Giáo trình Điện tử công suất: Các phần tử bán dẫn, chỉnh lưu, biến đổi xung áp - Võ Minh Chính

• Tác giả: Võ Minh Chính
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Quốc Khánh
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Điện tử công suất
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình điện tử công suất Võ Minh Chính

Giáo trình điện tử công suất Võ Minh Chính là tài liệu giảng dạy chuyên ngành do TS. Võ Minh Chính chủ biên, được xuất bản bởi Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. Cuốn sách được biên soạn bởi tập thể cán bộ giảng dạy bộ môn Tự động hóa, khoa Điện, trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Nội dung giáo trình gồm 7 chương và phần phụ lục, bao quát toàn bộ kiến thức nền tảng về điện tử công suất. Các phần tử bán dẫn công suất hiện chiếm hơn 30% thiết bị trong xí nghiệp công nghiệp hiện đại. Giáo trình trình bày đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn như tiristo, GTO, BJT, MOSFET, IGBT. Bên cạnh đó, sách cung cấp kiến thức về mạch chỉnh lưu, nghịch lưu và các ứng dụng thực tiễn. Tài liệu hướng đến sinh viên ngành tự động hóa và kỹ thuật điện, cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc.

1.1. Thông tin tác giả và xuất bản

Giáo trình điện tử công suất do TS. Võ Minh Chính giữ vai trò chủ biên và trực tiếp soạn thảo các chương 3, 4, 5, 6. Phạm Quốc Hải phụ trách biên soạn chương 2 và chương 7. Trần Minh soạn chương 1 và phần phụ lục. Cuốn sách được Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật phát hành tại Hà Nội. Quá trình biên soạn dựa trên nhiều năm giảng dạy thực tế tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Bản thảo được hiệu đính bởi TS. Bùi Quốc Khánh và TS. Nguyễn Văn Liên.

1.2. Vai trò của điện tử công suất trong công nghiệp

Điện tử công suất đóng vai trò then chốt trong nền công nghiệp hiện đại. Thiết bị điện tử công suất chiếm tỷ trọng lớn trong hệ thống thiết bị của các xí nghiệp. Công nghệ này thay thế các phần tử động có tiếp điểm bằng phần tử tĩnh không tiếp điểm, kích thước nhỏ gọn hơn. Điện tử công suất giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp trong lĩnh vực tự động hóa. Ứng dụng mở rộng từ hệ thống truyền động điện đến nguồn cấp công nghiệp. Giáo trình cung cấp nền tảng để hiểu và vận hành các thiết bị này.

II. Phân tích nội dung chính của giáo trình điện tử công suất

Giáo trình điện tử công suất Võ Minh Chính được cấu trúc thành 7 chương logic, mỗi chương tập trung vào một khía cạnh cụ thể. Chương 1 trình bày đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất bao gồm tiristo, GTO, BJT, MOSFET và IGBT. Chương 2 đi sâu vào mạch chỉnh lưu với các cấu hình khác nhau như chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu điều khiển bằng tiristo. Chương 3 và 4 tập trung vào nghịch lưu áp và nghịch lưu dòng. Chương 5 và 6 đề cập đến biến tần và các vấn đề nâng cao. Chương 7 tổng hợp kiến thức và ứng dụng thực tiễn. Mỗi chương đều có phần lý thuyết chi tiết kèm theo phân tích toán học. Nội dung được trình bày từ cơ bản đến nâng cao, phù hợp với chương trình đào tạo đại học. Giáo trình cũng giới thiệu các phương pháp điều chế để giảm sóng hài bậc cao.

2.1. Nội dung về phần tử bán dẫn công suất

Chương 1 giới thiệu đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất chủ yếu. Tiristo khóa được bằng cực điều khiển GTO là phần tử quan trọng được phân tích kỹ. Tranzito công suất BJT và tranzito trường MOSFET được trình bày với nguyên lý hoạt động riêng biệt. Giáo trình đặc biệt chú trọng phần tử IGBT có cực điều khiển cách ly. Mỗi loại phần tử đều có ưu nhược điểm riêng trong ứng dụng thực tế. Sách còn đề cập đến tổn hao công suất và vấn đề làm mát van bán dẫn.

