tài liệu thí nghiệm điện tử công suất

Khảo sát các linh kiện công suất: Diode công suất, Thyristor (SCR), TRIAC, transistor Công suất ( BJT , MOSFET ) , IGBT, GTO. Trong lĩnh vực điện tử công suất, các linh kiện này được dùng như các chuyển mạch (switch). Vì vậy, ta chỉ khảo sát chúng trong hai chế độ đóng (dẫn) và ngắt (ngưng dẫn), riêng với SCR và Triac ta sẽ khảo sát thêm các đặc tính cơ bản như điện thế phân cực, dòng kích, góc mỡ (điều khiển pha)…

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

- 

 -GIÁO TRÌNH

THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

BIÊN SOẠN: NGUYỄN VĂN THIỆN

BÀI 1: KHẢO SÁT LINH KIỆN CÔNG SUẤT CƠ BẢN

1.1 MỤC ĐÍCH

Khảo sát các linh kiện công suất: Diode công suất, Thyristor (SCR), TRIAC, transistor Công suất ( BJT , MOSFET ) , IGBT, GTO Trong lĩnh vực điện tử công

suất, các linh kiện này được dùng như các chuyển mạch (switch) Vì vậy, ta chỉ

khảo sát chúng trong hai chế độ đóng (dẫn) và ngắt (ngưng dẫn), riêng với SCR

và Triac ta sẽ khảo sát thêm các đặc tính cơ bản như điện thế phân cực, dòng kích, góc mỡ (điều khiển pha)…

Qua bài thực hành này, sinh viên sẽ hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của các linh kiện công suất, từ đó có thể ứng dụng chúng trong thực tế

1.2 KIẾN THỨC NỀN

Để làm tốt bài thí nghiệm này, sinh viên phải tự ôn tập kiến thức nền trong các giáo trình lý thuyết đã học Đây là các linh kiện quen thuộc, nên trong các phần sau đây chỉ nhắc lại một số vấn đề cơ bản

1.2.1 Diode công suất:

Diode bán dẫn được cấu tạo trên lớp tiếp xúc bán dẫn khác loại ( hình 1.a ) thường là bán dẫn loại N và loại P Hình 1b là kí hiệu theo quy ước và hình 1c

là hình dạng thực tế của diode công suất

Do hiệu ứng khuếch tán các phần tử tải điện cơ bản giữa 2 miền, tại lớp tiếp xúc (phần truyền) sẽ hình thành 1 hiệu điện thế tiếp xúc, tạo ra từ trường E để ngăn ngừa sự khuếch tán tiếp tục của các phần tử tải điện cơ bản Kết quả là ở trạng thái cân bằng , ở ranh giới tiếp xúc tạo ra vùng nghèo các phần tử tải điện Khi đặt vào diode một điện trường ngoài ( U ), trạng thái cân bằng bị phá vỡ, nếu nối điện thế ngoài theo chiều dương + với Katod và chiều âm – nối với Anod của diode, sẽ tạo ra điện trường ngoài cùng chiều với điện thế tiếp xúc, điện trường tổng cộng sẽ làm tăng hàng rào điện thế, làm vùng nghèo được mở rộng Vùng nghèo của lớp tiếp xúc không cho phép các phần tử tải điện chuyển qua phần truyền và dòng qua phần truyền chỉ là dòng điện rò ( dòng rỉ)

Nối điện thế ngoài theo chiều + với Anod và – với Katod của diode , điện trường ngoài sẽ ngược chiều với điện trường của điện áp tiếp xúc , điện trường tổng cộng sẽ làm giảm hàng rào điện thế , cho phép các phần tử tải điện dịch chuyển qua vùng tiếp xúc và tạo ra dòng điện qua diode Trên hình 1b mô

A

G

P1 N1 P2 N2

K

Hình 1 a.Cấu trúc b Ký hiệu c Hình dạng thực tế

Diode công suất làm việc với dòng thuận lớn vì vậy đòi hỏi chế độ giảm nhiệt hợp lí, thích hợp Thông thường sẽ có 1 cực tính được chế tạo thuận lợi cho việc ghép với nhôm tản nhiệt

