›
›

Giáo trình Điện tử công suất - Lê Văn Doanh

pdf 51 trang ngocly 1440
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Điện tử công suất - Lê Văn Doanh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_dien_tu_cong_suat_le_van_doanh.pdf

Nội dung text: Giáo trình Điện tử công suất - Lê Văn Doanh

  1. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Tài liệu tham khảo • Điện tử công suất – Lê Văn Doanh • Giáo trình điện tử công suất – Nguyễn Văn Nhờ • Điện tử công suất – Nguyễn Bính dqvinh@dng.vnn.vn 0903 586 586
  2. CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU – CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.1 Khái niệm chung Điện tử Công suất lớn Các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong các mạch động lực – công suất lớn
  3. Sự khác nhau giữa các linh kiện điện tửứng dụng (điện tử điều khiển) và điện tử công suất • Công suất: nhỏ –lớn •Chức năng: điều khiển – đóng cắt dòng điện công suất lớn Các linh kiện điện tử Điều khiển Động lực công suất chỉ làm chức năng đóng cắt dòng điện – các van IC IB •Thời điểm • Công suất
  4. Transistor điều khiển: Khuyếch đại IC R U = U CE CE1 U B iC R b a C U iB UCE = U - RIC IB2 > IB1 A uCE B A IB1 > 0 E IB = 0 iE uBE I U U B2 CE1 U < 0 IB BE UCE Transistor công suất: đóng cắt dòng điện
  5. Đặc tính Volt – Ampe của van công suất lý tưởng i i b c a điều khiển u d u
  6. Đối tượng nghiên cứu của điện tử công suất •Các bộ biến đổi công suất •Các bộ khóa điện tử công suất lớn Chỉnh lưu • BBĐ điện áp BBĐ điện áp xoay chiều (BĐAX) một chiều •Biến tần (BĐXA) Nghịch lưu
  7. 1. 2. Các linh kiện điện tử công suất 1.2.1 Chất bán dẫn - Lớp tiếp giáp P - N Chất bán dẫn: Ở nhiệt độ bình thường có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện Loại P: phần tử mang điện là lỗ trống – mang điện tích dương Loại N: phần tử mang điện là các electron – mang điện tích âm J + + + + - - - - PN+ + + + - - - - + + + + - - - - + + + - - - PN+ + + - - - + + + - - - Miền bão hòa -Cách điện
  8. Phân cực ngược P N + + + - - - - + + + + - - - + + + - - - Miền bão hòa -Cách điện P N + - - + + - + - Miền bão hòa - Cách điện
  9. Phân cực thuận P N + + + - - - + - + + + - - - + + + - - - Miền bão hòa -Cách điện + - i
  10. 1.2.2 Diode Cấu tạo, hoạt động uF i F Hướng thuận Anode Katode P N A K A K i Hướng ngược R uR R: reverse – ngược F: forward – thuận
  11. Đặc tính V – A i Diode lý tưởng Nhánh thuận – mở Hai trạng thái: mở – đóng IF [A] Nhánh ngược u Diode thực tế 100 – đóng Nhánh thuận – mở 50 UR [V] UF [V] U[BR] 800 400 0 1 1,5 Nhánh ngược – đóng o U : điện áp rơi trên diode T = 160 C 20 TO dU R j o rR = T = 30 C dU dI j 30 F R URRM rF = dI F điện trở ngược trong diode I [mA] URSM R điện trở thuận trong diode UBR: điện áp đánh thủng
  12. Đặc tính động của diode I •UK: Điện áp chuyển mạch L •trr: Thời gian phục hồi khả năng đóng UK S •irr: Dòng điện chuyển mạch – phục hồi - + trr Qr = irr dt : điện tích chuyển mạch ∫ Ðóng S 0 iF iF = I = F trr i 0,1 irrM O t irr Quá áp trong iR rrM iR i irr Qr uF t O Uk uR = Uk uR uRM
  13. Bảo vệ chống quá áp trong V R C Mở Đóng t O iRC uR V L irr iRC O t iL Uk irr Uk + - diL iL = irr + iRC uUL=− Rk dt
