Giáo trình điện tử công suất

Dàn bài điện tử cụng suất 1 Trang 1/ Chương 1_Mở đầu â Huỳnh Văn Kiểm Moõn hoùc ẹIEÄN TệÛ COÂNG SUAÁT ( Maùch ủieọn tửỷ coõng suaỏt, ủieàu khieồn vaứ ửựng duùng ) Taứi lieọu tham khaœo: - tieỏng Anh: - POWER ELECTRONICS – Circuits, devices and applications , M.H. Rashid Pearson Education Inc. Pearson Prentice Hall 2004. - tieỏng Vieọt: - Baứi giaỷng ẹieọn tuỷ coõng suaỏt 1 & Baứi taọp, PTS. Nguyeón vaờn Nhụứ, Khoa ẹieọn & ẹieọn tửỷ, ẹHBK TP HCM - ẹieọn tuỷ coõng suaỏt, NGUYEÃN BÍNH, Haứnoọi, nhaứ xuaỏt baỷn KHKT - ẹieọn tửỷ coõng suaỏt vaứ ủieàu khieồn ủoọng cụ ủieọn, ( dũch tửứ tieỏng Anh ) Chửụng 1 : MễÛ ẹAÀU I.1 CAÙC KHAÙI NIEÄM: - Caực teõn goùi cuỷa moõn hoùc: ẹieọn tửỷ coõng suaỏt (Power Electronics) ẹieọn tửỷ coõng suaỏt lụựn. Kyừ thuaọt bieỏn ủoồi ủieọn naờng. - ẹTCS laứ moọt boọ phaọn cuỷa ẹieọn tửỷ ửựng duùng hay ẹieọn tửỷ coõng nghieọp. Hỡnh 1.0 : Sụ ủoà khoỏi thieỏt bũ ẹTCS - Phaõn loaùi caực boọ Bieỏn ẹoồi (BBẹ - Converter) theo muùc ủớch: AC --> DC: chổnh lửu AC --> AC: BBẹ aựp AC, Bieỏn taàn. DC --> DC: BBẹ aựp DC DC --> AC: Nghũch lửu - Boọ Bieỏn ẹoồi = Maùch ẹTCS + boọ ẹIEÀU KHIEÅN Maùch ẹTCS giụựi haùn ụỷ caực sụ ủoà sửỷ duùng linh kieọn ủieọn tửỷ laứm vieọc ụỷ cheỏ ủoọ ủoựng ngaột, goùi laứ Ngaột ẹieọn ẹieọn Tửỷ (NẹBD) hay Baựn Daón duứng cho bieỏn ủoồi naờng lửụùng ủieọn. Boọ ẹIEÀU KHIEÅN = Maùch ủieàu khieồn voứng kớn (neỏu coự) + Maùch phaựt xung. Maùch phaựt xung cung caỏp doứng, aựp ủieàu khieồn caực NẹBD ủeồ chuựng coự theồ ủoựng ngaột theo trỡnh tửù mong muoỏn. Vớ duù Ngaột ẹieọn Baựn Daón: Diod, Transistor, SCR ... - BBẹ coứn coự theồ phaõn loaùi theo phửụng thửực hoaùt ủoọng cuỷa NẹBD. I.2 NGAẫT ẹIEÄN BAÙN DAÃN: Coứn goùi laứ ngaột ủieọn ủieọn tửỷ ( NẹẹT ), laứ caực linh kieọn ủieọn tửỷ duứng trong maùch ẹTCS ủửụùc lyự tửụỷng hoựa ủeồ caực khaỷo saựt cuỷa maùch ẹTCS coự giaự trũ toồng quaựt bao goàm ( hỡnh 1.1 ): - DIODE ( chổnh lửu ): Phaàn tửỷ daón ủieọn moọt chieàu coự hai traùng thaựi: BBẹ Học kỡ 2 năm học 2004-2005 Trang 2/ Chương 1_Mở đầu ON : khi phaõn cửùc thuaọn: VAK > 0, coự theồ xem suùt aựp thuaọn VF = 0, doứng qua maùch phuù thuoọc nguoàn vaứ caực phaàn tửỷ thuù ủoọng khaực. OFF : khi phaõn cửùc ngửụùc: VAK < 0, coự theồ xem nhử hụỷ maùch. Diode NDBDMC SCR Hỡnh 1.1: Caực loaùi ngaột ủieọn baựn daón. - SCR ( Chổnh lửu coự ủieàu khieồn ): Hoaùt ủoọng nhử sau: OFF : Coự theồ ngaột maùch caỷ hai chieàu ( VAK > 0 vaứ VAK < 0 ) khi khoõng coự tớn hieọu ủieàu khieồn : G = 0. ON : SCR trụỷ neõn daón ủieọn ( ủoựng maùch ) khi coự tớn hieọu ủieàu khieồn: G ≠ 0 vaứ phaõn cửùc thuaọn VAK > 0. ẹieồm ủaởt bieọt laứ SCR coự khaỷ naờng tửù giửừ traùng thaựi daón ủieọn: noự khoõng caàn tớn hieọu G khi ủaừ ON, SCR chổ trụỷ veà traùng thaựi ngaột khi doứng qua noự giaỷm veà 0. - Ngaột ủieọn baựn daón moọt chieàu ( NẹBDMC ), goùi taột laứ ngaột ủieọn hay TRANSISTOR coự hoaùt ủoọng nhử sau: OFF : Ngaột maùch khi khoõng coự tớn hieọu ủieàu khieồn : G = 0. Cuừng nhử caực TRANSISTOR, NẹBDMC