Các diode công suất sử dụng cho các thiết bị công nghiệp thường đòi hỏi phải có khả năng chịu đựng điện áp ngược lớn , khoảng vài trăm cho đến vài ngàn Volt Dòng điện định mức (dòng tải chính hay dòng thuận) phải đạt vài trăm Ampe

1.2.2 Thyristor – SCR ( Silic Controler Retiffier )

Thyristor có tên ghép là thyratron và transistor, được cấu tạo từ bốn lớp chất bán dẫn p-n-p-n như hình 2a, có các điện cực A(Anod), K(Katod), G( gate),

kí hiệu qui ước như hình 2b và hình dáng bên ngoài như hình 2c

K

J1 J2 J3

A

Hình 2

Trong trường hợp không có tín hiệu điều khiển ở cực Gate hiện tượng thác lũ như trên vẫn có thể xảy ra khi tăng điện thế U đặt lên Thyristor Khi điện thế U đủ lớn ( U>Umồi ) các điện tử nhận đủ năng lượng để gây ra quá trình ion hóa do va chạm, làm mở Thyristor trong trường hợp này hoạt động của Thyristor gần giống như hoạt động của đèn Neon

Để đưa Thyristor rở về trạng thái khóa , cần tiến hành theo 2 cách như sau : _ Giảm dòng dẫn I xuồng giá trị duy trì trạng thái dẫn

_ Đảo chiều điện hế phân áp U hoặc tạo điện thế phân cực ngược cho

Thyristor

Khi đặt điện áp ngược lên Thyristor đang dẫn ( Anod nối – và Katod nối + ) 2 lớp tiếp xúc J1 và J3 bị phân cực ngược , J2 được phân cực thuận Các điện tử đang hiện diện trong Thyristor sẻ đảo chiều hành trình tạo dòng điện ngược từ Anod về Katod và về cực – của nguồn Tại thời điểm chuyển từ mở sang cấm dòng điện này khá lớn , sau đó khi J1 và J3 bị cấm , các điện tử giữa chúng sẽ dần bị tiêu tán, cấu trúc phần truyền của Thyristor được khôi phục trở lại, Thyristor chuyển sang trạng thái cấm với dòng đi qua nó nhỏ lại Sau khi Thyristor cấm việc đảo cực điện thế U ( U>Umồi trên Thyristor hay Anod nối + và Katod nối - ) không làm Thyristor dẫn Cần lưu ý khi Thyristor chuyển từ dẫn sang cấm trong khoảng thời gian đầu (TOFF) khoảng vài chục µs , Thyristor còn dẫn với dòng ngược lớn Nếu trong khoảng thời gian này đặt lên Thyristor ngay 1 điện thế ngược có thể làm hỏng Thyristor

Đặt trưng Volt –Ampe của Thyristor được mô tả như hình 3a

Thyristor có cấu trúc và hoạt động tương đương với cặp transistor ghép

_ Dòng rĩ khoảng vài mA

_ Điện áp ngược cực đại Ungược max : từ vài trăm Volt cho đến vài KV _ Dòng điện điều khiển IG : thông thường khoảng 200mA đến 500mA _ Tốc độ tăng dòng điện dI/dT : vài A/µs

_ Tốc độ tăng điện áp dV/dT : V/µs

_ Thời gian khóa khoảng vài chục µs

_ Thời gian mở khoảng vài µs

Quá trình chuyển từ mở sang đóng không xãy ra tức thời Nếu Thyristor chưa cấm hẳn mà xác lập lại điện thế U để UA-K dương sẻ làm đoản mạch nguồn và làm Thyristor hỏng

Khi đặt vào Thyristor điện thế xoay chiều , Thyristor chỉ làm việc với bán kỳ dương mà không làm việc ở bán kỳ âm của điện thế nuôi Ở bán kỳ âm thyristor sẽ tự động chuyển về chế độ cấm do có sự đảo chiều điện thế của nguồn cung cấp

