Điện tử Công suất: Nguyên lý và ứng dụng

Phần này làm rõ sự khác biệt cơ bản giữa điện tử công suất và điện tử điều khiển dựa trên hai yếu tố chính: công suất và chức năng. Điện tử điều khiển thường hoạt động ở mức công suất nhỏ, đảm nhiệm chức năng điều khiển chính xác các tín hiệu điện. Ngược lại, điện tử công suất tập trung vào việc xử lý và điều khiển dòng điện với công suất lớn. Chức năng chính của nó là đóng cắt và điều chỉnh dòng điện công suất cao, thường được dùng trong các ứng dụng cần năng lượng lớn. Sự khác biệt về công suất dẫn đến sự khác biệt về các linh kiện và kỹ thuật thiết kế được sử dụng. Điện tử điều khiển thường sử dụng các linh kiện nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp, trong khi điện tử công suất yêu cầu các linh kiện có khả năng chịu được dòng điện và nhiệt lượng lớn, ví dụ như các thyristor, diode công suất cao. Vì vậy, sự lựa chọn giữa hai lĩnh vực này phụ thuộc hoàn toàn vào yêu cầu về công suất và chức năng của ứng dụng cụ thể.

Tài liệu chỉ rõ đối tượng nghiên cứu chính của điện tử công suất là các bộ biến đổi công suất và các bộ khóa điện tử công suất lớn. Các bộ biến đổi công suất đóng vai trò trung tâm trong việc chuyển đổi năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác, ví dụ như chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều hoặc ngược lại. Chúng có thể điều chỉnh điện áp, dòng điện và tần số, đáp ứng nhu cầu của nhiều ứng dụng khác nhau. Các bộ khóa điện tử công suất lớn, như thyristor và IGBT, đảm nhiệm việc đóng cắt dòng điện lớn một cách nhanh chóng và hiệu quả. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và đặc tính của các linh kiện này là điều cần thiết để thiết kế và vận hành các hệ thống điện tử công suất một cách tối ưu. Sự nghiên cứu tập trung vào các bộ biến đổi và bộ khóa nhấn mạnh tầm quan trọng của hiệu suất, độ tin cậy và khả năng chịu tải cao trong thiết kế các hệ thống điện tử công suất.

Đoạn này giới thiệu khái niệm chất bán dẫn, một loại vật liệu có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Đặc tính này phụ thuộc vào nhiệt độ và cấu trúc tinh thể. Tài liệu đề cập đến loại chất bán dẫn P, trong đó các lỗ trống đóng vai trò là phần tử mang điện tích dương. Sự hiểu biết về chất bán dẫn P-N là nền tảng để hiểu cách hoạt động của các linh kiện bán dẫn như diode, vì diode được tạo ra từ sự kết hợp của hai vùng chất bán dẫn loại P và N. Sự kết hợp này tạo ra một lớp tiếp giáp P-N, có khả năng cho dòng điện đi qua theo một chiều nhất định, từ đó tạo thành đặc tính chỉnh lưu của diode. Hiểu rõ cấu trúc và đặc tính của lớp tiếp giáp P-N là nền tảng để thiết kế và ứng dụng các linh kiện điện tử công suất hiệu quả.

Phần này tập trung vào các đặc tính động quan trọng của diode, những đặc tính ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm việc của diode trong các mạch điện tử công suất. Điện áp chuyển mạch (U_K) là điện áp cần thiết để diode bắt đầu dẫn điện. Thời gian phục hồi khả năng đóng (t_rr) là thời gian cần thiết để diode chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái khóa. Dòng điện chuyển mạch - phục hồi (i_rr) là dòng điện chạy qua diode trong quá trình chuyển mạch. Điện áp ngược cực đại không lập lại (U_RRM) và giá trị cực đại điện áp ngược (U_RSM) là các thông số quan trọng liên quan đến khả năng chịu đựng điện áp ngược của diode. Hiểu rõ các đặc tính động này giúp đảm bảo rằng diode hoạt động ổn định và hiệu quả trong các điều kiện làm việc khác nhau, đặc biệt trong các ứng dụng chuyển mạch tần số cao. Việc lựa chọn diode phù hợp phụ thuộc rất nhiều vào các thông số này.

