GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Microsoft Word ebb 12020218 983992328 12 BOÄ COÂNG THÖÔNG TAÄP ÑOAØN DEÄT MAY VIEÄT NAM TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KINH TEÁ – KYÕ THUAÄT VINATEX TPHCM KHOA CƠ ĐIỆN  GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT THAØNH PHOÁ HO.

Trang 1

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ – KỸ THUẬT VINATEX TPHCM

KHOA CƠ ĐIỆN



GIÁO TRÌNH

ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2011

LƯU HÀNH NỘI BỘ

Trang 2

TRƯỜNG CAO ĐẲNG VINATEX TP.HCM

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NGHỀ: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG, TRUNG CẤP

Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ- ngày …tháng năm… ……… của ………

TP.HCM, năm 2017

Trang 3

dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

Trang 4

sinh viên của trường Cao đẳng, thuộc chuyên ngành điện-điện tử và cơ điện tử Giáo trình cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật, công nhân lĩnh vực thiết kế, cũng như thi công các công trình điện dân dụng và công nghiệp

Nội dung cuốn giáo trình gồm 6 chương cơ bản sau:

Chương I: Khái quát về điện tử công suất

Chương II: Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản

Chương III: Bộ chỉnh lưu

Chương IV: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều

Chương V: Bộ biến đổi điện áp một chiều

Chương VI: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần

Nắm được những kiến thức cơ bản về Điện tử công suất, mỗi cán bộ kỹ thuật có thể tìm hiểu và sử dụng với hiệu quả cao hơn các thiết bị điện tử trong các máy móc và thiết bị tân tiến hiện nay

Trong cuốn giáo trình này có sử dụng và tham khảo nhiều nội dung trong một số giáo trình và bài viết của các tác giả Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng trong quá trình biên soạn tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi xin tiếp thu những ý kiến đóng góp để cuốn giáo trình được hoàn thiện hơn

Biên soạn

Ths Trần Tấn Khang

Trang 5

Lời nói đầu

Chương I : KHÁI QUÁT VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Chương II: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN

III Transistor công suất (power transistor)

IV Thyristor

V Một số linh kiện công suất khác

Chương III: BỘ CHỈNNH LƯU (RECTIFIEL)

Chương IV: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

Trang 6

III Bộ tăng áp 137

Chương VI: BỘ NGHỊCH LƯU VÀ BỘ BIẾN TẦN

Trang 7

Mã môn học: MH14

Thời gian thực hiện môn học: 75 giờ; (Lý thuyết: 15 giờ; Thí nghiệm, thảo luận, bài tập: 55

giờ; Kiểm tra: 05 giờ)

I Vị trí, tính chất của môn học:

- Vị trí: Môn học này học sau môn Điện tử căn bản, Kỹ thuật số

- Tính chất: Là môn học kỹ thuật cơ sở, thuộc các môn học bắt buộc trong chương trình đào tạo

II Mục tiêu môn học

- Về kiến thức:

Trình bày được những kiến thức về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, những ứng dụng

của các linh kiện, mạch điện tử công suất

- Về kỹ năng:

Lắp đặt và tính toán thiết kế được những mạch điện tử công suất dùng trong các thiết

bị điện tử công nghiệp

- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Nhận thức được ý nghĩa, giá trị khoa học của môn học

+ Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy, phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập

III Nội dung môn học:

1 Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:

Kiểm tra

1 Chương 1 Khái quát về điện tử

công suất

2 Chương 2 Các linh kiện bán dẫn

công suất cơ bản

2 Bài 2: Chỉnh lưu công suất 1 pha 15 0 13 2

3 Bài 3: Bộ biến đổi áp xoay chiều 10 0 10 0

4 Bài 4: Bộ chỉnh lưu công suất 3 15 0 15 0

Trang 8

- Trình bày được các khái niệm về điện tử công suất

- Trình bày được nội dung các thông số kỹ thuật của mạch điện tử công suất

- Xác định được các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện-điện tử

- Xác định được điện áp, dòng điện vào-ra của bộ biến đổi công suất

- Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy, phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập

2 Nội dung chương :

2.1 Lịch sử phát triển

2.2 Cấu trúc chung của bộ biến đổi công suất

2.3 Các linh kiện bán dẫn và bộ biến đổi công suất cơ bản

2.4 Ứng dụng của điện tử công suất

Chương 2: Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản Thời gian: 05 giờ

1 Mục tiêu chương:

- Trình bày được nguyên lý hoạt động và chức năng của các linh kiện công suất thông dụng

- Lựa chọn được linh kiện theo thông số kỹ thuật

- Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng của linh kiện công suất trong mạch

- Lắp đặt được mốt số mạch ứng dụng cơ bản của linh kiện

2.1 Phân loại linh kiện bán dẫn Thời gian: 0.5 giờ

2.1.1 Linh kiện bán dẫn điều khiển được

2.1.2 Linh kiện bán dẫn không điều khiển được

2.1.3 Lớp tiếp xúc công nghệ P-N

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

2.2.2 Đặc tính Volt-Ampe của diode

2.2.3 Đặc tính động của diode

2.2.4 Thông số cơ bản của diode

2.3 Transistor công suất (power transistor) Thời gian: 01 giờ

2.3.1 BJT (Bipolar Junction Transistor)

2.3.2 Transistor trường MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 2.3.3 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

2.4.1 SCR (Silicon Controler Rectifier)

2.4.2 GTO (Gate Turn Off Thyristor)

2.4.3 TRIAC (Triod Alternative Current)

Trang 9

2.5.4 ETO (Emitter Turn-Off thyristor)

2.6 So sánh khả năng hoạt động của các linh kiện Thời gian: 0.5 giờ

- Xác định được nhiệm vụ và chức năng của từng khối của bộ chỉnh lưu không điều khiển và

có điều khiển

- Trình bày được mục tiêu tính toán các thông số kỹ thuật của mạch chỉnh lưu

- Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong mạch chỉnh lưu AC - DC 1 pha và 3 pha theo đúng yêu cầu kỹ thuật

- Thiết kế được biến áp cung cấp mạch chỉnh lưu

Trang 10

Chương 4: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Thời gian: 03 giờ

- Xác định được nhiệm vụ và chức năng của từng khối của bộ biến đổi áp xoay chiều

- Trình bày được mục tiêu tính toán các thông số kỹ thuật của mạch

- Lắp đặt được mạch biến đổi điện áp xoay chiều đúng kỹ thuật, đúng thông số

- Đo và vẽ được dạng sóng dòng và áp ngõ vào ra

Trang 11

2.4 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải RL

- Phân tích được nguyên lý hoạt động của mạch

- Nhận xét và đánh giá được các kết quả thí nghiệm

- Sử dụng thành thạo thiết bị đo Oscilloscope

- Lắp ráp được mạch kích dẫn cho Thyristor và Triac

- Đo và vẽ được dạng sóng trên tải

2 Nội dung bài :

2.1 Sơ đồ điều khiển kích Thyristor và Triac Thời gian: 01 giờ

2.2 Giới thiệu về bộ thí nghiệm ĐTCS Thời gian: 01 giờ

2.3 Trình bày cách sử dụng bộ đo Dao động ký Thời gian: 01 giờ

2.4 Tập hợp các modul cần cho thực tập Thời gian: 01 giờ

2.5 Lắp mạch điều khiển không đồng bộ SCR và Triac theo sơ đồ

Thời gian: 03 giờ

2.6 Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu trên tải (đèn) Thời gian: 02 giờ

