Điện tử công suất là một trong những môn học quan trọng của kỹ thuật điện, một ngành kỹ thuật vốn đã có rất nhiều tiến bộ trong thời gian gần đây và đã tác động đến cuộc sống con người trong hầu hết mọi lĩnh vực. Bản thân chúng ta sử dụng rất nhiều ứng dụng điện tử công suất trong cuộc sống hàng ngày mà không hề nhận ra.
Chúng ta có thể định nghĩa điện tử công suất là một môn học kết hợp giữa kỹ thuật điện, điện tử tương tự, linh kiện bán dẫn và hệ thống điều khiển. Chúng ta dựa vào các nguyên lý cơ bản của mỗi môn học và áp dụng nó một cách hỗn hợp để có được một dạng năng lượng điện được điều chỉnh. Bản thân năng lượng điện không thể sử dụng được cho đến khi nó được chuyển hóa thành dạng năng lượng hữu hình như chuyển động, ánh sáng, âm thanh, nhiệt, v.v … Để điều chỉnh các dạng năng lượng này, một cách hiệu quả là điều chỉnh chính năng lượng điện và đó cũng chính là nhiệm vụ của điện tử công suất.
Chúng ta có thể thấy được sự tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực điện tử công suất khi nhìn lại sự phát triển của thyristor thương mại hoặc Silicon Controlled Rectifier (SCR) của công ty General Electric vào năm 1958. Trước đó, việc điều khiển năng lượng điện chủ yếu được thực hiện bằng cách sử dụng thyratron và các bộ chỉnh lưu thủy ngân hoạt động trên nguyên lý của các hiện tượng vật lý trong chất khí và hơi.
Sau SCR, nhiều linh kiện điện tử công suất lớn đã ra đời như GTO, IGBT, SIT, MCT, TRIAC, DIAC, IEGT, IGCT, v.v. Các linh kiện này có thông số định mức lớn, đến hàng vài ngàn vôn và ampe, không giống như các linh kiện điện tử tín hiệu với mức tín hiệu hoạt động chỉ vài vôn và mili ampe.
Để đạt được mục đích của điện tử công suất, các linh kiện được chế tạo để hoạt động như một công tắc. Tất cả các linh kiện điện tử công suất hoạt động giống như một công tắc và có hai chế độ, đó là TẮT và DẪN.
Chúng ta biết rằng, một transistor lưỡng cực BJT có ba vùng hoạt động trong đặc tính ngõ ra của nó, đó là vùng tắt, vùng khuếch đại và vùng bão hòa. Trong điện tử tương tự, chúng ta có thể phân cực cho BJT để nó hoạt động trong vùng khuếch đại. Tuy nhiên, trong điện tử công suất, BJT chỉ hoạt động trong vùng tắt khi nó ngưng dẫn và trong vùng bão hòa khi nó dẫn điện.
Khi các linh kiện hoạt động như một công tắc, chúng phải tuân theo đặc tính cơ bản của một công tắc, tức là khi ở trạng thái DẪN, điện áp trên linh kiện gần bằng 0 và có dòng điện chạy qua nó, và khi nó ở trạng thái TẮT, có điện áp trên linh kiện và dòng điện chạy qua nó bằng không. Hình bên dưới minh họa cho điều này.
Vì ở cả hai trạng thái, đại lượng điện áp V hoặc dòng điện I đều bằng không, nên về mặt tổn hao công suất trên linh kiện bán dẫn công suất có giá trị bằng 0. Đặc điểm này rất dễ nhận thấy đối với một công tắc cơ và công tắc điện tử cũng có đặc điểm tương tự.
Tuy nhiên, trên thực tế luôn tồn tại dòng điện rò qua linh kiện khi ở trạng thái TẮT, tức là Irò ≠ 0 và luôn có rơi áp trên linh kiện khi ở trạng thái DẪN, tức là Von ≠ 0. Vì độ lớn của Von hoặc Irò là rất nhỏ nên tổn hao công suất trên linh kiện cũng rất nhỏ, thông thường chỉ vài mW.
Công suất này bị tiêu tán trên linh kiện và làm cho linh kiện nóng lên khi hoạt động. Do đó, vấn đề tản nhiệt thích hợp cho linh kiện là một khía cạnh quan trọng. Ngoài tổn thất trạng thái DẪN và trạng thái TẮT này, còn có tổn thất khi chuyển mạch trong các linh kiện điện tử công suất. Điều này chủ yếu là trong khi linh kiện chuyển đổi từ chế độ này sang chế độ khác và điện áp cũng như dòng điện trên linh kiện thay đổi. Trong điện tử công suất, tổn hao công suất và thông số định mức điện áp, dòng điện của linh kiện là hai thông số quan trọng mà người dùng cần phải biết.
