(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.
Tổng quan về điện tử công suất
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 thành hai loại dựa trên khả năng dẫn điện: chất dẫn điện với điện trở suất thấp và chất không dẫn điện, hay còn gọi là chất cách điện hoặc chất điện môi, có điện trở suất cao.
Chất bán dẫn là một loại vật liệu có điện trở suất thay đổi trong một khoảng rộng, giảm mạnh khi nhiệt độ tăng theo quy luật hàm mũ Điều này có nghĩa là chất bán dẫn dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao nhưng lại dẫn điện kém hoặc không dẫn điện ở nhiệt độ thấp.
Hình 1.2 Các nguyên tố bán dẫn
Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố, các nguyên tố bán dẫn như Germanium (Ge) và Silicon (Si) nằm ở vị trí trung gian giữa kim loại và á kim Chúng thuộc phân nhóm IV, với lớp ngoài cùng chứa 4 electron, tạo ra liên kết đồng hóa trị và hình thành một mạng lưới bền vững.
Khi bán dẫn chứa các tạp chất hoặc khuyết tật như nguyên tử lạ, nguyên tử thừa không liên kết, hoặc sự phá vỡ tinh thể, trường điện tuần hoàn của tinh thể sẽ bị biến đổi Điều này ảnh hưởng đến chuyển động của các điện tử và dẫn đến sự thay đổi trong tính dẫn điện của bán dẫn.
Khi trộn một ít nguyên tố thuộc phân nhóm III như In vào Ge, nguyên tử In sẽ thiếu một điện tử để tạo cặp điện tử đồng hoá trị Do đó, In có thể lấy một điện tử từ nguyên tử Ge lân cận, tạo ra một lỗ trống dương Lỗ trống này có khả năng lấy một điện tử từ nguyên tử Ge khác để trung hoà, 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 bán dẫn dương (bán dẫn loại P – Positive).
Nếu thêm một lượng nhỏ As, một nguyên tố thuộc phân nhóm V, vào Ge, lớp điện tử ngoài cùng của As với 5 electron sẽ tạo ra 4 cặp electron, ảnh hưởng đến tính chất điện của hợp chất.
Trong cấu trúc của nguyên tử As, có 9 điện tử đồng hóa trị xung quanh 4 nguyên tử Ge, dẫn đến việc As thừa ra 1 điện tử Điện tử này có khả năng rời khỏi nguyên tử As một cách dễ dàng và trở thành điện tử tự do, tạo nên tính chất của bán dẫn.
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 chúng bị chiếu sáng mạnh, chuyển động của các phần tử mang điện trong chất bán dẫn sẽ gia tăng, dẫn đến khả năng dẫn điện của chất bán dẫn được cải thiện.
Hình 1.3: Sự tạo ra các bán dẫn P(b) và N(c)
Các chất bán dẫn có thể bao gồm các đơn chất như Bo (B), Carbon (C), Silicon (Si), Germanium (Ge), Lưu huỳnh (S), và Selenium (Se) Ngoài ra, chúng cũng có thể là các hợp chất như ZnS, CdSb, và AlSb, cũng như các oxit như Al2O3, Cu2O, ZnO, và SiO2 Các sulfua như ZnS và CdS cũng thuộc nhóm chất bán dẫn này.
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 trong việc phát triển các thiết bị điện tử hiện đại.
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, tái hợp với lỗ trống và trở nên trung hoà điện Hệ quả là bán dẫn P mất lỗ trống, dẫn đến việc trở thành mang điện âm.
Khi electron bị mất, chúng trở thành mang điện dương, dẫn đến sự hình thành một điện trường E0 tại lớp tiếp xúc P-N, hướng từ N sang P Điện trường này hoạt động như một rào cản, ngăn cản lỗ trống từ P di chuyển sang N và electron từ N di chuyển sang P.
Khi kết nối một mạch P-N với nguồn điện một chiều theo hướng phân cực thuận, tức là cực dương của nguồn được nối với bán dẫn P và cực âm với bán dẫn N, sẽ tạo ra một điện trường ngoài hướng từ P sang 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
Khi nối P-N để tạo ra phân cực ngược, tức là kết nối cực dương của nguồn với bán dẫn N và cực âm của nguồn với bán dẫn P, thì điện trường sẽ hình thành.