khoõng cho pheựp phaõn cửùc ngửụùc ( VS luoõn luoõn > 0 ) . ON : NẹBDMC trụỷ neõn daón ủieọn ( ủoựng maùch ) khi coự tớn hieọu ủieàu khieồn: G ≠ 0 vaứ trụỷ veà traùng thaựi ngaột maùch khi maỏt tớn hieọu G. NẹBDMC coự hai loaùi chớnh : BJT tửụng ửựng tớn hieọu G laứ doứng cửùc B, vaứ MOSFET coõng suaỏt vụựi G laứ aựp VGS . Caực NẹBD lyự thuyeỏt treõn chổ laứm vieọc vụựi moọt chieàu cuỷa doứng ủieọn, trong khi caực linh kieọn ủieọn tửỷ coõng suaỏt thửùc teỏ coự theồ daón ủieọn caỷ hai chieàu, luực ủoự maùch khaỷo saựt seừ bieồu dieón baống toồ hụùp caực NẹBD lyự thuyeỏt. I.3 NOÄI DUNG KHAÛO SAÙT MAẽCH ẹTCS: ẹaàu vaứo khaỷo saựt : Maùch ẹTCS + tớn hieọu ủieàu khieồn NẹBD + ủaởc tớnh taỷi. ẹaàu ra: hoaùt ủoọng cuỷa maùch: u(t), i(t) caực phaàn tửỷ => Caực ủaởc trửng aựp, doứng, coõng suaỏt 1. Caực ủaởc trửng aựp, doứng: - Giaự trũ cửùc ủaùi: - Giaự trũ trung bỡnh VO, IO - Giaự trũ hieọu duùng VR, IR Caực bieồu thửực cho doứng ủieọn trung bỡnh vaứ hieọu duùng: G Dàn bài điện tử cụng suất 1 Trang 3/ Chương 1_Mở đầu â Huỳnh Văn Kiểm [ ] )(1 )(1 20 ∫∫ == TRT dttiTIdttiTI Caực bieồu thửực cho ủieọn aựp VO, VR cuừng coự daùng tửụng tửù. 2. Soựng haứi baọc cao vaứ heọ soỏ hỡnh daựng: ∑ ∫∫ ∑∑ ∞ = − ∞ = ∞ = +=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡=+= ⋅⋅=⋅⋅= −=+=++= 1n 2 n 2 oR n n1 n 2 n 2 nn TnTn 1n nnnn0n 1n n0 V 2 1VV B AtgBAV dttncos)t(v T 2Bdttnsin)t(v T 2A )tnsin(VvvV)tncosBtnsinA(V)t(v vaứ vụựi ϕ ωω ϕωωω trong ủoự : V0 : trũ soỏ trung bỡnh ( thaứnh phaàn moọt chieàu ) cuỷa v(t) ω : taàn soỏ goực cuỷa v(t), chu kyứ T=ω/2π . vn: soựng haứi baọc n – coự taàn soỏ nω An , Bn : caực thaứnh phaàn sin, cos cuỷa soựng haứi baọc n Vn , ϕn : bieõn ủoọ vaứ leọch pha cuỷa soựng haứi baọc n . VR : Trũ hieọu duùng cuỷa v(t). Heọ soỏ hỡnh daùng ( form factor ): tổ soỏ giửừa giaự trũ hửừu duùng vaứ giaự trũ hieọu duùng, vớ duù vụựi boọ bieỏn ủoồi coự ngoỷ ra moọt chieàu: R o DC V VKF = VO : trũ soỏ trung bỡnh aựp ra VR : trũ soỏ hieọu duùng aựp ra vớ duù vụựi boọ bieỏn ủoồi coự ngoỷ ra xoay chieàu: 1 AC R VKF V= V1 : trũ soỏ hieọu duùng soựng haứi baọc 1 (cụ baỷn) aựp ra VR : trũ soỏ hieọu duùng aựp ra ẹoọ bieỏn daùng (THD - Total harmonic distortion): ẹoỏi vụựi ngoỷ ra DC: 2 2 R o o V VTHD V −= ẹoỏi vụựi ngoỷ ra AC: 2 2 1 1 RV VTHD V −= V1: soựng haứi baọc 1 (cụ baỷn) 3. Coõng suaỏt vaứ heọ soỏ coõng suaỏt: Bao goàm: - Coõng suaỏt taực duùng P : bieồu thũ naờng lửụùng sửỷ duùng trong moọt ủụn vũ thụứi gian. - Coõng suaỏt bieồu kieỏn S : tớnh baống tớch soỏ giaự trũ hieọu duùng doứng vaứ aựp, bieồu thũ naờng lửụùng sửỷ duùng trong moọt ủụn vũ thụứi gian neỏu xem taỷi laứ thuaàn trụỷ. - Heọ soỏ coõng suaỏt HSCS hay cos ϕ : cho bieỏt hieọu quaỷ sửỷ duùng naờng lửụùng. Khi taỷi laứ thuaàn trụỷ , nguoàn ủieọn hỡnh sin hay moọt chieàu seừ coự HSCS baống 1. S PHSCSIVSdttitv T P RRT =ϕ=⋅=⋅⋅= ∫ cos)()(1 Coự nhieàu bieồu thửực tớnh coõng suaỏt trong maùch ẹTCS, phuù thuoọc vaứo muùc ủớch sửỷ duùùng: Học kỡ 2 năm học 2004-2005 Trang 4/ Chương 1_Mở