trung bình = m 2
a) Khi 0 chúng ta được : 170(1 cos00 ) V 54V 0(avg ) 2 2 2 PL V0(avg ) / R 54 /10 293W b) Khi 450 chúng ta được: 170(1 cos 450 ) V 46,2V 0(avg ) 2 2 2 PL V0(avg ) / R 46,2 /10 213W c) Khi 900 chúng ta được : 170(1 cos900 ) V 27,1V 0(avg ) 2 2 2 PL V0(avg ) / R 27,1 /10 73,2W d) Khi 1350 chúng ta được : 170(1 cos1350 ) V 7,92V 0(avg ) 2 2 2 PL V0(avg ) / R 7,92 /10 6,3W e) Khi 1800 chúng ta được : 170(1 cos1800 ) V 0V 0(avg ) 2 2 2 PL V0(avg ) / R 0 /10 0W Như vậy công suất có thể thay đổi từ o đến 293 W Ví dụ 6.2 Một chỉnh lưu có điều khiển nửa sóng nối với nguồn 150 V , 60 Hz cung cấp cho tải điện trở 10  . Nếu góc trễ là 30 0 , tìm a) Dòng điện tải cực đại. b) Điện áp tải cực đại (trung bình). c) Dòng tải trung bình d) Dòng tải RMS e) Công suất cung cấp trên tải f) Góc dẫn g) Tần số gợn sóng ( tần số sóng chỉnh lưu) h) Hệ số công suất Giải đáp : Điện áp đỉnh = Vm = 2 Vs = 1,414 * 150 = 212 V V 212 a) Dòng tải cực đại I m 21,2A m R 10
V (1 cos ) 212(1 cos300 ) b) Điện áp tải trung bình = m 63V 2 2 I (1 cos ) 21,2(1 cos300 ) c) Dòng tải trung bình = m 6,3V 2 2 d) Dòng tải RMS Im sin 2 30 sin 60 IRMS 1 1 10,5A 2 2 80 2 2 2 e) Công suất cung cấp trên tải IRMS R 10,5 *10 1094W f) Góc dẫn  1800 1800 300 1500 g) Tần số gợn sóng : fr = tần số dòng vào = 60 Hz h) S = Vs * IRMS = 150 * 10,5 = 1575 W P 1094 PF 0,69 S 1575 Ví dụ 6.3 : Một chỉnh lưu có điều khiển nửa sóng được nối với nguồn 120 V . Tính góc trễ can thiết để phân phối công suất 150 W đến tải 10  Giải đáp : V (1 cos ) V m 0(avg ) 2 được sắp xếp lại : Vm (1 cos ) 2 V0(avg ) 2 V (1 cos ) 0(avg ) Vm 2 V cos 0(avg ) 1 Vm 1 2 V0(avg )  cos 1 Vm  Bây giờ : Vm 2 *120 170V V 2 Và : P 0(avg ) avg R 2 V0(avg ) Pavg * R 150*10 1500 V0(avg ) 1500 38,7V 1 2 38,7  0 Như vậy : cos 1 64,5 170 
6.2.2 Với một tải cảm ứng RL\ Một chỉnh lưu nửa sóng với một tải phù hợp của R và L như trình bày trên hình 6.3. Nếu SCR bóp cò tại góc bắn , dòng điện tải từ từ tăng lên , từ lúc độ tự cảm trong tải lớn dòng điện trễ điện áp. Điện áp ngang qua tải v 0 là dương, và phần cảm điện là dự trữ năng lược trong từ trường của nó. Khi điện áp cung cấp trở thành âm, SCR là dốc ngược . Tuy nhiên năng lượng dự trữ trong từ trường của phần cảm điện là trở về và duy trì một dòng điện chuyển tiếp giảm dần qua tải. Hình 6.3 Chỉnh lưu nửa sóng với một tải RL (a) dòng điện (b) các dạng sóng cho dòng điện và điện áp Dòng điện tiếp tục chảy cho đến tới  ( được gọi là góc tới –tắt ), lúc CSR là đóng. Điện áp ngang qua phần cảm điện lúc đó thay đổi cực, và điện áp ngang qua tải trở thành âm. Kết qủa điện áp ra trung bình trở nên thấp hơn nó với một tải chỉ toàn điện trở. Dạng sóng đối với dòng điện và điện áp ra trình bày trên hình 6.3b ; chúng bao hàm một số lượng đáng kể của các gơn sóng. Điện áp tải trung bình được cho bởi : V (cos cos  ) V m 0(avg ) 2 6.5 6.2.3 Với một diot líp FWD Để cắt đóng phần âm của điện áp ra tức thời và làm êm phẳng dòng ra gợn sóng. Một diot líp được sử dụng như trên hình 6.4. Lúc điện áp tải có khuynh hướng đổi ngược , FWD trở nên thuận chiều và bật mở. SCR lúc này trở thành nghịch chiều và trở về đóng.
