Giáo trình Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 1: Mở đầu

g ngắt. 
- Được lý tưởng hóa để các khảo sát của mạch ĐTCS có giá trị tổng 
quát. 
trang 6 / 25 ch1 mo dau 
- DIODE ( chỉnh lưu ): 
 ON : khi phân cực thuận: VAK > 0, sụt áp thuận VF = 0, 
 dòng phụ thuộc mạch. 
 OFF : khi phân cực ngược: VAK < 0, hở mạch. 
 Diode NDBDMC SCR 
G 
trang 7 / 25 ch1 mo dau 
- SCR ( Chỉnh lưu có điều khiển ): 
 OFF : Có thể ngắt mạch hai chiều ( VAK > 0 và VAK < 0 ) khi G = 0. 
 ON : Dẫn điện (đóng mạch) khi G ≠ 0 và phân cực thuận VAK > 0. 
SCR có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện: 
 khi đã ON, SCR chỉ OFF khi IA -> 0. 
 Diode NDBDMC SCR 
G 
trang 8 / 25 ch1 mo dau 
- Ngắt điện bán dẫn một chiều (NĐBDMC) - gọi tắt là ngắt điện hay 
 TRANSISTOR: 
 VS luôn luôn > 0 : không phân cực ngược 
 OFF : Ngắt mạch khi G = 0. 
 ON : Dẫn điện (đóng mạch) khi G ≠ 0 
Có hai loại chính : 
BJT (G là dòng cực B), MOSFET công suất (G là áp VGS). 
Trong thực tế, NGẮT ĐIỆN là linh kiện hay tổ hợp linh kiện điện tử. 
 Diode NDBDMC SCR 
G 
trang 9 / 25 ch1 mo dau 
I.2 NỘI DUNG KHẢO SÁT MẠCH ĐTCS: 
 Đầu vào khảo sát : Mạch ĐTCS + tín hiệu điều khiển NĐBD + tải. 
 Đầu ra: hoạt động của mạch: u(t), i(t) các phần tử 
 Số đo => Các đặc trưng áp, dòng, công suất 
 1. Các đặc trưng áp, dòng: 
 - Giá trị cực đại: 
 - Giá trị trung bình VO, IO 
 - Giá trị hiệu dụng VR, IR 
Các biểu thức cho dòng điện trung bình và hiệu dụng: 
21 1 ; O RT TI i(t)dt I i(t) dtT T
⎡ ⎤⎣ ⎦= =∫ ∫ 
Biểu thức cho điện áp VO, VR có dạng tương tự. 
trang 10 / 25 ch1 mo dau 
2. Sóng hài bậc cao và hệ số hình dáng: 
Phân tích các thành phần Fourier tín hiện răng cưa (o). 
Sóng hài bậc 1 (cơ bản) (a), bậc 2 (b), bậc 3 (c) và tổng (d) = (a)+(b)+c). 
trang 11 / 25 ch1 mo dau 
Tổng hợp các thành phần Fourier xung vuông đến các sóng hài (harmonics) khác nhau 
trang 12 / 25 ch1 mo dau 
 Khai triễn FOURIER dạng áp ra (làm việc có chu kỳ): 
1 1
2 2 1 2 2
2 2
1
2
( ) ( sin cos ) với sin( )
 ( ) sin ( ) cos và
ω ω ω ϕ
ω ω
ϕ
∞ ∞
= =
−
= + + = + = −
= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅
⎡ ⎤= + = = +⎢ ⎥⎣ ⎦
∑ ∑
∫ ∫
O n n O n n n n
n n
n nT T
n
n n n n R o n
n
v t V A n t B n t V v v V n t
A v t n t dt B v t n t dt
T T
AV A B tg V V V
B 1
∞
=
∑
n
 trong đó : V0 : trị số trung bình ( thành phần một chiều ) của v(t) 
 ω : tần số góc của v(t), chu kỳ T=ω/2π . 
 vn: sóng hài bậc n – có tần số nω 
 An , Bn : các thành phần sin, cos của sóng hài bậc n 
 Vn , ϕn : biên độ và lệch pha của sóng hài bậc n . 
 VR : Trị hiệu dụng của v(t). 
trang 13 / 25 ch1 mo dau 
 3. Công suất và hệ số công suất: 
 - Công suất tác dụng (trung bình) P hay PO : năng lượng sử 
dụng trong một đơn vị thời gian. 
 - Công suất biểu kiến S : tích số giá trị hiệu dụng dòng và áp 
 - Hệ số công suất HSCS hay cos ϕ : cho biết hiệu quả sử dụng 
năng lượng. 