2.2. Nội dung về mạch chỉnh lưu và nghịch lưu

Phần mạch chỉnh lưu trình bày các cấu hình cơ bản và nâng cao. Giáo trình phân tích chỉnh lưu với tải có tính điện cảm và tải có sức điện động. Mạch nghịch lưu dòng và nghịch lưu áp được giải thích chi tiết. Nghịch lưu dòng tiêu thụ công suất phản kháng và phát ra công suất tác dụng. Nghịch lưu áp biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều ba pha. Phương pháp điều chế PWM được giới thiệu để cải thiện chất lượng điện áp ra.

III. Phương pháp học tập hiệu quả với giáo trình điện tử công suất

Để học tập hiệu quả với giáo trình điện tử công suất Võ Minh Chính, cần có phương pháp tiếp cận khoa học. Trước tiên, học viên nên nắm vững kiến thức nền tảng về mạch điện và điện tử cơ bản. Đọc tuần tự từ chương 1 đến chương cuối để xây dựng kiến thức có hệ thống. Tập trung hiểu nguyên lý hoạt động của từng phần tử bán dẫn công suất. Thực hành vẽ và phân tích các mạch chỉnh lưu, nghịch lưu trên giấy trước khi mô phỏng. Giáo trình nhấn mạnh lý thuyết nên học viên cần tìm thêm tài liệu thực hành. Cuốn Phân tích và giải mạch điện tử công suất của Phạm Quốc Hải và Dương Văn Nghĩa là tài liệu bổ sung hữu ích. Ghi chú các công thức quan trọng và mối liên hệ giữa các đại lượng. Thảo luận nhóm giúp hiểu sâu hơn các khái niệm phức tạp.

3.1. Kết hợp lý thuyết với thực hành mô phỏng

Giáo trình chủ yếu tập trung vào lý thuyết nên việc kết hợp thực hành rất quan trọng. Sử dụng phần mềm mô phỏng như MATLAB/Simulink để xây dựng các mạch điện tử công suất. Thực hành mô phỏng giúp hình dung rõ ràng quá trình chuyển mạch của các van bán dẫn. Người học có thể quan sát dạng sóng điện áp và dòng điện tại các nút mạch. Việc mô phỏng giúp kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết. Thực hành thường xuyên xây dựng kỹ năng phân tích và thiết kế mạch thực tế.

3.2. Xây dựng nền tảng kiến thức liên môn

Học điện tử công suất đòi hỏi kiến thức liên môn vững chắc. Cần nắm vững lý thuyết mạch điện một chiều và xoay chiều. Kiến thức về máy biến áp, điện tử Analog là điều kiện tiên quyết. Hiểu biết về kỹ thuật số hỗ trợ trong phần mạch điều khiển. Kiến thức vật lý bán dẫn giúp hiểu nguyên lý hoạt động của các phần tử. Chương trình đào tạo tự động hóa cung cấp nền tảng đa ngành này. Xây dựng liên kết giữa các môn học giúp tiếp thu giáo trình hiệu quả hơn.

IV. Ứng dụng và tầm quan trọng của giáo trình trong đào tạo

Giáo trình điện tử công suất Võ Minh Chính đóng vai trò thiết yếu trong đào tạo kỹ sư tự động hóa. Nội dung sách đáp ứng yêu cầu của môn học điện tử công suất trong chương trình đại học. Kiến thức từ giáo trình được ứng dụng rộng rãi trong truyền động điện công nghiệp. Các bộ biến tần hiện đại sử dụng nguyên lý nghịch lưu áp với công suất lớn. Công nghệ IGBT và GTO ngày càng phát triển, mở rộng khả năng ứng dụng. Giáo trình cung cấp nền tảng để hiểu các hệ thống nguồn cấp không gián đoạn UPS. Sinh viên tốt nghiệp có thể thiết kế và vận hành hệ thống điện tử công suất. Tài liệu cũng phục vụ nhu cầu nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới. Tầm quan trọng của giáo trình tăng lên khi công nghiệp hóa diễn ra mạnh mẽ.