2.7 Hướng dẫn ghi kết quả đo và vẽ dạng sóng Thời gian: 01 giờ

Bài 2: Bộ chỉnh lưu công suất 1 pha Thời gian: 15 giờ

1 Mục tiêu bài:

- Lắp được mạch chỉnh lưu công suất 1 pha

- Kích dẫn điều khiển không đồng bộ

2 Nội dung bài :

2.1 Sơ đồ chỉnh lưu cầu điều khiển bán phần Thời gian: 01 giờ

2.3 Lắp sơ đồ chỉnh lưu cầu điều khiển bán phần với tải trở R và RL

2.4 Vẽ đồ thị dạng sóng sin điều khiển đồng bộ lối vào Thời gian: 01 giờ

Trang 12

2.7 Vẽ dạng sóng trên SCR1 Thời gian: 01 giờ

2.8 Vẽ dạng sóng trên R02 Thời gian: 01 giờ

2.9 Ghi kết quả đo UDC(α) và tính toán theo công thức lý thuyết

Bài 3 : Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Thời gian: 10 giờ

1 Mục tiêu bài:

- Lắp ráp được mạch biến đổi áp xoay chiều

- Kích dẫn điều khiển không đồng bộ

2 Nội dung bài :

2.1 Lắp sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha với tải trở R và RL

2.3 Nhận xét, đánh giá và so sánh các kết quả thí nghiệm

2.3.1 So sánh các dạng sóng áp và dòng thu được qua phép đo với lý thuyết, giải thích.

2.3.2 So sánh kết quả đo U Z (α) với lý thuyết, giải thích Thời gian: 02 giờ

2.3.3 Đánh giá hệ số công suất của các trường hợp tải là R và RL theo α

Bài 4: Bộ chỉnh lưu công suất 3 pha Thời gian: 15 giờ

1 Mục tiêu bài:

- Lắp ráp được mạch bộ chỉnh lưu công suất 3 pha

2 Nội dung bài :

2.2 Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu tại lối vào và trên tải đèn

2.3 Vẽ giản đồ cho các tín hiệu của bộ điều khiển và trên tải đèn ứng với góc cắt pha α=π/2.

2.4 Thay tải trở bằng tải cảm lặp lại thí nghiệm Thời gian: 03 giờ

2.5 So sánh và giải thích dạng tín hiệu đo được của 2 loại tải trên Thời gian: 02 giờ

Bài 5: Bộ biến đổi nguồn DC-DC công suất Thời gian: 10 giờ

1 Mục tiêu bài:

Trang 13

2 Nội dung bài :

2.2 Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu giữa G và S của TR1 Thời gian: 01 giờ

2.3 Vẽ lại dạng tín hiệu giữa S và Uo- Đo thế ngõ ra Uo Thời gian: 01 giờ

2.4 Vặn biến trở P1 để thay đổi tần số máy phát Ghi kết quả đo Uo ứng với các tần số phát

2.5 Thay tải trở bằng tải cảm lặp lại thí nghiệm Thời gian: 01 giờ

2.6 So sánh và giải thích dạng tín hiệu đo được của 2 loại tải trên

IV Điều kiện thực hiện môn học:

1 Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Xưởng thực tập điện tử

2 Trang thiết bị máy móc: Bộ thí nghiệm Điện tử công suất, Phần mềm mô phỏng Điện tử công suất PSIM 9.0 cài trên máy tính, màn hình LCD

3 Học liệu, dụng cụ, nguyên phụ liệu: Tài liệu hướng dẫn môn học, giáo trình môn học, tài liệu tham khảo

4 Các điều kiện khác: Linh kiện điện tử công suất mẫu

V Nội dung và phương pháp đánh giá:

1 Nội dung đánh giá :

Đánh giá thông qua bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ, kiểm tra kết thúc môn học sinh viên cần đạt các yêu cầu sau:

- Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, những ứng dụng của các linh kiện, mạch điện tử công

suất

- Lắp đặt và tính toán thiết kế được những mạch điện tử công suất dùng trong các thiết

bị điện tử công nghiệp

- Chấp hành nội qui, qui chế của nhà trường

- Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập

- Chuẩn bị đầy đủ nội dung tự học, tự nghiên cứu

- Tham gia đầy đủ thời lượng của môn học, tích cực trong giờ học

- Điểm trung bình các điểm kiểm tra là trung bình cộng của các điểm kiểm tra thường xuyên, điểm kiểm tra định kỳ và tự nghiên cứu theo hệ số của từng loại điểm Trong đó điểm kiểm tra thường xuyên, điểm tự nghiên cứu được tính hệ số 1, điểm kiểm tra định kỳ được tính hệ

số 2

Trang 14

2 Hướng dẫn một số điểm chính về phương pháp giảng dạy môn học:

- Đối với giảng viên:

+ Trước khi giảng dạy, giảng viên cần chuẩn bị đầy đủ điều kiện giảng dạy lý thuyết và thiết bị thực hành, hồ sơ bài giảng, phương tiện hỗ trợ, chú trọng sử dụng các phương pháp dạy học tích cực nhằm đảm bảo chất lượng giảng dạy

+ Hướng dẫn sinh viên phương pháp học tập, tự học, tự nghiên cứu, tự rèn luyện tay nghề

- Đối với sinh viên:

+ Tham dự ít nhất 70% thời gian học lý thuyết và làm đầy đủ các bài tập, các yêu cầu của môn học được quy định trong chương trình môn học

+ Chuẩn bị nội dung thảo luận nhóm, nội dung tự học tự nghiên cứu khi tới lớp

+ Xây dựng kế hoạch tự học, tự nghiên cứu cho cá nhân

- Đối với sinh viên:

+ Tham dự ít nhất 70% thời gian học lý thuyết và làm đầy đủ các bài tập, các yêu cầu của môn học được quy định trong chương trình môn học

+ Chuẩn bị nội dung thảo luận nhóm, nội dung tự học tự nghiên cứu khi tới lớp

+ Xây dựng kế hoạch tự học, tự nghiên cứu cho cá nhân

3 Những trọng tâm cần chú ý:

- Các linh liện điện tử công suất cơ bản

- Mạch chỉnh lưu có điều khiển

- Bộ biến đổi áp xoay chiều

4 Tài liệu tham khảo:

[1] Giáo trình Điện tử công suất, Trường CĐ KTKT Vinatex TPHCM (LHNB)