Hình 3 a.Đặc tính V-A b Mạch tương đương 2 BJT

1.2.3 TRIAC ( Triode Alternative Current )

Như đã trình bày ở trên, Thyristor là linh kiện chỉ mở khi phân cực điện

áp UA-K dương Nếu như ghép 2 Thyristor song song ngược chiều nhau, có thể điều khiển mở được 2 chiều âm và dương.Trong trường hợp này cần phải

có 2 tín hiệu điều khiển đồng bộ với nhau nên gây chút khó khăn Do đó để khắc phục vấn đề này người ta chế tạo ra 1 linh kiện đó là TRIAC TRIAC là linh kiện tương đương 2 Thyristor ghép song song nhưng ngược chiều nhau và

có chung 1 cực điều khiển

Do TRIAC làm việc được với cả nguồn dương và nguồn âm nên khái niệm Anod và katod không còn phù hợp nữa Các cực của TRIAC được sử dụng là T1 ( MT1 ) và T2 ( MT2) cho các cực lối ra và cực điều khiển Gate ở gần T1

Cấu trúc cấu tạo của TRIAC có thể mô tả bằng 2 cấu trúc chứa 4 lớp chất

bán dẫn Ta và Tb tương tự như hình 4a Trong trường hợp T2 nối với nguồn +

và T1 nối với nguồn -, Gate nối với +, 1 phần TRIAC làm việc giống như 1 Thyristor thông thường Nếu nguồn phân cực ngược lại, điện tử trong vùng N3

sẽ phóng vào P2 gây ra quá trình thác lũ do va chạm làm dẫn Tb Trong thực tế TRIAC được thiết kế với cấu trúc liên kết với các lớp chất bán dẫn N1, P1, N2, P2 là chung cho 2 nữa Ký hiệu qui ước TRIAC như hình 4b

Hình 4

Đặc trưng Volt-Ampe của TRIAC có tính đối xứng như hình 5 Nhánh ở phần

tư thứ 1 tương ứng với trường hợp VT2 > VT1, nhánh ở phần tư thứ 3 mang đặc trưng tương ứng với sự đảo chiều điện thế phân cực , nghĩa là VT2 < VT1

Khác với Thyristor, TRIAC có thể làm việc với điện thế điều khiển âm và không đổi trạng thái khi đảo cực của nguồn điện thế nuôi

I U

I >

7

1.2.4 Transistor MOS công suất

Transistor MOS công suất thực chất là transistor trường hay còn gọi là FET (Field Effect Transistor ) tuy nhiên FET công suất thường được chế tạo bằng công nghệ MOS ( Metal-Oxide-Semiconductor ) nên thường gọi là MOSFET công suất

MOSFET công suất là 1 linh kiện chuyển mach điện tử nhanh và công suất lớn

Cấu trúc MOSFET có các cực chính là : Drain (máng), Source (nguồn) và cực khiển Gate (cực cửa) Khác với transistor lưỡng cực thông thường, khi điện

áp giữa cực Gate và cực Source có giá trị là 0V thì MOSFET không dẫn cho dù điện thế giữa 2 cực đạt đến giá trị vài trăm Volt

1.2.5 Đặc Điểm Sử Dụng Transistor Lưỡng Cực, MOSFET, Thyristor

Do đặc điểm làm việc chịu đựng điện áp cao, dòng lớn , các đặc tính cách điện cao khi ngắt và điện trở dẫn nhỏ , khả năng chuyển mạch nhanh, dễ ghép với sơ đồ điện tử Các linh kiện Điện Tử Công Suất được ứng dụng rộng dãi thay cho các chuyển mạch tiếp điểm

Việc lựa chọn linh kiện nào cho từng ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào các trị số giới hạn, các tổn hao, thời gian chuyển mạch nhanh hay chậm , giá thành

Thyristor có trị số giới hạn về dòng điện và điện áp là cao nhất, tổn hao nhỏ, giá thành tương đối.Tuy nhiên Thyristor có thời gian chuyển mạch chậm

vì vậy chỉ thích hợp cho các mạch sơ đồ biến đổi điện áp lưới ( có tần số 50Hz hoặc 60Hz ) như các bộ chỉnh lưu, biến đổi điện áp xoay chiều, nghich lưu biến tần với tần số thấp (thường < 250Hz)