đầu ∑ ∫ ∞ = ϕ⋅+= ⋅⋅= ϕ⋅=⋅= 1 2 1 1112 1 100 1 n nnno T o IVP dttitv T P IVPIVP cos )()( cos P1 :Khi quan taõm ủeỏn thaứnh phaàn cụ baỷn cuỷa ngoỷ ra ( hỡnh sin taàn soỏ ω ), coự ủieọn aựp vaứ doứng ủieọn bieõn ủoọ V1, I1 , goực leọch ϕ1 . PO hay PDC: coõng suaỏt moọt chieàu (taỷi ủieọõn moọt chieàu) vụựi V0, I0 laứ caực trũ soỏ aựp, doứng trung bỡnh. P : coõng suaỏt toaứn phaàn ụỷ ngoỷ ra, goàm thaứnh phaàn moọt chieàu vaứ soựng haứi baọc cao. ễÛ caực BBẹ ngoỷ ra aựp moọt chieàu, V0, I0 , PDC laứ caực thaứnh phaàn mong muoỏn, soựng haứi baọc cao (caực thaứnh phaàn hỡnh sin ) laứ khoõng mong muoỏn, chổ taùo ra caực taực duùng phuù. - Trửụứng hụùp thửụứng gaởp: aựp nguoàn hỡnh sin hieọu duùng V, doứng khoõng sin, giaự trũ hieọu duùng thaứnh phaàn cụ baỷn laứ IR1 : 1 1 1 1cos cosR R R R P VI IHSCS S VI I ϕ ϕ= = = Keỏt quaỷ: Chổ coự trửụứng hụùp doứng moọt chieàu phaỳng ụỷ nguoàn moọt chieàu phaỳng, vaứ doứng hỡnh sin ủoàng pha vụựi aựp nguoàn(cuừng hỡnh sin) laứ coự HSCS baống 1. 4. Phửụng phaựp nghieõn cửựu maùch: Hỡnh vd1: Trửụứng hụùp nguoàn hỡnh sin, doứng laứ xung vuoõng HSCS khoõng theồ baống 1. a. Maùch ủieọn tửỷ coõng suaỏt = toồ hụùp nhieàu maùch tuyeỏn tớnh thay ủoồi theo traùng thaựi cuỷa caực ngaột ủieọn: Suy ra ủeồ giaỷi maùch ẹTCSự, ta luoõn phaỷi kieồm tra caực ủieàu kieọn ủeồ tỡm ra traùng thaựi cuỷa caực ngaột ủieọn ủeồ choùn ra sụ ủoà noỏi maùch. Vớ duù 0: Maùch chổnh lửu hỡnh (a) coự theồ laứ caực maùch hỡnh (b), (c), (c) tuứy thuoọc vaứo doứng ủieọn taỷi iO: v o o i v (a) R D1 D2 L Maùch chổnh lửu baựn soựng coự diod phoựng ủieọn D2, v laứ nguoàn xoay chieàu. o i v o v (b) L R ễÛ baựn kyứ v > 0, D1 daón doứng iO > 0 i ov o (c) L R Khi D2 daón ủieọn, D1 khoõng daón: v<0 vaứ doứng iO > 0. o oi v (d) R L Khi doứng iO = 0 tửụng ửựng khoõng coự diod daón ủieọn. b. Giaỷi trửùc tieỏp QTQẹ maùch ẹTCS baống PT vi phaõn hay bieỏn ủoồi Laplace: Dàn bài điện tử cụng suất 1 Trang 5/ Chương 1_Mở đầu â Huỳnh Văn Kiểm Vụựi ủieàu kieọn daàu ủửụùc bieỏt ụỷ t = 0, ta giaỷi maùch ủieọn theo t khi lửu yự traùng thaựi cuỷa caực ngaột ủieọn. Keỏt quaỷ thu ủửụùc caực phửụng trỡnh moõ taỷ doứng , aựp caực phaàn tửỷ maùch theo t. Vớ duù1: Khaỷo saựt chổnh lửu 1 diod taỷi RL coự D phoựng ủieọn cuỷa vớ duù 0, moõ taỷ hoaùt ủoọng cuỷa maùch vaứ tớnh trũ trung bỡnh aựp. AÙp nguoàn sin= 2v V wt , ủieàu kieọn ủaàu t = 0, iO = 0 Giaỷ sửỷ ta ủoựng nguoàn ụỷ t = 0 : v > 0, D1 daón ủieọn, maùch ủieọn tửụng ủửụng hỡnh (b): phửụng trỡnh vi phaõn moõ taỷ maùch ủieọn laứ: .= + = 0oo odiv R i L idt ủieàu kieọn ủaàu => sin( ) sin τω φ φ −⎡ ⎤= − + ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦ t o Vi t e Z 2 vụựi L Rτ = , ( )22 1 - wLtoồng trụỷ taỷi Z R L vaứ goực pha tg Rω φ= + = Khi ωt = π, doứng = >oi Io 0 phoựng qua diod phoựng ủieọn D2. Thửùc vaọy, neỏu D1 tieỏp tửùc daón ủieọn seừ laứm D2 cuừng daón ủieọn: voõ lyự. D2 daón ủieọn laứm D1 phaõn cửùc ngửụùc vaứ maùch ủieọn trụỷ thaứnh (c): . ( ) ủieàu kieọn ủaàu = + =oo o odiR i L i Idt0 0 khi laỏy