(NB) Giáo trình Điện tử công suất với mục tiêu giúp các bạn có thể hiểu và trình bày được đặc tính và cấu tạo của các linh kiện điện tử công suất; Phân tích và tính toán được các mạch điều khiển công suất như: chỉnh lưu, biến đổi AC, biến đổi DC và nghịch lưu; Giải được các bài toán cơ bản của mạch: chỉnh lưu, biến đổi AC, biến đổi DC và nghịch lưu.
Bộ chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu không điều khiển
Mạch chỉnh lưu có điều khiển
2.3.1 Các sơ đồ mạch điện
3 Bài 3: Mạch biến đổi điện áp xoay chiều
3.2 Mạch biến đổi điện áp XC 1 pha
3.3 Mạch biến đổi điẹn áp XC 3 pha
4 Bài 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều
4.2.3 Lắp ráp, khảo sát mạch điện
4.3.3 Lắp ráp và khảo sát mạch điện
5.2.1 Mạch nghịch lưu 1 pha điện áp
5.2.2 Mạch nghịch lưu 1 pha dòngđiện
6.2.3 Các thông số kỹ thuật
6.3.3 Các thông số kỹ thuật
Mở đầu: Tổng quan về điện tử công suất Mục tiêu
- Trình bày được các khái niệm cơ bản trong điện tử công suất
- Tính toán được các đại lượng trong điện tử công suất
- Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập
1.1 Giới thiệu chung về điện tử công suất Điện tử công suất là lĩnh vực áp dụng khá rộng trong sản xuất, trong công nghiệp, mà nó dựa trên nền tảng của các môn học mạch điện tử, kỹ thuật xung số… Trong đó đối tượng được điều khiển để truyền năng lượng điện có kiểm soát từ nguồn đến tải Công suất này có trị số từ vài chục watt đến vài gigawatt Yêu cầu quan trọng trong điện tử công suất là hiệu suất và giá trị kinh tế do đó phải sử dụng kỹ thuật giao hoán nhằm giảm thiểu tổn thất trong quá trình chuyển đổi và điều khiển Lĩnh vực áp dụng điện tử công suất được mô tả như hình vẽ
Hình 1.1: Bốn kỹ thuật biến đổi cốt lõi nhất của điện tử công suất
• AC biến đổi thành DC: chỉnh lưu
• DC biến đổi thành DC: biến đổi điện một chiều
• DC biến đổi thành AC: nghịch lưu
• AC biến đổi thành AC: biến đổi điện xoay chiều
Trong công nghiệp, ngoài tải riêng phần lớn mạch điện tử công suất là điều khiển động cơ để thực hiện các yêu cầu của tải
Trong chương này chúng ta khảo sát các nội dung sau
• Các đại lượng đặc trưng về điện: trị trung bình, trị hiệu dụng, công suất…
• Các linh kiện công suất giao hoán có những đặc tính sau
• Các linh kiện công suất giao hoán thông dụng là: Diode, Transistor, Mosfet,SCR, TRIAC, GTO, SCS, IGBT, MCT…
1.2 Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công suất
1.2.1 Diode công suất a Chất bán dẫn
Các chất được phân loại theo khả năng dẫn điện thành hai nhóm chính: chất dẫn điện, có điện trở suất thấp, và chất không dẫn điện, hay còn gọi là chất cách điện hoặc chất điện môi, với điện trở suất cao.
Chất bán dẫn là một loại chất trung gian có điện trở suất thay đổi đáng kể trong một khoảng nhiệt độ rộng Chúng dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao nhưng lại dẫn điện kém hoặc không dẫn điện ở nhiệt độ thấp, theo quy luật hàm mũ.
Hình 1.2 Các nguyên tố bán dẫn
Trong bảng tuần hoàn Mendeleev, các nguyên tố bán dẫn như Germanium (Ge) và Silicon (Si) nằm ở vị trí trung gian giữa kim loại và á kim Các nguyên tố này thuộc phân nhóm IV, với lớp ngoài cùng chứa 4 electron, cho phép chúng liên kết đồng hoá trị và hình thành một mạng bền vững.