4.1. Ứng dụng trong truyền động điện công nghiệp

Truyền động điện công nghiệp là ứng dụng quan trọng nhất của điện tử công suất. Giáo trình trình bày nguyên lý biến tần điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều. Bộ chỉnh lưu điều khiển dùng tiristo điều khiển động cơ điện một chiều. Hệ thống hãm tái sinh thu hồi năng lượng khi động cơ giảm tốc. Công suất của các van động lực IGBT, GTO ngày càng lớn và gọn nhẹ. Giáo trình cung cấp kiến thức để hiểu và vận hành các hệ thống truyền động phức tạp. Ứng dụng trải rộng từ nhà máy sản xuất đến hệ thống giao thông.

4.2. Phát triển công nghệ và xu hướng tương lai

Trích đoạn nội dung tài liệu

Thu Vien DHKTCN- TT MTK06004034 —_ j _ NHA XUẤT BAN KHOA HOC VA KY THUAT VO MINH CHINH (Chi bién) PHAM QUOC HAI - TRAN TRONG MINH EBOOKBKMT.COM NHÀ XUAT BAN KHOA HOC VA KY THUAT HA NO! EBOOKBKMT.COM Tài liệu kỳ thuật miễn phí LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay các thiết bị điện tử công suất chiếm hơn 30% trong số các thiết bị của một xí nghiệp công nghiệp hiện đại. Việc thay thế các phần tử động có tiếp điểm và kích thước lớn bằng các phần tử tĩnh không có tiếp điểm, kích thước nhỏ, công suất lớn là nhiệm vụ không thể thay thế được của Điện tử công suất. Điện tử công suất góp phần giải quyết những bài toán kỹ thuật phúc tạp trong l nh vực tự động hoá cũng như trong đời sống hàng ngày. Môn học “Điện tử công suất” là một trong những môn chủ yếu để đào tạo sinh viên ngành tự động hoá nói riêng và sinh viên ngành kỹ thuật điện nói chung. Cuốn sách này do tập thể cán bộ giảng dạy của bộ môn Tự động hoá, khoa Điện trường Đại học Bách khoa Hà Nội biên soạn dựa trên các bài giảng mà các tác giả đã giảng dạy tại trường từ nhiều năm qua. Cuốn sách gồm 7 chương và phần phụ lục, được phân công biên soạn như sau: | TS. Võ Minh Chính chủ biên và soạn các chương 3, 4, 5, 6; Phạm Quốc Hải soạn chương 2 và 7; Trần Trọng Minh soạn chương Ì và phụ lục. Nội dung cuốn sách chủ yếu dành cho các vấn đề lý thuyết, với các bạn đọc quan tâm tới khía cạnh thực hành có thể tìm đọc cuốn “Phân tích và giải mạch điện tử công suất ” của Phạm Quốc Hải và Dương Văn Nghĩ ” Các tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Quốc Khánh, TS. Nguyễn Văn Lién đã hiệu đính bản thảo cuốn sách này. Các tác giả cũng chân thành cảm ơn nhóm giáo viên trẻ của bộ môn Tự động hoá đã góp nhiều công sức trong quá trình soạn thảo. Mặc dù đã dành nhiều cố gắng, song không tránh khỏi có những thiểu sót nhất định. Chúng tôi mong muốn và hoan nghênh mọi ý kiến đóng góp của bạn đọc. Ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Tự động hoá xí nghiệp công nghiệp, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, C9 - 104 hoặc Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo Hà Nội.COM Tài liệu kỳ thuật miễn phí MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương ] CAC PHAN TU BAN DAN CONG SUAT CG BAN 1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất 1. Tiristo khoá được bằng cực điều khiển GTO 23 1. Tranzito công suất BỊJT 26 1. Tranzito trường MOSFET 33 1. Tranzito có cực điều khiển cách ly IGBT 40 1. So sánh tương đối các phần tử bán dẫn công suất 50 1. Tổn hao công suất trên các phần tử bán dẫn công suất 51 1. Mạch trợ giúp van 58 1. Vấn đề làm mát van bán dẫn 66 Chương 2 CHỈNH LƯU 70 2. Giới thiệu chung 70 2. Các mạch