Điện tử công suất - Chương 1: Mở đầu – Các linh kiện điện tử công suất

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 
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
Sự khác nhau giữa các linh kiện điện tử ứng 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
IB
IC
• Thời điểm
• Công suất
Động lựcĐiều khiển
Các linh kiện điện tử
công suất chỉ làm 
chức năng đóng cắt 
dòng điện – các van 
Transistor điều khiển: Khuyếch đại
Transistor công suất: đóng cắt dòng điện
B
IC
U
R
ab
A
A
UCE = U - RIC
UCE = UCE1
UCE1 U
IB2 > IB1
IB1 > 0
IB = 0
UBE < 0 UCE
IB2IB
R
U
uCE
CiB
B
uBE
E iE
iC
Đặc tính Volt – Ampe của van công suất lý tưởng
i
u
điều khiển
u
i
ac
b
d
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
Nghịch lưu
BBĐ điện áp 
một chiều 
(BĐXA)
• BBĐ điện áp 
xoay chiều (BĐAX)
• Biến tần
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
+
++
+
+
+++
-- -+
-- -
-- -
Miền bão hòa
- Cách điện
P N
+
++
+
+
+++
+
+
+
--- -+
--- -
--- -
P N
J
Phân cực ngược
+
++
+
+
+++
-- -+
-- -
-- -
Miền bão hòa
- Cách điện
P N
+-
+
+
+
-
-
-
Miền bão hòa - Cách điện
P N
+-
Phân cực thuận
+
++
+
+
+++
-- -+
-- -
-- -
Miền bão hòa
- Cách điện
P N
-+
-+
i
1.2.2 Diode
Cấu tạo, hoạt động
R: reverse – ngược
F: forward – thuận
NP Katode
KA
Anode
iR
uR
iF
uF
KA
Hướng ngược
Hướng thuận
Đặc tính V – A
Diode lý tưởng
u
i
Nhánh thuận – mở
Nhánh ngược
– đóngDiode thực tế
UTO: điện áp rơi trên diode
điện trở thuận trong diode
F
F
F dI
dUr =
điện trở ngược trong diode
R
R
R
dUr
dI
=
UBR: điện áp đánh thủng
Hai trạng thái: mở – đóng
U[BR]
IR [mA]
UF [V]UR [V]
1 1,5800 400 0
50
100
30
20
URRM
T
j
 = 30 C
o
o
T
j
 = 160 C
IF [A]
URSM
Nhánh thuận – mở
Nhánh ngược 
– đóng
Đặc tính động của diode
• UK: Điện áp chuyển mạch
• trr: Thời gian phục hồi khả năng đóng
• irr: Dòng điện chuyển mạch – phục hồi
∫= rr
t
rrr dtiQ
0
: điện tích chuyển mạch
Quá áp trong
L
+
UK
-
S
I
iF
irr
iR
iF
Ð
ó
n
g
S
trr
0,1 irrM
i
r
r
M
iR
i
F
=
I
tO
irr Qr
t
uR
uF
Uk
uRM
uR = Uk
O
Bảo vệ chống quá áp trong
R C
LuR V
Uk
irr
iL
iRC
- +
V
O
t
irr iRC
O
Uk
t
Mở Đóng
L
R k
diu U L
dt
= −RCrrL iii +=
Các thông số chính của diode
Điện áp:
• Giá trị điện áp đánh thủng UBR
• Giá trị cực đại điện áp ngược lập lại: 
URRM
• Giá trị cực đại điện áp ngược không lập 
lại: URSM
Dòng điện - nhiệt độ làm việc
• Giá trị trung bình cực đại dòng điện 
thuận: IF(AV)M
• Giá trị cực đại dòng điện thuận không 
lập lại: IFSM
U[BR]