  14. Các thông số chính của diode IF [A] Điện áp: 100 •Giátrị điện áp đánh thủng UBR •Giátrị cực đại điện áp ngược lập lại: Nhánh thuận – mở 50 URRM UR [V] UF [V] •Giátrị cực đại điện áp ngược không lập U[BR] lại: URSM 800 400 0 1 1,5 Dòng điện - nhiệt độ làm việc Nhánh ngược – đóng o T = 160 C 20 j T = 30o C •Giátrị trung bình cực đại dòng điện j 30 URRM thuận: IF(AV)M I [mA] •Giátrị cực đại dòng điện thuận không URSM R lập lại: IFSM
  15. Diode thực tế: IDB30E60 – Infineon Technologies
  16. 1.2.3 Transistor lưỡng cực (BT) (Bipolar Transistor) Cấu tạo, hoạt động C C P N B B N P P N E E R R iC iC U C U C iB iB uCE uEC B B E E iE iE uBE uEB
  17. Đặc tính Volt – Ampe Miền mở bão hòa IC U = U CE CE1 U B Mở R b a U = U - RI • Đặc tính ngoài IC = f(UCE) CE C IB2 > IB1 • Đặc tính điều khiển I = f(I ) A C B A IB1 > 0 I = 0 Đóng B U IB2 UCE1 IB UBE < 0 UCE Miền đóng bão hòa
  18. a) ICE U IB = 0 BR(CE0) I CE0 UBR(CER) I CER UBR(CES) ICES UBR(CEU) ICEU O U U CE0 CES UCE U U b) CER CEU c) RB RB ICEU + - + -IB UBE -IB UBE - + - •0 Hở mạch B – E (IB = 0) •R Mạch B – E theo hình b) •S Ngắn mạch B – E (RB →0) •U Mạch B – E theo hình c)
  19. Quá trình quá độ của transistor iB IB 0.9IB 0.1IB O t td tr ts tf iC uCE 0.1IC 0.1I 0.9IC IC C O ton toff
  20. Mạch trợ giúp đóng mở Các thông số chính Điện áp: •Giátrị cực đại điện áp colector – emitor UCE0M khi IB = 0 •Giátrị cực đại điện áp emitor – bazơ UEB0M khi IC = 0 Dòng điện: Giá trị cực đại của các dòng điện IC, IB, IE (Điện tử công suất – Nguyễn Bính)
  21. Transistor thực tế - MJW3281A (NPN) – ON Semiconductor
  22. 1.2.4 Transistor trường MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) D D NiD N P P N N S G S G OXID OXID uGS D D iD G uDS G u GS S S
  23. Đặc tính động D CGD R iD + R on G G C + DS - C uGS S uDS off GS U - UG GS 0.9UG UG UGS(th) 0.1UG t uDS 0.9U iD 0.9U U 0.1U tr tf td(on) td(off) ton toff
  24. MOSFET thực tế - 19MT050XF – International Rectifier
  25. 1.2.5 Transistor lưỡng cực cổng cách ly - IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor C C G G E E
  26. i Đặc tính động C R C R on G G U E off uCE U G uGE 0.9U UG G u GE UGE(th) 0.1UCM t uCE iC U 0.9I CM ICT 0.1ICM ICM 0.1ICM tr tf t d(on) td(off) t on toff
  27. IGBT thực tế 1MB-30-060 – Fuji Electric
  28. 1.2.6 Thyristor Cấu tạo – Hoạt động A A A i P P i1 J1 u N N N G J2 G R P P P G i2 J3 N N iG uAK K K K
  29. Trạng thái: •Mở • Đóng u • Khóa R iR Hướng ngược i Ký hiệu G •T: Thuận uG • D: Khóa A K • R: Ngược iT iD Hướng thuận uT uD Điều kiện để mở Thyristor •UAK > 0 • Xung điều khiển đưa vào cực điều khiển. Điều kiện để đóng Thyristor Đặt điện áp ngược lên A – K
  30. Đặc tính Volt - Ampe i Thyristor lý tưởng Nhánh thuận – mở Ba trạng thái: đóng – mở – khóa u Nhánh ngược Nhánh khóa Thyristor thực tế – đóng – khóa [A] 102 UBR: điện áp ngược đánh thủng IT Nhánh thuận U : điện áp tự mở của thyristor 10 BO ID –mở UTO: điện áp rơi trên Thyristor 1 Nhánh khóa – -1 khóa IL 10 IN IH: Dòng duy trì (holding) -2 10 IG = 0 U [V] IL: Latching R I = 25 mA 10-3 G 3 2 10 10 10 1 U[BR] Các thông số chính 2 U 1 10 10 10 3 [BR] IG = 0 10-3 U[TD] UT UD [V] Tương tự như diode. -2 IG = 25 mA 10 URRM = UDRM -1 10 IR [A] Nhánh ngược – đóng
  31. Đặc tính điều khiển của thyristor: Ψ iG 40 i G IG UG[V] 2π ωt R 30 U uG (PGM)Ψ=π/12 20 (PGM)Ψ=π/6 UG=U-RIG 0 iG -40 C UGT O 1 2 IG[A] IGT 0 t
