Bài giảng Điện tử công suất - Chương 1: Những phần tử bán dẫn công suất - Trần Trọng Minh

Ts. Trần Trọng Minh Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, 9 - 2010  Mục tiêu: ◦ Nắm được các kiến thức cơ bản về quá trình biển đổi năng lượng điện dùng các bộ biến đổi bán dẫn công suất cũng như những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của biến đổi điện năng. ◦ Có hiểu biết về những đặc tính của các phần tử bán dẫn công suất lớn. ◦ Có các khái niệm vững chắc về các quá trình biến đổi xoay chiều – một chiều (AC – DC), xoay chiều – xoay chiều (AC – AC), một chiều – một chiều (DC – DC), một chiều – xoay chiều (DC – AC) và các bộ biến tần. ◦ Biết sử dụng một số phần mềm mô phỏng như MATLAB, PLEC, để nghiên cứu các chế độ làm việc của các bộ biến đổi. ◦ Sau môn học này người học có khả năng tính toán, thiết kế những bộ biến đổi bán dẫn trong những ứng dụng đơn giản.  Yêu cầu: ◦ Nghe giảng và đọc thêm các tài liệu tham khảo, ◦ Sử dụng Matlab-Simulink để mô phỏng, kiểm chứng lại các quá trình xảy ra trong các bộ biến đổi, ◦ Củng cố kiến thức bằng cách tự làm các bài tập trong sách bài tập. 10/22/2010 2  Đánh giá kết quả: ◦ Điểm quá trình: trọng số 0,25 ◦ Kiểm tra giữa kỳ: 0,25 ◦ Thi cuối kỳ: 0,75  Tất cả các lần thi và kiểm tra đều được tham khảo tất cả các loại tài liệu (Open book examination). 10/22/2010 3  1. Điện tử công suất; Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh; NXB KH&KT Hà nội, 2009.  2. Phân tích và giải mạch điện tử công suất; Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi; NXB KH&KT, 1999.  3. Giáo trình điện tử công suất; Trần Trọng Minh; NXB Giáo dục, 2009.  4. Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất; Phạm Quốc Hải; NXB KH&KT 2009. 10/22/2010 4 Xu hướng Ví dụ  Xu hướng phát triển: dải công suất trải rộng, từ nhỏ,  Đến lớn và rất lớn.  Ứng dụng: rộng khắp, từ các thiết bị cầm tay, dân dụng đến các hệ thống thiết bị công nghiệp.  Đặc biệt: tham gia vào điều khiển trong hệ thống năng lượng.  Vài W đến vài trăm W, thành phần chính trong các hệ thống Power management của các thiết bị nhỏ.  Vài trăm kW đến vài chục MW.  FACTS: hệ truyền tải,  DG – Distributed Generation, Custom Grid, Renewable Energy System, 10/22/2010 5 Nguyên nhân phát triển Các dữ liệu thực tế  Sự phát triển của ĐTCS liên quan đến: ◦ Công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đạt được những bước tiến lớn. ◦ Các tiến bộ vượt bậc trong công nghệ các phần tử điều khiển và lý thuyết điều khiển.  MOSFET, IGBT: tần số đóng cắt cao, chịu được điện áp cao, dòng điện lớn.  