Tài liệu Giáo trình điện tử công suất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY ĐÔ -------------------- MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử CẦN THƠ, tháng 8 năm 2015 MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1 CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT CHƯƠNG III: CHỈNH LƯU NỬA SÓNG 11 33 CHƯƠNG IV: CHỈNH LƯU TOÀN SÓNG CHƯƠNG V: BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP AC 1 PHA 49 69 CHƯƠNG VI: DC – DC CONVERTER CHƯƠNG VII: NGUỒN CUNG CẤP DC 77 96 Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1. Định nghĩa: Điện tử công suất đề cập đến điều khiển (Control) và chuyển đổi (Converter) năng lượng điện của các linh kiện bán dẫn trong đó các linh kiện này hoạt động như công tắc hoặc khóa (Switch). Nhiệm vụ chính của ĐTCS: điều khiển và chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Các ứng dụng của nó chiếm toàn bộ lĩnh vực hệ thống điện với khoảng công suất từ vài VA/W đến vài MVA/MW. Có 4 dạng chuyển đổi chính: - AC/DC (bộ chỉnh lưu Rectifier): Chuyển đổi năng lượng dạng xoay chiều thành năng lượng dạng một chiều. - DC/AC (bộ nghịch lưu Inverter): Chuyển đổi năng lượng dạng một chiều thành năng lượng dạng xoay chiều. Ví dụ: UPS chuyển điện áp 12V DCtừ acquy sang 220V AC/50Hz. - DC/DC (Chopper): Chuyển đổi áp một chiều ngõ vào có giá trị không đổi thành dạng điện áp một chiều điều khiển được. Ví dụ: Tạo điện áp 5V từ 12V DC. - AC/AC (Cycloconverter): Biến đổi áp xoay chiều tần số không đổi ở ngõ vào thành điện áp xoay chiều có tần số khác (hoặc điều khiển được) ở ngõ ra, song song đó có khả năng điều khiển cả giá trị hiệu dụng áp hài cơ bản ngõ ra. Ví dụ: Mạch Dimmer điều khiển ánh sáng đèn, điều khiển tốc độ mô tơ. 1.2. Khái niệm ĐTCS: Ta xem xét vấn đề: Thiết kế mạch tạo ra điện áp DC 3V từ acquy 9V. - Đặt vấn đề: Cung cấp điện áp 3V đến điện trở tải. - Giải quyết vấn đề: Để cho đơn giản ta dùng cầu chia điên áp như Hình 1-1. Mạch này có 2 nhược điểm: i. Công suất hấp thụ trên 2RL bằng 2 lần trên tải RL, dẫn đến hiệu suất của mạch chỉ đạt 33%. ii. Khi giá trị RL thay đổi, điện áp ngỏ ra sẽ thay đổi. 1 Hình 1-1: Cầu chia điện áp Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân Để khắc phục nhược điểm thứ 2 ta sử dụng mạch ở Hình 1-2. 2N3055 Q BAT R1 9V RL 2.2K 3.6V 3V D Hình 1-2: Thay thế 2RL bằng cụm linh kiện Q, D, R1 Transistor Q được điều khiển để điện áp ngang qua nó là 6V nên ngỏ ra duy trì 3V. Mạch này tuy khắc phục được nhược điểm thứ 2, nhưng hiệu suất vẫn chỉ đạt 33%. Để đạt được hiệu suất mong muốn ta xem xét mạch ở Hình 1-3. SW Hình 1-3: (a) Mạch Switching (b) Dạng sóng ngỏ ra Khi SW đóng  vx = 9V. SW hở  vx = 0V. Nếu thời gian SW đóng bằng 1/3 chu kỳ thì ta có dạng sóng như Hình 1-3b. Điện áp trung bình qua tải: T T 1 1 Vx   vx  t  dt  T0 T 3  0 T 1 1 T 3 9dt   0 dt  9t  3V 0 TT T 3 Tính hiệu suất của mạch:  SW đóng: VSW = 0V  pSW = IVSW = 0  SW hở: I = 0A  pSW = IVSW = 0  Tải hấp thụ hoàn toàn công suất nên mạch có hiệu suất 100%. 