laùi goỏc thụứi gian. Giaỷi ptvp naứy: . τ −= to oi I e . ễÛ ủaàu chu kyứ keỏ . π τ−= = >wo oi I e I1 0 Chu kyứ keỏ tieỏp ủieón ra tửụng tửù vụựi doứng ban ủaàu qua taỷi I1 > 0. Sau thụứi gian quaự ủoọ, Heọ thoỏng ủaùt traùng thaựi tửùa xaực laọp: daùng doứng aựp trong maùch laọp laùi theo chu kyứ. Nhaọn xeựt: Phửụng phaựp naứy cho ta caựi nhỡn chớnh xaực hoaùt ủoọng cuỷa maùch nhửng khoõng theồ cho ta phửụng trỡnh doứng aựp qua caực phaàn tửỷ ụỷ cheỏ ủoọ tửùa xaực laọp. c. Giaỷi chu kyứ tửùa xaực laọp maùch ẹTCS baống PT vi phaõn hay bieỏn ủoồi Laplace: ẹaởc tớnh maùch ủieọn ụỷ cheỏ ủoọ tửùa xaực laọp coự theồ ủửụùc tớnh khi ta khaỷo saựt hoaùt ủoọng trong moọt chu kyứ vụựi giaỷ sửỷ caực giaự trũ ban ủaàu cuỷa bieỏn traùng thaựi cuỷa maùch ủửụùc bieỏt. Keỏt quaỷ cho ta moọt heọ phửụng trỡnh ủeồ tớnh caực giaự trũ ban ủaàu naứy khi cho giaự trũ ủaàu baống giaự trũ cuoỏi. Vớ duù 2: Giaỷi tieỏp tuùc vớ duù 1 ụỷ cheỏ ủoọ tửùa xaực laọp. Giaỷ sửỷ ta ủoựng nguoàn ụỷ t = 0 : D1 daón ủieọn, phửụng trỡnh vi phaõn moõ taỷ maùch ủieọn laứ: . ủieàu kieọn ủaàu = + =oo odiv R i L i Idt 1 => sin( ) sin τω φ φ −⎡ ⎤= − + − ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦ t o V Vi t I e Z Z1 2 2 ễÛ baựn kyứ keỏ, D2 cuừng daón ủieọn, phửụng trỡnh vi phaõn moõ taỷ maùch ủieọn laứ: . ( ) ủieàu kieọn ủaàu , vụựi = + =oo o o odiR i L i I Idt0 0 = sin( ) sin π τπ φ φ −⎡ ⎤− + − ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦ wV VI e Z Z1 2 2 Học kỡ 2 năm học 2004-2005 Trang 6/ Chương 1_Mở đầu => . τ −= to oi I e vaứ ụỷ cuoỏi chu kyứ . π τ−= woI I e1 , cho pheựp ta tớnh I1 vaứ Io tửứ ủoự veừ ủửụùc daùng doứng iO . Nhaọn xeựt: Phửụng phaựp naứy cho pheựp ta tớnh ủaởc tớnh maùch trong cheỏ ủoọ xaực laọp, nhửng vieọc ruựt ra caực ủaởc trửng doứng, aựp cuỷa maùch raỏt khoự khaờn, ủoứi hoỷi tớch phaõn nhửừng haứm lửụùng giaực coự caỷ haứm muừ. d. Khaỷo saựt doứng aựp treõn taỷi baống nguyeõn lyự xeỏp choàng: Nguyeõn lyự xeỏp choàng ủửụùc phaựt bieồu nhử sau: Taực duùng cuỷa moọt tớn hieọu coự chu kyứ treõn heọ thoỏng tuyeỏn tớnh coự theồ ủửụùc xaực ủũnh baống toồng caực taực duùng treõn heọ tuyeỏn tớnh naứy cuỷa caực thaứnh phaàn Fourier hụùp thaứnh tớn hieọu ủoự. Vaọy nguyeõn lyự xeỏp choàng cho thaỏy yự nghiaừ cuỷa caực thaứnh phaàn Fourier vaứ cho ta moọt phửụng phaựp khaỷo saựt caực maùch ủieọn tửỷ coõng suaỏt ụỷ cheỏ ủoọ xaực laọp, vớ duù doứng taỷi coự theồ tớnh nhử sau: - Giaự trũ trung bỡnh doứng qua taỷi coự theồ xaực ủũnh baống caựch tớnh doứng qua taỷi khi ủaởt leõn taỷi ủieọn aựp moọt chieàu baống giaự trũ trung bỡnh aựp treõn taỷi. - Caực soựng haứi (hỡnh sin) baọc cao cuỷa ủieọn aựp nguoàn seừ taùo ra doứng ủieọn hỡnh sin coự cuứng taàn soỏ chaùy qua taỷi. Vaứ doứng ủieọn thửùc sửù chaùy qua maùch seừ laứ toồng cuỷa caực thaứnh phaàn naứy. Phửụng phaựp naứy khoõng cho ta keỏt keỏt quaỷ chớnh xaực vỡ khoõng theồ tớnh heỏt caực soựng haứi cuừng nhử toồng chuựng laùi. Thửùc teỏ ta chổ caàn tớnh taực duùng cuỷa nhửừng thaứnh phaàn coự aỷnh hửụỷng lụựn maứ thoõi. v R1 100 ohm R2 100 ohm C1 1 microF Hỡnh vd2: Maùch RC cung caỏp baống xung vuoõng Vớ duù 3: Tớnh doứng vaứ aựp trung bỡnh qua ủieọn trụỷ R2 cuỷa maùch ủieọn hỡnh Vd2. aựp nguoàn v coự daùng treõn hỡnh Vd2.a, V = 200 volt. Giaỷi: Trũ trung bỡnh aựp ra: 2 / 6 0 0 1 1. . 