 S
PHSCSIVSdttitv
T
P RRT =ϕ=⋅=⋅⋅= ∫ cos)()(1 
=> Tải là thuần trở có HSCS bằng 1. 
trang 14 / 25 ch1 mo dau 
 4. Phương pháp nghiên cứu mạch: 
 Mạch điện tử công suất = tổ hợp nhiều mạch tuyến tính thay 
đổi theo trạng thái của các ngắt điện 
 Ví dụ 0: Khảo sát chỉnh lưu 1 diod tải RL có D phóng điện 
v
o
o
i
v
(a)
R
D1
D2
L
 Mạch chỉnh lưu 
bán sóng có diod 
phóng điện D2, v là 
nguồn xoay chiều. 
o
i
v
o
v
(b)
L
R
Ở bán kỳ v > 0, 
D1 dẫn dòng iO 
> 0 
i
ov
o
(c)
L
R
Khi D2 dẫn 
điện, D1 
không dẫn: v 
< 0 và dòng 
iO > 0. 
o
oi
v
(d)
R
L
Khi dòng iO = 
0 tương ứng 
không có diod 
dẫn điện. 
trang 15 / 25 ch1 mo dau 
 b. Giải chu kỳ tựa xác lập mạch ĐTCS bằng PT vi phân hay 
biến đổi Laplace: Giải mạch điện theo t (lưu ý trạng thái các ngắt điện) 
Ví dụ1: Giải ví dụ 0 để mô tả hoạt động của mạch. 
 Áp nguồn sin= 2v V wt , điều kiện đầu t = 0; iO = 0 
− ωt = 0 : v > 0, D1 dẫn điện, mạch điện hình (b): 
phương trình vi phân: 
 . điều kiện đầu = + =oo odiv R i L idt 0 
o
i
v
o
v
(b)
L
R
 => sin( ) sin τω φ φ
−⎡ ⎤= − + ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦
t
o
Vi t e
Z
2 
 với τ = L R , ( )22 1 - wLtổng trở tải Z R L ,góc pha tg Rω φ= + = 
trang 16 / 25 ch1 mo dau 
 − ωt = π : dòng = >oi Io 0 phóng qua diod phóng điện D2 : 
. ( ) điều kiện đầu = + =oo o odiR i L i Idt0 0 (lấy lại gốc thời gian). 
i
ov
o
(c)
L
R
 => . τ
−= to oi I e . Ở đầu chu kỳ kế . π τ−= = >wo oi I e I1 0 
 Chu kỳ kế tiếp điễn ra tương tự với dòng ban đầu iO = I1 > 0 cho 
đến khi đạt chế độ xác lập (TỰA XÁC LẬP). 
 TỰA XÁC LẬP: Khi các dòng áp thay đổi có chu kỳ, giá trị đầu 
và giá trị cuối chu kỳ bằng nhau. 
trang 17 / 25 ch1 mo dau 
 b. Giải chu kỳ tựa xác lập mạch ĐTCS bằng PT vi phân hay 
biến đổi Laplace: 
v
R1
100 ohm
R2
100 ohm
C1
1 microF
 Hình vd2: Mạch RC cung cấp bằng xung vuông 
 - Khảo sát hoạt động trong một chu kỳ với giả sử các giá trị ban đầu 
của biến trạng thái của mạch được biết. 
- Nhận được hệ phương trình để tính các thông số cuả dạng dòng/áp. 
trang 18 / 25 ch1 mo dau 
Ví dụ 2: Giải tiếp tục ví dụ 1 ở chế độ tựa xác lập. 
v
o
o
i
v
(a)
R
D1
D2
L
o
i
v
o
v
(b)
L
R
t = 0 : D1 dẫn điện, phương trình vi phân mô tả mạch điện là: 
. điều kiện đầu = + =oo odiv R i L i Idt 1 
=> sin( ) sin τω φ φ
−⎡ ⎤= − + − ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦
t
o
V Vi t I e
Z Z1
2 2
trang 19 / 25 ch1 mo dau 
Ở bán kỳ kế, D2 cũng dẫn điện: 
. ( ) điều kiện đầu = + =oo o odiR i L i Idt0 0 
sin( ) sinvới 
π
τπ φ φ
−⎡ ⎤= − + − ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦
w
o
V VI I e
Z Z1
2 2 
v
o
o
i
v
(a)
R
D1
D2
L
i
ov
o
(c)
L
R
 => . τ−= to oi I e và ở cuối chu kỳ .
π τ−= woI I e1 
 , cho phép ta tính I1 và Io từ đó vẽ được dạng dòng iO . 
 Nhận xét: việc rút ra các đặc trưng dòng, áp từ KQ khó khăn. 
trang 20 / 25 ch1 mo dau 
 c. Khảo sát dòng áp trên tải bằng nguyên lý xếp chồng: 
Nguyên lý xếp chồng: khai triển Fourier + tính chất tuyến tính 
 Hệ tuyến tính: 1 2 1 2( ) ( ) ( )f x x f x f x+ = + 
=> Giá trị trung bình dòng qua tải bằng tổng: 
- dòng một chiều do thành phần trung bình áp trên tải. 
 - các dòng điện hình sin do sóng hài bậc cao. 
