Bài giảng Điện công suất - Chương I: Nhũng phần tử bán dẫn công suất - Trần Trọng Minh

Ts. Trần Trọng Minh
Bộ môn Tự đông hóa,
Khoa Điện, ĐHBK Hà nội
Hà nội, 9 - 2010
 Mục tiêu:
◦ Nắm được các kiến thức cơ bản về quá trình biển đổi năng lượng điện dùng 
các bộ biến đổi bán dẫn công suất cũng như những lĩnh vực ứng dụng tiêu 
biểu của biến đổi điện năng.
◦ Có hiểu biết về những đặc tính của các phần tử bán dẫn công suất lớn.
◦ Có các khái niệm vững chắc về các quá trình biến đổi xoay chiều – một 
chiều (AC – DC), xoay chiều – xoay chiều (AC – AC), một chiều – một 
chiều (DC – DC), một chiều – xoay chiều (DC – AC) và các bộ biến tần.
◦ Biết sử dụng một số phần mềm mô phỏng như MATLAB, PLEC, để 
nghiên cứu các chế độ làm việc của các bộ biến đổi. 
◦ Sau môn học này người học có khả năng tính toán, thiết kế những bộ biến 
đổi bán dẫn trong những ứng dụng đơn giản.
 Yêu cầu:
◦ Nghe giảng và đọc thêm các tài liệu tham khảo,
◦ Sử dụng Matlab-Simulink để mô phỏng, kiểm chứng lại các quá trình xảy ra 
trong các bộ biến đổi,
◦ Củng cố kiến thức bằng cách tự làm các bài tập trong sách bài tập.
10/22/2010 2
 Đánh giá kết quả: 
◦ Điểm quá trình: trọng số 0,25
◦ Kiểm tra giữa kỳ: 0,25
◦ Thi cuối kỳ: 0,75
 Tất cả các lần thi và kiểm tra đều 
được tham khảo tất cả các loại tài 
liệu (Open book examination).
10/22/2010 3
 1. Điện tử công suất; Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, 
Trần Trọng Minh; NXB KH&KT Hà nội, 2009.
 2. Phân tích và giải mạch điện tử công suất; Phạm 
Quốc Hải, Dương Văn Nghi; NXB KH&KT, 1999.
 3. Giáo trình điện tử công suất; Trần Trọng Minh; 
NXB Giáo dục, 2009.
 4. Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất; Phạm Quốc 
Hải; NXB KH&KT 2009.
10/22/2010 4
Xu hướng Ví dụ
 Xu hướng phát triển: dải 
công suất trải rộng, từ
nhỏ, 
  Đến lớn và rất lớn.
 Ứng dụng: rộng khắp, từ
các thiết bị cầm tay, dân 
dụng đến các hệ thống 
thiết bị công nghiệp.
 Đặc biệt: tham gia vào 
điều khiển trong hệ
thống năng lượng.
 Vài W đến vài trăm W, 
thành phần chính trong 
các hệ thống Power 
management của các 
thiết bị nhỏ.
 Vài trăm kW đến vài chục 
MW.
 FACTS: hệ truyền tải,
 DG – Distributed 
Generation, Custom Grid, 
Renewable Energy 
System, 
10/22/2010 5
Nguyên nhân phát triển Các dữ liệu thực tế
 Sự phát triển của ĐTCS 
liên quan đến:
◦ Công nghệ chế tạo các 
phần tử bán dẫn công 
suất đạt được những 
bước tiến lớn.
◦ Các tiến bộ vượt bậc 
trong công nghệ các phần 
tử điều khiển và lý thuyết 
điều khiển.
 MOSFET, IGBT: tần số
đóng cắt cao, chịu được 
điện áp cao, dòng điện 
lớn.
 Các chip vi xử lý, vi điều 
khiển, DSP 16 bit, 32 bit, 
nhanh, mạnh về điều 
khiển:
◦ Tích hợp ADC, đầu vào 
counter, PWM built-in;
◦ Truyền thông: I2C, CAN, 
UART, 
10/22/2010 6
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Điện tử công suất trong hệ thống năng lượng từ trước 
đến nay và từ nay về sau.
10/22/2010 7
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Các bộ biến đổi Điện tử công suất.
10/22/2010 8
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Các lĩnh vực liên quan đến Điện tử công suất.
10/22/2010 9
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Sơ đồ khối chức năng của bộ biến đổi.