IR [mA]
UF [V]UR [V]
1 1,5800 400 0
50
100
30
20
URRM
T
j
 = 30 C
o
o
T
j
 = 160 C
IF [A]
URSM
Nhánh thuận – mở
Nhánh ngược 
– đóng
Diode thực tế: IDB30E60 – Infineon Technologies
1.2.3 Transistor lưỡng cực (BT)
Cấu tạo, hoạt động
R
U
uCE
CiB
B
uBE
E iE
iC
R
U
uEC
CiB
B
uEB
E iE
iC
N
N
P
B
C
E
P
P
N
B
C
E
(Bipolar Transistor)
Đặc tính Volt – Ampe
Miền mở bão hòa
Miền đóng bão hòa
Mở
Đóng
• Đặc tính ngoài IC = f(UCE)
• Đặc tính điều khiển IC = f(IB)
B
IC
U
R
ab
A
A
UCE = U - RIC
UCE = UCE1
UCE1 U
IB2 > IB1
IB1 > 0
IB = 0
UBE < 0 UCE
IB2IB
ICE
ICE0
ICER
ICES
ICEU
UCE0 UCE
UBR(CEU)
UBR(CES)
UBR(CER)
UBR(CE0)IB = 0
UCER
UCES
UCEU
RB
-IB UBE
+
-
RB
-IB UBE
+
-+
-
ICEU
b) c)
a)
O
• 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)
Quá trình quá độ của transistor
iB
IB
0.9IB
O t
0.1IB
0.1IC
uCE
td tr
iC
ts
toffton
O
tf
0.9IC IC 0.1IC
Mạch trợ giúp đóng mở
(Điện tử công suất – Nguyễn Bính)
Các thông số chính
Điện áp:
• Giá trị cực đại điện áp 
colector – emitor UCE0M khi 
IB = 0
• Giá trị cực đại điện áp 
emitor – bazơ UEB0M khi IC
= 0
Dòng điện: Giá trị cực đại 
của các dòng điện IC, IB, IE
Transistor thực tế - MJW3281A (NPN) – ON Semiconductor
1.2.4 Transistor trường MOSFET
(Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor)
N iD
D
OXIDGS uGS
P
N
G
D iD
uDS
S
uGS
N
D
OXIDGS
P
N
G
D
S
Đặc tính động
RGon
UG
off
CGS uGS
G
CGD D
iD
CDS
R
uDS U
+
-+
-
S
GS
UGS(th)0.1UG
UG
0.9UG
t
0.9U
U
tr
td(on)
ton
td(off)
uDSiD
tf
toff
0.9U
0.1U
MOSFET thực tế - 19MT050XF – International Rectifier
1.2.5 Transistor lưỡng cực cổng cách ly - IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor
C
G
E
G
C
E
Đặc tính động
Gon
UG
RG
iC
C
E
uCE
uGE
off
R
U
uGE
0.1UCM
UGE(th)
UG 0.9UG
t
uCE
0.1ICM
U
td(on)
tr
ton
td(off)
tf
toff
ICT
iC
ICM
0.1ICM
0.9ICM
IGBT thực tế
1MB-30-060 – Fuji Electric
1.2.6 Thyristor
Cấu tạo – Hoạt động
A
iG
i2
i1
i
G
K
uAK
u
R
A
K
G
PP
P
N
NN
J3
J2
J1
A
K
G
N
P
N
P
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
uD
iD
iG
iR
uR
uT
iT
uG
A K
Hướng ngược
Hướng thuận
Trạng thái:
• Mở
• Đóng
• Khóa
• T: Thuận
• D: Khóa
• R: Ngược
Ký hiệu
Đặc tính Volt - Ampe
Thyristor lý tưởng
u
i
Nhánh thuận – mở
Nhánh ngược
– đóngThyristor thực tế
Ba trạng thái: đóng – mở – khóa
Nhánh khóa
– khóa
UBR: điện áp ngược đánh thủng
UBO: điện áp tự mở của thyristor
UTO: điện áp rơi trên Thyristor
IH: Dòng duy trì (holding)
IL: Latching
Các thông số chính
Tương tự như diode.
