BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ
o0o

BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU

“TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ
KỸ THUẬT CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT”

Thuộc đề tài cấp nhà nước

“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ
CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ”
(Ứng dụng điện tử công suất lớn)
Mã số: KC.06.23.CN
Chủ nhiệm Đề tài: Th.s Nguyễn Văn Thắng

Thực hiện chuyên đề: THS. NGUYỄN VĂN THẮNG


c. Transistor trờng, Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect.) (Transistor mos
công suất) 18

d. MCT (Mos Controlled Thyristor) 20
2.6. So sánh tơng đối giữa các phần tử bán dẫn công suất 20
III. ứng dụng 21
3.1. Mạch chỉnh lu: 21
3.1.1. Giới thiệu chung về mạch chỉnh lu: 21
3.1.2. Các mạch chỉnh lu cơ bản 24
3.2. Các bộ biến đổi xung áp một chiều 42
3.2.1. Bộ biến đổi giảm điện áp (băm xung nối tiếp) 43
3.2.2. Bộ biến đổi tăng áp (băm xung song song) 43
3.2.3. Bộ biến đổi xung áp một chiều có đảo chiều dòng điện 44
3.2.4.Bộ băm xung đảo chiều điện áp nhng không đảo chiều dòng điện 46
3.2.5. Bộ băm xung đảo chiều cả điện áp và dòng điện 46
3.3. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 48
3.3.1. Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều một pha: 48
3.3.2. Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều ba pha 50
3.4. Nghịch lu độc lập 52
3.3.1. Sơ đồ nghịch lu độc lập nguồn điện áp cầu một pha tải có tính chất cảm kháng
52

3.3.2. Sơ đồ nghịch lu độc lập nguồn dòng điện cầu một pha tải cảm kháng 54
3.3.3. Nghịch lu dòng ba pha tải cảm dùng Thyristor thờng. 55
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 2
3.3.4. Nghịch lu áp ba pha sử dụng van điều khiển hoàn toàn 57
3.5. Thiết bị biến tần 60

cơ, máy móc tàu thuỷ nhằm giải quyết các yêu cầu đó đồng thời ứng dụng những kỹ
thuật hiện đại nhất trên thế giới, đa ngành công nghiệp tàu thuỷ nớc nhà phát triển.
Trong giới hạn chuyên đề này chúng tôi chỉ trình bày tổng quan về các phần tử
công suất lớn áp dụng trong lĩnh vực điều khiển các thiết bị có công suất lớn trên tàu
thuỷ.
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 4
I. Khái niệm chung và yêu cầu của các phần tử công suất lớn.
1.1.Khái niệm chung:
Trớc tiên ta phải làm rõ các phần tử công suất lớn là gì ?.
Có thể hiểu 1 cách định tính các phần tử công suất là các linh kiện hay một thiết
bị công suất trong một hệ thống điều khiển nh: thiết bị truyền tải, điều khiển hay
chuyển đổi năng lợng từ dạng này sang dạng khác.
Từ khi các phần tử công suất lớn ra đời cho đến nay đã làm thay đổi hoàn toàn
cách nhìn nhận trong việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống và ngày càng đi sâu
vào mọi mặt của nền kinh tế công nghiệp và kinh tế dân dụng nó đã góp phần nâng
cao năng suất lao động cũng nh hiệu quả kinh tế.Trong các lĩnh vực công nghiệp hay
dân dụng đều áp dụng các phần tử công suất nh : Các động cơ trong điều khiển các
dây truyền với hàng trăm KW, các thiết bị nâng hạ trong công nghiệp và trong dân
dụng, các thiết bị truyền tải điện, hay thiết bị chuyển đổi điện áp một chiều, xoay
chiều với công suất lớn. Đặc biệt nh các thiết bị công suất lớn trên tàu thuỷ nh: Cần
cẩu, tời neo, máy lái, thang mạn
1.2. Nhu cầu thực tế đòi hỏi: Sự cần thiết phải phát triển công nghệ chế tạo
PTCS.
Nh ta đã biết: Việc điều khiển các thiết bị có công suất lớn trong một hệ thống
truyền dộng có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản
xuất. Đặc biệt trong thời đại phát triển công nghiệp, điều khiển và tự động hoá nh
hiện nay, các hệ truyền động với các phần tử công suất lớn góp phần quan trọng trong

điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ bộ biến đổi và
phụ thuộc cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Nh vậy hiệu suất của các
bộ biến đổi phụ thuộc trớc hết vào tổn thất trên các van bán dẫn, trong quá trình làm
việc tổn thất này bằng tích của dòng điện chạy qua van với điện áp rơi trên van.
Công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn ngày nay đã đạt đợc những bớc tiến
bộ vợt bậc, với việc cho ra đời những phần tử kích thớc này càng nhỏ gọn, khả năng
đóng cắt dòng điện và chịu điện áp cao ngày càng lớn với tổn hao công suất giảm đáng
kể, ngày càng đáp ứng những yêu cầu phức tạp của các quy luật biến đổi năng lợng
trong các bộ biến đổi. Sự phát triển của các phần tử bán dẫn có vai trò quyết định cho
sự phát triển của Điện tử công suất, góp phần tạo ra nhiều chủng loại bộ biến đổi với
những ứng dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp và trong cuộc sống.
Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn là
điều vô cùng quan trọng để có thể sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của các phần
tử bán dẫn trong các ứng dụng cụ thể. Tính năng kỹ thuật chủ yếu của các phần tử bán
dẫn công suất thể hiện qua khả năng đóng cắt dòng điện, khả năng chịu điện áp và các
đặc tính liên quan đến quá trình đóng cắt cũng nh vấn đề điều khiển chúng. Trớc hết
ta cần thấy rằng các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung,
đó là:
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 6
* Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua
thì có điện trở tơng đơng rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện tở
tơng đơng rất lớn. Nhờ đó tổn hao công suất trong quá trình làm việc bằng tích của
dòng điện chạy qua với điện áp rơi trên phần tử sẽ có giá trị rất nhỏ.
* Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử đợc đặt dới điện
áp phân cực thuận. Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngợc, dòng qua phần tử chỉ
có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò.
Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn đợc phân loại thành:

cho lớp tiếp giáp hẹp lại khiến nó trở thành dẫn điện. Khi đó ta nói mặt ghép p - n
đợc phân cực thuận.
+ Ngợc lại nếu đặt vào hai mặt ghép p-n một điện trờng ngoài E trùng với điện
trờng nội tại E
i
thì điện trờng tổng sẽ có chiều trùng với điện trờng nội E
i
làm ngăn
cản sự di chuyển của điện tích đa số dễ dàng cho sự di chuyển của điện tích thiểu số.
Khi đó lớp tiếp giáp tăng lên làm tăng tính cách điện. Ngời ta nói mặt ghép bị phân
cực ngợc.
Đặc tính Vôn-Ampe của Diode:
+ Vùng I là khi đặt vào Anot một điện áp dơng so với Catot khi đó Diode đợc đặt
điện áp thuận nên Diode sẽ thông, có dòng điện chạy qua và tạo nên một điện áp rơi
khoảng 0,7V.
+ Vùng II là khi đặt một điện áp ngợc lên Diode : Diode bị khoá, chỉ có dòng điện rò
cỡ mA có thể chạy qua.
+ Vùng III là khi đặt điện áp ngợc lớn hơn ngỡng (cực đại) mà Diode có thể chịu
đợc khi đó hàng rào điện thế bị chọc thủng. Ngời ta gọi Diode bị đánh thủng và mất
tính dẫn điện một chiều.
U (V)
I (A)
I
II
III
0
Điện áp rơi
Dòng điện rò
Điện áp chọc thủng
Hình 1.3. Đặc tính V - A của Diode