Hình 6.4 Tải RL với FWD (a) dòng điện (b) các dạng sóng Vì vậy , dòng điện chảy từ nguồn đến tải đi qua SCR bây giờ FWD là ở giữa dòng tải và diot. Nên nhớ rằng dòng điện tiếp tục chảy trong tải sau khi SCR trở về đóng , do bởi năng lượng dự trữ trong phần cảm điện. Điện áp ra là tương tự như trong một dòng điện với một tải điện trở. Giá trị trung bình của điện áp ra được cho trở lại bằng công thức 6.1 6.3 Chỉnh lưu toàn sóng có điều khiển điểm giữa : 6.3.1 Với một tải điện trở : Hình 6.5 trình bày sắp xếp cơ bản của một chỉnh lưu có điều khiển điểm giữa một pha với một tải điện trở. Pha được điều khiển cả hai nửa dương và âm của dòng AC cung cấp bây giờ có thể thực hiện được, như thế tăng dần điện áp DC và khử gợn sóng so với các chỉnh lưu nửa sóng. Hình 6.5 Mạch điện chỉnh lưu toàn sóng có điều khiển điểm giữa
Trong nửa chu kỳ dương của điện áp vào, SCR 1 là thuận chiều. Nếu chúng ta cung cấp cổng tín hiệu tại , SCR1 là mở. Điện áp ra v0 đi theo sau điện áp vào . Dòng điện tải ( i0 = v0 / R ) có dạng sóng giống như điện áp tải . Tại , khi dòng điện qua SCR 1 trở thành 0, nó trở về đóng tự nhiên. Trong nửa chu kỳ âm, SCR 2 là thuận chiều. SCR 2 là kích tại ( ) . Điện áp ra lại đi theo sau điện áp vào . Dòng điện đi qua SCR2 trở thành 0 tại 2 , và nó trở về đóng. SCR 1 là kích lần nữa tại (2 ) và SCR 2 tại (3 ) , và chu kỳ lại lặp lại. Hình 6.6 trình bày kết qủa dạng sóng của điện áp và dòng điện. Giá trị trung bình của điện áp tải hai lần được cho bởi công thức 6.1 V (1 cos ) V m 0(avg ) 6.6 1/ 2 sin 2 Và : IRMS Im 1 2 6.7 Hình 6.6 : Dạng sóng của chỉnh lưu toàn sóng điểm giữa với một tải điện trở
6.3.2 với một tải cảm ứng RL Hình 6.7 trình bày dạng sóng đối với điện áp và dòng điện, có vẻ như tải cảm ứng cao 0 đến nỗi dòng tải tiếp tục ( có mặt ở tất cả thời gian) SCR 1 dẫn đối với 180 từ đến ( ) , và điện áp tải đi theo sau điện áp vào. Tại ( ) , SCR 2 là kích , SCR1 bây giờ là đóng, từ khi điện áp cung cấp xuất hiện ngay lập tức ngang qua nó và cho những 0 nghich chiều. SCR2 bây giờ dẫn đối với 180 từ ( ) đến (2 ) và cung cấp công suất đến tải Giá trị trung bình của điện áp tải đươïc cho bởi : 2 V V cos 0(avg ) m 6.8 Điện áp ra là ở cực đại của nó khi 0 , bằng 0 khi 900 và cực đại âm của nó khi 1800 . Thông thường điện áp ra trung bình là: V0(avg ) V0 cos Vdo 6.9 Hình 6.7: Các dạng sóng của chỉnh lưu toàn sóng có điểm giữa với một tải RL