10/22/2010 10
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Sơ đồ các lớp mạch của bộ biến đổi.
10/22/2010 11
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Các phần tử trong mạch của bộ biến đổi.
10/22/2010 12
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Tỷ lệ khối lượng và thể tích các phần tử
trong bộ biến đổi bán dẫn.
10/22/2010 13
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Chuyển mạch: vấn đề cực kỳ quan trọng đối với công suất lớn.
Ba loại chuyển mạch: Cứng (Hard switching), Snubbered, Soft-
switching.
10/22/2010 14
Zero voltage switch -
ZVS
Zero current switch -
ZCS
10/22/2010 15
10/22/2010 16
 I.1 Những vấn đề chung
 I.2 Điôt
 I.3 Thyristor
 I.4 Triac
 I.5 GTO (Gate-Turn-off Thyristor)
 I.6 BJT (Bipolar Junction Transistor)
 I.7 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect 
Transistor)
 I.8 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
 Cần nắm được:
◦ Nguyên lý hoạt động
◦ Các thông số cơ bản (Đặc tính kỹ thuật), cần thiết để lựa chọn phần tử
cho một ứng dụng cụ thể.
 Các van bán dẫn chỉ làm việc 
trong chế độ khóa
◦ Mở dẫn dòng: iV > 0, uV = 0;
◦ Khóa: iV = 0, uV > 0;
◦ Tổn hao pV = iV*uV ~ 0;
 Lưu ý rằng phần tử bán dẫn nói 
chung chỉ dẫn dòng theo một 
chiều.
◦ Muốn tạo ra các van bán dẫn hai 
chiều hai chiều phải kết hợp các 
phần tử lại.
 Về khả năng điều khiển, các van 
bán dẫn được phân loại:
◦ Van không điều khiển, như ĐIÔT,
◦ Van có điều khiển, trong đó lại phân 
ra:
 Điều khiển không hoàn toàn, như 
TIRISTOR, TRIAC,
 Điều khiển hoàn toàn, như BIPOLAR 
TRANSISTOR, MOSFET, IGBT, GTO.
10/22/2010 17
Đặc tính vôn-ampe của van lý 
tưởng: dẫn dòng theo cả hai chiều; 
chịu được điện áp thep cả hai chiều.
 Cấu tạo từ một lớp tiếp giáp p-n
◦ Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ 
anot đến catot
◦ uAK >0 iD >0; Phân cực thuận.
◦ uAK < 0 iD = 0; Phân cực ngược
10/22/2010 18
Ký hiệu điôt
Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của điôt
 Đặc tính vôn-ampe của điôt
◦ Giúp giải thích chế độ làm việc thực tế của điôt
◦ Tính toán chế độ phát nhiệt (tổn hao trên điôt) trong quá trình làm việc.
10/22/2010 19
Đặc tính Vôn-ampe thực tế của điôt Đặc tính tuyến tính hóa:
uD = UD,0 + rD*iD; rD = ΔUD/ΔID
 Đặc điểm cấu tạo của điôt 
công suất (Power diode)
◦ Phải cho dòng điện lớn 
chạy qua (cỡ vài nghìn 
ampe), phải chịu được điện 
áp ngược lớn (cỡ vài nghìn 
vôn);
◦ Vì vậy cấu tạo đặc biệt hơn 
là một tiếp giáp bán dẫn p-
n thông thường. Trong lớp 
bán dẫn n có thêm lớp 
nghèo điện tích n-
10/22/2010 20
Vùng nghèo n-, làm tăng khả năng chịu 
điện áp ngược, nhưng cũng làm tăng sụt 
áp khi dẫn dòng theo chiều thuận
 Đặc tính đóng cắt của điôt
◦ Đặc tính động uD(t), iD(t), 
10/22/2010 21
Khi mở: điện áp uFr lớn lên đến vài V trước 
khi trở về giá trị điện áp thuận cỡ 1 – 1,5V 
do vùng n- còn thiếu điện tích
Khi khóa: dòng về đến 0, sau đó tiếp tục 
tăng theo chiều ngược với tốc độ dir/dt đến 
giá trị Irr rồi về bằng 0.
