Linh kiện bán dẫn công suất

Phần này của Chương I tập trung vào việc phân loại các linh kiện bán dẫn công suất dựa trên khả năng điều khiển của chúng. Tất cả các linh kiện này đều có hai chức năng cơ bản: đóng và ngắt dòng điện. Tuy nhiên, khả năng điều khiển việc đóng/ngắt này khác nhau, dẫn đến việc chia thành ba nhóm chính. Nhóm 1 bao gồm các linh kiện không điều khiển, ví dụ như diode và diac. Nhóm 2 là các linh kiện điều khiển hoàn toàn, với BJT là ví dụ điển hình. Đặc điểm của BJT là tín hiệu dòng IB liên tục, điện áp áp thuận UCE > 0, có thể khóa điện áp từ 10 đến 100V và điều khiển dòng điện từ vài chục đến vài trăm ampe. Nhóm 3 bao gồm các linh kiện bán dẫn khác có khả năng điều khiển, chẳng hạn như MOSFET và IGBT, mỗi loại có những đặc điểm riêng. Việc phân loại này rất quan trọng để lựa chọn linh kiện phù hợp cho các ứng dụng cụ thể trong điện tử công suất, tùy thuộc vào yêu cầu về khả năng điều khiển và thông số kỹ thuật.

Tiếp theo, chương trình trình bày chi tiết về đặc tính hoạt động của transistor, tập trung vào các vùng hoạt động trên đặc tuyến ngõ ra. Ba vùng chính được phân biệt: vùng nghịch, vùng bảo hòa và vùng tích cực. Trong vùng nghịch (IB = 0), transistor ở chế độ ngắt, dòng iCO nhỏ chảy qua transistor và tải. Khi UBE < 0, độ lớn dòng iCO thay đổi. Vùng bảo hòa là trạng thái transistor đóng, dòng iC dẫn và điện thế UCE đạt giá trị UCESAT nhỏ (khoảng 1-2V). Điện thế UCESAT được gọi là điện thế bảo hòa. Sự hiểu biết rõ ràng về các vùng hoạt động này là rất cần thiết cho việc thiết kế và vận hành các mạch điện tử sử dụng transistor. Việc lựa chọn điểm hoạt động trong mỗi vùng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chức năng của toàn bộ mạch.

Phần này mô tả ngắn gọn về MOSFET và IGBT, hai loại linh kiện bán dẫn công suất quan trọng. MOSFET được đặc trưng bởi trạng thái ngắt khi điện áp cổng thấp hơn giá trị UGS. IGBT kết hợp những ưu điểm của cả BJT và MOSFET, cho phép khóa điện áp cao (lên đến 1200V) và điều khiển dòng điện lớn. Thông tin chi tiết về các đặc tính của MOSFET và IGBT không được cung cấp đầy đủ ở đây nhưng đủ để khẳng định vai trò quan trọng của chúng trong các ứng dụng điện tử công suất hiện đại. Sự lựa chọn giữa MOSFET, IGBT và các loại linh kiện khác phụ thuộc vào các yếu tố như điện áp, dòng điện, tốc độ chuyển mạch và chi phí, mỗi loại đều có những ứng dụng thích hợp nhất.

Một số thông số quan trọng của Thyristor được giới thiệu, bao gồm UBR (điện áp ngược đánh thủng), UBO (điện áp tự mở), UTO (điện áp rơi trên Thyristor), và IH (dòng duy trì). Phần này cũng đề cập đến phân tích mạch chỉnh lưu, cả chỉnh lưu không điều khiển 3 pha và mạch chỉnh lưu 3 pha hình cầu có điều khiển. Đối với mạch chỉnh lưu không điều khiển 3 pha, điện áp chỉnh lưu có 3 xung, chu kỳ Tp = T/3 (T là chu kỳ nguồn xoay chiều). Trong mạch chỉnh lưu 3 pha hình cầu có điều khiển, được phân tích các trường hợp khác nhau phụ thuộc vào góc điều khiển α. Những phân tích này cho thấy sự phức tạp của việc thiết kế và điều khiển các mạch chỉnh lưu, cần tính toán kỹ các thông số để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

Chương 3 bắt đầu bằng việc giới thiệu chức năng chính của bộ biến đổi điện áp một chiều: điều khiển trị trung bình điện áp một chiều đầu ra từ một nguồn điện áp một chiều không đổi. Điều này có nghĩa là bộ biến đổi có khả năng điều chỉnh điện áp một chiều đầu ra, cho phép kiểm soát mức điện áp cung cấp cho tải. Việc điều khiển này rất quan trọng trong nhiều ứng dụng, giúp tối ưu hóa hoạt động của các thiết bị điện. Chức năng này được thực hiện thông qua việc sử dụng các công tắc điện tử và linh kiện bán dẫn để điều khiển dòng điện. Các phương pháp điều khiển khác nhau sẽ được trình bày chi tiết hơn trong các phần sau của chương này, cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra một cách chính xác và hiệu quả. Ứng dụng của bộ biến đổi điện áp một chiều rất đa dạng, bao gồm cả trong các hệ thống truyền động điện và nhiều lĩnh vực khác.