Thực tế ta chỉ cần tính tác dụng của những thành phần có ảnh 
hưởng lớn (một chiều hay tần số cơ bản). 
trang 21 / 25 ch1 mo dau 
 Ví dụ 3: Tính dòng và áp trung bình qua điện trở R2 của mạch điện 
hình Vd2, áp nguồn v có dạng trên hình Vd2.a, V = 200 volt. 
 Giải: Trị trung bình áp ra: 
2 / 6
0 0
1 1. .
3
= = =∫ ∫T To VV vdt V dtT T 
 => trị trung bình dòng ra IO = (200/3)/200 = 1/3 A và trị trung bình 
áp trên mỗi điện trở tải Vo1 = Vo/ 2 = 33.3 V 
T
t
V
v
Hình Vd2.a: dạng áp nguồn tính 
bằng số 
Vo
Vo1
Io
R2
100 ohm
R1
100 ohm
Hình Vd2.b: Mạch tương đương với 
thành phần một chiều 
trang 22 / 25 ch1 mo dau 
 f. Khảo sát mô hình toán mạch ĐTCS bằng máy tính (dùng chương 
trình mô phỏng) hay khảo sát mô hình thực tế trong phòng thí nghiệm: 
 Thuật toán tổng quát để khảo sát mạch ĐTCS bằng máy tính: 
 Bước mở đầu: Xác định dòng áp qua các phần tử ở thời gian t = 0+ 
 Bước 1: Dựa vào tín hiệu điều khiển và dòng, áp qua các ngắt điện, 
 tìm ra các ngắt điện ON 
 Bước 2: Thành lập phương trình mô tả mạch. 
 Bước 3: Giải phương trình mô tả mạch để tìm ra dòng áp qua các phần 
tử ở t = t + Δ t 
 Bước 4: Khai thác số liệu tính, tăng thời gian hiện tại t Å t + Δ t 
 Bước 5: Kiểm tra điều kiện kết thúc khảo sát: 
nếu thỏa thì qua bước 6, nếu không trở về bước 1. 
 Bước 6: Dừng chương trình. 
 Nhận xét: Việc khảo sát bằng máy tính ứng dụng phương pháp số để 
giải phương trình vi phân cho ta dòng áp qua các phần tử theo từng sai 
phân thời gian Δ t. 
trang 23 / 25 ch1 mo dau 
I.3 TÍNH CHỌN NGẮT ĐIỆN ĐIỆN TỬ: 
1. Định mức áp: VDRM > katV * Vlvmax 
 Vlvmax : Áp làm việc max. VDRM : Áp khóa. 
 katV : hệ số an toàn áp ≥ 2. 
 2. Định mức dòng: Cơ sở là tính phát nóng của linh kiện: 
 Nhiệt độ mối nối θJ < Nhiệt độ cho phép θcp 
 mối nối θJ Ỉ vỏ SCR θC Ỉ tản nhiệt θH Ỉ môi trường θA. 
 tương ứng phương trình: )RRR(P HACHJCAJ ++⋅Δ=θ−θ 
+ RJC: điện trở nhiệt mối nối (Junction) – vỏ (Case) 
+ RCH: điện trở nhiệt vỏ – tản nhiệt (Heatsink) 
+ RHA: điện trở nhiệt tản nhiệt – môi trường (Ambience) 
 Giải mạch ĐTCS => tổn hao công suất ΔP 
 Tính toán nhiệt => θJ . 
trang 24 / 25 ch1 mo dau 
 - Gần đúng: tính dòng trung bình IO 
hay hiệu dụng IR 
và kiểm tra nhiệt độ vỏ linh kiện. 
 IO < định mức trung bình IAVE 
Hay IR < định mức hiệu dụng IRMS 
D hay SCR: IRMS = 1.57 IAVE 
BJT, MosFET: 
IRMS , IAVE là hàm số của dạng dòng điện. 
Hệ số an toàn dòng 1.3 – 2. 
- Sử dụng dòng điện làm việc max 
Cách lắp linh kiện công 
suất vỏ TO220AB vào tản 
nhiệt 
 Câu hỏi: - Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tải dòng? 
trang 25 / 25 ch1 mo dau 
I.4 BẢO VỆ LINH KIỆN VÀ BBĐ: 
1.Bảo vệ dòng: 
+ Bảo vệ dòng cực đại ( ngắn mạch – quá dòng tức thời): 
 thông sốø ∫T 2dti 
Cầu chì tác động nhanh, Cầu chì thông thường 
CB ( ngắt mạch tự động – Aptomat ) 
+ Bảo vệ quá tải ( quá dòng có thời gian ): 
CB ( ngắt mạch tự động – Aptomat ) 
 Rơ le nhiệt 
 Mạch hạn dòng của bộ điều khiển vòng kín 
2. Bảo vệ áp: (quá áp dạng xung) 
260v
IRF450
TFR105
C
103
10k
R4