Đề thi, bài tập trắc nghiệm online Điện tử công suất – Đề 13

MOSFET công suất có ưu điểm vượt trội so với BJT công suất về tốc độ chuyển mạch. MOSFET là linh kiện điều khiển điện áp, có trở kháng vào lớn, dễ dàng chuyển mạch ở tần số cao và có tổn thất chuyển mạch thấp hơn đáng kể so với BJT (linh kiện điều khiển dòng điện).

Bộ biến tần (VFD) sử dụng công nghệ điện tử công suất để thay đổi tần số và điện áp cung cấp cho động cơ AC. Bằng cách điều chỉnh tần số, VFD cho phép điều khiển tốc độ động cơ một cách linh hoạt và hiệu quả, đồng thời cũng có thể điều khiển mô-men xoắn.

PWM là kỹ thuật điều khiển bằng cách thay đổi độ rộng của xung vuông để điều chỉnh công suất trung bình cung cấp cho tải. Trong điện tử công suất, PWM được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra của các bộ biến đổi bằng cách kiểm soát chu kỳ làm việc của các khóa bán dẫn.

Điện tử công suất đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm phát thải trong nhiều lĩnh vực. Từ điều khiển động cơ trong công nghiệp thép, phát triển xe điện và tàu điện trong giao thông vận tải, đến chiếu sáng LED hiệu quả, điện tử công suất là công nghệ nền tảng thúc đẩy sự phát triển bền vững trong nhiều ngành.

Hệ số công suất (PF) là tỷ số giữa công suất tác dụng (P - công suất thực tế tiêu thụ bởi tải, tính bằng Watt) và công suất biểu kiến (S - công suất toàn phần cung cấp cho mạch, tính bằng Volt-Ampe). PF = P/S. Hệ số công suất càng cao (gần 1), hiệu quả sử dụng điện càng tốt.

Cầu chì là một linh kiện bảo vệ quá dòng đơn giản và hiệu quả. Khi dòng điện vượt quá giá trị định mức, dây chảy trong cầu chì sẽ nóng lên và đứt, ngắt mạch và bảo vệ các linh kiện khác khỏi hư hỏng do quá dòng. Các linh kiện khác như thermistor, varistor, diode Zener có chức năng bảo vệ khác (bảo vệ quá nhiệt, quá áp).

Điện tử công suất tập trung vào việc chuyển đổi và điều khiển năng lượng điện. Các ứng dụng chính bao gồm điều khiển động cơ, nguồn điện, và hệ thống năng lượng tái tạo. Truyền thông dữ liệu tốc độ cao thuộc lĩnh vực điện tử viễn thông và thông tin, không phải là ứng dụng cốt lõi của điện tử công suất.

Mạch chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng 6 diode để chỉnh lưu toàn sóng dòng điện xoay chiều ba pha. Mỗi pha cần hai diode để dẫn dòng trong cả chu kỳ dương và âm, tổng cộng 6 diode cho ba pha.

Bộ nghịch lưu (Inverter) thực hiện chức năng chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC). Đây là thành phần quan trọng trong các hệ thống điện mặt trời hòa lưới, UPS, và truyền động điện xoay chiều.

Khi tần số chuyển mạch tăng, tổn thất chuyển mạch (switching losses) có xu hướng tăng lên, có thể làm giảm hiệu suất. Tuy nhiên, tần số chuyển mạch cao hơn cũng có thể cho phép sử dụng các linh kiện thụ động (cuộn cảm, tụ điện) nhỏ hơn, giảm kích thước và trọng lượng mạch, và đôi khi có thể cải thiện hiệu suất trong một số thiết kế cụ thể nếu tổn thất lõi và tổn thất dẫn được tối ưu hóa.

Tụ lọc đầu ra trong mạch chỉnh lưu được sử dụng để tích trữ năng lượng khi điện áp đầu vào giảm và giải phóng năng lượng khi điện áp đầu vào tăng. Quá trình này giúp san bằng sự biến thiên của điện áp DC đầu ra, giảm độ gợn sóng (ripple) và tạo ra điện áp DC ổn định hơn.

Góc kích (firing angle) trong mạch chỉnh lưu thyristor điều khiển thời điểm thyristor bắt đầu dẫn điện trong mỗi chu kỳ. Bằng cách thay đổi góc kích, ta có thể điều chỉnh lượng năng lượng được truyền đến tải, do đó điều khiển được giá trị trung bình của điện áp DC đầu ra.

Bộ biến đổi Cycloconverter là loại bộ biến đổi AC-AC trực tiếp, cho phép thay đổi tần số của nguồn điện xoay chiều đầu vào thành tần số khác ở đầu ra. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng truyền động động cơ AC công suất lớn, tốc độ chậm.

Bộ biến đổi Boost hoạt động dựa trên nguyên lý tích lũy năng lượng vào cuộn cảm khi khóa bán dẫn dẫn và giải phóng năng lượng này ra tải khi khóa bán dẫn ngắt. Quá trình này làm tăng điện áp đầu ra so với điện áp đầu vào.

Điện trở, tụ điện và cuộn cảm là các linh kiện thụ động, không có khả năng khuếch đại hoặc điều khiển dòng điện bằng tín hiệu bên ngoài. Thyristor là linh kiện bán dẫn chủ động, có khả năng chuyển mạch và điều khiển dòng điện, thuộc nhóm linh kiện bán dẫn công suất.