Một phần quan trọng của chương trình trình bày về hai loại bộ biến đổi điện áp một chiều cơ bản: bộ giảm áp và bộ tăng áp. Bộ giảm áp được mô tả như một cấu trúc đơn giản, bao gồm một nguồn điện áp một chiều không đổi mắc nối tiếp với tải thông qua một công tắc S. Tải được mô hình hóa bao gồm điện trở R, cuộn cảm L và sức điện động E (thường là động cơ điện một chiều). Một diode được mắc song song với tải để bảo vệ mạch. Trong khi đó, bộ tăng áp thường được sử dụng trong các ứng dụng cần tăng điện áp một chiều đầu ra. Sự khác biệt cơ bản giữa hai loại này nằm ở cách thức kết nối các thành phần và điều khiển công tắc để đạt được mục tiêu giảm hoặc tăng điện áp. Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, người ta sẽ lựa chọn bộ giảm áp hay bộ tăng áp phù hợp.

Chương trình đi sâu vào phân tích hoạt động của bộ biến đổi điện áp một chiều, bao gồm cả quá trình đóng và ngắt công tắc. Thời gian đóng (T1) và thời gian ngắt (T2) của công tắc S được xem xét, ảnh hưởng đến điện áp đầu ra. Sự tồn tại của cuộn cảm L trong mạch tải làm cho dòng điện không bị gián đoạn hoàn toàn khi công tắc ngắt, mà duy trì nhờ diode. Độ nhấp nhô dòng tải (Δiz = Izmax - Izmin) là một thông số quan trọng cần được tính toán và kiểm soát. Hai phương pháp điều khiển chính được đề cập là điều khiển với thời gian đóng ngắt thay đổi và điều khiển với tần số đóng ngắt không đổi. Trong phương pháp điều khiển tần số đóng ngắt không đổi, điện áp trung bình trên tải được điều khiển bằng cách điều chỉnh tỉ số γ (γ = T1/T), trong đó T là chu kỳ đóng ngắt không đổi. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Cuối cùng, chương trình đề cập đến ứng dụng của bộ biến đổi điện áp một chiều, đặc biệt là trong truyền động điện, nơi mà việc điều chỉnh điện áp DC là rất quan trọng. Một ví dụ cụ thể về bộ giảm áp DC với các thông số đã cho (U = 400V, R = 10Ω, L = 0.2H, E) được đưa ra để minh họa cho các tính toán và phân tích. Ngoài ra, chương trình còn đề cập đến việc hãm tái sinh động cơ một chiều, một ứng dụng đặc biệt của bộ tăng áp, cho phép năng lượng từ động cơ được trả lại nguồn điện áp một chiều U. Việc phân tích các ví dụ này giúp người đọc hiểu rõ hơn về cách áp dụng các khái niệm và phương pháp đã được trình bày trong chương vào các bài toán thực tế. Các bài toán thực tế này giúp củng cố kiến thức lý thuyết và cho thấy sự ứng dụng đa dạng của bộ biến đổi điện áp một chiều.

Chương 4 giới thiệu về bộ biến đổi điện áp xoay chiều, có chức năng chính là điều khiển trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều đầu ra. Điện áp vào là dạng sin với tần số và trị hiệu dụng không đổi, trong khi điện áp ra có cùng tần số nhưng trị hiệu dụng được điều khiển. Điều này cho phép điều chỉnh điện áp xoay chiều cung cấp cho tải một cách linh hoạt. Các ứng dụng chính được đề cập bao gồm truyền động điện động cơ không đồng bộ (kể cả khởi động mềm), điều khiển tốc độ động cơ (như máy quạt, máy bơm), và bù nhuyễn công suất phản kháng. Những ứng dụng này cho thấy tầm quan trọng của bộ biến đổi điện áp xoay chiều trong nhiều hệ thống điện hiện đại, cho phép điều khiển và quản lý năng lượng một cách hiệu quả và chính xác. Sự linh hoạt trong điều khiển điện áp giúp tối ưu hóa hoạt động của các thiết bị và hệ thống.

Chương trình tiếp tục bằng việc phân tích hoạt động của bộ biến đổi điện áp xoay chiều với tải khác nhau. Một trường hợp được đề cập là với tải cảm kháng (L) và góc điều khiển α nằm trong khoảng π/2 ≤ α ≤ π, dẫn đến hiện tượng dòng tải gián đoạn. Điều này cho thấy rằng việc lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch cần phải xem xét đến đặc tính của tải để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả. Một ví dụ cụ thể được đưa ra với tải thuần trở R = 10Ω, nguồn xoay chiều 220V, 50Hz, và góc điều khiển α = 90°. Các bài toán tính toán trị hiệu dụng áp tải, công suất tiêu thụ của tải, và hệ số công suất được đặt ra để minh họa cho các khái niệm và phương pháp tính toán trong điều khiển điện áp xoay chiều. Việc xác định góc kích thích cần thiết để đạt được công suất tải mong muốn (4kW) cũng được đề cập.