Một mình các linh kiện điện tử công suất thì không thể thực hiện được chức năng của nó trong các ứng dụng thực tế và do đó mạch công suất chính phải được thiết kế cùng với các thành phần hỗ trợ khác. Các thành phần hỗ trợ này giống như bộ phận ra quyết định điều khiển các công tắc điện tử công suất để đạt được đầu ra mong muốn. Các mạnh hỗ trợ bao gồm mạch kích và mạch hồi tiếp. Sơ đồ khối dưới đây mô tả một hệ thống điện tử công suất đơn giản.
Bộ điều khiển lấy tín hiệu hồi tiếp ngõ ra từ các cảm biến và so sánh với các giá trị tham chiếu, sau đó cung cấp ngõ vào cho mạch kích. Mạch kích về cơ bản là một mạch tạo xung ở ngõ ra để điều khiển các linh kiện điện tử công suất trong khối mạch công suất chính.
Kết quả cuối cùng là tải nhận được công suất điện mong muốn và do đó mang lại kết quả mong muốn. Một ví dụ điển hình của hệ thống trên là điều khiển tốc độ động cơ.
Có 5 bộ biến đổi công suất chính, mỗi loại có mục đích khác nhau
- Bộ chỉnh lưu (Rectifiers) – Biến đổi điện áp xoay chiều sang điện áp một chiều
- Bộ biến đổi điện áp một chiều (DC-DC Choppers) – Biến đổi điện áp một chiều có giá trị trung bình không thay đổi thành điện áp một chiều có trị trung bình thay đổi được.
- Bộ biến đổi điện áp xoay chiều (AC-AC Converters) – Biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng thay đổi được.
- Bộ nghịch lưu (Inverters) – Biến đổi năng lượng tự nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng xoay chiều.
- Bộ biến tần trực tiếp (Cycloconverters) – Biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều với trị hiệu dụng và tần số thay đổi được.
Ứng dụng của điện tử công suất
Trong cuộc sống hằng ngày: Nếu chúng ta quan sát xung quanh mình, chúng ta có thể tìm thấy rất nhiều ứng dụng điện tử công suất như điều khiển tốc độ quạt, điều chỉnh độ sáng đèn, điều hòa không khí, bếp cảm ứng, máy tính cá nhân, máy hút bụi, bộ lưu điện UPS (Uninterruptible Power Supply), bộ sạc pin, v.v.
Ô tô và sức kéo: Tàu điện ngầm, xe điện hybrid, xe đẩy, xe nâng và nhiều loại khác. Bản thân một chiếc xe hiện đại có rất nhiều bộ phận sử dụng điện tử như công tắc đánh lửa, điều khiển gạt nước kính chắn gió, đèn chiếu sáng phía trước thích ứng, đèn chiếu sáng nội thất, tay lái trợ lực điện, v.v. Bên cạnh đó, điện tử công suất được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sức kéo và tàu thủy hiện đại.
Trong công nghiệp: Hầu hết các động cơ được sử dụng trong các ngành công nghiệp đều được điều khiển bởi các bộ truyền động công suất. Các nhà máy cán, nhà máy dệt, nhà máy xi măng, máy nén, máy bơm, quạt, máy thổi, thang máy, lò quay, v.v. Các ứng dụng khác bao gồm hàn, lò hồ quang, cần cẩu, ứng dụng gia nhiệt, hệ thống điện khẩn cấp, máy xây dựng, máy xúc, v.v.
Năng lượng tái tạo: Các hệ thống phát điện như năng lượng mặt trời, gió, v.v. cần hệ thống điều hòa nguồn điện, hệ thống lưu trữ và hệ thống chuyển đổi để có thể sử dụng được. Ví dụ, pin mặt trời tạo ra nguồn điện một chiều, sau đó điện một chiều này được chuyển đổi thành điện xoay chiều để cung cấp cho các thiết bị điện trong nhà, và do đó bộ chuyển đổi điện tử công suất được sử dụng.
Hệ thống điện: Hệ thống truyền tải điện một chiều điện áp cao HVDC, bù VAR (SVC), bộ ngắt mạch tĩnh, hệ thống kích từ máy phát, FACTS, lưới điện thông minh, v.v.
Kết luận
Điện tử công suất đã và đang phát triển, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Lý do chính đằng sau điều này là sự phát triển không ngừng của các linh kiện bán dẫn công suất, thiết bị lọc, thiết bị điều khiển, vật liệu ferit và các linh kiện điện tử khác.
Những phát triển này cải thiện hiệu quả và hiệu suất của các thiết bị điện và điện tử và đã làm cho điện tử công suất trở thành một lĩnh vực phát triển nhanh và đáng kể trong kỹ thuật điện và điện tử.
