BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ THƯƠNG MẠI GIÁO TRÌNH Tên mô đun: Điện tử công suất NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP/CAO ĐẲNG NGHỀ Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-CĐCNPY, ngày tháng năm 2018 của Hiệu trưởng trường Cao đẳng Công nghiệp và Thương mại Vĩnh Phúc, năm 2018 0 Mục Lục Bài 1. Các phần tử bán dẫn công suất .7 Gate Turn off Thysistor GTO. Các mạch chỉnh lưu không điều khiển.1 Bộ chỉnh lưu một pha .2 Bộ chỉnh lưu ba pha. Các mạch chỉnh lưu có điều khiển.1 Bộ chỉnh lưu một pha .2 Mạch chỉnh lưu công suất 3 pha có điều khiển .1 Khái niệm chung về mạch nghịch lưu.3 Nghịch lưu dòng điện.
Thiết bị biến tần .1 Khái niệm chung .2 Biến tần gián tiếp.3 Bộ biến tần trực tiếp .1 Nguyên lý biến tần trực tiếp.4 Các ứng dụng của bộ biến tần trong thực tế. Bộ biến đổi xung áp .1 Khái niệm chung .2 Xung áp một chiều nối tiếp .3 Xung áp một chiều song song .4 Xung áp một chiều đảo chiều .5 Xung áp xoay chiều một pha .6 Xung áp xoay chiều ba pha.7 Khảo sát bộ biến đổi xung áp một chiều và xoay chiều. 110 1 CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: Điện tử công suất Mã mô đun: MĐCC14020021 Thời gian thực hiện mô đun: 60h (Lý thuyết: 30 h; Thực hành: 27 h; Kiểm tra 3h) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN: - Vị trí: Mô đun được bố trí dạy sau các mô đun: Kỹ thuật mạch điện tử 1, kỹ thuật mạch điện tử 2.
- Tính chất: là mô đun chuyên ngành II. MỤC TIÊU MÔ ĐUN: - Về kiến thức: + Nêu được cấu tạo, đặc điểm nhận dạng và các thông số cơ bản của linh kiện bán dẫn công suất. + Nêu được sơ đồ cấu tạo của các mạch chỉnh lưu có điều khiển, chỉnh lưu không điều khiển, mạch nghịch lưu, mạch xung áp, thiết bị biến tần. + Trình bày được nguyên lý hoạt động của các mạch chỉnh lưu có điều khiển, chỉnh lưu không điều khiển, mạch nghịch lưu, mạch xung áp, thiết bị biến tần.
- Kỹ năng : + Đo và kiểm tra được chất lượng của các linh kiện bán dẫn công suất. + Lắp ráp và cân chỉnh được các mạch điện tử cơ bản: mạch chỉnh lưu có điều khiển, mạch chỉnh lưu không điều khiển, mạch nghịch lưu, thiết bị biến tần, biến đổi xung áp. + Sửa chữa được những hư hỏng thường gỉp của : mạch chỉnh lưu có điều khiển, mạch chỉnh lưu không điều khiển, mạch nghịch lưu, thiết bị biến tần, biến đổi xung áp. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm + Nghiêm túc, cẩn thận, sáng tạo, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị trong quá trình học tập.
+ Năng lực làm việc độc lập và làm việc theo nhóm để giải quyết các vấn đề liên quan đến nội dung học tập. NỘI DUNG MÔ ĐUN: 1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian: Thời gian Thực Số Tên các bài trong mô đun Tổng Lý hành, Kiểm TT số thuyết thí tra nghiệm, 2 thảo luận, bài tập 1. Các phần tử bán dẫn công suất 6 3 3 1.
Gate Turn off Thyristor GTO 2. Các mạch chỉnh lưu không điều 15 7 7 1 khiển 1. Bộ chỉnh lưu một pha 1. Bộ chỉnh lưu ba pha 3.
Các mạch chỉnh lưu có điều 15 7 8 khiển 3. Bộ chỉnh lưu một pha 3. Bộ chỉnh lưu ba pha 4. Khái niệm chung về mạch nghịch lưu.