Các chip vi xử lý, vi điều khiển, DSP 16 bit, 32 bit, nhanh, mạnh về điều khiển: ◦ Tích hợp ADC, đầu vào counter, PWM built-in; ◦ Truyền thông: I2C, CAN, UART, 10/22/2010 6 Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Điện tử công suất trong hệ thống năng lượng từ trước đến nay và từ nay về sau. 10/22/2010 7 Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Các bộ biến đổi Điện tử công suất. 10/22/2010 8 Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Các lĩnh vực liên quan đến Điện tử công suất. 10/22/2010 9 Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Sơ đồ khối chức năng của bộ biến đổi. 10/22/2010 10 Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Sơ đồ các lớp mạch của bộ biến đổi. 10/22/2010 11 Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Các phần tử trong mạch của bộ biến đổi. 10/22/2010 12 Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Tỷ lệ khối lượng và thể tích các phần tử trong bộ biến đổi bán dẫn. 10/22/2010 13 Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi Chuyển mạch: vấn đề cực kỳ quan trọng đối với công suất lớn. Ba loại chuyển mạch: Cứng (Hard switching), Snubbered, Soft- switching. 10/22/2010 14 Zero voltage switch - ZVS Zero current switch - ZCS 10/22/2010 15 10/22/2010 16  I.1 Những vấn đề chung  I.2 Điôt  I.3 Thyristor  I.4 Triac  I.5 GTO (Gate-Turn-off Thyristor)  I.6 BJT (Bipolar Junction Transistor)  I.7 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)  I.8 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)  Cần nắm được: ◦ Nguyên lý hoạt động ◦ Các thông số cơ bản (Đặc tính kỹ thuật), cần thiết để lựa chọn phần tử cho một ứng dụng cụ thể.  Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khóa ◦ Mở dẫn dòng: iV > 0, uV = 0; ◦ Khóa: iV = 0, uV > 0; ◦ Tổn hao pV = iV*uV ~ 0;  Lưu ý rằng phần tử bán dẫn nói chung chỉ dẫn dòng theo một chiều. ◦ Muốn tạo ra các van bán dẫn hai chiều hai chiều phải kết hợp các phần tử lại.  Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn được phân loại: ◦ Van không điều khiển, như ĐIÔT, ◦ Van có điều khiển, trong đó lại phân ra:  Điều khiển không hoàn toàn, như TIRISTOR, TRIAC,  Điều khiển hoàn toàn, như BIPOLAR TRANSISTOR, MOSFET, IGBT, GTO. 10/22/2010 17 Đặc tính vôn-ampe của van lý tưởng: dẫn dòng theo cả hai chiều; chịu được điện áp thep cả hai chiều.  Cấu tạo từ một lớp tiếp giáp p-n ◦ Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anot đến catot ◦ uAK >0 iD >0; Phân cực thuận. ◦ uAK < 0 iD = 0; Phân cực ngược 10/22/2010 18 Ký hiệu điôt Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của điôt  Đặc tính vôn-ampe của điôt ◦ Giúp giải thích chế độ làm việc thực tế của điôt ◦ Tính toán chế độ phát nhiệt (tổn hao trên điôt) trong quá trình làm việc. 10/22/2010 19 Đặc tính Vôn-ampe thực tế của điôt Đặc tính tuyến tính hóa: uD = UD,0 + rD*iD; rD = ΔUD/ΔID  Đặc điểm cấu tạo của điôt công suất (Power diode) ◦ Phải cho dòng điện lớn chạy qua (cỡ vài nghìn ampe), phải chịu được điện áp ngược lớn (cỡ vài nghìn vôn); ◦ Vì vậy cấu tạo đặc biệt hơn là một tiếp giáp bán dẫn p- n thông thường. Trong lớp bán dẫn n có thêm lớp nghèo điện tích n- 10/22/2010 20 Vùng nghèo n-, làm tăng khả năng chịu điện áp ngược, nhưng cũng làm tăng sụt áp