2 Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân Tuy nhiên mạch chưa tạo ra điện áp DC 3V. Dạng sóng của nó có thể được biểu diễn thành chuổi Fourier chứa thành phần DC và các hài hình sin của nó. Do vậy để được 3V, mạch phải qua bộ lọc hạ thông (Low Pass Filter) như Hình 1-4. Hình 1-4: Thêm bộ lọc LPF cho Hình 1-3 Nếu bộ lọc lý tưởng, không suy hao thì hiệu suất mạch là 100%. Nhưng trong thực tế, bộ lọc hấp thụ 1 số công suất và linh kiện SW cũng không lý tưởng nên hiệu suất mạch giảm xuống nhưng vẫn còn > 90%. Quá trình chuyển đổi công suất thường bao gồm cả hệ thống điều khiển. Các đại lượng ngỏ ra của bộ chuyển đổi như điện áp, dòng điện được đo kiểm và các thông số hoạt động được điều chỉnh để đạt được ngỏ ra mong muốn. Ví dụ, nếu điện áp 9V ở Hình 1-4 giảm còn 6V, thời gian đóng SW phải bằng ½ chu kỳ thì Vx mới bằng 3V. Một hệ thống điều khiển hồi tiếp sẽ phát hiện nếu Vx < 3V thì điều khiển thời gian đóng và mở SW cho phù hợp như ở Hình 1-5. Hình 1-5: Đường hồi tiếp điều khiển SW và duy trì điện áp ra 1.3. Các loại khóa bán dẫn SW (Switch): Một khóa bán dẫn được đặc trưng bởi hai trạng thái ON (đóng) và OFF (ngắt) (dựa vào tính chất của bán dẫn : làm việc như chất cách điện tương đương trạng thái OFF, làm việc như chất dẫn điện tương đương trạng thái ON). 3 Điện Tử Công Suất 1.2.1. Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân Diode: Kí hiệu và đặc tuyến V-A cho ở Hình 1-6. (b) (c) (a) Hình 1-6: a) Đặc tuyến V-I b) Kí hiệu Diod c) Đặc tuyến V-I lý tưởng - Cấu tạo gồm một lớp chuyển tiếp p-n, 2 điện cực ngoài. - Cực Anode nối với lớp p, Cathode nối với lớp n. Từ đặc tuyến, diode có 3 vùng hoạt động: - Dẫn (trạng thái ON): Diode được phân cực thuận VAK > 0 (Forward-bias). - Ngưng (trạng thái OFF): Diode được phân cực nghịch VAK ≤ 0 (Reverse-bias). - Bị đánh thủng (Breakdown): Điện áp phân cực nghịch lớn hơn điện áp nghịch đỉnh (PIV) của diode. Lúc này diode bị hỏng. Có 2 thông số quan trọng khi chọn diode: - Điện áp nghịch đỉnh PIV (Peak Inverse voltage). - Dòng điện trung bình tối đa. 1.2.2. Thyristor: 1.2.2.1. SCR: Cấu tạo, kí hiệu và sơ đồ tương đương cho ở Hình 1-7. Hình 1-7: Cấu tạo, kí hiệu và sơ đồ tương đương SCR 4 Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân - Cấu tạo gồm bốn lớp p, n với 3 cực ngoài Anode (A), Cathode (K) và Gate (G). - Mạch điều khiển được nối giữa cực G&K. Mạch công suất được nối giữa A&K. Các trạng thái hoạt động: - Trạng thái khóa áp ngược (SCR ngắt) (Hình 