Nghịch lưu dòng điện 5. Thiết bị biến tần 9 6 3 5. Khái niệm chung 5. Bộ biến tần gián tiếp 5.
Bộ biến tần trực tiếp 5. Các ứng dụng của bộ biến tần trong thực tế 6. Bộ biến đổi xung áp 6 3 2 1 1. Khái niệm chung 1.
Xung áp một chiều nối tiếp 1. Xung áp một chiều song song 1. Xung áp một chiều đảo chiều 1. Xung áp xoay chiều một pha 3 1.
Xung áp xoay chiều 3 pha 1. Khảo sát bộ biến đổi xung áp một chiều và xoay chiều. Các phần tử bán dẫn công suất Giới thiệu Bài học này giới thiệu về nguyên lý đóng/cắt mạch điện xoay chiều và một chiều bằng linh kiện bán dẫn công suất : Diode, BJT, VMOSFET, thyristor, ELR.phương pháp này đã dần thay thế các thiết bị đóng/căt cơ học do có nhiều ưu điểm, đặc biệt đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ và tần suất đóng/cắt cao. Mục tiêu Kiến thức: Æ Phát biểu được đặc tính, nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử công suất theo nội dung đã học.
Æ Hiểu được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử công suất Kỹ năng: Æ Kiểm tra chất lượng của linh kiện điện tử công suất đúng yêu cầu kỹ thuật. Æ Thực hiện bảo vệ quá dòng, quá áp, và quá nhiệt cho linh kiện công suất hoạt động trong thời gian lâu dài. Thái độ: Æ Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, an toàn trong học tập 1. Linh kiện điện tử công suất Mục tiêu Æ Phát biểu được đặc tính, nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử công suất theo nội dung đã học.
Æ Kiểm tra chất lượng của linh kiện điện tử công suất đúng yêu cầu kỹ thuật.1 Diode Khác với diode thường, về mặt cấu tạo diode công suất bao gồm 3 vùng bán dẫn silic với mật độ tạp chất khác nhau gọi là cấu trúc PsN, giữa hai vùng bán dẫn PN là một vùng có mật độ tạp chất rất thấp (vùng S) (hình 2.1 Cấu tạo và ký hiệu điện diode công suất PsN 5 1.1 Đặc tuyến V – A Đường đặc tính diode công suất rất gần với đặc tính lý tưởng (hình 2.2), trong đó đoạn đặc tính thuận có độ dốc rất thẳng đứng (hình 2.2b) vì vây, nhiệt độ trên diode xem như không đổi, điện áp thuận trên diode là tổng giữa điện áp ngưỡng U (TO ) không phụ thuộc dòng điện với thành phần điện áp tỉ lệ với dòng điện thuận chảy qua diode. Giả sử nhiệt độ là hằng số, điện áp thuận trên diode được tính theo công thức gần đúng sau : ∆U F Với rF : Điện trở động theo chiều thuận rF = ∆I F Các ký hiệu thường dùng trong thiết kế : F = Forward để chỉ trạng thái dẫn theo chiều thuận, R = Reverse để chỉ trạng thái khóa trong vùng nghịch Hình 2.2 a) Đặc tính diode lý tưởng ; b) đặc tính diode thực tế 1.2 Ví dụ Một diode công suất có đặc tính như sau: Điện áp ngưỡng U(TO) = 0,85v Điện trở động rF = 8mΩ Với dòng chảy qua cố định I F = 50A, suy ra điện áp thuận trên diode là: U F = U (TO ) + rF .3 Hệ số hình dáng Độ tin cậy của diode được đánh giá qua khả năng chịu tải ở chế độ làm việc dài hạn với tần số lưới điện 50-60Hz và nhiệt độ tại mối nối phụ thuộc rất lớn vào công suất tiêu tán, nhiệt trở và điều kiện tỏa nhiệt của diode Trong ví dụ 1.2, dòng qua diode