Bộ biến đổi Flyback là một loại bộ biến đổi DC-DC cách ly, có khả năng hoạt động như cả bộ Buck (giảm áp) và Boost (tăng áp). Tùy thuộc vào chu kỳ làm việc, điện áp đầu ra có thể được điều chỉnh để cao hơn, thấp hơn hoặc bằng điện áp đầu vào.

Bộ điều khiển PID là một thuật toán điều khiển phản hồi phổ biến được sử dụng để điều khiển chính xác và ổn định các quá trình, bao gồm điều khiển tốc độ động cơ DC. PID controller liên tục tính toán sai lệch giữa tốc độ đặt và tốc độ thực tế, và điều chỉnh tín hiệu điều khiển (ví dụ, chu kỳ làm việc PWM) để giảm thiểu sai lệch này.

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng là thông số quan trọng bậc nhất để đánh giá bộ biến đổi điện tử công suất. Nó thể hiện tỷ lệ giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào, cho biết mức độ tổn hao năng lượng trong quá trình chuyển đổi. Hiệu suất càng cao, bộ biến đổi càng hoạt động hiệu quả.

Bộ biến đổi Buck (Buck converter) là loại bộ biến đổi DC-DC được thiết kế để giảm điện áp đầu vào DC xuống điện áp đầu ra DC thấp hơn. Tên gọi 'Buck' xuất phát từ việc nó 'hạ thấp' điện áp.

Khi khóa bán dẫn ngắt dòng điện qua tải cảm, năng lượng từ trường trong cuộn cảm sẽ tạo ra điện áp ngược. Diode flyback cung cấp một đường dẫn cho dòng điện này tiếp tục lưu thông, ngăn chặn sự tăng vọt điện áp ngược có thể gây hỏng khóa bán dẫn.

IGBT kết hợp ưu điểm của cả MOSFET (điều khiển bằng điện áp, dễ dàng điều khiển, trở kháng vào lớn) và BJT (khả năng chịu dòng điện và điện áp cao). Điều này làm cho IGBT trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công suất trung và cao, nơi cần cả khả năng chuyển mạch và chịu đựng công suất lớn.

Bộ biến đổi cộng hưởng sử dụng các kỹ thuật chuyển mạch mềm (soft switching), cho phép các khóa bán dẫn chuyển mạch tại thời điểm điện áp hoặc dòng điện bằng không. Điều này giúp giảm đáng kể tổn thất chuyển mạch, tăng hiệu suất và giảm nhiễu điện từ so với bộ biến đổi PWM sử dụng chuyển mạch cứng (hard switching).

Thyristor là linh kiện bán dẫn được kích dẫn bằng dòng điện vào cực cổng (gate current). Khi có dòng điện kích đủ lớn vào cổng, thyristor sẽ chuyển sang trạng thái dẫn và duy trì trạng thái này cho đến khi dòng điện qua nó giảm xuống dưới giá trị dòng duy trì.

Bóng bán dẫn công suất, như Diode công suất, Transistor công suất (MOSFET, IGBT, BJT), Thyristor, là các linh kiện bán dẫn được thiết kế để chuyển mạch hoặc điều khiển dòng điện và điện áp lớn, là nền tảng của điện tử công suất.

Các phương pháp làm mát khác nhau được sử dụng tùy thuộc vào mức công suất và yêu cầu tản nhiệt. Đối lưu tự nhiên phù hợp cho công suất thấp. Đối lưu cưỡng bức (quạt) phổ biến cho công suất trung bình. Làm mát bằng chất lỏng hiệu quả nhất cho công suất lớn và môi trường khắc nghiệt. Do đó, tất cả các phương pháp đều có thể được sử dụng.

Biến áp cách ly được sử dụng để tạo ra sự cách ly điện giữa mạch đầu vào và đầu ra của nguồn điện. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng y tế, công nghiệp và gia dụng để bảo vệ người dùng khỏi nguy cơ điện giật và giảm nhiễu truyền từ mạch này sang mạch khác.

MOSFET công suất có tốc độ chuyển mạch rất nhanh và tổn thất chuyển mạch thấp, làm cho chúng lý tưởng cho các ứng dụng chuyển mạch tần số cao trong điện tử công suất. Thyristor và BJT có tốc độ chuyển mạch chậm hơn và thường được sử dụng trong các ứng dụng tần số thấp hoặc trung bình.

Trong hệ thống điện mặt trời hòa lưới, bộ biến đổi (inverter) có chức năng quan trọng là chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) được tạo ra từ các tấm pin mặt trời thành dòng điện xoay chiều (AC) có dạng sóng và tần số phù hợp với lưới điện quốc gia, cho phép năng lượng mặt trời được hòa vào lưới điện và sử dụng rộng rãi.

Bộ chỉnh lưu có chức năng chính là biến đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC), là một khối chức năng quan trọng trong các nguồn điện một chiều và nhiều ứng dụng khác.

Mạch snubber được thiết kế để hạn chế tốc độ thay đổi điện áp (dv/dt) và dòng điện (di/dt) khi các khóa bán dẫn (như transistor, diode) chuyển mạch. Điều này giúp bảo vệ các linh kiện khỏi các xung điện áp và dòng điện nguy hiểm, tăng độ tin cậy của hệ thống.