Khi tâm không thuần khiết xuất hiện trong bán dẫn, như nguyên tử lạ, nguyên tử thừa không liên kết, hoặc các khuyết tật trong mạng tinh thể, trường điện tuần hoàn của tinh thể sẽ bị biến đổi Sự hiện diện của các khuyết tật này, bao gồm nút chân không, nguyên tử hay ion giữa các nút mạng, cũng như sự phá vỡ và rạn vỡ của tinh thể, sẽ ảnh hưởng đến chuyển động của các điện tử và làm thay đổi tính dẫn điện của bán dẫn.
Khi trộn một lượng nhỏ indium (In) vào germanium (Ge), nguyên tử In, với ba điện tử ở lớp ngoài cùng, sẽ thiếu một điện tử để tạo thành cặp điện tử đồng hoá trị Do đó, nguyên tử In có khả năng lấy một điện tử từ nguyên tử Ge lân cận, tạo ra một lỗ trống dương Lỗ trống này có thể tiếp tục thu hút một điện tử từ nguyên tử Ge khác, dẫn đến việc hình thành lỗ trống mới Quá trình này liên tục diễn ra, khiến bán dẫn Ge trở thành bán dẫn lỗ trống, hay còn gọi là bán dẫn dương (bán dẫn loại P).
Nếu trộn một ít đơn chất thuộc phân nhóm V như As vào Ge, lớp điện tử ngoài cùng của As với 5 điện tử sẽ tạo ra 4 cặp điện tử.
Trong cấu trúc điện tử của nguyên tử As, có 9 điện tử đồng hoá trị và 4 nguyên tử Ge xung quanh, dẫn đến việc As thừa ra 1 điện tử Điện tử này có khả năng dễ dàng thoát ra khỏi nguyên tử As, trở thành điện tử tự do, tạo điều kiện cho tính chất bán dẫn của vật liệu.
Ge trở thành bán dẫn điện tử hay bán dẫn âm (bán dẫn loại N – Negative)
Khi nhiệt độ của chất bán dẫn tăng hoặc khi chất này bị chiếu sáng mạnh, chuyển động của các phần tử mang điện trong nó sẽ gia tăng, dẫn đến khả năng dẫn điện của chất bán dẫn cải thiện.
Hình 1.3: Sự tạo ra các bán dẫn P(b) và N(c)
Các chất bán dẫn bao gồm các đơn chất như Bo (B), Carbon (C), Silicon (Si), Germanium (Ge), lưu huỳnh (S), và selenium (Se) Ngoài ra, chúng còn có các hợp chất như kẽm sulfide (ZnS), cadmium antimonide (CdSb), và nhôm antimonide (AlSb) Các oxit bán dẫn như nhôm oxit (Al2O3), đồng(I) oxit (Cu2O), kẽm oxit (ZnO), và silicon dioxide (SiO2) cũng nằm trong danh sách này, cùng với các sulfua như kẽm sulfide (ZnS) và cadmium sulfide (CdS).
Hiện nay, chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và đời sống Đặc biệt, tính dẫn điện một chiều của lớp tiếp xúc P-N là một yếu tố then chốt giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện tử.
Khi ghép 2 loại bán dẫn P và N lại với nhau (Hình 1.4) thì tại chỗ hai mặt ghép giáp nhau sẽ hình thành một lớp tiếp xúc P-N (ký hiệu là: J - Junction)
Quá trình ghép nối giữa bán dẫn N và P diễn ra khi các điện tử âm tự do từ bán dẫn N di chuyển sang bán dẫn P, nơi chúng tái hợp với các lỗ trống và trở nên trung hòa điện Kết quả là, bán dẫn P mất đi lỗ trống và trở thành mang điện âm.
Khi N bị mất điện tử, nó trở thành mang điện dương, dẫn đến sự hình thành của điện trường E0 tại lớp tiếp xúc P-N, hướng từ N sang P Điện trường này đóng vai trò như một rào cản, ngăn không cho lỗ trống từ P di chuyển sang N và điện tử từ N chuyển sang P.
Khi kết nối một mạch P-N với nguồn điện một chiều để tạo ra sự phân cực thuận, cực dương của nguồn sẽ được nối với bán dẫn P, trong khi cực âm sẽ nối với bán dẫn N Điều này tạo ra một điện trường bên ngoài, hướng từ bán dẫn P sang bán dẫn N.
N, mạnh hơn E0 và ngược hướng E0 Điện trường này giúp lỗ trống dương tiếp tục từ P sang N và điện tử tiếp tục từ N sang P tạo ra dòng điện thuận Ith qua lớp tiếp xúc P-N