1-8a). - Trạng thái khóa áp thuận (SCR ngắt) (Hình 1-8b). - Trạng thái đóng (ON) dẫn thuận (Hình 1-8c). (b) (a) (c) Hình 1-8 Đặc tuyến V-A cho ở Hình 1-9. Hình 1-9: Đặc tuyến V-A của SCR. 1.2.2.2. GTO: Thyritor GTO (Hình 1-10) cũng giống như SCR, được đóng bằng xung dòng cổng Gate nếu điện áp AnodeCathode dương. Tuy nhiên, khác với SCR, GTO có khả năng điều khiển ngắt bằng dòng cổng Gate giá trị âm. Vì vậy, GTO thích hợp cho một số ứng dụng khi yêu cầu điều 5 Hình 1-10 Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân khiển cả hai quá trình đóng và ngắt khóa bán dẫn. Dòng âm ngắt GTO cần phải ngắn (vài µs), nhưng biên độ phải rất lớn so với dòng đóng GTO và thông thường dòng kích ngắt GTO khoản 1/3 dòng anode ở trạng thái dẫn. 1.2.2.3. Triac: Hình 1-11: Sơ đồ tương đương và kí hiệu Triac Sơ đồ tương đương và kí hiệu Triac cho ở Hình 1-11. Triac được dùng trong mạch AC. Kích đóng bằng xung dòng điều khiển giống SCR Ngắt tự nhiên bằng áp ngược 1.2.2.4. Diac: Diac (Hình 1-12) giống như Triac nhưng không có cổng G. Diac dẫn cả 2 hướng tùy thuộc vào điện áp nối vào 2 cực của nó. Khi điện áp ở 2 cực lớn hơn điện áp đánh thủng, Diac dẫn và dòng điện đi từ điện áp cao đến điện áp thấp. Đặc tuyến V-A cho ở Hình 113. Hình 1-12: Cấu tạo Diac và kí hiệu Hình 1-13: Đặc tuyến V-A của Diac 6 Điện Tử Công Suất 1.2.3. Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân Transistor công suất: 1.2.3.1. BJT: Cấu tạo và kí hiệu cho ở Hình 1-14. Hình 1-14: Cấu tạo và kí hiệu BJT Có hai loại : npn và pnp, ba cực ngoài Collector (C) , Emitter (E) và cổng điều khiển Base (B). Chiều dòng điện IB, IC và IE của BJT npn cho ở Hình 1-15a. Đối với pnp thì có chiều ngược lại. (a) (b) (c) Hình 1-15: a) BJT NPN b) Đặc tuyến V-A của BJT c) Đặc tuyến V-A lý tưởng - Đặc tuyến của BJT được trình bày trên Hình 1-15b. BJT chuyển sang trạng thái dẫn khi cấp cho nó một dòng cổng IB đủ lớn để BJT dẫn bão hoà. Điện áp bão hòa VCE khoảng 1 –2V đối với BJT công suất. Dòng IB = 0 làm BJT ngắt. - BJT là một linh kiện điều khiển bằng dòng, có hệ số khuếch đại hFE thấp, thường nhỏ hơn 20. Sự vận hành của khoá được đặc trưng bởi dòng vào ở cực điều khiển IB để đóng dòng IC ở cực chính hFE  IC , hFE  20 IB 7 (1.1) Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân 1.2.3.2. MOSFET: Cũng giống như BJT có 2 loại MOSFET kênh P và N, ba cực ngoài Drain (D), Source (S) và cổng điều khiển Gate (G). Kí hiệu và đặc tuyến V-A cho ở Hình 1-16. (b) (c) (a) Hình 1-16: (a) MOSFET kênh N (b) Đặc tuyến V-A (c) Đặc tuyến V-A lý tưởng - MOSFET được điều khiển bằng áp, chỉ cần dòng điều khiển rất nhỏ ở cổng điều khiển (vài mA) để duy trì MOSFET ở trạng thái đóng. Điện áp VGS đủ lớn sẽ đóng MOSFET. Ở trạng thái dẫn, sự biến thiên VDS tỷ lệ thuận với sự biến thiên dòng ID. - MOSFET có cấu trúc diode ngược ký sinh (do cấu trúc bán dẫn) đôi khi có lợi cho một số mạch ứng dụng. MOSFET có 2 ưu điểm quan trọng hơn BJT: - IG hoạt động rất thấp. - Tần số đóng cắt rất cao lớn hơn 100kHz. 1.2.3.3. IGBT: IGBT (Hình 1-17) là mạch tích hợp một MOSFET và một BJT, ba cực ngoài Collector (C), Emitter (E) và cổng điều khiển Gate (G). IGBT có tần số đóng cắt lớn hơn BJT nhưng nhỏ hơn MOSFET, bình thường khoảng 40kHz. Hình 1-17: Kí hiệu và đặc tuyến V-A của IGBT 8 Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân 1.4. Chọn lựa SW: Việc chọn lựa linh kiện công suất không chỉ tùy thuộc vào điện áp và dòng điện mà còn thông số chuyển mạch của nó. - Điều khiển được cả 2 chiều ON và OFF: BJT và GTO. - Điều khiển chỉ 1 chiều ON: SCR. - Không điều khiển: Diod. Tốc độ chuyển mạch và suy hao công suất rất quan trọng trong mạch ĐTCS. Tốc độ chuyển mạch của MOSFET cao hơn BJT, thời gian trễ nhỏ hơn, suy hao chuyển mạch thấp hơn, do đó MOSFET được sử dụng nhiều hơn BJT. Khi chọn linh kiện SW, xem xét đầu tiên điểm hoạt động và đặc trưng ON/OFF. Ví dụ 1.1 cho ta thấy phương pháp chọn lựa SW. Ví dụ 1.1: Mạch ở Hình 1-18 có 2 SW S1 và S2. S1 đóng (Close - ON) thì S2 mở (Open - OFF) và ngược lại. Tần số điều khiển SW là 200kHz. Chọn linh kiện cho mỗi SW, xác định điện áp và dòng điện tối đa trên mỗi SW. Hình 1-18: a) S1 đóng, S2 mở b) S1 mở, S2 đóng Giải: Điểm hoạt động cho SW S1 (Hình 1-19a): S1 đóng: (v1, i1) = (0, I0) S1 mở: (v1, i1) = (Vs, 0) Điểm hoạt động cho SW S2 (Hình 1-19b): S2 mở: (v2, i2) = (-Vs, 0) S2 đóng: (v2, i2) = (0, I0) (a) (b) Hình 1-19: Điểm hoạt động của: 9 a) S1 b) S2 Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân  Điểm hoạt động của S1 nằm ở góc phần tư thứ I của hệ trục tọa độ (v1,i1): v1>0 & i1>0, linh kiện sử dụng cho S1 phải điều khiển được cả 2 chiều ON và OFF. Đặc tuyến VA của BJT và MOSFET ở Hình 1-15c và 1-16c thỏa mãn điều kiện  có thể chọn BJT hoặc MOSFET cho S1. Do yêu cầu tần số chuyển mạch cao, điện áp và dòng điện thấp (24V/2A) nên ta chọn MOSFET.  Điểm hoạt động của S2 nằm ở góc phần tư thứ II của hệ trục tọa độ (v2,i2): v2<0 & i2>0. Đặc tuyến V-A của Diod ở Hình 1-6c thỏa mãn điều kiện  chọn Diod cho S2.  Mạch được trình bày ở Hình 1-20. Hình 1-20: Chọn Diod cho S2 10 Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT 2.1. Giới thiệu: Tính toán công suất là điều cần thiết trong việc phân tích và thiết kế mạch ĐTCS. Khái niệm công suất cơ bản được xem xét trong chương này, với sự nhấn mạnh đặc biệt vào tính công suất cho các mạch điện với điện áp và dòng điện không Sin. Xử lý thêm cho một số trường hợp đặc biệt có thể bắt gặp thường xuyên trong ĐTCS. 2.2. Công suất và Điện năng: Công suất tức