chính lưu cơ bản 74 2. Biến áp nguồn cho mạch chỉnh lưu 82 2. Chỉnh lưu điều khiển dùng tiristo 85 2. Chính lưu với tải một chiều có tính điện cảm L, 95 2. Quá trình chuyển mạch van và ảnh hưởng của điện cảm xoay chiều L a 103 2. Chinh lưu với tải có sức điện động ÈE„ 111 2. Sóng hài điện áp chỉnh lưu và hệ số đập mạch [15 2. Bộ lọc một chiều 117 2. Chỉnh lưu bán điều khiển và chỉnh lưu có đit đệm 120 2. Đấu ghép các mạch chính lưu với nhau và chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng 126 2. Chế độ nghịch lưu phụ thuộc trong thiết bị chỉnh lưu 131 2. Dac tinh ngoài của bộ chinh lưu 135 2. Bộ chỉnh lưu đảo chiều 136 - Chương3 BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP 14] 3. Cấu trúc và phân loại các bộ biến đổi xung áp một chiều 14] 3. Bộ biến đổi xung áp một chiều không đảo chiều có điện áp ra thấp hơn điện áp vào 146 3. Phương pháp tính toán bộ biến đồi xung áp 150 3. Bộ biến đổi xung áp một nhịp làm việc với phụ tải là động cơ 155 3. Bộ biến đổi xung áp hai nhịp với điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào 160 _3. Bộ biến đổi xung áp song song có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào 166 3. Bộ biến đối xung áp một chiều có điện áp ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào 170 3. Bộ biến đổi xung áp một chiều có đảo chiều 173 3. Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều một pha 176 3. Bộ điều chỉnh äung áp xoay chiều ba pha 179 3. Bộ biến đổi xung áp xoay chiều chuyền mạch cưỡng bức 185 Chương 4 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẤN 188 4. Phân loại nghịch lưu 188 4. Nghịch lưu dòng một pha 188 4. Nghịch lưu dòng ba pha 197 4. Nghịch lưu áp một pha 199 4.5, Nghịch lưu áp ba pha 203 4. Nghịch lưu cộng hướng song song 206 4. Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp 208 4. Biến tần 212 Chương 5 ĐIỀU CHỈNH VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP CUA BO BIEN DOI 219 3. Điều chính và ổn định điện áp của nghịch lưu dòng 220 3. Điều chính bằng cách cộng điện áp 221 3. Cải thiện chất lượng điện áp của nghịch lưu áp bằng cách tăng số lần chuyển mạch 225 3. Phương pháp điều chế kinh điển (PWMI) 230 3. Phương pháp điều chế PWM trong nghịch lưu ba pha 232 5. Phương pháp điều chế vectơ chuyển mạch (PWM2) 240 Chương 6 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI 249 6. Khái quát và phân loại 249 6. Một số mạch thông dụng trong hệ thống điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc 255 6. Một số mạch điều khiển chính lưu thông dụng 272 6. Mạch điều khiển số 277 6. Cấu trúc của hệ thống điều khiển nghịch lưu 283 6. Các phần tử thường dùng trong mạch nghịch lưu 284 6. Một số mạch điều khiển nghịch lưu đơn giản 290 Chương 7 MO PHONG MACH DIEN TU CONG SUAT 298 7.1, Mô hình hoá và mô phỏng 298 7. Mô phòng đùng phần mềm trên máy tính 301 7. Một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử công suất 308 7. Mô phỏng mạch điện tử bằng PSPICE 313 7. Mô phỏng một số mạch điện tử công suất bằng PSPICE 330 7. Mô phỏng mạch điện tử công suất bằng MATLAB / SUMULINK 352 PHỤ LỤC 361 Phụ lục ï. Các ký hiệu 361 Phụ lục 2. Bảng tra cứu các phần tử điện tử công suất 364 — AI, Một số đạng vỏ van bán đẫn công suất 364 A2. Một số dang tan nhiệt dùng cho van bán dẫn công suất 366 B. Một số phần tử bán dẫn công suất 366 TÀI LIỆU THAM KHẢO 389 Chuong 7 CAC PHAN TU BAN DAN CONG SUAT CO BAN 1. ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CUA CAC PHAN TU BAN DAN CONG SUAT Các phần từ bán dẫn công suất được sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đối như các khoá điện tử, gọi là các van bán dẫn; khi mở dân dòng thì nối tải vào nguồn, khi khoá thì ngất tải ra khỏi nguồn, không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp điểm, khi các van bán dẫn thực hiện đóng cát dòng điện không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian. Tuy có thê đóng cất các đồng điện lớn nhưng các van bán dẫn lại được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ, Quy luật nổi tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ bộ biến đổi và phụ thuộc cách thức điều khiến các van trong bộ biến đổi. Như vậy hiệu suất của các bộ biến đổi phụ thuộc trước hết vào tổn thất trên các van bán dẫn, trong quá trình làm việc tồn thất này bằng tích của đồng điện chạy qua van với điện áp rơi trên van. Công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn ngày nay đã đạt được những bước tiến bộ vượt bậc, với việc cho ra đời những phần tử kích thước ngày càng nhỏ gọn, khả năng đóng cat dòng điện và chịu điện áp cao ngày càng lớn với tồn hao công suất giảm đáng kế, ngày càng đáp ứng những yêu cầu phúc tạp của các quy luật biến đổi năng lượng trong các bộ biến đổi. Sự phát triển của các phần tử bán dẫn có vai trò quyết định cho sự phái triển của Điện tứ công suất, góp phần tạo ra nhiều chúng loại bộ biến đổi với những ứng dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp và trong cuộc sống, Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các đặc tính cơ bản của các phần tử bán dân là điều vô cùng quan trọng để có thể sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của các phần tử bán dẫn trong các ứng dụng cụ thể. Tính năng kỹ thuật chủ yếu của các phần tử bán dẫn công suất thể hiện qua khả năng đóng cất dòng điện, khả năng chịu điện áp và các đặc tính liên quan đến quá trình đóng cắt cũng như vấn dé điều khiển chúng. Trước hết ta cần thấy rằng các phần tử bán đẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung, đó là: e Céc van ban dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất lớn. Nhờ đó tổn hao công suất trong quá trình làm việc bằng tích của dòng điện chạy qua với điện áp rơi trên phần tử sẽ có giá trị rất nhỏ. e Các van bán dẫn chỉ dân dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực thuận. Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược, dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò. Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn được phân loại thành: e Van không điều khiển, như điôt, e© Van có điều khiển, trong đó lại phân ra: - Điều khiển không hoàn toàn, như tiritStO, triac, - Điều khiển hoàn toàn, như bipolar tranzito, MOSFET, IGBT, GTO. ĐIÔT Điôt là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p—ø. Điôt có hai cực, anôt A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p, catôt K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu ø. Dòng điện chỉ chạy qua điôt theo chiều từ A đến K khi điện áp „¿ dương.qua điôt gần như bằng °) không. Cấu tạo và ký hiệu của điôt biểu Hình 1. Điôt: diễn trên hình 1. a) Cấu tạo; b) Ký hiệu 1. Cấu tạo của điôt Tiếp giáp bán dẫn p- là bộ phận cơ bản trong cấu tạo của một điôt.