Power Electronics – Khái niệm về Điện tử công suất

Điện tử công suất là một ngành kỹ thuật điện hiện đại đã phát triển đáng kể và tác động đến nhiều lĩnh vực trong cuộc sống của chúng ta. Chúng ta sử dụng nhiều ứng dụng điện tử công suất hàng ngày mà không hề nhận ra. Vậy chính xác thì điện tử công suất là gì?

Điện tử công suất được định nghĩa là một lĩnh vực kết hợp kỹ thuật điện, điện tử tương tự, thiết bị bán dẫn và hệ thống điều khiển. Nó lấy các nguyên lý từ mỗi lĩnh vực để điều chỉnh năng lượng điện. Năng lượng điện trở nên hữu ích khi được chuyển đổi thành các dạng như chuyển động, ánh sáng, âm thanh hoặc nhiệt. Bằng cách điều chỉnh năng lượng điện, chúng ta có thể kiểm soát các dạng khác nhau này một cách hiệu quả.

Chúng ta có thể bắt nguồn sự tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực này từ sự phát triển của thyristor thương mại hoặc bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon (SCR) của General Electric Co vào năm 1958. Trước đó, việc kiểm soát năng lượng điện chủ yếu được thực hiện bằng thyratron và bộ chỉnh lưu hồ quang thủy ngân hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng vật lý trong khí và hơi.

Sau SCR, nhiều thiết bị điện tử công suất như GTO, IGBT, SIT, MCT, TRIAC, DIAC, IEGT và IGCT đã xuất hiện. Các thiết bị này có thể xử lý hàng trăm vôn và ampe, không giống như các thiết bị mức tín hiệu chỉ hoạt động ở vài vôn và miliampe.

Để đạt được mục đích của điện tử công suất, các thiết bị này được chế tạo để hoạt động như một công tắc. Tất cả các thiết bị điện tử công suất hoạt động như một công tắc và có hai chế độ, tức là BẬT (ON) và TẮT (OFF).

Ví dụ, một BJT (Transitor lưỡng cực) có ba vùng hoạt động ở các đặc tính đầu ra là cắt (cut-off), hoạt động (active) và bão hòa (saturation). Trong các thiết bị điện tử tương tự, trong đó BJT được cho là hoạt động như một bộ khuếch đại, mạch được thiết kế để phân cực nó trong vùng hoạt động tích cực. Tuy nhiên, trong điện tử công suất, BJT sẽ hoạt động ở vùng cắt khi nó TẮT và ở vùng bão hòa khi BẬT.

Giờ đây, các thiết bị được yêu cầu hoạt động như một công tắc, chúng phải tuân theo đặc tính cơ bản của công tắc, tức là khi công tắc BẬT, điện áp rơi trên nó bằng 0 và mang toàn bộ dòng điện qua nó, còn khi nó ở trạng thái TẮT , nó có điện áp rơi hoàn toàn trên nó và dòng điện chạy qua nó bằng không. Hình bên dưới mô tả tuyên bố trên:

Vì ở cả hai chế độ, đại lượng V hoặc I đều bằng 0 nên công suất chuyển mạch cũng luôn bằng 0. Đặc điểm này dễ hình dung trong công tắc cơ học và cũng phải tuân theo trong công tắc điện tử công suất.

Tuy nhiên, trên thực tế luôn tồn tại dòng điện rò rỉ qua các thiết bị khi ở trạng thái TẮT, tức là I_rò ≠ 0 và luôn có sự sụt áp thuận khi ở trạng thái BẬT, tức là V_ON ≠ 0. Tuy nhiên, độ lớn của V_ON hoặc I_rò rất nhỏ và do đó công suất trên thiết bị cũng rất nhỏ, ở mức vài millwatt.

Năng lượng này bị tiêu tán trong thiết bị và do đó việc tản nhiệt thích hợp khỏi thiết bị là một khía cạnh quan trọng. Ngoài tổn thất trạng thái BẬT và trạng thái TẮT này, còn có tổn thất chuyển mạch trong các thiết bị điện tử công suất. Điều này chủ yếu xảy ra khi công tắc chuyển từ chế độ này sang chế độ khác và V và I trên thiết bị thay đổi. Trong điện tử công suất, cả hai tổn thất đều là thông số quan trọng của bất kỳ thiết bị nào và cần thiết để xác định định mức điện áp và dòng điện của thiết bị.

Các thiết bị điện tử công suất cần có thêm các mạch và linh kiện để có thể sử dụng được trong các ứng dụng thực tế. Các linh kiện này hoạt động như những người ra quyết định, điều khiển các công tắc điện tử công suất để đạt được đầu ra mong muốn. Điều này bao gồm các mạch kích hoạt (firing circuit) và phản hồi (feedback circuit).

Thiết bị Điều khiển lấy phản hồi đầu ra từ các cảm biến và so sánh nó với các tham chiếu và từ đó cung cấp đầu vào cho mạch kích hoạt. Mạch kích hoạt về cơ bản là một mạch tạo xung cung cấp đầu ra xung theo kiểu để điều khiển các công tắc điện tử công suất trong khối mạch chính.

Kết quả thực là tải nhận được năng lượng điện mong muốn và do đó mang lại kết quả mong muốn. Một ví dụ điển hình của hệ thống trên là việc điều khiển tốc độ của động cơ.

Về cơ bản có năm loại mạch điện tử công suất, mỗi loại có mục đích khác nhau:

• Bộ chỉnh lưu – chuyển đổi AC cố định thành DC biến đổi (như bộ chỉnh lưu nửa sóng hoặc bộ chỉnh lưu toàn sóng)
• Choppers – chuyển đổi DC cố định thành DC biến đổi
• Biến tần (Inverter)– chuyển đổi DC thành AC có biên độ thay đổi và tần số thay đổi
• Bộ điều chỉnh điện áp – chuyển đổi AC cố định thành AC biến đổi ở cùng tần số đầu vào
• Cycloconverter – chuyển đổi AC cố định thành AC có tần số thay đổi