3 T T o VV vdt V dt T T = = =∫ ∫ => trũ trung bỡnh doứng ra IO = (200/3)/200 = 1/3 A vaứ trũ trung bỡnh aựp treõn moói ủieọn trụỷ taỷi Vo1 = Vo/ 2 = 33.3 V Vo Vo1 Io R2 100 ohm R1 100 ohm Dàn bài điện tử cụng suất 1 Trang 7/ Chương 1_Mở đầu â Huỳnh Văn Kiểm T t V v Hỡnh Vd2.a: daùng aựp nguoàn tớnh baống soỏ Hỡnh Vd2.b: Maùch tửụng ủửụng vụựi thaứnh phaàn moọt chieàu e. Duứng bieỏn ủoồi Laplace rụứi raùc. f. Khaỷo saựt moõ hỡnh toaựn maùch ẹTCS baống maựy tớnh (duứng chửụng trỡnh moõ phoỷng) hay khaỷo saựt moõ hỡnh thửùc teỏ trong phoứng thớ nghieọm: Thuaọt toaựn toồng quaựt ủeồ khaỷo saựt maùch ẹTCS baống maựy tớnh: Nhaọn xeựt: Vieọc khaỷo saựt baống maựy tớnh ửựng duùng phửụng phaựp soỏ ủeồ giaỷi phửụng trỡnh vi phaõn cho ta doứng aựp qua caực phaàn tửỷ theo tửứng sai phaõn thụứi gian Δ t. I.4 TOÙM TAẫT CAÙC YÙ CHÍNH: Sau khi hoùc chửụng 1, caàn naộm vửừng caực noọi dung sau: - Coõng thửực tớnh toaựn trũ trung bỡnh, hieọu duùng cuỷa doứng ủieọn (ủieọn aựp) vaứ yự nghiaừ cuỷa noự. - Nguyeõn lyự hoaùt ủoọng cuỷa caực ngaột ủieọn ủieọn tửỷ, caựch vaọn duùng vaứo khaỷo saựt moọt maùch ủieọn tửỷ coõng suaỏt. I.5 BAỉI TAÄP: 1. Tớnh vaứ veừ daùng doứng iO qua taỷi. Cho bieỏt quaự trỡnh laứm vieọc cuỷa maùch nhử sau: - t = 0: khoựa K ủoựng vụựi doứng ban ủaàu qua taỷi iO = 0. - Sau khi K ủoựng ủuỷ laõu ủeồ doứng qua taỷi iO xem nhử ủaùt giaự trũ xaực laọp, ta mụỷ khoựa K. e K oi R v vL ov + _ R L D AÙp nguoàn moọt chieàu e = E. 2. Tớnh vaứ veừ daùng doứng qua taỷi iO, aựp treõn tuù vC theo thụứi gian trong caực ủieàu kieọn ủaàu (khi K ủoựng): a. L vaứ C khoõng tớch trửừ naờng lửụùng. b. vC (0) = - E; iO (0) = 0. e = E K oi R v Lv ov = + _ C v R L C Bửụực mụỷ ủaàu: Xaực ủũnh doứng aựp qua caực phaàn tửỷ ụỷ thụứi gian t = 0+ Bửụực 1: Dửùa vaứo tớn hieọu ủieàu khieồn vaứ doứng, aựp qua caực ngaột ủieọn, Học kỡ 2 năm học 2004-2005 Trang 8/ Chương 1_Mở đầu 3. Giaỷi laùi baứi 2 khi coự diod D noỏi tieỏp vụựi nguoàn. R ủuỷ nhoỷ ủeồ doứng aựp coự tớnh dao ủoọng. i v = C v o o R e = E+_ vL K v R C L D 4. Giaỷi laùi baứi 2 khi coự diod D song song ngửụùc vụựi RLC. Khaỷo saựt theõm trửụứng hụùp c: c. vC (0) = - E; iO (0) = I1 khi khoựa K ủoựng. R ủuỷ nhoỷ ủeồ doứng aựp coự tớnh dao ủoọng. e = E K oi R v Lv ov = + _ C v R L C D I.6 CAÙC TAẽP CHÍ VAỉ WEBSITE CUÛA CAÙC TOÅ CHệÙC KHKT QUOÁC TEÁ: Dàn bài Điện tử cụng suất 1 Trang 1/ Chương 2 â Huỳnh Văn Kiểm Chửụng 2 : LINH KIEÄN ẹTCS ẹeồ thửùc hieọn caực ngaột ủieọn ủieọn tửỷ trong chửụng 1, coự theồ sửỷ duùng nhieàu linh kieọn hay nhoựm linh kieọn ủieọn tửỷ chũu ủửụùc aựp cao – doứng lụựn, laứm vieọc trong hai cheỏ ủoọ: - Daón ủieọn hay baỷo hoaứ (ON): suùt aựp qua keõnh daón ủieọn raỏt beự, doứng phuù thuoọc vaứo