Tài liệu định nghĩa chuyển mạch là trạng thái điện từ xảy ra trong mạch bộ biến đổi, được đặc trưng bởi sự chuyển đổi dòng điện giữa các nhánh khác nhau trong mạch. Tổng dòng điện từ nút giữa các nhánh vẫn giữ nguyên. Hiểu rõ quá trình chuyển mạch rất quan trọng trong thiết kế các mạch điện tử công suất. Quá trình này liên quan trực tiếp đến hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ của các linh kiện, đặc biệt là đối với các ứng dụng hoạt động ở tần số cao. Các đặc tính động của diode, như thời gian phục hồi, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của quá trình chuyển mạch. Việc tối ưu hóa quá trình chuyển mạch giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Khái niệm “nhịp” được định nghĩa là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp thay đổi trạng thái của linh kiện điện tử công suất. Tên của nhịp được đặt theo tên linh kiện đang dẫn điện. Sự hiểu biết về nhịp rất quan trọng trong việc phân tích và thiết kế các mạch điện tử công suất. Đặc tính ngoài (đặc tính tải) mô tả mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và dòng điện đầu ra của bộ biến đổi, trong khi đặc tính điều khiển mô tả mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và đại lượng điều khiển. Hiểu rõ các đường đặc tính này là cần thiết để dự đoán và kiểm soát hoạt động của bộ biến đổi công suất. Công thức P = mUI(1)cosϕ(1) được đề cập, với m là số pha, U là giá trị hiệu dụng điện áp điều hòa của pha, và I(1) là giá trị hiệu dụng của thành phần bậc 1 dòng điện pha. Công thức này giúp tính toán công suất của hệ thống.

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Đây là một chức năng cơ bản và quan trọng trong nhiều hệ thống điện tử công suất. Ứng dụng của chỉnh lưu rất đa dạng, bao gồm cấp nguồn cho các tải một chiều như động cơ điện một chiều, bộ nạp accu, hệ thống mạ điện phân, máy hàn một chiều, nam châm điện và truyền tải điện một chiều cao áp. Sự đa dạng này cho thấy tầm quan trọng của chỉnh lưu trong việc cung cấp nguồn năng lượng cho nhiều thiết bị và hệ thống khác nhau. Hiệu suất và độ tin cậy của quá trình chỉnh lưu ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của các thiết bị này. Do đó, việc nghiên cứu và tối ưu hóa các mạch chỉnh lưu là rất cần thiết.

Điện áp chỉnh lưu (u_d) bao gồm cả thành phần xoay chiều (u_σ) và thành phần một chiều. Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu được ký hiệu là U_d. Tương tự, dòng điện chỉnh lưu (i_d) cũng bao gồm thành phần một chiều (I_d) và thành phần xoay chiều (i_σ). Phân tích thành phần một chiều và xoay chiều của điện áp và dòng điện chỉnh lưu giúp hiểu rõ hơn về đặc tính của tín hiệu đầu ra và thiết kế mạch lọc phù hợp. Các thông số như giá trị hiệu dụng của sóng điều hòa bậc n (I_σ(n), U_σ(n)) và tần số góc (ω_σ(n)) của thành phần xoay chiều được đề cập, cho phép tính toán và phân tích chính xác hơn đặc tính của tín hiệu. Việc hiểu rõ các thành phần này giúp thiết kế các bộ lọc hiệu quả để loại bỏ nhiễu và tạo ra dòng điện một chiều ổn định.

Tài liệu thảo luận về chế độ làm việc chỉnh lưu và sự phụ thuộc của nó vào các thông số khác nhau. Điều kiện (6/π) < α < π được đề cập để đảm bảo dòng điện liên tục trong tải, yêu cầu sự hiện diện của cuộn cảm (L) trong tải. Chỉnh lưu hình cầu, được mô tả là hai bộ chỉnh lưu hình tia mắc nối tiếp, được phân tích trong chế độ dòng liên tục. Chỉnh lưu p-xung và sự xuất hiện của dòng điện gián đoạn trong các tải khác nhau (chỉ R, chỉ L, R-L) được đề cập. Các loại chỉnh lưu hình tia có điều khiển m-pha (p = m) và chỉnh lưu hình cầu điều khiển hoàn toàn m-pha (p = 2m) được phân biệt, với U_m là biên độ điện áp pha hoặc điện áp dây. Điều khiển chung, với góc α < π/2 cho chế độ chỉnh lưu và α > π/2 cho chế độ chờ, cũng được giải thích. Sự lựa chọn loại chỉnh lưu phụ thuộc vào ứng dụng và yêu cầu về hiệu suất.

Điều khiển chỉnh lưu thường dựa trên việc cung cấp xung điều khiển cho thyristor khi điện áp đặt lên thyristor dương. Điều này đòi hỏi sự đồng bộ với điện áp khóa đặt lên thyristor. Sơ đồ khối của khâu phát xung – bộ điều khiển được đề cập đến. Các thông số như công suất biểu kiến cuộn dây thứ cấp (S_S) và công suất hữu công định mức của máy biến áp (P_tN) được đề cập đến, đặc biệt đối với máy biến áp ∆/Y. Hiểu rõ các nguyên tắc điều khiển này là quan trọng để kiểm soát hiệu quả quá trình chỉnh lưu và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Việc thiết kế và điều khiển chính xác góc α là yếu tố then chốt để đạt được dòng điện đầu ra ổn định và đáp ứng yêu cầu của ứng dụng.