1
và J
3
đợc phân
cực thuận, J
2
bị phân cực ngợc. Gần nh toàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J
2
.
Điện trờng nội tại E
i
của J
2
có chiều từ n
1
hớng về p
2
. Điện trờng ngoài tác động
cùng chiều E
i
, vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng rộng ra, không có dòng
điện chạy qua Thyristor.
+ Mở Thyristor:
Điều kiện cần trớc tiên để mở Thyristor là Thyristor phải đợc phân cực thuận
(tức là U
AK
> 0), khi đó có hai cách để mở Thyristor:
*Cách thứ nhất là tăng dần điện áp U
AK
cho đến khi đạt đến điện áp thuận lớn

bị phân cực ngợc, J
2
lại đợc phân cực thuận. Các điện tử đảo chiều chuyển
động tạo nên dòng điện ngợc chảy từ Catôt về Anot, về cực âm của nguồn điện áp
ngoài.
Thời gian khoá t
off
tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngợc (t
0
) cho đến khi
dòng điện ngợc bằng 0 (t
2
). Đấy là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặt điện áp
thuận lên Thyristor, Thyristor cũng không thể mở. (t
off
cỡ khoảng vài chục às).
- Đặc tính V-A của Thyristor:
Đặc tính V-A của Thyristor gồm 4 đoạn:
Đoạn 1: là trạng thái
Thyristor bị khoá, chỉ có dòng
điện rò chạy qua
Đoạn 2: là giai đoạn phân cực
thuận của J
2
. Trong giai đoạn
này mỗi một lợng tăng nhỏ của
dòng điện ứng với một lợng
giảm lớn của điện áp đặt trên
Thyristor gọi là đoạn điện trở âm.
Đoạn 3: là trạng thái

nhất định về điện áp. Thờng bằng 1,2
ữ 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp
trên sơ đồ đó.
+ Thời gian phục hồi tính chất khoá của Thyristor t
r
(às):
Thời gian phục hồi là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên A-K của
Thyristor. Sau khi dòng I
A-K
= 0, để sau đó nếu đặt U
AK
> 0 thì Thyristor vẫn khoá, t
r
là
thông số rất quan trọng.
+ Tốc độ tăng điện áp cho phép,
dt
du
(V/às):
Khi tốc độ tăng điện áp đặt vào A-K quá lớn làm cho Thyristor có thể mở ra mà
không cần tín hiệu điều khiển vào cực G. Với các Thyristor tần số làm việc khác nhau
thì có tốc độ tăng điện áp cho phép khác nhau. Với Thyristor tần số thấp,
dt
du
cỡ 50 ữ
200V/
às; với các Thyristor tần số cao
dt
du
cỡ 500 ữ 2000 V/às. Để bảo vệ tốc độ tăng

ng
, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dơng. Vì
vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua triac sử dụng xung điều
khiển âm là tốt hơn cả.
Triac chỉ bị khoá khi I
g
= 0 và điện áp đặt vào hai cực bé hơn U
ng
.

2.5. Phần tử công suất điều khiển hoàn toàn
Van điều khiển hoàn toàn là loại van có thể mở và khoá bằng tín hiệu điều khiển
phát vào cực điều khiển.
a. Transistor công suất, BJT (Bipolar Junction Tranzitor)

p
n
(E)
(C)
Emitter
Colector
n
(B)
Base
C
E
B
npn
n
p

I
B
(

là hệ số khuếch đại). Chế độ
này thờng hay đợc sử dụng trong các mạch điện tử thông thờng.
+ Chế độ đóng cắt : thờng đợc sử dụng trong điện tử công suất. Tức là khi
dòng điều khiển I
B
>

1
I
C
(thờng I
B
= k
bh

1
I
C
, k
bh
= 1,2
ữ
1,5) thì transistor sẽ làm
việc ở chế độ bão hoà và điện áp rơi trên transistor U
CE.bh
= (1

17
suất ngời ta đã sử dụng loại Thyristor có thể điều khiển khoá (GTO) gọi là van điều
khiển hoàn toàn, chúng ta có thể chủ động mở và khoá bằng tín hiệu điều khiển đa
vào cực điều khiển.
Cấu trúc, ký hiệu :
+
n
A
K
Anode
Cathode
+
p
+
n
+
n
+
p
+
p
+
p
n
p
+
n
+
n
+