Điện tích 
phục hồi Qrr
Thời gian 
phục hồi trr
 Các thông số cơ bản của điôt
◦ Giá trị dòng trung bình cho 
phép chạy qua điôt theo 
chiều thuận: ID (A)
◦ Giá trị điện áp ngược lớn 
nhất mà điôt có thể chịu 
đựng được, Ung,max (V)
◦ Tần số, f (Hz)
◦ Thời gian phục hồi, trr (μs) 
và điện tích phục hồi, Qrr
(C)
 Trang WEB của Proton-
Electrotex, Nga
◦ 
 Trang WEB của PowerRex 
◦ 
 Tại sao lại là dòng trung bình?
◦ Liên quan đến quá trình phát nhiệt.
◦ Cho ví dụ:
 Khả năng chịu điện áp: 3 giá trị,
◦ Repetitive peak reverse voltages, URRM
◦ Non repetitive peak reverse voltages , URSM
◦ Direct reverse voltages, UR
 Khi tần số tăng lên tổn thất do quá trình đóng 
cắt sẽ đóng vai trò chính chứ không phải là tổn 
thất khi dẫn.
 Ba loại điôt công suất chính:
◦ 1. Loại thường, dùng ở tần số 50, 60 Hz. Không cần quan 
tâm đến trr.
◦ 2. Loại nhanh: fast diode, ultrafast diode.
◦ 3. Schottky Diode: không phải là loại có tiếp giáp p-n. Sụt 
áp khi dẫn rất nhỏ, cỡ 0,4 – 0,5 V, có thể đến 0,1 V. Dùng 
cho các ứng dụng tần số cao, cần dòng lớn, điện áp nhỏ, 
tổn thất rất nhỏ. Chỉ chịu được điện áp thấp, dưới 100 V.
10/22/2010 22
 
0
0
1
t T
D D
t
I i t dt
T

 
 Cấu tạo: cấu trúc bán dẫn gồm 4 lớp, 
p-n-p-n, tạo nên 3 tiếp giáp p-n, J1, 
J2, J3.
 Có 3 cực:
◦ Anode: nối với lớp p ngoài cùng,
◦ Cathode: nới với lớp n ngoài cùng,
◦ Gate: cực điều khiển, nối với lớp p ở giữa.
 Là phần tử có điều khiển. Có thể 
khóa cả điện áp ngược lẫn điện áp 
thuận.
 Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anot 
đến catot
◦ uAK >0 ; Phân cực thuận.
◦ uAK < 0 ; Phân cực ngược
10/22/2010 23
Ký hiệu 
thyristor
Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của 
thyristor.
10/22/2010 24
Thyristor: Cấu trúc bán dẫn và mạch điện tương đương.
Lớp n- làm 
tăng khả năng 
chịu điện áp
 Đặc tính vôn-ampe của thyristor  1. Đặc tính ngược: UAK < 0.
◦ Rất giống đặc tính ngược của điôt.
 2. Đặc tính thuận: UAK > 0.
 2.1. Khi UGK = 0,
◦ Cho đến khi UAK < Uf,max thyristor cản 
trở dòng điện.
◦ Cho đến khi UAK = Uf,max trở kháng 
giảm đột ngột. Đặc tính chuyển lên 
đoạn điện trở nhỏ như điôt khi dẫn 
dòng theo chiều thuận.
 2.2 Khi UGK > 0,
◦ Đặc tính chuyển lên đoạn điện trở nhỏ 
tại UAK << Uf,max.
◦ Điện áp chuyển càng nhỏ nếu UGK
càng lớn.
 Trong mọi trường hợp thyristor 
chỉ dẫn dòng được nếu IV > Ih, gọi 
là dòng duy trì (Holding current).
10/22/2010 25
Ur: reverse voltage
Uf: forward voltage
 1. Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua tiristor, IV
◦ Làm mát tự nhiên: một phần ba dòng IV.
◦ Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: hai phần ba dòng IV.
◦ Làm cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng 100% dòng IV.
 2. Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ung,max
 3. Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor, trr (μs)
◦ Thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên anôt-catôt của tiristor sau khi dòng iV
đã về bằng 0 trước khi có thể có điện áp UAK dương mà tiristor vẫn khóa.
◦ Trong nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, phải luôn đảm bảo thời 
gian khóa của van cỡ 1,5 - 2 lần tr.
◦ trr phân biệt thyristor về tần số:
 Tần số thấp: trr > 50 μs;
 Loại nhanh: trr = 5 – 20 μs
10/22/2010 26
trr càng nhỏ, càng đắt
 4. Tốc độ tăng dòng cho phép, 
dI/dt (A/μs)
◦ Thyristor tần số thấp: dI/dt cỡ 50 – 100 
A/μs.