  32. Đặc tính động Tổn thất công suất khi mở thyristor Mở thyristor
  33. Khóa thyristor A uD + P J1 N O t G J2 C P uD J3 iC N iC - iC O t K
  34. Đóng thyristor toff •Bảo vệ quá áp trong •Thời gian đóng thyristor – Góc an toàn
  35. Thyristor thực tế - 22RIA SERIES – International Rectifier
  36. 1.2.7 GTO Gate Turn Off Thyristor A A P J1 N iFG G J2 J3 P N ur G iRG uFG ir (uD) (iD) iRG K uRG K
  37. Đặc tính động Mở GTO tgd tgr uD ir UD 0.9UD 0.1UD t O tgt IFG÷10Α iFG 0.2IFG O
  38. Đóng GTO tgs iT tgf uD IT=I Mạch trợ giúp 0.9IT ITQ UDP i D O t uD I tgq ttq L iT iRG O iRG uRG IRG u RG iRG uRG QGQ
  39. GTO thực tế - FG3000FX-90DA – Misubishi Electric
  40. 1.2.8 Triac Điện áp thuận Điện áp khóa Dòng điện thuận Hướng ngược Dòng điện khóa Dòng điện và điện áp cực điều khiển Dòng điện thuận Hướng thuận Dòng điện khóa Điện áp thuận Điện áp khóa
  41. Đặc tính Volt - Ampe Nhánh mở UG > 0; IG > 0 UD > 0 Nhánh khóa UG 0; IG > 0 UDR > 0 UG < 0; IG < 0 Nhánh khóa Nhánh mở
  42. Triac thực tế - 2N6344 - ON Semiconductor
  43. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
  44. 2.1 Năng lượng tích lũy vào cuộn kháng và giải phóng từ cuộn kháng t0 t0 t1 ddiΨ udt=== Q(,); t t uLL L ∫ LL01 Ldt dt t0 ΨLL()tit11 () Qtt(,)=Ψ==Ψ−Ψ=− d L di () t () t Lit () it () LLLLLLL01∫∫ 1 0[] 1 0 ΨLL()tit00 ()
  45. 2.2 Nhịp và sự chuyển mạch Nhánh chính – Nhánh phụ Linh kiện ĐTCS chính – Linh kiện ĐTCS phụ Nhịp là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp thay đổi trạng thái của linh kiện điện tử công suất trong mạch. Tên của nhịp là tên của linh kiện đang dẫn điện. Chuyển mạch là trạng thái điện từ xảy ra trong mạch bộ biến đổi, được đặc trưng bằng việc dòng điện trong một nhánh chuyển sang một nhánh khác trong khi dòng điện tổng chảy ra từ nút giữa hai nhánh vấn không đổi.
  46. Nhánh chính • Điện áp chuyển mạch • Chuyển mạch ngoài – Nhánh phụ Chuyển mạch tự nhiên • Chuyển mạch trong • Chuyển mạch trực tiếp NhánhNhánh chính chính • Chuyển mạch gián tiếp • Chuyển mạch nhiều tầng •Thời gian chuyển mạch – Góc chuyển mạch • Chuyển mạch tức thời
  47. 2.3 Các đường đặc tính Đặc tính ngoài (Đặc tính tải): Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và dòng điện đầu ra của bộ biến đổi Đặc tính điều khiển: Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và đại lượng điều khiển của bộ biến đổi 2.4 Hệ số công suất của bộ biến đổi P λ = Hệ số công suất PF (Power Factor) S P: Công suất hữu công S: Công suất biểu kiến
  48. P = mUI(1)cosϕ(1) m: số pha U: Giá trị hiệu dụng điện áp điều hòa của pha I(1): Giá trị hiệu dụng của thành phần bậc 1 dòng điện pha ϕ(1): Góc chậm pha của thành phần bậc 1 dòng điện pha so với điện áp S = mUI ∞ 2 2 I: Giá trị hiệu dụng dòng điện pha I = ∑ I(n) n=1 ∞∞ 2222 222222 SmUI==+∑ ()nn mUImUI (1)∑ () nn==12 2 222 222 2 222 2 2 2 S(1)== mUI (1) mUI (1)cosϕϕ (1) + mUI (1) sin (1) =+ P Q (1) mUI(1): Công suất biểu kiến của thành phần bậc 1 Q(1): Công suất phản kháng của thành phần bậc 1
  49. 222 2 SPQD=+(1) + ∞ 2 DmUI= ∑ ()n n=2 D: Công suất phản kháng biến dạng P λ ==υϕcos Hệ số công suất PF (Power Factor) 22 2 (1) PQ++(1) D I υ = (1) Hệ số méo dạng DF (Distortion Factor) I ∞ 2 ∑ I()n n=2 Độ méo dạng tổng THD (Total Harmonic Distortion) THDI = I(1)