taỷi. - Khoựa (OFF): doứng qua noự raỏt beự (≈ 0), keõnh daón ủieọn nhử hụỷ maùch. Caực linh kieọn chớnh: diode, thyristor (SCR), BJT vaứ MosFET. II.1 DIODE: Laứ linh kieọn daón ủieọn moọt chieàu quen thuoọc cuỷa maùch ủieọn tửỷ. 1. Phaõn loaùi: - Theo suùt aựp thuaọn, loaùi thửụứng (duứng silic) tửứ 0.6 ủeỏn 1.2 V, thửụứng tớnh baống 1V. ễÛ maùch doứng lụựn, aựp thaỏp coự theồ duứng coõng ngheọ Schottky, ủeồ coự suùt aựp thuaọn beự, 0.2 – 0.4V. - Coự loaùi diod doứng beự duứng cho maùch xửỷ lyự tớn hieọu, diod coõng suaỏt chũu doứng lụựn hụn cho maùch ẹTCS, diod laứm vieọc ụỷ maùch cao taàn coự tuù ủieọn moỏi noỏi beự. - Diod coõng suaỏt chia laứm hai loaùi: duứng ụỷ taàn soỏ coõng nghieọp (diod chổnh lửu) vaứ diod duứng cho maùch ủoựng ngaột ụỷ taàn soỏ cao. 2. ẹaởùc tớnh phuùc hoài cuỷa diod (recovery): - Moõ taỷ: Khi chuyeồn tửứ traùng thaựi daón ủieọn sang traùng thaựi khoựa, coự khoaỷng thụứi gian ngaộn diod daón doứng ngửụùc goùi laứ thụứi gian phuùc hoài ngửụùc trr (rr: reverse recovery) trửụực khi thaọt sửù khoựa nhử hỡnh II.1.1. Doứng ủieọn naứy ửựng vụựi vieọc xaỷ vaứ naùp ngửụùc laùi caực ủieọn tớch cuỷa moỏi noỏi (tửụng ửựng tuù ủieọn moỏi noỏi) khi diod bũ phaõn cửùc nghũch. Hỡnh II.1.1: Hai kieồu phuùc hoài. Học kỡ 2 năm học 2004-2005 Trang 2/ Chương 2 - trr coự trũ soỏ khaự lụựn ụỷ diod taàn soỏ coõng nghieọp laứm cho chuựng khoõng theồ laứm vieọc ụỷ vaứi chuùc KHz, nhửng khaự beự, cụỷ vaứi micro giaõy ụỷ diod phuùc hoài nhanh (fast recovery). Ngoaứi trr , ủaởc tớnh phuùc hoài cuỷa diode coứn ủaởc trửng qua ủieọn tớch QRR laứ tớch phaõn cuỷa doứng ủieọn ngửụùc theo t. - AÛnh hửụỷng cuỷa ủaởc tớnh phuùc hoài: Diod phuùc hoài nhanh (ủửụùc duứng cho maùch ủoựng ngaột taàn soỏ cao) coự ủaởc tớnh phuùc hoài hỡnh II.1.1.b: doứng ngửụùc taờng daàn ủeỏn IRR vaứ giaỷm veà 0 raỏt nhanh sau ủoự. Sửù thay ủoồi ủoọt ngoọt traùng thaựi cuỷa doứng ủieọn naứy seừ taùo ra quaự aựp cho caực phaàn tửỷ maùch hay gaõy nhieóu do caực L cuỷa maùch hay kyự sinh do toỏc ủoọ taờng (giaỷm) doứng di/dt lụựn. Ta coự trr = ta + tb ≈ ta Khi cho ≈ tb laứ khoõng ủaựng keồ. Goùi di dt laứ toỏc ủoọ taờng doứng aõm: Ta coự RR a Idi dt t = vaứ 1 2RR RR a Q I .t= .Suy ra 2RR RR diI .Q . dt = Vaọy vụựi QRR cho trửụực, ủeồ giaỷm IRR caàn phaỷi haùn cheỏ di/dt khi khoựa. - Khoõng chổ diod, SCR vụựi tử caựch laứ chổnh lửu coự ủieàu khieồn cuừng gaởp vaỏn ủeà tửụng tửù. II.2 THYRISTOR VAỉ SCR: 1. Caỏu taùo vaứ nguyeõn lyự hoaùt ủoọng SCR: Kyự hieọu SCR Caỏu taùo nguyeõn lyự Maùch tửụng ủửụng hai BJT Ba cửùc cuỷa SCR: Anod: Dửụng cửùc Katod: AÂm cửùc Gate: Coồng hay cửùc ủieàu khieồn. Hỡnh II.2.1: Kyự hieọu vaứ nguyeõn lyự SCR - Khi mụựi caỏp ủieọn, iG = 0 : SCR khoựa thuaọn vaứ ngửụùc – IA laứ doứng ủieọn roứ, raỏt beự, cụỷ mA vụựi VAK ≠ 0. Dàn bài Điện tử cụng suất 1 Trang 3/ Chương 2 â Huỳnh Văn Kiểm Hỡnh II.2.2: Caỏu taùo moọt SCR doứng lụựn ụỷ tổ leọ thửùc (a) vaứ phoựng to maỷnh tinh theồ baựn daón (b) - Khi SCR phaõn cửùc thuaọn - VAK > 0, vaứ coự tớn hieọu ủieàu khieồn - IG > 0, SCR chuyeồn sang traùng thaựi daón ủieọn vaứ coự khaỷ naờng tửù giửừ traùng thaựi daón ủieọn cho ủeỏn khi doứng qua noự giaỷm veà 0. 