◦ Thyristor tần số cao: dI/dt cỡ 200 – 500 
A/μs.
 5. Tốc độ tăng điện áp cho phép, 
dU/dt (V/μs)
◦ Thyristor tần số thấp: dU/dt cỡ 50 –
100 V/μs.
◦ Thyristor tần số cao: dU/dt cỡ 200 –
500 V/μs.
 6. Thông số yêu cầu đối với tín 
hiệu điều khiển, (UGK, IG)
◦ Ngoài biên độ điện áp, dòng điện, độ rộng 
xung là một yêu cầu quan trọng.
◦ Độ rộng xung tối thiểu phải đảm bảo 
dòng IV vượt qua giá trị dòng duy trì Ih
 Minh họa hiệu ứng dU/dt tác 
dụng như dòng mở van
10/22/2010 27
10/22/2010 28
10/22/2010 29
 Sẽ tìm hiểu những vấn đề khi muốn tăng công suất 
của các bộ biến đổi theo hướng dòng điện lớn và điện 
áp cao. Phải làm thế nào?
◦ Lĩnh vực ứng dụng công suất nhỏ: rất quan trọng nhưng 
phải có một chương trình khác.
 Sẽ tìm hiểu lĩnh vực ứng dụng quan trọng của ĐTCS 
trong điều khiển hệ thống năng lượng, bù và đảm 
bảo chất lượng điện áp. Đặc biệt liên quan đến lưới 
điện phân tán.
◦ Những ứng dụng rộng rãi của ĐTCS trong điều khiển máy 
điện đã được đề cập đến trong các môn học về Truyền 
động điện. Không đề cập ở đây.
◦ Các bộ biến đổi dùng thyristor trong các bộ chỉnh lưu hay 
những bộ nguồn cho các quá trình công nghệ đã đề cập đầy 
đủ trong chương trình ĐTCS cơ bản.
10/22/2010 30
10/22/2010 31
10/22/2010 32
10/22/2010 33
10/22/2010 34
10/22/2010 35
10/22/2010 36
10/22/2010 37
1. Xác định trạng thái van state 
switch:
◦ Không làm ngắn mạch nguồn áp (tụ C);
◦ Không hở mạch nguồn dòng (cuộn cảm 
L).
2. Với mỗi trạng thái van xác định 
vector trạng thái state vector
3. Xây dựng đồ thị vector không 
gian: các vector biên và các 
sector.
4. Cho vector mong muốn dưới 
dạng hệ tọa độ cực , , 
hoặc dạng tọa độ, . 
5. Tính toán hệ số biến điệu tùy 
theo vị trí của vector mong muốn 
nằm trong sector nào.
6. Lựa chọn tổ hợp van đóng cắt 
phù hợp.
 Sơ đồ nghịch lưu 3 mức
 Trạng thái van được phép:
j
rU e

( , )u u  Ký 
hiệu
Trạng thái van Điện áp
ra
S1x S2x S3x S4x
P 1 1 0 0 E / 2
0 0 1 1 0 0
N 0 0 1 1 – E / 2
10/22/2010 38
Trạng thái van ua ub uc u/E Vectơ
NNN – 000 – PPP 0 0 0 0 V0
P00 – 0NN 1/3E -1/6E -1/6E V1
PP0 – 00N 1/6E 1/6E -1/3E V2
0P0 – N0N -1/6E 1/3E -1/6E V3
0PP – N00 -1/3E 1/6E 1/6E V4
00P – NN0 -1/6E -1/6E 1/3E V5
P0P – 0N0 1/6E -1/3E 1/6E V6
PNN 2/3E -1/3E -1/3E V7
P0N 1/2E 0 -1/2E V8
PPN 1/3E 1/3E -2/3E V9
0PN 0 1/2E -1/2E V10
NPN -1/3E 2/3E -1/3E V11
NP0 -1/2E 1/2E 0 V12
NPP -2/3E 1/3E 1/3E V13
N0P -1/2E 0 1/2E V14
NNP -1/3E -1/3E 2/3E V15
0NP 0 -1/2E 1/2E V16
PNP 1/3E -2/3E 1/3E V17
PN0 1/2E -1/2E 0 V18
 1/ 3 1 0j
 1/3 1/ 2 3 / 2j
 1/3 1/ 2 3 / 2j 
 1/3 1/ 2 0j 
 1/3 1/ 2 3 / 2j 
 1/3 1/ 2 3 / 2j
 2/ 3 1 0j
 1/3 3/ 2 3 / 2j
 2/ 3 1/ 2 3 / 2j
 2/ 3 0 3 / 2j
 2/ 3 1/ 2 3 / 2j 
 1/3 3/ 2 3 / 2j 
 2/ 3 1 0j 
 1/3 3/ 2 3 / 2j 
 2/ 3 1/ 2 3 / 2j 
 2/ 3 0 3 / 2j
 2/ 3 1/ 2 3 / 2j
 1/3 3/ 2 3 / 2j
.