đợc phân cực thuận và J
2
bị phân cực ngợc
nh Thyristor. Tuy nhiên nếu U
AK
< 0 thì tiép giáp P
+
- n ở lớp tiếp giáp J
1
sẽ bị đánh
thủng ngay ở điện áp rất thấp. Điều đó có nghĩa GTO không thể chịu đợc điện áp
ngợc. Vì vậy ngời ta thờng nối tiếp GTO với một Diode để chống điện áp ngợc.
Cũng giống nh điều khiển mở Thyristor, GTO cũng đợc điều khiển mở bằng
cách cho dòng vào cực điều khiển. Tuy nhiên điểm khác nhau là dòng điều khiển duy
trì (I
H
) ở GTO cao hơn Thyristor thờng. Do đó dòng điều khiển phải có biên độ lớn
hơn và duy trì trong thời gian dài hơn để dòng qua GT0 kịp vợt xa giá trị dòng duy
trì.
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 18
Khoá GT0 bằng cách lấy ra một xung dòng từ cực điều khiển. Khi đó dòng Anot
sẽ bị giảm cho đến khi về không, dòng điều khiển phải đợc duy trì một thời gian ngắn
để GTO phục hồi tính chất khoá.
c. Transistor trờng, Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect.) (Transistor
mos công suất)
Mosfet đợc chế tạo theo công nghệ Mos (Metal - Oxide - Semiconductor)
thờng gọi là Transistor Mos công suất, đợc sử dụng nh những chuyển mạch điện tử

) dơng tới vài trăm vôn.
+ Khi U
GS
> 3V transistor MOS trở nên dẫn dòng tải: thông thờng ngời ta
điều khiển MOSFet bằng điện áp điều khiển cỡ 15V để làm giảm điện áp rơi trên D và
S.
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 19
+ Transistor MOS có đặc điểm tác động rất nhanh, có thể đóng, mở với tần số
hơn 100kHZ. Khi Transistor MOS dẫn dòng thì điện trở của nó khoảng 0,1

đối với
MOS - 1000V, và khoảng 1
đối với MOS - 500V.
d.IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)-Transistor có cực điều khiển cách ly:
IGBT là loại van công suất kết hợp công nghệ MOS Fet và Bipolar Transistor để
đợc đặc tính điều khiển của MOS Fet (đóng cắt nhanh) và đặc tính ra của Bipolar
Transistor (có khả năng chịu dòng lớn) với những tính năng đặc biệt của công nghệ
IGBT mà hiện nay trong hầu hết các bộ năng lợng có công suất lớn đều sử dụng van
bán dẫn IGBT điều khiẻn hoàn toàn.
Về mặt điều khiển, IGBT gần nh giống hoàn toàn MOS Fet, nghĩa là đợc điều
khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ.
Ký hiệu và đặc tính ra: Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống MOS Fet, điểm khác nhau là có thêm lớp P
nối với Colector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitter (tơng tự cực gốc) với
colector (tơng tự với cực máng), không phải là n-n nh ở MOS Fet. Có thể coi IGBT