2. ẹaởc tớnh túnh ( volt – ampe ): Moõ taỷ quan heọ IA(VAK) vụựi doứng IG khaực nhau. Hỡnh II.2.3 Sụ ủoà thớ nghieọm vaứ ủaởc tuyeỏn volt – ampe cuỷa SCR * VAK < 0 : Khoựa ngửụùc: Chaùy qua SCR laứ doứng roứ ngửụùc, cụỷ mA. Khi VAK < - VRB ta coự hieọn tửụùng gaừy ngửụùc, doứng | IA | taờng raỏt cao trong khi VAK vaón giửừ trũ soỏ lụựn => SCR bũ hoỷng. * VAK > 0 vaứ IG = 0 : Khoựa thuaọn: Ta coự laứ doứng roứ thuaọn, cuừng cụỷ mA. Khi VAK > VFB ta coự hieọn tửụùng gaừy thuaọn: SCR chuyeồn sang vuứng daón ủieọn. Ta phaỷi choùn ủũnh mửực aựp cuỷa SCR lụựn hụn caực giaự trũ gaừy naứy, heọ soỏ an toaứn ủieọn aựp thửụứng choùn lụựn hụn hay baống 2. Khi phaõn cửùc thuaọn, neỏu IG taờng leõn tửứ giaự trũ 0, VFB giaỷm daàn. Nhử vaọy, doứng IG caàn phaỷi ủuỷ lụựn ủeồ coự theồ sửỷ duùng SCR nhử moọt ngaột ủieọn ủieọn tửỷ: SCR chuyeồn sang traùng thaựi daón ngay khi ủửụùc kớch baỏt chaỏp ủieọn aựp phaõn cửùc thuaọn. * Vuứng daón ủieọn: ệÙng vụựi trửụứng hụùp SCR ủaừ ủửụùc kớch khụỷi khụỷi vaứ daón ủieọn, suùt aựp qua SCR VAK = VF khoaỷng 1 - 2 volt. Trong vuứng daón ủieọn coự hai ủaởc trửng doứng: Học kỡ 2 năm học 2004-2005 Trang 4/ Chương 2 + IL : doứng caứi, laứ giaự trũ toồi thieồu cuỷa IA ủeồ SCR coự theồ duy trỡ traùng thaựi daón khi doứng cửùc coồng IG giaỷm veà 0 ( kớch SCR baống xung ). + IH : doứng giửừ, laứ giaự trũ toồi thieồu cuỷa IA ủeồ SCR coự theồ duy trỡ traùng thaựi daón ( khi khoõng coứn doứng cửùc coồng IG. Neỏu doứng anode thaỏp hụn IH, SCR seừ trụỷ veà traùng thaựi khoựa. IL khaực IH vỡ coự quaự trỡnh lan toỷa cuỷa doứng anode tửứ vuứng phuù caọn cuỷa cửùc G ủeỏn toaứn boọ maỷnh baựn daón khi SCR ủửụùc kớch ( coự doứng cửùc neàn), tửụng ửựng maọt ủoọ doứng giaỷm daàn, laứm cho heọ soỏ khueỏch ủaùi doứng ủieọn taờng. Quaự trỡnh quaự ủoọ naứy coứn aỷnh hửụỷng ủeỏn giụựi haùn di/dt, ủửụùc giụựi thieọu trong ủaởc tớnh ủoọng cuỷa SCR. 2. ẹaởc tớnh ủoọng ( ủoựng ngaột ): a. ẹaởc tớnh mụỷ: ( turn on ) Thụứi gian treó ton Giụựi haùn toỏc ủoọ taờng doứng diA/dt. Hỡnh II.2.4.a. ẹaởc tớnh ủoọng : mụỷ vaứ khoựa cuỷa SCR Hỡnh II.2.4.b. Caỏu taùo SCR cửùc coồng coự daùng coồ ủieồn (1) vaứ phửực taùp (2) phaõn boỏ treõn toaứn dieọn tớch mieỏng baựn daón ủeồ taờng di/dt. b. ẹaởc tớnh khoaự: ( turn off ) - Moõ taỷ quaự trỡnh khoựa SCR - Thụứi gian ủaỷm baỷo taột toff toff = [ 10 .. 50 ] micro giaõy vụựi SCR taàn soỏ cao [ 100 .. 300 ] micro giaõy vụựi SCR chổnh lửu. - Coự giụựi haùn toỏc ủoọ taờng du/dt ủeồ traựnh tửù kớch daón. - Coự quaự trỡnh daón doứng ngửụùc khi khoựa (ủaởt aựp aõm) nhử diod (ủaởc tớnh phuùc hoài ngửục). - Caàn coự maùch baỷo veọ choỏng tửù kớch daón (hỡnh II.2.5). (2) (1) Dàn bài Điện tử cụng suất 1 Trang 5/ Chương 2 â Huỳnh Văn Kiểm C2 = 0.05 – 0.1 uF; R2 = 33 – 100 ohm; R1 taờng khi aựp SCR taờng vaứ/hay doứng taỷi giaỷm, tửứ 20 – 100 ohm; C1 taờng khi doứng SCR taờng vaứ/hay aựp SCR giaỷm, tửứ 0.1 – 0.5 uF. Hỡnh II.2.5: Maùch snubber R1C1 vaứ RC cửùc coồng baỷo veọ SCR khoỷi caực cheỏ ủoọ kớch daón khoõng mong muoỏn. 