Tài liệu phân loại bộ biến đổi công suất dựa trên chức năng biến đổi điện áp. Ba loại chính được đề cập là: bộ biến đổi giảm áp (mắc nối tiếp), bộ biến đổi tăng áp (mắc song song), và bộ biến đổi điều khiển xung giá trị điện trở. Bộ biến đổi giảm áp, khi mắc nối tiếp, giảm điện áp đầu ra so với điện áp vào. Bộ biến đổi tăng áp, khi mắc song song, làm tăng điện áp đầu ra. Bộ biến đổi điều khiển xung giá trị điện trở hoạt động dựa trên việc điều khiển xung để thay đổi giá trị điện trở tương đương, từ đó điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra. Sự lựa chọn loại bộ biến đổi phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, ví dụ như cần tăng hay giảm điện áp, và mức độ chính xác cần thiết trong việc điều khiển điện áp và dòng điện.

Bộ biến đổi xung giá trị điện trở hoạt động dựa trên việc điều khiển sự chuyển mạch giữa các trạng thái khác nhau để điều chỉnh dòng điện. Trong nhịp S, dòng điện (i_Z = i_S) tăng theo hệ số góc bằng U/L. Trong nhịp 0, dòng điện (i_Z = i_R) giảm theo đường cong hàm mũ về giá trị U/R_p. Thời gian của nhịp 0 (T₂) được điều khiển để điều chỉnh điện áp đầu ra. Quá trình nạp điện cho tụ C trước khi bắt đầu hoạt động và việc mở V2 trước khi đóng tụ C vào nguồn U qua điện trở hạn chế dòng được đề cập. Việc xác định các thông số C và L là rất quan trọng để thiết kế bộ biến đổi hoạt động hiệu quả. Nguyên lý này dựa trên việc tích lũy và giải phóng năng lượng trong cuộn cảm L và tụ điện C để điều khiển dòng điện đầu ra.

Nguyên tắc điều khiển hai giá trị sử dụng bộ phát xung như một bộ điều khiển dòng điện. Thay đổi dòng điện (∆i_Z) theo thời gian (t) để điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra. Chi tiết cụ thể về phương pháp điều khiển này không được nêu rõ trong tài liệu. Tuy nhiên, việc sử dụng bộ phát xung cho thấy tầm quan trọng của kỹ thuật điều khiển xung trong việc điều chỉnh hoạt động của bộ biến đổi. Điều này cho phép kiểm soát chính xác điện áp và dòng điện đầu ra, đáp ứng các yêu cầu khác nhau của ứng dụng. Hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc vào việc thiết kế và điều chỉnh chính xác các thông số của bộ phát xung và các linh kiện khác trong mạch.

Nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng điện một chiều (DC) thành năng lượng điện xoay chiều (AC). Đây là một quá trình quan trọng trong nhiều ứng dụng điện tử công suất, cho phép sử dụng nguồn điện một chiều để tạo ra điện áp xoay chiều với các thông số khác nhau. Tài liệu phân loại nghịch lưu theo số lượng pha. Một loại nghịch lưu được đề cập là nghịch lưu áp, có tính chất nguồn áp, tạo ra điện áp xoay chiều và dòng điện đầu ra phụ thuộc vào tải. Đầu vào của nghịch lưu áp là nguồn điện áp một chiều. Sự lựa chọn loại nghịch lưu phụ thuộc vào yêu cầu về công suất, tần số và hình dạng sóng của điện áp xoay chiều cần tạo ra. Việc hiểu rõ các loại nghịch lưu khác nhau giúp lựa chọn được giải pháp phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể.

Tài liệu mô tả nguyên lý hoạt động của nghịch lưu áp thông qua việc phân tích các nhịp chuyển mạch. Ví dụ, trong nhịp VR2, điện áp u_Z = u_b = -U_d và dòng điện i_VR2 = -i_d = i_Z giảm theo đường cong hàm mũ. Xung điều khiển được ngắt ở S1. Trong nhịp S2, điện áp u_Z = u_b = -U_d và dòng điện i_S2 = i_d = -i_Z tăng theo đường cong hàm mũ với chiều ngược lại. Xung điều khiển được đưa vào S2 sau khi ngắt S1. Tương tự, nhịp VR1 được mô tả với điện áp u_Z = u_a = U_d và dòng điện i_VR1 = -i_d = -i_Z tăng theo đường cong hàm mũ. Xung điều khiển được ngắt ở S2. Các nhịp chuyển mạch này cho thấy cách thức chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành xoay chiều bằng cách điều khiển sự đóng mở của các linh kiện chuyển mạch.