10/22/2010 39
 Quy luật tổng hợp vector đầu 
ra mong muốn khi vector nằm 
trong một tam giác bất kỳ:
◦ u = p3 + d1 + d2,
◦ d1 = d1(p1 – p3); d2 = d2(p2 – p3); d1, 
d2 là tỷ lệ độ dài so với cạnh tương 
ứng của tam giác. 
◦ u = p3 + d1(p1 – p3) + d2(p2 – p3)
◦ u = p3(1 – d1 – d2) + d1p1 + d2p2.
 Vector không gian:
◦ Có 3 loại vector: vector lớn LV, trung 
bình MV, nhỏ SV (và vector không)
◦ 18 vector chia mặt phẳng ra 6 sector 
, mỗi sector chứa 4 tam giác đều.
V1
V2V3
V4
V5 V6
V15 V16 V17
V18
V7
V8
V9V10V11
V12
V13
V14


I
II
III
IV
V
VI
u
d2
d1p3
p2
p1
10/22/2010 40
 Mạch vòng dòng điện đảm bảo đáp ứng của dòng điện như mong 
muốn:
◦ Không sai lệch;
◦ Thời gian đáp ứng trong phạm vi cho phép;
◦ Tần số cắt ωCL < 1/10 ωs
10/22/2010 41
10/22/2010 42
10/22/2010 43
 Dùng bộ điều 
chỉnh PI xoay 
chiều.
10/22/2010 44
 Bộ điều chỉnh PI 
trong hệ tọa độ
tĩnh 0αβ.
 Có sai số tĩnh 
do độ dịch pha 
của tín hiệu 
xoay chiều.
10/22/2010 45
 Bộ điều chỉnh PI 
trong hệ tọa độ
tĩnh 0αβ.
 Không sai số
tĩnh.
 Có liên hệ chéo, 
phức tạp.
10/22/2010 46
 Bộ điều chỉnh 
PI với các 
thành phần 
một chiều.
 Không sai số
tĩnh.
 Phức tạp vì 
cần nhiều 
phép biến đổi 
tọa độ.
10/22/2010 47
 Cách thực 
hiện.
 Lưu ý cấu 
trúc liên hệ
chéo.
10/22/2010 48
 Cấu trúc tương tự  Cấu trúc gián đoạn số
10/22/2010 49
 Phần tỷ lệ P 
không thay đổi 
qua các phép 
quay tọa độ
 Chỉ có khâu 
tích phân I chịu 
tác động của 
phép quay.
 Biến đổi 
Laplace cho 
thấy phần tích 
phân tương 
đương với khâu 
cộng hưởng 
trong hệ tọa độ
tĩnh.
10/22/2010 50
 Tính chất quan trọng:
◦ Không cần nhiều phép biến đổi;
◦ Tác động có tính chọn lọc về tần số;
◦ Thích hợp cho ứng dụng trong lọc tích cực.
◦ Có thể thiết kế nhiều khâu tích phân song song để đảm bảo 
tính lọc cho các sóng hài bậc cao hơn như bậc 5, 7, 11, 
10/22/2010 51
 Đáp ứng của bộ điều chỉnh 
PI thông thường: 
◦ Có sai số tĩnh do lệch pha
 Đáp ứng của bộ điều chỉnh 
PI cộng hưởng: 
◦ Không sai số tĩnh
◦ Đáp ứng còn chậm do các sóng 
hài bậc cao. Có thể cải thiện đặc 
tính nếu thêm vào các mắt lọc 
bậc cao hơn.
10/22/2010 52
 Vai trò của các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống năng lượng
 Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng
 Lý thuyết tính toán dòng công suất 
10/22/2010 53
10/22/2010 54
10/22/2010 55