thời: p t   v t  i t  (2.1) Công suất tức thời là 1 đại lượng thay đổi theo thời gian. p  t  > 0 : thiết bị đang hấp thụ công suất. p  t  < 0 : thiết bị đang cung cấp công suất. Điện năng hoặc năng lượng: t2 t2 W   p  t  dt   v  t  i  t  dt t1 (2.2) t1 Đơn vị của điện năng là J (Joule), Wh (Watt giờ). Bội số của nó là kWh, đây chính là đơn vị để tính tiền điện. Công suất tác dụng hoặc công suất trung bình: Các hàm điện thế và dòng điện tuần hoàn sinh ra Công suất tức thời tuần hoàn. Công suất tác dụng là giá trị trung bình của p  t  trên một hoặc nhiều chu kỳ. 1 P T t0  T  t0 1 p  t  dt  T t0 T  v  t  i  t  dt (2.3) t0 Ở đó T là chu kỳ của p  t  . Từ (2.2), (2.3) ta có: P W T (2.4) Ví dụ 2.1: Cho mạch ở Hình 2-1, điện thế và dòng điện ở Hình 2-2a,b. (a) Xác định Công suất tức thời p  t  được hấp thụ bỡi thiết bị. (b) Xác định điện năng hấp thụ trong 1 chu kỳ. (c) Xác định Công suất tác dụng. 11 Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân Giải: Hình 2-1 Hình 2-2 (a) Điện thế và dòng điện được biểu diễn như sau: 0  t  10ms 20V v t     0 10ms  t  20ms 0  t  6ms  20 A i t    15 A 6ms  t  20ms Công suất tức thời được tính và được vẽ ở Hình 2-2c: 0  t  6ms  400W  p  t   v  t  i  t    300W 6ms  t  10ms  0 10ms  t  20ms  (b) Điện năng hấp thụ được tính như sau: t2 T 0.006 W   p  t  dt   p  t  dt  t1 0  0.010 400dt  0  0.006 0.020 300dt   0dt 0.010 W  2.4  1.2  1.2 J (c) Công suất tác dụng: 0.010 0.020  2.4  1.2 1T 1  0.006 P   p  t  dt  400 dt   300 dt  0 dt     0.020  60W T0 0.020  0 0.006 0.010 Hoặc từ (2.4) : P W 1.2 J   60W T 0.020 s 12 Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân Trường hợp đặc biệt: - v  t  = VDC = const: 1 PDC  T t0  T  t0 1 v  t  i  t  dt  T t0  T  t0  1 t T  VDC i  t  dt  VDC   i  t  dt  T t    0 0 PDC  VDC I avg (2.5) - i  t  = IDC = const: PDC  Vavg I DC (2.6) 2.3. Cuộn cảm và tụ điện: 2.3.1. Cuộn cảm: Hình 2-3 Hệ thức: di  t  1 t v t   L ; i  t    v  t  dt dt L  (2.7) Đơn vị của cuộn dây là H (Henry) Do cuộn cảm là phần tử tích trữ năng lượng nên ở thời điểm t0 nào đó có thể nó đã trữ một năng lượng từ trường ứng với dòng điện i(t0) Biểu thức viết lại: 1t i  t   i  t0    v  t  dt Lt (2.8) 0 Và mạch tương đương của cuộn cảm được vẽ lại ở Hình 2-3b Năng lượng từ trường tích trữ trong cuộn cảm: t di  t  WM  t    v  t  i  t  dt   L i  t  dt   Li  t  di dt    t t t 1 1  WM  t   Li 2  t    Li 2  t   0 2   2 13 (2.9) Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân Khi dòng điện tuần hoàn: i  t0  T   i  t0  Viết lại biểu thức (2.8): → t0  T 1 i  t0  T   i  t0   L t0  T  v  t  dt t0  v  t  dt t0 L 1 i  t0  T   i  t0    T T → VavgL → → 2.3.2. 