khi dẫn dòng theo chiều thuận  Đặc tính đóng cắt của điôt ◦ Đặc tính động uD(t), iD(t), 10/22/2010 21 Khi mở: điện áp uFr lớn lên đến vài V trước khi trở về giá trị điện áp thuận cỡ 1 – 1,5V do vùng n- còn thiếu điện tích Khi khóa: dòng về đến 0, sau đó tiếp tục tăng theo chiều ngược với tốc độ dir/dt đến giá trị Irr rồi về bằng 0. Điện tích phục hồi Qrr Thời gian phục hồi trr  Các thông số cơ bản của điôt ◦ Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua điôt theo chiều thuận: ID (A) ◦ Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu đựng được, Ung,max (V) ◦ Tần số, f (Hz) ◦ Thời gian phục hồi, trr (μs) và điện tích phục hồi, Qrr (C)  Trang WEB của Proton- Electrotex, Nga ◦  Trang WEB của PowerRex ◦  Tại sao lại là dòng trung bình? ◦ Liên quan đến quá trình phát nhiệt. ◦ Cho ví dụ:  Khả năng chịu điện áp: 3 giá trị, ◦ Repetitive peak reverse voltages, URRM ◦ Non repetitive peak reverse voltages , URSM ◦ Direct reverse voltages, UR  Khi tần số tăng lên tổn thất do quá trình đóng cắt sẽ đóng vai trò chính chứ không phải là tổn thất khi dẫn.  Ba loại điôt công suất chính: ◦ 1. Loại thường, dùng ở tần số 50, 60 Hz. Không cần quan tâm đến trr. ◦ 2. Loại nhanh: fast diode, ultrafast diode. ◦ 3. Schottky Diode: không phải là loại có tiếp giáp p-n. Sụt áp khi dẫn rất nhỏ, cỡ 0,4 – 0,5 V, có thể đến 0,1 V. Dùng cho các ứng dụng tần số cao, cần dòng lớn, điện áp nhỏ, tổn thất rất nhỏ. Chỉ chịu được điện áp thấp, dưới 100 V. 10/22/2010 22   0 0 1 t T D D t I i t dt T     Cấu tạo: cấu trúc bán dẫn gồm 4 lớp, p-n-p-n, tạo nên 3 tiếp giáp p-n, J1, J2, J3.  Có 3 cực: ◦ Anode: nối với lớp p ngoài cùng, ◦ Cathode: nới với lớp n ngoài cùng, ◦ Gate: cực điều khiển, nối với lớp p ở giữa.  Là phần tử có điều khiển. Có thể khóa cả điện áp ngược lẫn điện áp thuận.  Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anot đến catot ◦ uAK >0 ; Phân cực thuận. ◦ uAK < 0 ; Phân cực ngược 10/22/2010 23 Ký hiệu thyristor Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của thyristor. 10/22/2010 24 Thyristor: Cấu trúc bán dẫn và mạch điện tương đương. Lớp n- làm tăng khả năng chịu điện áp  Đặc tính vôn-ampe của thyristor  1. Đặc tính ngược: UAK < 0. ◦ Rất giống đặc tính ngược của điôt.  2. Đặc tính thuận: UAK > 0.  2.1. Khi UGK = 0, ◦ Cho đến khi UAK < Uf,max thyristor cản trở dòng điện. ◦ Cho đến khi UAK = Uf,max trở kháng giảm đột ngột. Đặc tính chuyển lên đoạn điện trở nhỏ như điôt khi dẫn dòng theo chiều thuận.  2.2 Khi UGK > 0, ◦ Đặc tính chuyển lên đoạn điện trở nhỏ tại UAK << Uf,max. ◦ Điện áp chuyển càng nhỏ nếu UGK càng lớn.  Trong mọi trường hợp thyristor chỉ dẫn dòng được nếu IV > Ih, gọi là dòng duy trì (Holding current). 10/22/2010 25 Ur: reverse voltage Uf: forward voltage  1. Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua tiristor, IV ◦ Làm mát tự nhiên: một phần ba dòng IV. ◦ Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: hai phần ba dòng IV. ◦ Làm cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng 100% dòng IV.  2. Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ung,max  3. Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor, trr (μs) ◦ Thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên anôt-catôt của tiristor sau khi dòng iV đã về bằng 0 trước khi có thể có điện áp UAK dương mà tiristor vẫn khóa. ◦ Trong nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, phải luôn đảm bảo thời gian khóa của van cỡ 1,5 - 2 lần tr. ◦ trr phân biệt thyristor về tần số:  Tần số thấp: trr > 50 μs;  Loại nhanh: trr = 5 – 20 μs 10/22/2010 26 trr càng nhỏ, càng đắt  4. Tốc độ tăng dòng cho phép, dI/dt (A/μs) ◦ Thyristor tần số thấp: dI/dt cỡ 50 – 100 A/μs. ◦ Thyristor tần số cao: dI/dt cỡ 200 – 500 A/μs.  5. Tốc độ tăng điện áp cho phép, dU/dt (V/μs) ◦ Thyristor tần số thấp: dU/dt cỡ 50 – 100 V/μs. ◦ Thyristor tần số cao: dU/dt cỡ 200 – 500 V/μs.  6. Thông số yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển, (UGK, IG) ◦ Ngoài biên độ điện áp, dòng điện, độ rộng xung là một yêu cầu quan trọng. ◦ Độ rộng xung tối thiểu phải đảm bảo dòng IV vượt qua giá trị dòng duy trì Ih  Minh họa hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng mở van 10/22/2010 27 10/22/2010 28 10/22/2010 29  Sẽ tìm hiểu những vấn đề khi muốn tăng công suất của các bộ biến đổi theo hướng dòng điện lớn và điện áp cao. Phải làm thế nào? ◦ Lĩnh vực ứng dụng công suất nhỏ: rất quan trọng nhưng phải có một chương trình khác.  Sẽ tìm hiểu lĩnh vực ứng dụng quan trọng của ĐTCS trong điều khiển hệ thống năng lượng, bù và đảm bảo chất lượng điện áp. Đặc biệt liên quan đến lưới điện phân tán. ◦ Những ứng dụng rộng rãi của ĐTCS trong điều khiển máy điện đã được đề cập đến trong các môn học về Truyền động điện. Không đề cập ở đây. ◦ Các bộ biến đổi dùng thyristor trong các bộ chỉnh lưu hay những bộ nguồn cho các quá trình công nghệ đã đề cập đầy đủ trong chương trình ĐTCS cơ bản. 10/22/2010 30 10/22/2010 31 10/22/2010 32 10/22/2010 33 10/22/2010 34 10/22/2010 35 10/22/2010 36 10/22/2010 37 1. Xác định trạng thái van state switch: ◦ Không làm ngắn mạch nguồn áp (tụ C); ◦ Không hở mạch nguồn dòng (cuộn cảm L). 2. Với mỗi trạng thái van xác định vector trạng thái state vector 3. Xây dựng đồ thị vector không gian: các vector biên và các sector. 4. Cho vector mong muốn dưới dạng hệ tọa độ cực , , hoặc dạng tọa độ, . 5. Tính toán hệ số biến điệu tùy theo vị trí của vector mong muốn nằm trong sector nào. 6. Lựa chọn tổ hợp van đóng cắt phù hợp.  