[2] Tài liệu Thực hành điện tử công suất, Trường CĐ KTKT Vinatex TPHCM (LHNB) [3] Nguyễn Bính, Điện tử công suất - NXB Khoa học và Kỹ thuật - 1993

[4] Đỗ xuân Tùng - Trương Tri Ngộ, Điện tử công suất - Nhà xuất bản xây dựng - Hà Nội

Trang 15

Chương I : KHÁI QUÁT VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Hiện nay rất nhiều thiết bị biến đổi công suất được đề xuất để phục vụ những yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống, ĐTCS đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong quá trình biến đổi cũng như điều khiển công suất: hiệu quả cao và tổn hao thấp trong lò cao tần, truyền tải điện DC Các thiết bị ĐTCS mới hiện nay được cải tiến phát triển để nâng cao hiệu suất hơn nữa việc sử dụng năng lượng

ĐTCS đóng vai trò quan trọng trong các mô hình công nghệ và được thiết kế để điều khiển năng lượng Dòng điện, điện áp và đặc tính đóng ngắt của các linh kiện bán dẫn liên tục được hoàn thiện, phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng như trong chiếu sáng, bộ nguồn, điều khiển động cơ, tự động hóa công nghiệp, giao thông, lưu trữ năng lượng, truyền tải điện đi xa

Hiệu suất cao và đặc điểm điều khiển chặt chẽ đã giúp cho ĐTCS có lợi thế hơn nhiều trong điều khiển động cơ so với các hệ thống điều khiển cơ điện và điện tử trước đây Ngoài ra ĐTCS còn được ứng dụng trong truyền tải điện DC , trạm biến đổi công suất, hệ thống truyền tải AC và bù công suất Trong truyền tải sử dụng biến đổi DC/AC, bộ lọc tích cực, biến đổi tần số

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

Lịch sử phát triển của điện tử công suất được bắt đầu vào những cuối thế kỷ 19

- Năm 1882 nhà bác học Pháp J Jasmin phát minh ra hiện tượng bán dẫn

- Năm 1892 nhà nghiên cứu người Đức L Arons tạo được hồ quang thủy ngân chân không đầu tiên Năm 1901 P.C Hewitt tại Mỹ đã chế tạo ra bộ chỉnh lưu thủy ngân Năm 1906 J.A.Fleming chế tạo diode chân không đầu tiên Sau đó G.W Pickard (USA) chế tạo đèn Silicon

- Đầu đầu thế kỷ XX phần lớn các linh kiện điện tử là các đèn thiratron và đèn initron, chúng có kích thước và khối lượng rất lớn cùng với hệ thống làm mát và hệ thống điều khiển rất phức tạp, với độ tin cậy lại rất thấp Mặc dù vậy các bộ biến đổi công suất này được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong hệ thống giao thông công cộng và đường sắt

- Năm 1873 Frederick Guthrie đưa ra nguyên lý hoạt động của diode, cho đến năm 1919 linh kiện diode công suất thực mới ra đời

- Thyristor được phát minh bởi William Shockley vào năm 1950 và được ứng dụng trong công nghiệp vào năm 1958 bởi Moll từ phòng thí nghiệm Bell Labs và hãng General Motor

Trang 16

- Transistor đầu tiên được đưa ra vào năm 1925 từ Canada do nhà vật lý học Austrian-Hungarian physicist Julius Edgar Lilienfeld, đến năm 1934 tại Đức nhà vật lý Oskar Heil đã đưa ra một dạng khác của transistor Tuy nhiên cho đến năm 1948 transistor mới thực sự được hoàn thiện

- IGBT bắt đầu được đề xuất từ năm 1968 bởi Yamagami - Nhật bản và dần dàn được hoàn thiện vào năm 1990

- Cuộc cách mạng đầu tiên trong ĐTCS bắt đầu vào năm 1948 với việc phát minh ra silicon transistor tại phòng thí nghiệm Bell Telephone Laboratories bởi Bardeen, Bratain, and Schockley Phần lớn công nghệ điện tử tiên tiến ngày nay dựa trên phát minh này, các mô hình microelectronics cũng được phát triển từ linh kiện bán dẫn này

- Cuộc cách mạng thứ hai bắt đầu với việc phát triển của Thyristor trong công nghiệp bởi hãng General Electric Company vào năm 1958 Đây là khởi đầu của kỷ nguyên mới của ĐTCS Từ đó đến nay có rất nhiều các linh kiện bán dẫn cũng như công nghệ biến đổi được đề xuất và ứng dụng

- Bước phát triển quan trọng nhất là từ 1975 đến 1990 và có tính cách mạng được đánh dấu bởi sự xuất hiện của các transistors cao áp BJT (Bipolar Junction Transistor ) và thyristor điều khiển hoàn toàn GTO (Gate Turn Off Thyristor), sau đó

là IGBT (Insuled Gate Bipolar Transistor) và MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

- Điểm đặc biệt của giai đoạn này là kỹ thuật biến đổi năng lượng trên cơ sở tác động nhanh của các bộ biến đổi công suất và vì thế cho phép giảm khối lượng và kích thước đồng thời tăng đáng kể hiệu suất và độ tin cậy Trong thời gian này xuất hiện nhiều phương pháp điều khiển trong đó có phương pháp điều chế độ rộng xung và sử dụng vi xử lý trong điều khiển

- Sử dụng các bộ biến đổi công suất trong hệ thống điện, trong giao thông, trong luyện kim cũng như các lĩnh vực công nghiệp khác đã tạo đà phát triển kinh tế rất lớn

Ví dụ ở Mỹ hiện nay có 70% năng lượng điện sử dụng được biến đổi từ các bộ biến đổi công suất

- Kỹ thuật biến đổi là ngành khoa học trẻ và đã đạt được thành công rất lớn, tuy nhiên ngày càng nhiều bài toán được đặt ra ở phía trước, nó đòi hởi sự phát triển hơn nữa cả về lý thuyết lẫn thực tế kỹ thuật biến đổi

II CẤU TRÚC CHUNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT

1 Định nghĩa: Điện tử công suất là môn học nghiên cứu quá trình biến đổi, điều khiển

các đại lượng đặc trưng năng lượng điện cho phù hợp với tải như: Dạng điện áp và

Trang 17

dòng điện (một chiều DC và xoay chiều AC), hình dạng điện áp dòng điện (sin, không sin tuần hoàn, xung) Giá trị điện áp, dòng điện (trị trung bình, trị hiệu dụng, biên độ), tần số…

2 Cấu trúc bộ biến đổi công suất: Sơ đồ khối chung của các bộ biến đổi công suất

được trình bày trên hình 1.1 bộ biến đổi công suất biến đổi điện năng với các tham số

nguồn đầu vào U1,I1,F1,P1 thành điện năng với tham số đầu ra U2,I2,F2,P2 dưới tác dụng của tín hiệu điều khiển nhờ mạch hồi tiếp

