bài giảng điện tử công suất và ứng dụng chương2

Chương 2: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT2.1 Diod công suất 2.2 Linh kiện họ transistor 2.3 Linh kiện họ thyristor Ngắt điện điện tử: linh kiện hay nhóm linh kiện điện tử làm việc trong hai

Chương 2: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

2.1 Diod công suất 2.2 Linh kiện họ transistor 2.3 Linh kiện họ thyristor

Ngắt điện điện tử:

linh kiện hay nhóm linh kiện điện tử làm việc trong hai chế độ:

- Dẫn điện hay bảo hoà (ON): sụt áp rất bé, dòng phụ thuộc vào tải.

- Khóa (OFF): dòng qua nó rất bé ( 0), xem như hở mạch.

Linh kiện chính:

diode, thyristor (SCR), transistor (BJT, MosFET, IGBT).

2.1 DIOD CÔNG SUẤT:

Là diod chịu dòng lớn, dùng trong ĐTCS

1 Phân loại: - có hai loại:

- tần số công nghiệp (diod chỉnh lưu)

- diod tần số cao

có diod Schotky chịu áp thấp, sụt áp thuận 0.2 – 0.4V

2 Đặïc tính phục hồi của diod (recovery):

Từ dẫn -> khóa có khoãng dẫn dòng ngược

TÁC DỤNG: hạn chế tần số làm việc, quá áp đóng ngắt

2.2 LINH KIỆN HỌ TRANSISTOR:

Là nhóm linh kiện đóng ngắt theo điều khiển: BJT, MosFET, IGBT…

G

S

D

S

G D

G

C

E G

C

E

MosFET kênh n (Ký hiệu quen dùng) Ký hiệu IGBT Mạch nguyên lý IGBT

- MosFET: là transistor trường loại tăng (enhancement)

- IGBT (Insulated Gate BJT) = MosFET ở ngỏ vào + BJT ở ngỏ ra

BJT: điều khiển bằng dòng cực B MosFET, IGBT: điều khiển bằng áp VGS VGE

- IB= 0 => BJT khóa, không dẫn điện

- IB đủ lớn (IB > IC / ) BJT bảo hòa: dòng

tải ICchỉ phụ thuộc tải

transistor Darlington có  từ vài trăm đến

vài nghìn

- VGS  0 : transistor khóa

- VGS > VTH: transistor dẫn điện

(VTHtừ 3 5 volt) Thực tế điều khiển:

0/10 – 15V hay ±(10 – 15)V

2.2.1 Đặc tính đóng ngắt BJT

- Thí nghiệm đóng ngắt tải R và RL:

VCC VCC

C i

C i

CE

v CE

v

Q R1 R2

VBB

Rt L

Q Rt

R1 R2

VBB

- từ khóa  bảo hòa transistor đi qua trạng thái khuếch đại

=> có tổn hao đóng ngắt:

phát nhiệt tăng cao theo tần số làm việc

=> cần có biện pháp:

điều khiển tối ưu + mạch hỗ trợ

2.2.2 Mạch lái BJT:

Khái niệm về mạch lái (driver):

Điều khiển

vòng kín Mạch phát xung Khuếch đại xung Ghép nối

NĐBD

DRIVER: bộ phận trung gian giữa HT điều khiển - thiết bị

- HT ĐKTĐ: Driver = bộ điều khiển động cơ/ tải công suất

gồm KĐ công suất + ghép nối

- Ghép nối: trung gian mạch ĐK – động lực

Trực tiếp – qua trung gian quang / từ

a Dạng xung điều khiển tối ưu:

- Dòng cực B tối ưu:

I I

I

cb dt

ng t

B

i

Q

R2

VBB

C

D R R1

Giải thích:

tụ điện ký sinh CBE cần nạp/xả nhanh

MosFET, IGBT: cũng có quá trình tương tự với CGS .