Chương trình cũng đề cập ngắn gọn đến các loại bộ biến tần, bao gồm bộ biến tần trực tiếp (Cycloconverter) chuyển đổi AC (tần số cao) thành AC (tần số thấp) và bộ biến tần gián tiếp, đầu tiên chuyển đổi AC thành DC rồi sau đó từ DC thành AC. Điều này nhấn mạnh sự đa dạng trong kỹ thuật biến đổi điện áp xoay chiều, mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Trong các bộ biến tần, việc điều chỉnh đồng thời cả điện áp và tần số là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của các thiết bị điện. Việc lựa chọn loại bộ biến tần phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về dải tần số, độ chính xác, hiệu suất và chi phí của hệ thống. Thông tin chi tiết về từng loại bộ biến tần không được đưa ra đầy đủ, chỉ giới thiệu tổng quan về sự khác biệt.

Chương 5 bắt đầu với bộ nghịch lưu áp một pha, phân tích cả phương pháp điều khiển đơn giản và điều khiển rộng xung (PWM). Trong điều khiển đơn giản, hình dạng sóng đầu ra là dạng xung vuông, và phân tích Fourier được sử dụng để xác định các thành phần sóng hài. Ví dụ cụ thể với dòng tải i_t = 540sin(ωπt − 4) và nguồn DC 300V được đưa ra để minh họa. Với điều khiển PWM, tần số sóng mang (f_p) và hệ số điều chế tần số (m_f) đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hình dạng sóng đầu ra và giảm thiểu sóng hài. Hệ số điều chế biên độ (m_a) cũng được đề cập, ảnh hưởng đến biên độ của sóng hài cơ bản. Mục tiêu là tăng tần số sóng hài để dễ lọc hơn, nhưng việc tăng tần số sóng mang lại dẫn đến tổn hao do đóng ngắt lớn hơn. Việc cân bằng giữa giảm sóng hài và giảm tổn hao là một thách thức trong thiết kế.

Phần này tập trung vào việc phân tích và tính toán các thông số quan trọng trong mạch nghịch lưu một pha. Ví dụ, điện áp khóa lớn nhất đặt lên transistor được tính toán trong trường hợp các transistor cùng nhánh dẫn. Trị hiệu dụng dòng điện tải được tính toán dựa trên tích phân của hàm sin. Các ví dụ cụ thể với tải thuần trở và điện áp nguồn một chiều được sử dụng để minh họa cho các tính toán này. Những ví dụ này giúp làm rõ cách áp dụng các công thức và phương pháp tính toán vào thực tế. Việc hiểu rõ các tính toán này là cần thiết để thiết kế và vận hành hệ thống một cách hiệu quả, đảm bảo an toàn cho các linh kiện và hệ thống nói chung. Việc tính toán chính xác các thông số này giúp tối ưu hiệu suất của mạch.

Chương trình tiếp tục với bộ nghịch lưu áp ba pha, tập trung vào phương pháp điều khiển kiểu 6 bước (six-step). Một ví dụ với tải thuần trở ba pha đối xứng đấu hình sao, điện trở mỗi pha R = 10Ω, tần số làm việc f = 50Hz, và điện áp nguồn một chiều U = 220V được trình bày. Các tính toán xác định trị hiệu dụng điện áp ra và công suất tải được thực hiện. Giống như trong mạch một pha, việc tăng tần số sóng mang (m_f) giúp giảm sóng hài nhưng lại làm tăng tổn hao. Hệ số điều chế biên độ (m_a) cũng ảnh hưởng đến biên độ của sóng hài. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động và phương pháp điều khiển của bộ nghịch lưu ba pha là rất quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là trong truyền động điện.

Phần cuối của chương trình trình bày chi tiết hơn về điều khiển PWM trong bộ nghịch lưu một pha. Một ví dụ cụ thể được đưa ra với sóng mang tam giác có tần số f_p = 500Hz và biên độ ±12V, điện áp điều khiển xoay chiều u_dk dạng sin, tần số f_dk = 50Hz, và nguồn áp một chiều U = 100V. Mục tiêu là tính toán biên độ sóng hài cơ bản của áp ra khi biên độ u_dk thay đổi. Việc tính toán này giúp người đọc hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa các thông số điều khiển và chất lượng sóng đầu ra. Phép tính biên độ thành phần điện áp hài cơ bản của áp tải được nêu ra, nhấn mạnh vào việc sử dụng phân tích Fourier để đánh giá chất lượng của sóng điện áp đầu ra. Việc giảm thiểu sóng hài là rất quan trọng để đảm bảo sự ổn định và hoạt động hiệu quả của hệ thống.