Hình 1.1 Sơ đồ khối của bộ biến đổi công suất

Mạch điện tử công suất bao gồm nguồn điện, tải, mạch điện tử công suất và mạch điều khiển Mạch điện tử công suất bao gồm các linh kiện bán dẫn, bộ phận tản nhiệt, máy biến áp Mạch điều khiển thu thập thông tin từ nguồn, tải, và giải thuật điều khiển xác định hoạt động của bộ biến đổi để có được kết quả mong muốn Linh kiện bán dẫn được lựa chọn trên cơ sở công suất định mức của bộ biến đổi công suất cần thiết kế

3 Các phần tử trong bộ biến đổi công suất:

- Các linh kiện bán dẫn công suất

- Các phần tử như tụ điện, cuộn dây, lõi thép

- Các phần tử biến đổi điện từ: máy biến áp lực, máy biến áp đo lường

- Hệ thống điều khiển: các linh kiện điện tử, hay vi xử lý, DSP (bộ xử lý tín hiệu số)

- Hệ thống bảo vệ và tín hiệu báo sự cố

Trang 18

Hình 1.2 Ký hiệu một số linh kiện bán dẫn cơ bản

III CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN VÀ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT CƠ BẢN

Hình 1.3 Sơ đồ nhánh các linh kiện công suất cơ bản

1 Bộ chỉnh lưu - Rectifiers: biến đổi điện áp, dòng điện xoay chiều thành một chiều

AC/DC

Trang 19

2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều – AC/AC Convertor: biến đổi điện áp xoay chiều

có trị hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng thay đổi được

3 Bộ biến đổi điện áp một chiều - Chopper DC/DC: biến đổi điện áp một chiều có

trị trung bình không thay đổi thành điện áp một chiều có trị trung bình thay đổi được

4 Bộ nghịch lưu - DC/AC converters: biến đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều

không đổi sang dạng năng lượng xoay chiều

5 Bộ biến tần trực tiếp - AC/AC Converter (Cycloconverter or Frequency Changer): 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

6 Bộ biến tần gián tiếp AC/DC/AC: chỉnh lưu điện áp xoay chiều ngõ vào sau đó

chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng điện áp và tần

số thay đổi được

Trang 20

IV ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

- Với công suất nhỏ hơn 1 W: dùng làm nguồn cho thiết bị công suất nhỏ như điện thoại

- Với công suất nhỏ hơn 1kW: dùng làm nguồn cho thiết bị công suất như máy tính

- Với công suất từ 1kW-1MW: dùng cho điều khiển máy điện, lò cao tần, hệ thống nạp ác quy, hệ thống chiếu sáng, bù công suất phản kháng

- Với công suất 1000MVA: dùng cho truyền tải điện DC đi xa

Hình 1.4 Ứng dụng của điện tử công suất

Trang 21

Chương II: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN

Các linh kiện bán dẫn công suất trong lĩnh vực điện tử công suất có hai chức năng cơ bản: đóng và ngắt dòng điện đi qua nó Trạng thái linh kiện dẫn điện (đóng) là trạng thái linh kiện có tác dụng như một điện trở rất nhỏ (gần bằng không) Trạng thái linh kiện không dẫn điện (ngắt) là trạng thái linh kiện có tác dụng trong mạch như một điện trở lớn vô cùng

Linh kiện bán dẫn hoạt động với hai chế độ làm việc đóng và ngắt dòng điện được xem là lý tưởng nếu ở trạng thái dẫn điện nó có độ sụt áp bằng không và ở trạng thái không dẫn điện (ngắt), dòng điện qua nó bằng không

I PHÂN LOẠI LINH KIỆN BÁN DẪN:

1 Linh kiện bán dẫn điều khiển được: Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi

trạng thái làm việc cùa mình từ trạng thái không dẫn điện (ngắt) sang trạng thái dẫn điện (đóng) và ngược lại thông qua tác dụng kích thích của tín hiệu lên cổng điều khiển của linh kiện, gọi là linh kiện có tính điều khiển Tín hiệu điều khiển có thể tồn tại dưới dạng dòng điện hay điện áp Ví dụ BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IGCT,MCT,

MT SCR, TRIAC

- Linh kiện bán dẫn điều khiển hoàn toàn - linh kiện đóng ngắt cưỡng bức (forced commutated device): là linh kiện có thể điều khiển đóng ngắt hoàn toàn bằng tín hiệu điều khiển, ví dụ BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IGCT, MCT,MT

- Linh kiện bán dẫn điều khiển đóng: là linh kiện chỉ có thể điều khiển đóng bằng tín hiệu điều khiển mà không điều khiển ngắt được: SCR, TRIAC

2 Linh kiện bán dẫn không điều khiển được: là những linh kiện không có cổng

điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc của linh kiện xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất Ví dụ: diode, diac

Hình 2.1 Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản

Trang 22

Hình 2.2 Điện áp và dòng điện định mức của các linh kiện bán dẫn công suất

3 Lớp tiếp xúc công nghệ P-N:

- Bằng các biện pháp công nghệ Epitaxi (Plana khuếch tán) người ta tạo ra được vùng chuyển tiếp tính dẫn điện từ loại p sang loại n gọi là tiếp xúc p-n Đây là dạng tiếp xúc phi tuyến có tính dẫn điện không đối xứng theo hai chiều điện áp đặt vào Chất bán dẫn có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng điện tử gọi là chất bán dẫn tạp chất loại n Chất bán dẫn có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng lỗ hổng gọi là chất bán dẫn tạp chất loại p

- Bình thường khi chưa có tác động bên ngoài trong vùng tiếp xúc một phần điện tử từ loại n sẽ dịch chuyển sang loại p và ngược lại một phần phần tử lỗ hổng từ loại p sẽ dịch chuyển sang loại n Điện tử và phần tử mang điện lỗ hổng bù lẫn nhau và

Trang 23

tạo ra vùng mang điện thấp - quá trình này được gọi là quá trình tổ hợp lại và tồn tại cho đến khi điện tử từ vùng n bị đẩy bởi i-ôn âm vùng p và phần tử mang điện lỗ hổng vùng p bị đẩy bởi i-ôn dương vùng n

Hình 2.3 Lớp bán dẫn p-n

II DIODE CÔNG SUẤT

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động :

- Diode là linh kiện bán dẫn ứng dụng trong điện tử công suất (ĐTCS) có cấu tạo đơn giản nhất, bao gồm 2 điện cực Anode (A) và K (Cathode) và có chứa một lớp tiếp xúc p-n Diode là l linh kiện bán dẫn không điều khiển