có giá trị cố định là trường hợp hiếm khi xảy ra. Trên thực tế, dòng qua diode có dạng xung và gồm hai giá trị: Giá 6 trị hiệu dụng và giá trị trung bình, như trong trường hợp chỉnh lưu 3 pha bán kỳ (M3) thời gian dẫn của mỗi diode là T/3.3 trình bày các giá trị của i đo bằng dụng cụ đo chỉ thị kim Hình 2.3 Đồ thị thời gian dòng thuận của dioe, giá trị trung bình và hiệu dụng Trong số tay tra cứu thường cho giá trị trung bình I FAV của diode.3 cho thấy các giá trị này được tính từ chuỗi xung dòng qua diode. Mặt khác giá trị hiệu dụng I FRMS được đo bằng đồng hồ Sự khác nhau giữa dòng điện đo bằng đồng hồ với dòng tính toán được thể hiện F, đó là tỉ số giữa giá trị hiệu dụng với giá trị trung bình.3 Vì hệ số giá trị F thuộc vào dạng dòng điện nên trong thực tế đối với các dạng tín hiệu thông dụng khi biết F và một trong hai giá trị, có thể tìm được giá trị còn lại một cách dễ dàng (hình 2.4 Hệ số hình dáng các dạng dòng điện quan trọng 1.4 Công suất trên diode khi dẫn điện Công suất rơi trên diode được tính theo công thức 1.5 Ví dụ Một diode công suất có: IFAV = 25A, IFRMS = 48A, U(TO) = 0,75v và rF = 8mΩ được xử dụng trong một mạch chỉnh lưu cầu với tải điện trở có Id = 40A.
Kiểm tra khả năng chịu đựng của diode Cả hai giá trị dòng điện đều nhỏ hơn trị số cho phép, công suất rơi trên diode được tính như sau: 1.6 Điều kiện chuyển mạch và điện áp nghịch Một diode được điều khiển dẫn hay tắt là do cực tính điện áp đặt trên nó, nhưng diode chỉ chuyển sang trạng thái tắt khi dòng qua diode bằng 0 (hình 2.5 Diode như 1 công tắc điều khiển bằng điện áp Trong hình trình bày một công tắc diode lý tưởng đáp ứng được các điều kiện sau: - Công tắc hở khi U < 0v - Công tắc đóng khi U > 0v - Công tắc hở khi IF < 0A Trong quá trình làm việc thường xuất hiện các xung nhiễu làm cho điện áp nghịch tức thời đặt lên diode tăng nhưng không được vượt quá trị số cho phép URRM, trong mạch chỉnh lưu trị số này được chọn với hệ số an toàn từ 1,5. U Nếu ngõ ra mạch chỉnh lưu có dùng tụ lọc thì điện áp nghịch đặt trên diode bằng 2 lần giá trị đỉnh của điện áp xoay chiều ở ngõ vào ∧ URRM » (1,5.7 Phân loại diode công suất Dựa trên lĩnh vực ứng dụng, các diode công suất được chia thành các loại như sau: Æ Diode tiêu chuẩn (tốc độ chậm) dùng cho các yêu cầu thông thường với tần số làm việc từ 50.60Hz Æ Diode công suất lớn với dòng cho phép đến 1,5KA Æ Diode điện áp cao với điện áp nghịch cho phép đến 5KV Æ Diode tốc độ nhanh với thời gian trì hoãn ngắn, có đặc tính động và hiệu suất cao. 9 Æ Các diode cho phép làm việc với xung điện áp nghịch trong một khoảng thời gian ngắn 1.2 Transistor BJT Do đặc tính của vật liệu chế tạo, cho đến nay vẫn còn tồn tại mâu thuẩn giữa hai yêu cầu: Chịu đựng được điện áp cao và dòng tải lớn trong 1 transistor công suất. Transistor công suất được chia làm 3 loại như sau: 1.1 Transistor 3 miền khuếch tán Cấu tạo loại này là 1 transistor NPN được chế tạo dựa trên nền bán dẫn loại N có mật độ tạp chất thấp.