- Mạch cải thiện quá trình khóa:

Tụ C tạo đường dẫn điện ICtrrong quá trình khóa ngắt điện

b Mạch lái BJT

-các dạng mạch lái trực tiếp: (a), (b), (d)

- VCC

VCC

Q R2

R3

Q1 Q2 R1

R2 D

Q Q2

Q1

1uF 2.2k

Q T

R1

- Ghép bằng quang (OPTRON): Dùng nguồn độc lập cho mạch lái

OPTRON (Cách ly tín hiệu

ĐK) + sửa dạng + khuếch

đại công suất (Ghép trực

tiếp).

Mạch điện tương tự như lái

SCR.

Khuếch đại xung

10 mA

cấp điện

OPTO

2.2.3 mạch lái MosFET, IGBT:

- Các thông số:

Ngưỡng áp điều khiển 3 – 5 V

Tiêu biểu 0 – 10 V (hay 15 V)

+/- 10 V (hay 15 V)

Giới hạn +/- 20 V

Mạch cực cổng

22k

510/3w

MOSFET N

330p

Dz7V2

0 15V

Xung

D 220

- Mạch lái MosFET và IGBT:

Tần số thấp: lái trực tiếp từ vi mạch 12V

Tần số cao: Mạch lái tương tự BJT nhưng cấp điện 15 – 20V.

Vi mạch lái: - IR21xx

- optron + mạch KĐại

II.3 LINH KIỆN HỌ THYRISTOR:

Thyristor: linh kiện có ≥ 4 lớp, đại diện là SCR

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SCR:

Ký hiệu SCR Hình II.2.2: Cấu tạo một SCR dòng lớn ở tỉ lệ thực (a) và phóng to mảnh tinh thể bán dẫn (b)

Anod: Dương cực

Katod: Âm cực

Gate: Cổng hay cực điều khiển.

K

N

A

P

P

Cấu tạo nguyên lý Mạch tương đương hai BJT

Hình II.2.1: nguyên lý SCR

- Mạch tương đương giải thích được hoạt động của SCR khi phân cực thuận

- Khi mới cấp điện, i G = 0 : SCR khóa thuận và ngược – I Alà dòng điện rò, rất bé,

cở mA với VAK 0

- Khi SCR phân cực thuận VAK > 0, và IG> 0, SCR  dẫn điện

- SCR tự giữ trạng thái dẫn điện cho đến khi IA0

2 Đặc tính tĩnh ( volt – ampe ):

Mô tả quan hệ IA(VAK) với dòng IGkhác nhau

Hình II.2.3 Sơ đồ thí nghiệm và đặc tuyến volt – ampe của SCR

* VAK < 0 : Khóa ngược: có dòng rò ngược, cở mA

Khi VAK < - VRBta có hiện tượng gãy ngược  SCR bị hỏng

* VAK > 0 và IG = 0 : Khóa thuận: có là dòng rò thuận, cở mA

Khi VAK > VFBta có hiện tượng gãy thuận: SCR  dẫn điện Định mức áp của SCR cần lớn hơn các giá trị gãy với hệ số an toàn > 2

* Quá trình kích: Khi phân cực thuận, nếu IGtăng, VFBgiảm dần

=> Kích dòng IGđủ lớn để SCR dẫn điện bất chấp áp phân cực thuận

* Vùng dẫn điện: sụt áp VAK= VFkhoảng 1 - 2 volt

Có 2 thông số dòng: IL : dòng cài, IH: dòng giữ

2 Đặc tính động ( đóng ngắt ):

a Đặc tính mở: ( turn on )

- Thời gian trễ t on

- Giới hạn tốc độ tăng dòng diA/dt vì có thời gian lan truyền của vùng dẫn điện

Hình II.2.4.a Đặc tính động : mở và khóa của SCR

Hình II.2.4.b Cấu tạo SCR cực cổng để cải thiện đặc tính động

(2) (1)

b Đặc tính khoá: ( turn off )

- Thời gian đảm bảo tắt t off t off = [ 10 50 ] usec với SCR tần số cao

[ 100 300 ] usec với SCR chỉnh lưu

- Có giới hạn tốc độ tăng du/dt để tránh tự kích dẫn

- Có quá trình dẫn dòng ngược khi khóa (đặt áp âm) như diod (đặc tính phục hồi ngược)

- Cần có mạch bảo vệ chống tự kích dẫn (hình II.2.5)

C2 = 0.05 – 0.1 uF; R2 = 33 – 100 ohm;

R1 = 20 – 100 ohm; C1 = 0.1 – 0.5 uF

Hình II.2.5: Mạch snubber R1C1 và RC cực cổng bảo vệ SCR khỏi các chế độ kích dẫn không mong muốn.