Hình 2.4 Cấu tạo của diode

- Khi điện thế cực Anode lớn hơn so với điện thế cực Cathode, lớp tiếp xúc phân cực thuận và dòng điện thuận IF chạy theo chiều như hình vẽ, lúc này điện áp trên linh kiện sẽ có giá trị rất nhỏ (<1V), đối với linh kiện lý tưởng giá trị này bằng 0

- Khi điện cực dương của nguồn điện được gắn vào cực Anode và cực âm vào

cực Cathode ta có tiếp xúc phân cực thuận Điện tử từ cực âm vào vùng n, vùng tiếp

xúc, một phần kết hợp với phần tử mang điện lỗ hổng phần còn lại qua vùng p tới cực

dương của nguồn điện: Diode dẫn

Hình 2.5 Diode khi phân cực thuận

Trang 24

- Ngược lại, khi điện thế cực Anode nhỏ hơn so với điện thế cực Cathode, diode phân cực ngược linh kiện không dẫn, dòng điện ngược chạy qua diode được gọi là dòng rò, đối với linh kiện lý tưởng giá trị này bằng 0

- Khi điện cực dương của nguồn điện được gắn vào cực Cathode và cực âm vào

cực Anode ta có tiếp xúc phân cực ngược Chỉ có một số ít điện tử từ vùng p dịch

chuyển qua vùng tiếp xúc, một phần kết hợp với phần tử mang điện lỗ hổng phần còn

lại qua vùng n tới cực dương của nguồn: Diode ngắt

Hình 2.6 Diode khi phân cực ngược

Hình 2.7 Ký hiệu và hình dạng diode công suất

2 Đặc tính Volt-Ampe của diode:

Hình 2.8 Đặc tính V-A của diode

Đặc tính V-A của diode được chia làm 3 vùng:

Trang 25

- Vùng phân cực thuận: Khi 0<VD<VTD: Diode bắt đầu dẫn dòng điện qua diode ID rất nhỏ Khi VD>VTD dòng điện tăng nhanh và diode đạt trạng thái dẫn điện

ổn định VTD gọi là điện áp đóng

- Vùng phân cực ngược: khi VD<0; dòng điện qua diode giảm dần về 0, dòng điện qua diode không tắt ngay và tiếp tục dẫn theo chiều ngược lại với tốc độ giảm ban đầu Sau một thời gian ngắn, khả năng dẫn điện theo chiều nghịch bị mất Diode ngắt

- Vùng đánh thủng: khi VD<-VBR: Trong đó VBR là điện áp đánh thủng (Breakdown voltage), làm cho diode bị phá hủy

3 Đặc tính động của diode:

- Khi diode dẫn tương đương như một công tắc đóng: điện áp rơi trên linh kiện

UF nhỏ, dòng điện thuận IF qua linh kiện lớn

- Khi diode ngắt tương đương như một công tắc ngắt: điện áp khóa trên linh kiện lớn, dòng rò qua linh kiện rất nhỏ

- Thời gian đóng diode (Forward recovery time) tFR : là thời gian cần thiết để diode có thể dẫn dòng tải khi điện áp thuận đặt trên hai đầu cực của diode

- Thời gian phục hồi tính nghịch (Reverse recovery time) tRR : là tổng khoảng thời gian từ ta khi dòng điện qua diode cắt 0 cho đến khi dòng điện qua diode bằng dòng IRR (dòng điện ngược lớn nhất), và khoảng thời gian tb khi dòng điện qua diode giảm từ IRR đến 0.25IRR

Hình 2.9 Đặc tính động của diode

Trang 26

- Tại thời điểm t=0, điện áp nguồn tăng và đạt giá trị dương Um Do quán tính của quá trình khuyếch tán dòng qua diode không xuất hiện một cách tức thời mà tăng dần trong khoảng thời gian t1=tFR Cùng với việc tăng dòng điện qua diode, điện áp trên hai đầu cực của diode giảm, sau thời gian t1 đạt giá trị UF Tại thời điểm t1 dòng điện trong mạch xác lập, khi đó dòng qua diode bằng IS

- Trạng thái đó được giữ cho đến thời điểm t=t2 khi dấu của điện áp nguồn thay đổi Tuy nhiên điện tích được tích tụ ở vùng tiếp xúc p-n giữ cho diode ở trạng thái đóng một thời gian, khi đó dòng điện giảm dần về 0, thực tế xảy ra hiện tượng dung giải điện tích

- Đến thời điểm t4 điện áp trên diode bằng 0 sau đó tăng theo chiều âm, làm cho dòng điện ngược qua diode tăng đến giá trị IRR, sau đó quá trình phục hồi tính nghịch của diode được tiếp tục đến thời điểm t5, khi dòng điện qua diode giảm từ IRR đến 0.25IRR Quá trình ngắt diode kết thúc Đến thời điểm đó dòng điện qua diode gần bằng 0 còn điện áp trên hai đầu cực đạt giá trị -Um Như vậy thời gian phục hồi tính nghịch được tính bằng công thức:

t RR = t a + t b (2.1)

dt

di t

IRR  a (2.2)

- Thời gian phục hồi tính nghịch thường nhỏ hơn 1µs Đại lượng này trở lên quan trọng cho các ứng dụng có tần số làm việc cao, như các bộ biến đổi DC/DC, AC/DC

- Từ đồ thị hình 2.9 ta thấy tổn hao công suất trong diode sẽ tăng đột ngột khi

đóng và đặc biệt khi ngắt Để giảm những tổn hao đó và đảm bảo quá trình làm việc

an toàn cho diode người ta sử dụng sơ đồ đặc biệt - mạch snubber Mạch snubber đơn giản nhất là sơ đồ bao gồm điện trở R mắc nối tiếp với một tụ Mạch này được gắn song song với anode và cathode

4 Thông số cơ bản của diode:

- Dòng điện định mức I Fmax: dòng điện thuận cực đại chạy qua diode mà không làm

cho nhiệt độ của nó không vượt quá nhiệt độ cực đại cho phép

- Điện áp định mức: là điện áp ngược cực đại mà diode chịu được VBR

- Điện áp thuận V F (Forward voltage): là điện áp giữa hai đầu cực A-K khi diode dẫn

- Điện áp đánh thủng V BR (Breakdown voltage)

- Dòng điện ngược I RR: dòng điện qua diode khi điện áp ngược nhỏ hơn điện áp đánh

thủng

Trang 27

Loại Áp định mức lớn

nhất

Dòng trung bình định mức V F (đặc trưng) t rr (max)

30A 400A

1.1V 2.2V

400ns 3s

8A 15A 100A

0.975V 1.2V 2.6V

35ns 60ns 60ns

60A 440A 30A

0.48V 0.69V 1.19V Bảng 2.1 Các thông số đặc trưng của diode

III TRANSISTOR CÔNG SUẤT (POWER TRANSISTOR)