Điều khiển nghịch lưu áp cầu 3 pha được đề cập, bao gồm nguyên tắc thay đổi tần số xung và nguyên tắc điều biến độ rộng xung (PWM). PWM sử dụng tín hiệu điện áp răng cưa để điều khiển quá trình chuyển mạch, cho phép tạo ra điện áp xoay chiều với tần số và biên độ mong muốn. Ví dụ, để đóng V1 và V2, cần mở V11 và V12. Dòng i_Z = I_d chảy qua V11, C1, C2, V12, làm đảo chiều điện áp trên các tụ. V1 và V2 phục hồi khả năng khóa khi điện áp trên tụ < 0. Bộ chuyển mạch đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển mạch, với quá trình chuyển mạch kết thúc khi dòng chảy vào pha 1 giảm về 0 và dòng chảy vào pha 2 bằng I_d. Nguyên tắc PWM cho phép điều khiển chính xác hình dạng sóng đầu ra và đáp ứng các yêu cầu khác nhau của ứng dụng.

Bộ khóa xoay chiều có chức năng đóng và cắt dòng điện xoay chiều. Đây là một thành phần quan trọng trong nhiều hệ thống điện tử công suất, cho phép kiểm soát dòng điện xoay chiều một cách chính xác. Việc đóng cắt dòng điện nhanh chóng và hiệu quả là rất cần thiết trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong các hệ thống chuyển mạch tần số cao. Thiết kế của bộ khóa xoay chiều cần đảm bảo độ tin cậy cao và khả năng chịu được dòng điện lớn. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các đặc tính của bộ khóa xoay chiều giúp thiết kế các hệ thống điện tử công suất hoạt động ổn định và hiệu quả. Sự lựa chọn loại bộ khóa xoay chiều phụ thuộc vào các yếu tố như công suất, tần số hoạt động, và yêu cầu về độ chính xác trong việc đóng cắt dòng điện.

Thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều có chức năng thay đổi giá trị điện áp xoay chiều. Đây là một thành phần quan trọng trong nhiều hệ thống điện tử, cho phép điều chỉnh điện áp để đáp ứng yêu cầu của tải. Việc biến đổi điện áp chính xác và hiệu quả là rất cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định của các thiết bị. Thiết kế của thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều cần đảm bảo hiệu suất cao và khả năng chịu đựng điện áp lớn. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các đặc tính của thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều giúp thiết kế các hệ thống điện tử hoạt động ổn định và hiệu quả. Sự lựa chọn loại thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều phụ thuộc vào các yếu tố như công suất, tần số hoạt động, và yêu cầu về độ chính xác trong việc điều chỉnh điện áp.

Cả bộ khóa xoay chiều và thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều đều được phân loại theo số lượng pha, ví dụ như một pha. Điều này ảnh hưởng đến thiết kế và hoạt động của các thiết bị. Hệ thống làm mát là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định của các thiết bị, đặc biệt là trong các ứng dụng công suất lớn. Các thông số về điện trở nhiệt (R_jv, R_vr, R_ra) giữa mặt ghép, vỏ, cánh tản nhiệt và môi trường được đề cập. Nhiệt độ môi trường (T_a) cũng ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát. Việc lựa chọn hệ thống làm mát phù hợp giúp tránh quá nhiệt và tăng tuổi thọ của các linh kiện. Thiết kế hệ thống làm mát cần cân nhắc đến công suất tiêu tán nhiệt của thiết bị và điều kiện môi trường hoạt động.

Phần này đề cập đến các biện pháp bảo vệ quá áp và quá dòng cho các thiết bị điện tử công suất. Cầu chì được đề cập đến như một biện pháp bảo vệ quá dòng. Cầu chì phải chịu được dòng làm việc định mức và có nhiệt dung chịu đựng nhỏ hơn thiết bị cần bảo vệ. Nhiệt lượng (I²t) của cầu chì phải nhỏ hơn nhiệt lượng (I²t) của thiết bị. Việc lắp đặt cầu chì có nhiều cách, ví dụ như từng pha của cuộn dây sơ cấp hoặc thứ cấp máy biến áp, nối tiếp với từng van hoặc từng nhóm van mắc song song. Bảo vệ bằng mạch R-C đấu song song với diode hoặc thyristor cũng được đề cập đến. Bảo vệ quá áp, cả quá áp ngoài (do cắt không tải máy biến áp, sấm sét) và quá áp trong (do tích tụ điện tích trong bán dẫn), được đề cập. Việc sử dụng mạch R-C cũng được đề cập trong việc bảo vệ quá áp.