1 i  t0  T   i  t0   L 1  T t0 T  v  t  dt  V avgL t0 t0  T  v  t  dt  0 (2.10) t0 PL  0 Công suất trung bình: (2.11) Tụ điện: Hình 2-4 dv  t  1 t i t   C ; v  t    i  t  dt dt C  Hệ thức: (2.12) Đơn vị của tụ điện là F (Farad) Do tụ điện là phần tử tích trữ năng lượng nên ở thời điểm t0 nào đó có thể nó đã trữ một năng lượng điện trường ứng với hiệu thế v(t0) Biểu thức viết lại: 1 t v  t   v  t0    i  t  dt Ct (2.13) 0 Và mạch tương đương của tụ điện được vẽ lại ở Hình 2-4 Năng lượng điện trường tích trữ trong tụ điện: t dv  t  WE  t    v  t  i  t  dt   v  t  C dt   Cv  t  dv dt    t t t 1 1  WE  t   Cv 2  t    Cv 2  t   0 2   2 14 (2.14) Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân v  t0  T   v  t0  Khi điện áp tuần hoàn: Viết lại biểu thức (2.12): → → 1 v  t0  T   v  t0   C t0 T 1 v  t0  T   v  t0   C t0 T  i  t  dt t0  i  t  dt t0 C 1 v  t0  T   v  t0    T T I avgC → → 1  T t0  T  i  t  dt  I avgC t0 t0  T  i  t  dt  0 (2.15) t0 PC  0 Công suất trung bình: (2.16) Ví dụ 2.2: Dòng điện trong 1 cuộn cảm 5mH ở Hình 2-5a là sóng tam giác tuần hoàn ở Hình 2-5b. Xác định điện áp, công suất tức thời và công suất trung bình của cuộn cảm. Giải: Hình 2-5: (a) Sơ đồ mạch (b) Dòng điện cuộn cảm (c) Điện áp cuộn cảm (d) Công suất tức thời Dòng điện của cuộn cảm có thể được biểu diễn như sau: 0  t  1ms  4 x103 t ( A) i t    3 4 x10 t  8( A) 1ms  t  2ms 15 (*) Viết theo PT đường thẳng: y = ax và y = ax + b (*) Điện Tử Công Suất Chương I Huỳnh Gia Danh Nhân 3 3 0  t  1ms di  t   5 x10   4 x10   → v t   L 3 3 dt 5 x10   4 x10  1ms  t  2 ms 0  t  1ms  20V 20V 1ms  t  2ms → v t    được vẽ ở Hình 2-5c Công suất tức thời của cuộn cảm: 0  t  1ms  80  103 t (W ) p  t   v  t  i t    3 80  10 t  160(W ) 1ms  t  2ms được vẽ ở Hình 2-5d. Theo (2.10), (2.11), điện áp và công suất trung bình của cuộn cảm = 0 2.4. Phục hồi năng lượng: Cuộn cảm và tụ điện phải được cung cấp và giải phóng năng lượng trong 1 vài ứng dụng của ĐTCS. Ví dụ, 1 cuộn Solenoid phun nhiên liệu trong một ô tô được nạp năng lượng trong khoảng thời gian đặt bỡi BJT SW. Năng lượng được lưu trữ trong cuộn Solenoid khi dòng điện được thiết lập. Mạch phải được thiết kế loại bỏ năng lượng dự trữ trong cuộn cảm để bảo vệ BJT khi nó ngắt. Hiệu quả của mạch có thể được cải tiến nếu năng lượng dự trữ được truyền tới tải hoặc nguồn hơn là tiêu tán trong mạch trở kháng. Khái niệm phục hồi năng lượng dự trữ được mô tả bỡi các mạch thiết kế trong phần này. Mạch cho ở Hình 2-6a, giả sử điện trở nội trong cuộn cảm là không đáng kể, BJT SW và diod là lý tưởng. Nhánh diod – điện trở loại bỏ năng lượng trong cuộn cảm và bảo vệ BJT khi nó ngắt. Hình 2-6: (a) Mạch cung cấp năng lượng cho cuộn cảm và sau đó truyền năng lượng dự trữ cho điện trở. (b) Mạch tương đương khi BJT dẫn (ON). (c) Mạch tương đương khi BJT ngưng (OFF) và diod dẫn. 16