1 BJT (Bipolar Junction Transistor)

1.1 Cấu tạo – nguyên lý hoạt động:

Hình (a): loại n-p-n Hình (b): loại p-n-p

Hình 2.10 Cấu tạo-ký hiệu BJT

Trang 28

1.1.1 Cấu tạo : Bipolar junction transistor (BJT) cấu trúc bởi ba lớp p-n-p hoặc n-p-n

Tuy nhiên dạng n-p-n được sử dụng nhiều hơn vì loại này có kích thước nhỏ hơn với cùng một mức điện áp và dòng điện

- BJT có hai lớp tiếp xúc p-n: Collector - Base (CB) và Base - Emitter (BE)

- Lớp tiếp xúc B-E phân cực theo chiều thuận để kéo điện tử về vùng Base

- Lớp tiếp xúc C-B phân cực theo chiều nghịch để thu điện tử về vùng Collector

1.1.2 Nguyên lý hoạt động :Hoạt động của nó cũng giống như diode, ở trạng thái bình thường lớp tiếp xúc p-n giữa Base và Emiter phân cực thuận VBE>0, nhờ đó điện tử dịch chuyển từ Emiter đến Base

Hình 2.11 Phân cực hoạt động cho BJT

Vì vùng Base có cấu trúc rất mỏng nên phần lớn điện tử sẽ chạy qua vùng này

và đến vùng phân cực ngược Base - Collector VBC<0 tại đó có vùng nghèo điện tích.Trong thời gian này điện tử qua vùng nghèo điện tích và kết nối với cực Collector làm BJT dẫn

Do điện tử dịch chuyển từ theo chiều âm từ E đến C, nên dòng điện có chiều có chiều từ C đến E Lúc này trong lớp phân cực thuận B-E, phần tử điện tích lỗ hổng sẽ dịch chuyển từ B đến E Mặc dù không đóng góp vào dòng điện IC nhưng tổng của dòng điện IC và IB chính là dòng điện IE

1.2 Đặc tính Volt-Amper của BJT:

Trong điện tử công suất, transistor BJT được sử dụng như khóa đóng ngắt các mạch điện và phần lớn được mắc theo dạng mạch có chung emitter Đặc tính V-A của BJT được phân làm 3 vùng:

1.2.1 Vùng tích cực hay vùng tuyến tính (Active): là vùng mà transistor hoạt động ở

chế độ khuếch đại tín hiệu, tương ứng với các giá trị làm việc UCE > UCESAT và dòng

Trang 29

- Dòng IC hầu như không phụ thuộc vào điện áp trên Collector

- Điện áp trên Base không phụ thuộc vào điện áp trên Collector và hầu như không phụ thuộc vào dòng IB

Từ những tính chất này có thể rút ra kết luận: Ở chế độ tuyến tính BJT có thể thay thế bằng nguồn dòng IC, điều khiển bằng dòng IB Khi đó nếu bỏ qua điện áp rơi giữa B-E thì có thể coi lớp tiếp giáp ngắn mạch

Hình 2.12 Đặc tính V-A của BJT

1.2.2 Vùng bão hòa (Saturation): Dòng điện Base IB khá lớn với điện áp VCE nhỏ

mà BJT hoạt động như một khóa đóng Cả hai lớp tiếp xúc đều phân cực thuận Collector - Base (C-B) và Base -Emitter (B-E)

- Để chuyển chế độ tuyến tính sang chế độ bão hòa cần phải tăng giá trị dòng IB

cho đến khi điện áp UCE giảm đến giá trị mà ở đó lớp tiếp xúc C-B phân cực thuận Ở chế độ bão hòa điện áp giữa C và E khá nhỏ nên BJT có thể thay thế bằng khóa đóng với điện áp rơi nhỏ

Trang 30

- Tại điểm làm việc nằm trong vùng bão hòa, transistor sẽ đóng, dòng IC dẫn và điện thế UCE = UCESAT =1÷2V BJT có thể thay thế bằng khóa đóng ngắt với điện áp rơi nhỏ Do dòng điện IB>IB SAT , dòng điện qua collector IC hầu như không thay đổi

- Điều kiện bão hòa của BJT là UCB = UCE - UBE = 0 Độ bõa hòa đạt được khi thỏa mãn điều kiện UBE>0

- Trong chế độ bão hòa dòng điện IB bao giờ cũng có giá trị lớn hơn dòng điện cần thiết để tạo dòng IC so với chế độ tuyến tính

- Điều kiện UCE=0 thường được gọi là chế độ giới hạn (biên giới), nghĩa là nó đặc trưng cho việc chuyển từ chế độ tuyến tính sang chế độ bão hòa

1.2.3 Vùng nghịch hay vùng khóa (Cutoff): Đặc tính ra với thông số iB = 0 nằm trong vùng này Transistor ở chế độ ngắt Dòng Base không đủ lớn để đóng BJT Cả hai lớp tiếp xúc đều phân cực ngược

1.3 Các thông số và đại lượng cơ bản của BJT

V V

CE CC

V V R

V V

CSAT R

V V

FE

CSAT BSAT h

I

Mạch kích phải tạo dòng IB đủ lớn sao cho :

Trang 31

CSAT BSAT

I I

- Điện áp định mức: phụ thuộc vào điện áp đánh thủng các lớp bán dẫn và xác định

bởi giá điện áp cực đại đặt lên lớp collector-emitter (UCEM ) khi IB = 0 và giá trị cực đại điện thế lớp emitter-base UEBM khi IC = 0

- Dòng điện định mức: giá trị cực đại của dòng collector ICM, dòng emitter IEM và dòng kích IBM Đó là các giá trị cực đại tức thời của transistor khi đóng trong trạng thái bão hòa Khi thiết lập chúng, ta xét đến ảnh hưởng của các mối tiếp xúc, dây dẫn tới điện cực và các giá trị hFESAT và UCESAT

- Công suất tổn hao: công suất tổn hao tạo nên trong hoạt động của transistor không

được phép làm nóng bán dẫn vượt quá giá trị nhiệt độ cho phép TM (TM =1500C) Vì thế, cần làm mát transistor và toàn bộ công suất tổn hao phải nhỏ hơn PM Giá trị PM

phụ thuộc vào phương pháp làm mát và nhiệt độ môi trường

Trang 32

- Transistor công suất là linh kiện bán dẫn được điều khiển đóng và điều khiển ngắt

- Transistor công suất hoạt động ở vùng bão hòa vì vậy có điện áp khi đóng nhỏ, giống như khóa đóng ngắt

- Tần số đóng ngắt của Transistor công suất lớn hơn gấp nhiều lần so với thyristors, tuy nhiên điện áp và dòng điện định mức của một số transistor công suất nhỏ hơn so với Thyristors, vì vậy có ứng dụng trong các bộ biến đổi công suất vừa và nhỏ

- Ứng dụng trong các bộ biến đổi DC-DC, DC-AC với diode ngược để có thể cho dòng điện chạy cả hai chiều