Đối với các sơ đồ nghịch lưu ần số cao ( > 15KHz ) thì sử dụng MOSFET thích hợp hơn Ở dãy tần 20KHz – 100KHz, transistor lưỡng cực thường được

sử dụng vì có đặc tính tác động nhanh, tuy tổn hao điều khiển nhiều hơn MOSFET

Về chế độ nhiệt, các transistor công suất có thể chịu nhiệt đạt 200oC , trong khi đó Thyristor chỉ đạt đến 125oC

Đặc biệt do các mạch công suất hay có sự cố, Thyristor có tính bảo vệ chống lại sự cố nên thường được chọn để sử dụng

TRIAC thường có công suất nhỏ hơn so với Thyristor nên khả năng sử dụng chúng cũng bị giới hạn, chỉ được sử dụng trong các mạch công suất vừa và nhỏ

1.2.6 Các Linh Kiện Công Suất Khác

a.GTO (gate turn-off thyristor )

Có cấu tao phức tạp hơn Thyristor thông thường nhằm giải quyết vấn đề khó khăn khi sử dụng Thyristor là làm sao để ngắt khi đang dẫn Ở đây GTO

có thể ngắt bằng cách kích vào cực Gate 1 xung âm , trước đó GTO dẫn nếu được phân cực thuận vào được kích bằng xung dương

Hình 6 : Cấu tạo , kí hiệu , sơ đồ tương đương và hình dạng của GTO

GTO có cấu tạo gồm bốn lớp pnpn tương tự với thyristor thông thường (SCR)- hình 6a, với các tính năng tương tự của thyristor với điểm khác biệt là có thể điều khiển ngắt dòng điện qua nó Mạch tương đương GTO được vẽ trên hình 6c có cấu trúc tương tự mạch mô tả SCR nhưng có thêm cổng kích ngắt mắc song song cổng kích đóng Ký hiệu linh kiện GTO vẽ trên hình 6b Cấu trúc thực tế (loại GTO đối xứng) hình 6

Hình 7: cấu tạo và nguyên tắt đóng ngắt GTO

Hình 8 Đặc tính đóng ngắt

Hình 9 Quá trình thay đổi trạng thái đóng ngắt của GTO GTO được kích đóng bằng xung dòng điện tương tự như khi kích đóng thyristor thông thường Dòng điện kích đóng được tăng đến giá trị I

GM và sau đó giảm xuống đến giá trị I Điểm khác biệt so với yêu cầu xung kích đóng SCR là dòng kích i

tiếp tục duy trì trong suốt thời gian GTO dẫn điện

Để kích ngắt GTO, xung dòng điện âm lớn được đưa vào cổng G – cathode với

độ dốc (di /dt) lớn hơn giá trị qui định của linh kiện, nó đẩy các hạt mang điện khỏi

GQ

cathode, tức ra khỏi emitter của transistor pnp và transistor npn sẽ không thể hoạt động ở chế độ tái sinh Sau khi transistor npn tắt, transistor pnp còn lại sẽ hoạt động với cổng kích đóng ở trạng thái mở và linh kiện trở về trạng thái không dẫn điện

Tuy nhiên, dòng điện yêu cầu mạch cổng G để tắt GTO có giá trị khá lớn Trong khi xung dòng điện cần đưa vào cổng để kích đóng GTO chỉ cần đạt giá trị khoảng 3-5%, tức khoảng 30A với độ rộng xung 10µs đối với loại linh kiện có dòng định mức 1000A thì xung dòng điện kích cổng để ngắt GTO cần đạt đến khoảng 30- 50%, tức khoảng 300A với độ rộng xung khoảng 20-50 s

Mạch cổng phải thiết kế có khả năng tạo xung dòng kích tối thiểu đạt các giá trị yêu cầu trên (I

GQM ) Điện áp cung cấp mạch cổng để tạo xung dòng lớn vừa nêu thường có giá trị thấp, khoảng 10-20V với độ rộng xung khoảng 20-50 s năng lượng tiêu tốn cho việc thực hiện kích ngắt GTO không cao