Nếu lý tởng các phần tử điện tử công suất không có giới hạn về điều kiện làm
việc. Tuy nhiên thực tế do vật liệu và công nghệ chế tạo mà mỗi loại van khác nhau có
các điều kiện làm việc khác nhau. Tuỳ thuộc vào các ứng dụng cụ thể mà ta sử dụng
các loại van phù hợp.
Từ bảng giới hạn của các van ta thấy Thyristor và GTO là những phần tử làm
việc ở dải tần số thấp nhất dới 1kHz, Tuy nhiên chúng đợc chế tạo để làm việc với
điện áp và dòng điện lớn. Thyristor thờng đợc ứng dụng trong các mạch chỉnh lu,
trong đó các van sẽ chuyển mạch tự nhiên dới tác dụng của điện áp lới xoay chiều
tần số 50 - 60 Hz. GTO là bớc cải tiến từ Thyristor, là loại van điều khiển hoàn toàn
có khả năng làm việc ở tần số cao hơn Thyristor. GTO đợc ứng dụng trong các bộ
biến tần với công suất lớn đến cực lớn hàng MW.
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 21
MosFet là loại van bán dẫn có tần số làm việc cao nhất tới 1MHz, tuy nhiên do
điện trở thuận khi dẫn dòng lớn nên MosFet chỉ phù hợp với dòng điện cỡ 200A trở
xuống và điện áp dới 1kV.
Các BJT có u thế hơn MosFet về dòng điện làm việc và điện áp cao hơn, tới
750A và 1500V.Tuy nhiên BJT đang dần bị thay thế bởi IGBT. IGBT có khả năng
đóng cắt dòng tới 2000A và điện áp tới 2000V, tần số làm việc lên tới 100kHz . IGBT
là sự kết hợp các u thế của Mosfet và BJT.
MCT là phần tử bán dẫn loại mới, đang đợc nghiên cứu. Trong tơng lai phần
tử này có thể đợc chế tạo để chịu đợc dòng lên tới 3000A, điện áp 3000V và có
thể chịu đợc tần số lên tới 100kHz

III. ứng dụng
Mỗi phần tử bán dẫn công suất có tác dụng ứng dụng đợc điện tử công suất
nh một khoá đóng cắt đơn lẻ. Vì vậy để có thể cho các hệ truyền động thì cần phải
kết hợp các phần tử bán dẫn công suất thành các thiết bị lớn mà ngời ta gọi là thiết bị

là điện áp ngợc cực đại mà van chịu đợc khi làm việc
T
r
: là thời gian phục hồi tính chất khoá của van
+ Công suất biến áp:

2
SS
S
21
ba
+
=
(4)
Trong đó:
S
1
= U
1
I
1

S
2
=

=
n
1i
2i2i

+ Chỉnh lu không điều khiển là loại chỉnh lu dùng toàn diode, điện áp ra là
một chiều cố định U
d
= k
sđ
U
2
.
+ Chỉnh lu có điều khiển là loại chỉnh lu mà trong sơ đồ có sử dụng các loại
van bán dẫn có thể điều khiển Thyristor (đôi khi transistor) bằng cách thay đổi góc mở

của van mà ngời ta có thể thay đổi đợc điện áp một chiều
+ Đối với chỉnh lu có điều khiển thì điều ngời ta quan tâm đầu tiên là góc mở

. Điểm khác biệt của sơ đồ dùng van bán dẫn điều khiển đợc so với sơ đồ không
điều khiển đợc là ở chỗ ngời ta hoàn toàn có thể qui định đợc thời điểm mở của
Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 24
van bán dẫn trong khi diode lại không thể qui định. Bởi vì để mở đợc Thyristor cần
có đồng thời hai điều kiện:
* Điều kiện thứ nhất là: điện áp trên van phải dơng (U
AK
>0), điều kiện này
hoàn toàn nh diode
*Điều kiện thứ hai là có dòng điều khiển đủ mạnh tác động vào cực điều khiển
của nó, điều khiển này ở diode không có. Do đó sử dụng điều kiện thứ hai ta có thể
khống chế đợc thời điểm mở của Thyristor theo ý muốn. Và để thể hiện trong mạch
điều này, ngời ta sử dụng khả năng góc điều khiển

u
R
u
i
t
R
t
t
t
==
điện áp rơi trên Diot u
D
= 0.
Trong khoảng thời gian từ

<

< 2

, điện áp u
2
< 0 u
AK
< 0 Diot D
không thông, không cho dòng tải chạy qua: u
t
= 0, i
t
= 0, u
D

U
I
2d
d
== (6)