- Không có khả năng khoá áp ngược

ton kéo dài khoảng vài µs Thời gian ngắt toff vượt quá 10µs

- Một hệ quả bất lợi trong các hiện tượng quá độ là việc tạo nên công suất tổn hao do đóng và ngắt transistor Công suất tổn hao làm giới hạn dãy tần số hoạt động của transistor

- Giá trị tức thời của công suất tổn hao trong quá trình đóng ngắt tương đối lớn,

vì dòng điện đi qua transistor lớn và điện áp trên transistor ở trạng thái cao Để theo dõi một cách đơn giản, ta có thể hình dung quá trình đóng ngắt như sự chuyển đổi

Trang 33

điểm làm việc từ vị trí ngắt đến vị trí đóng (hoặc ngược lại) xuyên qua vùng tích cực Quá trình này kéo dài trong thời gian ton hoặc toff

1.8 Mạch kích:

Nguyên tắc thiết kế mạch sao cho BJT được đóng ngắt bởi dòng IB thích hợp,

và thay đổi được dòng IC trong mọi điều kiện Trong đó nhiệm vụ của mạch kích:

- Giảm thời gian chuyển trạng thái (ton , toff ): bằng cách cho dòng kích IB giai đoạn đầu khá lớn và sau đó giảm dần

- Cách ly điện giữa mạch điều khiển và mạch công suất: dùng biến áp xung hoặc linh kiện quang điện tử (opton)

Hình 2.14 Một số mạch kích BJT

Hình 2.15 Hình dạng và thông số kỹ thuật Transisor MJV3281A

2 TRANSISTOR TRƯỜNG MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Trang 34

Là lọai transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp được gọi là Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) với cổng điều khiển bằng điện trường (điện áp) MOSFET được sử dụng nhiều trong các ứng dụng công suất nhỏ (vài kW) và không thích hợp sử dụng cho các ứng dụng có công suất lớn Tuy nhiên, linh kiện MOSFET khi kết hợp với công nghệ linh kiện GTO lại phát huy hiệu quả cao và chúng kết hợp với nhau tạo nên linh kiện MTO có ứng dụng cho các tải công suất lớn

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

- MOSFET là linh kiện bán dẫn điều khiển hoàn toàn bằng áp ở công điều khiển Gate MOSFET có hai lọai PNP và NPN Giữa lớp kim loại mạch cổng và các mối nối n+ và p có lớp điện môi silicon oxid SiO

- MOSFET có 3 điện cực Drain (D), Source (S) và Gate (G) Mạch điều khiển gắn vào điện cực G-S và điện áp điều khiển UGS Mạch công suất gắn va điện cực D-S

(a) (b) (c)

Hình 2.16 (a) Cấu tạo MOSFET loại n-p-n, (b) Ký hiệu loại n-p-n, (c) Ký hiệu loại p-n-p

- Lớp tiếp xúc p-n giữa p và vùng n - dịch chuyển đảm bảo khả năng khóa điện Phần kim loại kết nối trực tiếp với lớp p qua lớp n cho phép giữ điện thế cố định với vùng p trong thời gian làm việc bình thường Khi cực Gate (G) và Source (S) được đặt điện áp như nhau (VGS = 0), không có kênh nào được thiết lập trong vùng p, nghĩa là vùng kênh không được điều biến Dưới chất kích tạp vùng chuyển dịch n- cần phải đạt được điện áp khóa cổng Drain Đối với dòng tải drain-source ID để dẫn cần phải thiết lập đường giữa n+ và n - qua vùng khuyếch tán p

- Khi MOSFET ở trạng thái dẫn (triode region), kênh của linh kiện như một điện trở không đổi tỷ lệ tuyến tính giữa vDS và iD

- Giá trị RDS.on có thể nhận giá trị từ 10 mΩ đến vài Ω tương ứng với điện áp thấp và điện áp cao Ở trạng thái dẫn điện trở này là thông số quan trọng, vì nó xác định điện áp rơi trên linh kiện và tổn hao công suất

Trang 35

- Khác với linh kiện điều khiển bằng dòng điện BJT, cần dòng điện Base để dẫn dòng điện tải, MOSFET là linh kiện điều khiển bằng áp và chỉ cần dòng điện (gate) rất nhỏ vì vậy công suất cần thiết nhỏ hơn BJT Tuy nhiên đó không phải là dòng khóa giống BJT, nghĩa là điện áp kích luôn phải tồn tại

- So sánh với BJT tần số đóng ngắt của MOSFET lớn hơn nhiều lần đến MHz, BJT có khả năng mang tải cao hơn MOSFET MOSFET có điện trở khi dẫn lớn hơn BJT Một sự khác biệt khác, BJT nhạy cảm với nhiệt độ lớp tiếp xúc hơn

- Khi điện áp cổng Gate có giá trị dương đủ lớn so với Source, điện tử từ lớp n+ sẽ dịch chuyển sang cổng p Nó làm cho cổng gần với Gate và cho phép dòng điện chạy từ Drain đến Source Silicon Oxide (SiO) sẽ cách điện giữa cổng và cá lớp tiếp xúc: n+ và

p Trên vùng cực Drain tạo lớp đệm n+ và lớp trôi n- , cực điều khiển và cực công suất

bị cách ly

vùng:

Hình 2.17 Đặc tuyến V-A của MOSFET

- Vùng nghịch (Cutoff mode): VGS<VTh đặc tính ra với thông số ID = 0 Nằm trong vùng này MOSFET ở chế độ ngắt Trong đó VTh là điện áp đóng của MOSFET

-Vùng tích cực (Triode mode or Linear Active): VDS<VGS-VTh; VGS>VTh là vùng mà MOSFET dẫn, dòng điện chạy từ cổng Drain đến cổng Source Dòng ID tỷ lệ với điện

áp VDS Dòng điện ID lớn và điện áp Drain - Source nhỏ, MOSFET hoạt động như khóa đóng ngắt

-Vùng bão hòa (Saturation): VDS>VGS-VTh; VGS>VTh Dòng điện Drain ID hầu như không đổi khi điện áp VDS tăng và MOSFET hoạt động như một khâu khuếch đại

Trang 36

MOSFET trong ĐTCS chỉ sử dụng hai trạng thái Triode mode và Cutoff mode

2.3 Các thông số và tính chất cơ bản MOSFET

- Để MOSFET ở trạng thái đóng, đòi hỏi điện áp cổng tác dụng liên tục Dòng điện đi vào mạch cổng điều khiển không đáng kể trừ khi mạch ở trạng thái quá độ, đóng hoặc ngắt dòng Lúc đó xuất hiện dòng phóng và nạp điện cho tụ của mạch cổng

- Thời gian đóng ngắt rất nhỏ, khoảng vài ns đến hàng trăm ns phụ thuộc vào linh kiện Điện trở trong của MOSFET khi dẫn điện RD.ON thay đổi phụ thuộc vào khả năng chịu áp của linh kiện Do đó, các linh kiện MOSFET thường có định mức áp thấp tương ứng với trở kháng trong nhỏ và tổn hao ít