3. ẹaởc tớnh coồng: (hay kớch khụỷi coồng) (1) laứ ủaởc tớnh IG(VG) tieõu bieồu, (2) laứ ủaởc tớnh IG(VG) ửựng vụựi ủieọn trụỷ RG beự, (3) ửựng vụựi ủieọn trụỷ RG lụựn. Caực thoõng soỏ giụựi haùn ( cửùc ủaùi ) cuỷa tớn hieọu cửùc coồng ủeồ traựnh hử hoỷng SCR: doứng IGmax, aựp VGmax vaứ coõng suaỏt tieõu taựn trung bỡnh PGmax cuỷa cửùc coồng (Coõng suaỏt tieõu taựn coứn phuù thuoọc beà roọng xung kớch SCR). Caực soồ tay toựm taột thửụứng chổ cung caỏp caực thoõng soỏ giụựi haùn (beự nhaỏt) cho ủaỷm baỷo kớch: VGT, IGT . Hỡnh II.2.6: ẹaởc tớnh coồng SCR Vaứ nhử vaọy ủieồm laứm vieọc cuỷa coồng SCR phaỷi naốm trong caực giụựi haùn naứy, vuứng ủửụùc toõ trong hỡnh II.2.6. Trong thửùc haứnh, coự theồ ửụực tớnh IGT baống caựch sửỷ duùng heọ soỏ khueỏch ủaùi doứng cuỷa SCR tớnh baống tổ soỏ IA ủũnh mửực / IGT , heọ soỏ naứy coự giaự trũ tửứ 100 . . 200. Doứng kớch SCR seừ choùn tửứ 1.5 . . 5 laàn giaự trũ naứy, soỏ caứng cao khi caàn ủoựng ngaột toỏt, laứm vieọc ụỷ taàn soỏ cao hay kớch baống xung. 4. Caực linh kieọn khaực trong hoù thyristor: Thyristor laứ hoù linh kieọn coự ớt nhaỏt 4 lụựp vụựi SCR laứ ủaùi dieọn. Thyristor hoaùt ủoọng theo nguyeõn lyự phaỷn hoài dửụng neõn luoõn coự khaỷ naờng tửù giửừ traùng thaựi daón ủieọn (kớch daón). Nhửng khoõng nhử SCR, moọt soỏ SCR ủửụùc cheỏ taùo ủeồ coự theồ ủieàu khieồn ủửụùc quaự trỡnh khoaự vaứ laứ moọt ngaột ủieọn ủieọn baựn daón moọt chieàu khi lyự tửụỷng hoựa. Hỡnh II.2.7: Kyự hieọu cuỷa caực linh kieọn hay gaởp cuỷa hoù Thyristor. a. DARLISTOR: Laứ loaùi SCR coự caỏu taùo noỏi taàng (cascade) ủeồ taờng heọ soỏ khueỏch ủaùi doứng IA / IG khi ủũnh mửực doứng anode lụựn vaứ raỏt lụựn (vaứi traờm ủeỏn vaứi Học kỡ 2 năm học 2004-2005 Trang 6/ Chương 2 ngaứn ampe). Luực ủoự, doứng kớch vaón ụỷ vaứi ampe. Darlistor laứ teõn thửụng maùi, nhaựi theo transistor noỏi taàng laứ Darlington transistor. Moọt soõựự nhaứ saỷn xuaỏt vaón duứng teõn SCR hay Thyristor, nhửng chuự thớch laứ cửùc coồng ủửụùc khueỏch ủaùi (Amplified gate thyrirstor). Sụ ủoà nguyeõn lyự Darlistor cho ụỷ hỡnh II.2.7. b. TRIAC: Laứ linh kieùõn phoồ bieỏn thửự hai cuỷa hoù thyristor sau SCR, coự maùch tửụng ủửụng laứ hai SCR song song ngửụùc, ủửụùc cheỏ taùo vụựi doứng ủũnh mửực ủeỏn haứng ngaứn ampe. Maùch tửụng ủửụng hai SCR song song ngửụùc hoaứn toaứn tửụng thớch vụi TRIAC khi khaỷo saựt lyự thuyeỏt, neõn chuựng thửụứng ủửụùc duứng thay theỏ cho nhau trong caực sụ ủoà nguyeõn lyự maởc duứ trong thửùc teỏ chuựng coự nhieàu tớnh chaỏt khaực nhau. TRIAC coự khaỷ naờng khoựa theo hai chieàu, trụỷ neõn daón ủieọn khi coự doứng kớch vaứ tửù giửừ traùng thaựi daón cho ủeỏn Hỡnh II.2.8 ẹaởc tuyeỏn V – I cuỷa TRIAC vaứ DIAC Khi doứng qua noự giaỷm veà khoõng. (Hỡnh II.2.8) TRIAC coự theồ ủieàu khieồn baống doứng G – T1 ( coứn goùi laứ MT1) caỷ hai cửùc tớnh vaứ ụỷ hai chieàu doứng