Hình 6.8 Đặc tính điều khiển đối với một chỉnh lưu điểm giữa Đặc tính điều khiển ( vẽ biểu đồ của V n như một hàm số của ) trình bày trong hình 6.8 Điện áp ra RMS được cho bởi : V0(RMS) = Vs(RMS) 6.10 Ví dụ 6.4
Giải thích bằng các dạng sóng hoạt động của một chỉnh lưu toàn sóng có điểm giữa với một tải RL đối với các góc kích sau đây : a) 00 b) 450 c) 900 d) 1350 e) 1800 Giải đáp : a) trên hình 6.9 trình bày các dạng sóng đối với điện áp và dòng điện , có vẻ tải cảm ứng cao, với một góc kích 00 Trong nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn, SCR 1 là thuận chiều và SCR 2 là nghịch chiều. Điện áp ngang qua tải là v s . Trong nửa chu ky âm, SCR2 là thuận chiều và SCR1 là nghịch chiều. Điện áp ngang qua tải là v s . Sử dụng một cổng xung với góc kích trễ bằng 0 kết qủa tương tự như với một chỉnh lưu không điều khiển. Mỗi một SCR dẫn điện trong khoảng 180 0 và cung cấp dòng điện đến tải trong giai đoạn này. b) Nếu chúng ta tăng dần góc kích , điện áp ra trung bình DC giảm dần như trên hình 0 6.10, bao gồm các dạng sóng của điện áp và dòng điện với 45 . Nếu SCR 1 0 là bóp cò ở 45 , SCR2 sẽ dẫn thời điểm này, đều đặn đi qua điện áp nguồn là âm, do bởi cảm ứng điện cao tự nhiên của tải. Khi SCR 1 là mở, SCR2 là nghịch chiều và là đóng. Đóng SCR đưa đến hai lần điện áp nguồn trong chiều âm ( xem dạng sóng của V SCR1 . Dòng điện đến tải được cung cấp trong lúc mở bằng SCR 1 và 0 SCR2 , mỗi cái dẫn điện khoảng 180 . c) Nếu chúng ta tăng dần góc kích tới 90 0 , hai SCRs vẫn còn lại trong dẫn điện đối với 1800 như trong hình 6.11. Tuy nhiên, điện áp trung bình DC trở thành 0, như vậy không có sự truyển tải công suất từ nguồn AC đến tải DC Nói tóm lại, góc kích tăng dần từ 0 đến 90 0 , công suất cung ứng đến tải DC giảm dần trở về 0 khi 900 d) Nếu chúng ta tăng dần góc kích vượt qua 90 0 , dòng điện tải chỉ có thể chảy nếu có một nguồn âm của điện áp ở mặt tải DC, điều này có thể được, đối với ví dụ , trong một động cơ DC dưới những điều kiện tái sinh. Khi 1350 , điện áp DC trung bình V0(avg) như trình bày trên hình 6.12, là âm. Dòng điện tải vẫn còn chảy trong mỗi một SCR đối với 180 0 trong hướng nguyên thủy của nó, nhưng điện áp tải có sự thay đổi chiều cực. Công suất bay giờ chảy từ tải DC đến nguồn AC. Mạch điện này hoạt động giống như một máy đổi điện. e) Nếu chúng ta tăng dần góc kích tới 180 0 , điện áp trung bình DC đạt đến giá trị cực đại âm của nó. SCR vẫn còn dẫn đối với 1800 ( hình 6.13) Hình 6.9 Các dạng sóng của điện áp và dòng điện đối với 00