Quá trình điện áp và dòng điện mạch anode và mạch cổng khi kích đóng GTO

và kích ngắt nó được mô tả trên hình hình 8 và hình 9 Năng lượng kích ngắt GTO nhiều gấp 10-20 lần năng lượng cần cho quá trình kích đóng GTO Điểm bất lợi về mạch kích ngắt là một nhược điểm của GTO khi so sánh nó với IGBT Hệ quả là thời gian ngắt dòng điện kéo dài, khả năng chịu di/dt, dv/dt kém, mạch bảo vệ khi kích đóng và kích ngắt làm tăng chi phí lắp đặt cũng như làm công suất tổn hao tăng lên

Do khả năng kích ngắt chậm nên GTO được sử dụng trong các bộ nghịch lưu điều chế độ rộng xung (PWM) với tần số đóng ngắt thấp Tuy nhiên, điều này chấp nhận được trong các ứng dụng công suất lớn Mạch điều khiển kích ngắt GTO có giá thành tương đương giá thành linh kiện

Độ sụt áp của GTO khi dẫn điện cao hơn khoảng 50% so với thyristor nhưng thấp hơn 50% so với IGBT với cùng định mức GTO có khả năng chịu tải công suất lớn hơn IGBT và được ứng dụng trong các thiết bị điều khiển hệ thống lưới điện (FACTS Controller) đến công suất vài trăm MW

Linh kiện GTO cần phải có mạch bảo vệ Quá trình ngắt GTO đòi hỏi sử dụng xung dòng kích đủ rộng Điều này dẫn đến thời gian ngắt dài, khả năng di/dt và dv/dt của GTO thấp Vì thế, cần phải giới hạn các trị số hoạt động không vượt quá giá trị an toàn trong quá trình ngắt GTO

b IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

IGBT là linh kiện kết hợp giữa đặc tính tác động nhanh và công suất lớn của Transistor lưỡng cực với tổng trở ngã vào và chịu điện thế điều khiển lớn ở cực cổng của MOSFET Cấu tạo , kí hiệu và sơ đồ tương đương có dạng như hình 10

1.3 NỘI DUNG THỰC HÀNH

I.Khảo sát Diode công suất

1 Nối nguồn +12V qua tải bóng đèn và diode như hình 11a để mắc phân cực thuận cho diode Đo sụt áp trên diode và dòng qua diode

2 Nối nguồn +12V qua tải bóng đèn và diode như hình 11b để mắc phân cực

ngược cho diode Đo sụt áp trên diode và dòng qua diode

3 Nối nguồn ~ 24V qua tải bóng đèn và diode như hình 12a Sử dụng dao động ký

để quan sát tín hiệu trên tải bóng đèn

11

4 Nối nguồn ~ 24V qua tải motor và diode như hình 12b Sử dụng dao động

ký để quan sát tín hiệu trên tải motor

5 Trên cơ sở nguyên tắc hoạt động của diode , giải thích nguyên tắc hoạt động của sơ đồ hình 11 và hình 12 Giải thích sự khác nhau giữa 2 dạng tín hiệu trên tải cảm ( motor ) và tải trở ( bóng đèn )

II Khảo sát Thysistor công suất:

a Bật SW1 từ 1 sang 2, bật D1 Quan sát hiện tượng và giải thích

b Sau đó bật SW về 1, quan sát hiện tượng trên tải và giải thích

c Từ câu a ấn nút D1 lần 2, quan sát hiện tượng trên tải và giải thích

d Từ câu a ấn nút D2 quan sát hiện tượng trên tải và giải thích hiện tượng

2 Lắp mạch như hình vẽ:

Iện

a Bật SW1 từ 1 sang 2, ấn nút D1quan sát hiện tượng trên tải và giải thích hiện tượng

b Bật SW1 từ 2 sang 1, quan sát hiện tượng và giải thích

c Từ câu a ấn nút D2 quan sát hiện tượng và giải thích

R110k

1.5V

L112VV1

12V