- Do tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp Do đó, với định mức áp từ 300V- 400V MOSFET tỏ ra ưu điểm so với BJT ở tần số vài chục kHz

- MOSFET có thể sử dụng đến mức điện áp 1000V, dòng điện vài chục amper

và với mức điện áp vài trăm volt với dòng cho phép đến khoảng 100A Điện áp điều khiển tối đa 20V (2V,5V, 10V tùy theo loại), mặc dù thông thường có thể dùng áp đến 5V để điều khiển được nó

- MOSFET là linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt bằng điện áp và đòi hỏi dòng điện nhỏ Tần số đóng ngắt rất cao và thời gian đạt đến 100 kHz Vì vậy MOSFET ứng dụng trong các bộ biến đổi công suất nhỏ và tần số cao Tuy nhiên, linh kiện MOSFET khi kết hợp với công nghệ linh kiện GTO lại phát huy hiệu quả cao

và chúng kết hợp với nhau tạo nên linh kiện MTO có ứng dụng cho các tải công suất lớn

- MOSFET đòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ kích đóng nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp Tuy nhiên, MOSFET có điện trở khi dẫn điện lớn,

do vậy công suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nó không thể phát triển thành linh kiện công suất lớn

- Các linh kiện MOSFET có thể đấu song song để mở rộng công suất

- Ứng dụng cho các bộ biến đổi công suất nhỏ

- Tần số đóng cắt của MOSFET lên đến 100 kHz

- Áp định mức của MOSFET đến 1000V

- Dòng định mức của MOSFET đến 50 A

- Độ sụt áp trên MOSFET cao hơn so với BJT

- Điện trở khi dẫn (từ 0,1 Ω đến vài Ω)

- Tổn hao trong MOSFET cao

2.4 Các trạng thái đóng ngắt:

Trang 37

Hình 2.18 Mạch bảo vệ MOSFET

2.6 Mạch kích : Tương tự như BJT, mạch kích cổng G của MOSFET có thể được

cách ly với mạch tạo tín hiệu điều khiển thông qua biến áp xung, optron hoặc diode quang

Hình 2.19 Một số mạch kích MOSFET

Trang 38

Bảng 2.2 Thông số đặc trưng của 1 số MOSFET

Hình 2.20 Hình dạng thực tế và thông số của MOSFET – 19MT050XF

3 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

IGBT có cẩu trúc 3 cực ứng dụng trong điều khiển năng lượng điện và nhiều ứng dụng khác không thể hiệu quả khi không có IGBT Trước khi xuất hiện IGBT, BJT và MOSFET được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ với tần số đóng ngắt cao mà ở đó GTO không thể sử dụng

Trang 39

IGBT có đặc tính tốt hơn so với các linh kiện còn lại do IGBT là mạch Darlington của BJT và cực công suất như MOSFET và điều khiển bằng điện áp IGBT là transistor công suất hiện đại, có kích thước gọn nhẹ Nó có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện

3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

- Lớp p cực Collector của IGBT kết hợp với lớp n vùng khuyếch tán tạo tiếp xúc p-n, khi dẫn Để đơn giản ta giả thiết cực Emitter là điện thế mass (ground potential)

- Khi điện thế cực C âm, lớp tiếp xúc p-n khuếch tán phân cực ngược, ngăn không cho dòng điện tải chạy trong linh kiện - linh kiện ở trạng thái ngắt

- Khi cực G có điện áp mass (ground potential) mà điện áp dương trên cực C, tiếp xúc p-n khuếch tán cũng phân cực ngược, làm cho dòng điện tải không chạy trong linh kiện, linh kiện ở trạng thái chưa dẫn

Hình 2.21 Cấu tạo-ký hiệu IGBT

- Khi cực G mang điện thế dương lớn hơn điện áp đóng VTh , kênh n được hình thành cho phép điện tử dịch chuyển vào vùng n-khuếch tán Lớp tiếp xúc p-n khuếch tán phân cực thuận và điện tích lỗ hổng dịch chuyển vào vùng khuếch tán Trong vùng này điện tử kết hợp với điện tích lỗ hổng thiết lập khoảng trung hòa, các điện tích lỗ hổng còn lại kết nối với cực E, tạo dòng điện giữa hai cực E-C

- IGBT có cấu trúc gồm bốn lớp p-n-p-n IGBT có cấu tạo gồm 3 cổng Gate (G), Collector (C), Emitor (E) Mạch điều khiển nối vào cổng GE, mạch công suất được nối giữa cổng C-E

- IGBT được thực hiện từ sự kết hợp giữa IGBT đầu vào với cổng Gate cách ly

và transistor dạng n-p-n đầu ra, nhờ đó mà IGBT tập hợp được những đặc tính của cả IGBT và IGBT Cổng Gate của IGBT giống như cổng Gate của MOSFET, còn cực Collector và Emitor giống như BJT

Trang 40

- Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng kích G Khi tác dụng lên cổng G điện thế dương so với Emitter để kích đóng IGBT, các hạt mang điện loại n được kéo vào kênh p gần cổng G làm giàu điện tích mạch cổng p của transistor n-p-n và làm cho IGBT dẫn điện Để ngắt IGBT ta ngắt điện áp cấp cho cổng

Hình 2.22 Sơ đồ kết nối Hình 2.23 Đặc tuyến V-A

- Vùng nghịch: VGE<VTh đặc tính ra với thông số ID = 0 Nằm trong vùng này IGBT ở chế độ ngắt Trong đó VTh là điện áp đóng của MOSFET

- Vùng tích cực: VCE>VGE-VTh; VGE>VTh là vùng mà IGBT dẫn, dòng điện chạy từ cổng Drain đến cổng Source Dòng IC tỷ lệ với điện áp VCE Dòng điện IC lớn và điện

áp C-E nhỏ, IGBT hoạt động như khóa đóng ngắt

- Vùng bão hòa: VCE<VGE-VTh; VGE>VTh Dòng điện IC hầu như không đổi khi điện

áp VCE tăng và IGBT hoạt động như một khâu khuếch đại

IGBT trong ĐTCS chỉ sử dụng hai trạng thái tích cực và nghịch Để ngắt IGBT, cực G được nối tắt với cổng E làm cho dòng điện trong transistor p-n-p ngưng Dòng

IC đột ngột giảm nguyên nhân là vì kênh điện tử bị gỡ bỏ, đồng thời hạt điện tích dương dư thừa trong vùng n-khuyếch tán bị suy giảm vì kết hợp lại với điện tử

3.3 Đặc tính động của IGBT

Thời gian chuyển sang trạng thái ON của IGBT lớn hơn so với MOSFET

3.4 Các thông số cơ bản của IGBT

- IGBT kết hợp những ưu điểm của MOSFET và BJT

Định dạng
Số trang	195
Dung lượng	7,44 MB