Mạch biến đổi AC/DC
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
2.2 Mạch biến đổi điện áp XC 1 pha
2.3 Mạch biến đổi điẹn áp XC 3 pha
4 Bài 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều
2.2.3 Lắp ráp, khảo sát mạch điện
2.3.3 Lắp ráp và khảo sát mạch điện
2.2.1 Mạch nghịch lưu 1 pha điện áp
2.2.2 Mạch nghịch lưu 1 pha dòngđiện
2.2.3 Các thông số kỹ thuật
2.3.3 Các thông số kỹ thuậ
Bài 1 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 loại chính: chất dẫn điện, có điện trở suất thấp, và chất không dẫn điện, có điện trở suất cao Chất không dẫn điện còn được gọi là chất cách điện hoặc chất điện môi.
Chất bán dẫn là một loại chất trung gian có điện trở suất thay đổi rộng rãi, giảm mạnh khi nhiệt độ tăng theo quy luật hàm mũ Chất này có khả năng dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao, trong khi ở nhiệt độ thấp, khả năng dẫn điện kém hoặc không dẫn điện.
Hình 1.2 Các nguyên tố bán dẫn
Trong bảng tuần hoàn của Mendeleev, các nguyên tố bán dẫn như Germanium (Ge) và Silicon (Si) nằm ở vị trí trung gian giữa kim loại và á kim Chúng thuộc phân nhóm IV, với lớp ngoài cùng có 4 electron, tạo ra các liên kết đồng hóa trị và hình thành một mạng lưới bền vững.
Khi tâm không thuần khiết xuất hiện trong bán dẫn, như nguyên tử lạ hay khuyết tật trong mạng tinh thể, trường điện tuần hoàn của tinh thể sẽ bị biến đổi, ảnh hưởng đến chuyển động của các điện tử và làm thay đổi tính dẫn điện của bán dẫn.
Khi trộn một lượng nhỏ nguyên tố thuộc phân nhóm III như Indium (In) vào Germanium (Ge), nguyên tử In với ba điện tử ở lớp ngoài cùng sẽ thiếu một điện tử để tạo cặp đồng hóa trị Do đó, 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 lấy điện tử từ nguyên tử Ge khác, dẫn đến sự hình thành các lỗ trống mới Quá trình này diễn ra liên tục, biến Ge thành bán dẫn lỗ trống hay còn gọi là bán dẫn dương (bán dẫn loại P).
Nếu trộn một ít nguyên tố 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 electron.
Trong cấu trúc của nguyên tử As, có 9 điện tử đồng hóa trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh, dẫn đến việc As thừa ra 1 điện tử Điện tử thừa này dễ dàng thoát ra khỏi nguyên tử As và trở thành điện tử tự do, tạo điều kiện cho tính chất bán dẫn.
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 chúng tiếp xúc với ánh sáng mạnh, chuyển động của các hạt mang điện trong chất bán dẫn sẽ gia tăng, dẫn đến khả năng dẫn điện của chúng được cải thiện.
Hình 1.3: Sự tạo ra các bán dẫn P(b) và N(c)
Các chất bán dẫn có thể bao gồm các nguyên tố đơn chất như B, C, Si, Ge, S, Se, cũng như các hợp chất như ZnS, CdSb, AlSb Ngoài ra, chúng còn có thể là các oxit như Al2O3, Cu2O, ZnO, SiO2 và các sulfua như ZnS, 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 và ứng dụng 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 bắt đầu 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, trong khi bán dẫn N cung cấp các điện tử cần thiết cho quá trình này.
Khi nửa dẫn điện N mất điện tử, nó trở thành mang điện dương, tạo ra một điện trường E0 tại lớp tiếp xúc P-N, hướng từ N sang P Điện trường này hoạt động như một rào cản, ngăn chặn sự di chuyển của lỗ trống từ P sang N và điện tử từ N sang P.
Khi kết nối P-N với nguồn điện một chiều để tạo phân cực thuận, cực dương của nguồn sẽ nối với bán dẫn P, trong khi cực âm sẽ nối với bán dẫn N Điều này tạo ra một điện trường từ P sang N nhờ vào nguồn điện bên ngoài.
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