Sơ đồ nghịch lưu 3 mức  Trạng thái van được phép: j rU e  ( , )u u  Ký hiệu Trạng thái van Điện áp ra S1x S2x S3x S4x P 1 1 0 0 E / 2 0 0 1 1 0 0 N 0 0 1 1 – E / 2 10/22/2010 38 Trạng thái van ua ub uc u/E Vectơ NNN – 000 – PPP 0 0 0 0 V0 P00 – 0NN 1/3E -1/6E -1/6E V1 PP0 – 00N 1/6E 1/6E -1/3E V2 0P0 – N0N -1/6E 1/3E -1/6E V3 0PP – N00 -1/3E 1/6E 1/6E V4 00P – NN0 -1/6E -1/6E 1/3E V5 P0P – 0N0 1/6E -1/3E 1/6E V6 PNN 2/3E -1/3E -1/3E V7 P0N 1/2E 0 -1/2E V8 PPN 1/3E 1/3E -2/3E V9 0PN 0 1/2E -1/2E V10 NPN -1/3E 2/3E -1/3E V11 NP0 -1/2E 1/2E 0 V12 NPP -2/3E 1/3E 1/3E V13 N0P -1/2E 0 1/2E V14 NNP -1/3E -1/3E 2/3E V15 0NP 0 -1/2E 1/2E V16 PNP 1/3E -2/3E 1/3E V17 PN0 1/2E -1/2E 0 V18  1/ 3 1 0j  1/3 1/ 2 3 / 2j  1/3 1/ 2 3 / 2j   1/3 1/ 2 0j   1/3 1/ 2 3 / 2j   1/3 1/ 2 3 / 2j  2/ 3 1 0j  1/3 3/ 2 3 / 2j  2/ 3 1/ 2 3 / 2j  2/ 3 0 3 / 2j  2/ 3 1/ 2 3 / 2j   1/3 3/ 2 3 / 2j   2/ 3 1 0j   1/3 3/ 2 3 / 2j   2/ 3 1/ 2 3 / 2j   2/ 3 0 3 / 2j  2/ 3 1/ 2 3 / 2j  1/3 3/ 2 3 / 2j . 10/22/2010 39  Quy luật tổng hợp vector đầu ra mong muốn khi vector nằm trong một tam giác bất kỳ: ◦ u = p3 + d1 + d2, ◦ d1 = d1(p1 – p3); d2 = d2(p2 – p3); d1, d2 là tỷ lệ độ dài so với cạnh tương ứng của tam giác. ◦ u = p3 + d1(p1 – p3) + d2(p2 – p3) ◦ u = p3(1 – d1 – d2) + d1p1 + d2p2.  Vector không gian: ◦ Có 3 loại vector: vector lớn LV, trung bình MV, nhỏ SV (và vector không) ◦ 18 vector chia mặt phẳng ra 6 sector , mỗi sector chứa 4 tam giác đều. V1 V2V3 V4 V5 V6 V15 V16 V17 V18 V7 V8 V9V10V11 V12 V13 V14   I II III IV V VI u d2 d1p3 p2 p1 10/22/2010 40  Mạch vòng dòng điện đảm bảo đáp ứng của dòng điện như mong muốn: ◦ Không sai lệch; ◦ Thời gian đáp ứng trong phạm vi cho phép; ◦ Tần số cắt ωCL < 1/10 ωs 10/22/2010 41 10/22/2010 42 10/22/2010 43  Dùng bộ điều chỉnh PI xoay chiều. 10/22/2010 44  Bộ điều chỉnh PI trong hệ tọa độ tĩnh 0αβ.  Có sai số tĩnh do độ dịch pha của tín hiệu xoay chiều. 10/22/2010 45  Bộ điều chỉnh PI trong hệ tọa độ tĩnh 0αβ.  Không sai số tĩnh.  Có liên hệ chéo, phức tạp. 10/22/2010 46  Bộ điều chỉnh PI với các thành phần một chiều.  Không sai số tĩnh.  Phức tạp vì cần nhiều phép biến đổi tọa độ. 10/22/2010 47  Cách thực hiện.  Lưu ý cấu trúc liên hệ chéo. 10/22/2010 48  Cấu trúc tương tự  Cấu trúc gián đoạn số 10/22/2010 49  Phần tỷ lệ P không thay đổi qua các phép quay tọa độ  Chỉ có khâu tích phân I chịu tác động của phép quay.  Biến đổi Laplace cho thấy phần tích phân tương đương với khâu cộng hưởng trong hệ tọa độ tĩnh. 10/22/2010 50  Tính chất quan trọng: ◦ Không cần nhiều phép biến đổi; ◦ Tác động có tính chọn lọc về tần số; ◦ Thích hợp cho ứng dụng trong lọc tích cực. ◦ Có thể thiết kế nhiều khâu tích phân song song để đảm bảo tính lọc cho các sóng hài bậc cao hơn như bậc 5, 7, 11, 10/22/2010 51  Đáp ứng của bộ điều chỉnh PI thông thường: ◦ Có sai số tĩnh do lệch pha  Đáp ứng của bộ điều chỉnh PI cộng hưởng: ◦ Không sai số tĩnh ◦ Đáp ứng còn chậm do các sóng hài bậc cao. Có thể cải thiện đặc tính nếu thêm vào các mắt lọc bậc cao hơn. 10/22/2010 52  Vai trò của các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống năng lượng  Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng  Lý thuyết tính toán dòng công suất 10/22/2010 53 10/22/2010 54 10/22/2010 55