3 Đặc tính cổng: (hay kích khởi cổng)

Bao gồm:

(1) IG(VG) tiêu biểu,

(2) IG(VG) ứng với điện trở RGbé,

(3) IG(VG) ứng với điện trở RGlớn

Các thông số giới hạn ( cực đại ):

dòng IGmax,

áp VGmaxvà

công suất tiêu tán trung bình PGmax(phụ

thuộc bề rộng xung kích SCR)

Các thông số giới hạn (bé nhất) cho đảm

bảo kích: VGT, IGT

Hình II.2.6: Đặc tính cổng SCR

Điểm làm việc của cực cổng SCR phải nằm trong các giới hạn trên

4 Các linh kiện khác trong họ thyristor:

Thyristor là họ linh kiện có ít nhất 4 lớp với SCR là đại diện

Thyristor có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện (kích dẫn)

Một số Thyristor được chế tạo để có thể điều khiển được quá trình khoá làm thành ngắt điện điện bán dẫn một chiều

Hình II.2.7: Ký hiệu của các linh kiện hay gặp của họ Thyristor.

a DARLISTOR: SCR có cấu tạo nối tầng (cascade) để tăng hệ số khuếch đại dòng

IA/ IG

b DIAC:

c LA SCR ( Light – activated – SCR ): SCR kích bằng tia sáng

d GTO: ( Gate turn off SCR, SCR tắt bằng cực cổng )

GTO cho phép ngắt SCR bằng xung âm ở cực cổng Từ mạch tương đương hai BJT (hình 1.2a), khả năng này có thể được dự đoán

e TRIAC: Là hai SCR song song ngược, được chế tạo với dòng định mức đến hàng ngàn ampe

- IG> 0 hay IG< 0 tổ hợp với

VT > 0 hay VT < 0 cho ta

4 kiểu hoạt động

Hình II.2.8 Đặc tuyến V – I của TRIAC và DIAC

Hình II.2.9: Hình dạng bên ngoài

của một số TRIAC (SCR cũng tương tự )

Nhược điểm TRIAC:

- dễ bị tự kích ở nhiệt độ mối

nối cao

- có giới hạn du/dt rất thấp,

khó làm việc với tải có tính cảm

5 Mạch lái Thyristor:

a Ghép trực tiếp:

Mạch lái = mạch khuếch

đại dòng

6V

XUNG DK

SCR R?

R C1

0.1 uF

R5 2.2 ohm R2

220

R3 100 R1

100

R4 2.2 ohm Q1

C1061

b Ghép quang: dùng OPTRON cách ly Điều khiển - Động lực OPTRON (Optocoupler)

OPTRON Triac họ MOC

OPTRON thông thường có thời

gian trễ lớn hơn vài micro giây

=> tần số tối đa đến vài chục

KHz.

6V OPTO1 1

2

4

Q2 1K

2.2 ohm 2.2 ohm

R1

R2 100

Sơ đồ kích SCR dùng OPTRON thông thường

Đặc tính optron PS2521 (NEC) hay TLP521 (TI)

Đặc tính optron TRIAC họ MOC của Motorola

c Ghép biến áp: biến áp xung (BAX)

nguyên tắc BAX là xung phải đủ hẹp:

thời gian có xung đủ nhỏ – thời gian nghỉ đủ dài

VCC

D2 D1

3k3 3k3

3k3

Q1

BAX

3.3 ohm

D2

47n

Mạch lái xung hẹp