URRM = UDRM
Nhánh thuận 
– mở
Nhánh khóa –
khóa
Nhánh ngược 
– đóng
IG = 25 mA
IG = 0
IG = 0
IG = 25 mA
IN
IL
U[TD]
U[BR]
U[BR]
[V]UR
[V]UDUT
IR-110
-210
-310
[A]
[A]
ID
IT
10
102
10-3
10-2
10-1
1
1101010 23
32 1010101
Đặc tính điều khiển của thyristor:
iG
U
R
uG
UG[V]
40
30
20
UGT
O
IGT
1 IG[A]
2
(PGM)Ψ=π/6
UG=U-RIG
(PGM)Ψ=π/12
-400C
iG
Ψ
2π
IG
ωt
iG
t0
Đặc tính động
Mở thyristor
Tổn thất
công suất khi mở
thyristor
Khóa thyristor
G
A
J1
J2
J3
P
N
P
N
iC
+
K
-
iC
C uD
uD
tO
tO
iC
Đóng thyristor
• Bảo vệ quá áp trong
• Thời gian đóng thyristor – Góc an toàn
toff
Thyristor thực tế - 22RIA SERIES – International Rectifier
1.2.7 GTO
Gate Turn Off Thyristor
J1
J2
J3
G
iRG K
A
P
N
P
N
uRG
uFGiRG
iFG
ir
(iD)
ur
(uD)
A
K
G
Đặc tính động
Mở GTO
uD
tgd tgr
UD 0.9UD
ir
0.1UD
t
O
O
tgt
iFG
IFG÷10Α
0.2IFG
Đóng GTO
I
iD
iT
L
uD
iRG
uRG
iT
tgs
tgf uD
ITQ
0.9IT
UDP
IT=I
O t
tgq
ttq
O
uRG iRG
iRG
QGQ
uRG
IRG
Mạch trợ giúp
GTO thực tế - FG3000FX-90DA – Misubishi Electric
1.2.8 Triac
Hướng ngược
Hướng thuận
Điện áp thuận
Điện áp khóa
Dòng điện thuận
Dòng điện khóa
Dòng điện thuận
Dòng điện khóa
 Điện áp thuận
 Điện áp khóa
Dòng điện và điện áp 
cực điều khiển
Nhánh mở
Nhánh khóa
Nhánh khóa
Nhánh mở
UD > 0
UG > 0; IG > 0
UG < 0; IG < 0
UDR > 0
UG > 0; IG > 0
UG < 0; IG < 0
Đặc tính Volt - Ampe
Triac thực tế - 2N6344 - ON Semiconductor
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 
TRONG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
2.1 Năng lượng tích lũy vào cuộn kháng
và giải phóng từ cuộn kháng
[ ]
1
0
1 1
0 0
0 1
( ) ( )
0 1 1 0 1 0
( ) ( )
( , );
( , ) ( ) ( ) ( ) ( )
L L
L L
t
L L
L L L
t
t i t
L L L L L L L
t i t
d diu dt Q t t u L
dt dt
Q t t d L di t t L i t i t
Ψ
Ψ
Ψ= = =
= Ψ = = Ψ −Ψ = −
∫
∫ ∫
t0
t0
2.2 Nhịp và sự chuyển mạch
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.
Nhánh chính – Nhánh phụ
Linh kiện ĐTCS chính – Linh kiện ĐTCS phụ
Nhánh chínhNhánh chính
Nhánh chính
Nhánh phụ
• Điện áp chuyển mạch
• Chuyển mạch ngoài –
Chuyển mạch tự nhiên
• Chuyển mạch trong
• Chuyển mạch trực tiếp
• Chuyển mạch gián tiếp
• Chuyển mạch nhiều tầng
• Thời gian chuyển mạch –
Góc chuyển mạch
• Chuyển mạch tức thời
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
S
P=λ
P: Công suất hữu công
S: Công suất biểu kiến
 Hệ số công suất PF (Power Factor) 
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 phaϕ(1): Góc chậm pha của thành phần bậc 1 dòng điện pha so với điện áp
S = mUI
I: Giá trị hiệu dụng dòng điện pha ∑∞
=
=
1
2
)(
2
n
nII
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
( ) (1) ( )
1 2
n n
n n
S m U I m U I m U I
∞ ∞
= =
= = +∑ ∑
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
(1) (1) (1) (1) (1) (1) (1)cos sinS m U I m U I m U I P Qϕ ϕ= = + = +
mUI(1): Công suất biểu kiến của thành phần bậc 1
Q(1): Công suất phản kháng của thành phần bậc 1
2 2 2 2
(1)
2
( )
2
n
n
S P Q D
D mU I
∞
=
= + +
= ∑
D: Công suất phản kháng biến dạng
(1)2 2 2
(1)
(1)
cosP
P Q D
I
I
λ υ ϕ
υ
= =+ +
=
 Độ méo dạng tổng THD (Total Harmonic Distortion) 
 Hệ số méo dạng DF (Distortion Factor) 
 Hệ số công suất PF (Power Factor) 
2
( )
2
(1)
n
n
I
I
THD
I
∞
==
∑