Báo cáo Đồ án tốt nghiệp: bộ biến đổi UPS

Bộ nguồn liên tục UPS là một trong những ứng dụng quan trọng của điện tử công suát. Bộ nguồn liên tục UPS sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất làm chức năng chỉnh lưu và nặp Ắc Quy để tích trữ điện năng khi làm việc bình thường. Khi có sự cố bộ ngịch lưu làm nhiệm vụ biến đổi điện năng một chiều tích lũy trong tụ thành điện năng xoay chiều cung cấp cho tải. Chính vì vậy nhận thấy được tầm quan trọng và ứng dụng thực tế của bộ biến đổi UPS trong đời sống và sản xuất nên nhóm em đã chọn đề tài nghiên tài này để làm đồ án tốt nghiệp. Toàn bộ bài đồ án được chia làm 5 chương.Chương I : giới thiệu tổng quan về UPS (uninterruptible power system)Chương II : Tính toán và lựa chọn bộ Ắc Quy cho nguồn UPS.Chương III : Giới thiệu tổng quan về các van bán dẫn.Chương IV : Tổng quan về nghịch lưu.Chương V : Tính toán và thiết kế mạch điều khiển.

Ngày nay trong các nhà máy công nghiệp hiện đại, các thiết bị điện tửcông suất ngày càng được sử dụng nhiều Việc thay thế các thiết bị điện động

có tiếp điểm và kích thước lớn bằng các phần tử tĩnh không có tiếp điểm, kíchthước nhỏ gọn, công suất lớn đã làm cho các thiết bị máy móc công nghiệpphát triển lên một tầm cao mới Đó là nhiệm vụ của điện tử công suất

Sinh viên ngành tự động hóa không thể không biết về điện tử công suấtnên việc học điện tử công suất là hết sức cần thiết Trong quá trình học tập ởtrên lớp do thời gian có hạn nên không thể tìm hiểu được nhiều về môn họcquan trọng này, chính vì vậy làm đồ án tốt nghiệp về điện tử công suất sẽ làmchúng em hiểu thêm về môn học cũng như các bài toán thực tế

Bộ nguồn liên tục UPS là một trong những ứng dụng quan trọng của điện

tử công suát Bộ nguồn liên tục UPS sử dụng bộ biến đổi điện tử công suấtlàm chức năng chỉnh lưu và nặp Ắc Quy để tích trữ điện năng khi làm việcbình thường Khi có sự cố bộ ngịch lưu làm nhiệm vụ biến đổi điện năng mộtchiều tích lũy trong tụ thành điện năng xoay chiều cung cấp cho tải Chính vìvậy nhận thấy được tầm quan trọng và ứng dụng thực tế của bộ biến đổi UPStrong đời sống và sản xuất nên nhóm em đã chọn đề tài nghiên tài này để làm

đồ án tốt nghiệp Toàn bộ bài đồ án được chia làm 5 chương

Chương I : giới thiệu tổng quan về UPS (uninterruptible power system)Chương II : Tính toán và lựa chọn bộ Ắc Quy cho nguồn UPS

Chương III : Giới thiệu tổng quan về các van bán dẫn

Chương IV : Tổng quan về nghịch lưu

Chương V : Tính toán và thiết kế mạch điều khiển

Trong quá trình làm đồ án này chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân

thành tới thầy giáo hướng dẫn chúng em: Ths……… và các thầy cô

giáo trong khoa đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.Trong quá trình thực hiện làm đồ án, mặc dù chúng em đã rất cố gắngsong không thể tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm nhất định Chúng em rấtmong nhận được sự góp ý và chỉ bảo của các thầy cô trong khoa Em xin chânthành cảm ơn!

Hà Nội ngày 20 tháng 6 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Lương Xuân HươngHoàng Văn HưngHoàng Đình Trung

CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ UPS

( uninterruptible power system )

1 Giới thiệu chung về UPS

* Sơ đồ đấu UPS:

Hình 1.1 Hình dạng UPS, sơ đồ đấu UPS

1.1 Cung cấp năng lượng điện cho những tải nhạy cảm

1.1.1 Sự cố nguồn năng lượng điện

Sự cố trong các nguồn năng lượng điện có thể xẩy ra trong quá trình lắpđặt trang thiết bị hoặc ở đầu vào hệ thống (quá tải, nhiễu, mất cân bằng pha,sấm sét, …) Những sự cố này có thể gây ra những hậu quả khác nhau

Về mặt lý thuyết: Hệ thống phân phối năng lượng điện tạo ra một điện áphình sin vơi biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho thiết bị điện (220V-50Hz chẳng hạn)

Trong thực tế, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bị ảnhhưởng trong phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong hệthống

Đối với hệ thống cung cấp điện: Có thể bị sự cố hoặc gián đoạn cung cấp điệnvì:

Hiện tượng nhiễm điện ở bầu khí quyển (thường không tránh khỏi).Điều này có thể ảnh hưởng đến đường dây ngoài trời hoặc cáp chôn, chẳnghạn:

-Sấm sét làm điện áp tăng đột ngột trong hệ thống cung cấp điện

-Sương giá có thể làm cho đường dây bị đứt

Những hiện tượng ngẫu nhiên, chẳng hạn:

-Cành cây rơi gây gắn mạch hoặc đứt dây

-Đứt cáp do đào đất

-Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp

Những thiết bị dùng điện có thể ảnh hưởng đến hệ thống cung cấp

Lăp đặt công nghiệp, chẳng hạn:

-Động cơ gây ra điện áp rơi và nhiễm RF trong quá trình khởi động.-Những thiết bị gây ô nhiễm: lò luyện kim, máy hàn, … gây ra điện áprơi và nhiễm RF

Những hệ thống điện tử công suất cao

Thang máy, đèn huỳnh quang

Những sự cố ảnh hưởng đến việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị có thểphân thành các loại sau:

1.1.2.Giải pháp dùng UPS

Điều cần chú ý trước hết của những sự cố và hậu quả của nó về phươngdiện:

An toàn cho con người

An toàn cho thiết bị, nhà xưởng

Mục tiêu vận hành kinh tế

Từ đó phải tìm cách loại chúng ra Có nhiều giải pháp kỹ thuật khác nhau chovấn đề này, những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của hai tiêu chuẩnsau để đánh giá:

Liên tục cung cấp điện

Chất lượng cung cấp điện

1.2 Những chức năng của UPS

Hoạt động như một giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tảinhạy cảm UPS cung cấp cho tải một năng lượng điện liên tục, chất lượngcao, không phụ thuộc mọi tình trạng của hệ thống cung cấp

UPS tạo ra một điện áp cung cấp tin cậy

- Không bị ảnh hưởng của những sự cố của hệ thống cung cấp, đặc biệtkhi hệ thống cung cấp ngừng hoạt động

- Phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện từnhạy cảm (chẳng hạn: GALAXY-sai số cho phép của biên độ  0 , 5%, tần số

1

 %)

UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, độc lập và liên tục thông qua cáckhâu trung gian: Acquy và chuyển mạch tĩnh

2 Sơ đồ cấu trúc của UPS:

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc của UPS

- Chức năng của các khối:

1 Biến áp vào:

 Hạ áp từ điện áp lưới xuống điện áp thích hợp để đưa vào bộchỉnh lưu

 Cách ly giữa hệ thống và lưới, chống ngắn mạch nguồn

2 Chỉnh lưu: tạo ra điện áp 1 chiều dùng cho việc nạp ắc quy và đưa tới

5 Biến áp ra: tăng điện áp ra từ bộ nghịch lưu lên phù hợp theo yêu cầucủa tải

Biến

áp vào

Bộ Ăcqui

ĐK CL

ĐK NL

Nguồn

Biến

áp ra

Nghịch lưu

Bộ lọc Chỉnh

lưu

6 nạp Ắc quy: Dùng để điều khiển việc nạp Ắc quy Khi có điện Ắc quy

là nơi tích trữ năng lượng Khi đó dưới sự điều khiển của mạch điều khiểnnạp thì Ắc quy được nạp Khi điện áp trên Ắc quy tăng đến một mức nào đóthì mạch điều khiển sẽ cắt việc nạp Ắc quy

7 Ắc Quy: là nơi tích trữ năng lượng khi có điện áp nguồn và là khocung cấp năng lượng cho các phụ tải khi lưới điện bị mất Thời gian duy trìđiện của UPS phụ thuộc rất nhiều vào dung lượng của Ắc quy Trên thịtrường Ắc quy dùng cho UPS phổ biến nhất là loại 12 V/7 Ah và 6 V/7 Ah.Khi thiết kế tùy theo điện áp mà ta có thể mắc nối tiếp các Ắc quy để đượcđiện áp nguồn 24  48 V Việc sử dụng nguồn cấp có điện áp cao sẽ giảmđược dòng tiêu thụ và tăng hiệu suất của nguồn UPS song nó sẽ làm tăng kíchthước của nguồn

8 Điều khiển chỉnh lưu: Điều khiển góc mở của các thyristor trong mạchchỉnh lưu sao cho điện áp ra sau chỉnh lưu ổn định theo yêu cầu

9 Điều khiển nghịch lưu: Điều khiển thời gian dẫn của các van hợp lýsao cho điện áp cung cấp cho tải là không đổi hoặc thay đổi rất nhỏ Mạchđiều khiển này đóng vai trò quan trọng như một bộ ổn áp hoạt động song songvới bộ nghịch lưu

10 Nguồn: dùng để cung cấp các mức điện áp khác nhau cho 2 bộ điềukhiển chỉnh lưu và nghịch lưu

3.Phân loại UPS

Dựa theo nguyên lý làm việc hiện nay có ba loại UPS phổ thông: UPSoffline (đơn thuần), UPS - offline công nghệ Line interactive, UPS online

(ngoài ra còn hai loại khác nữa là: UPS tĩnh, UPS quay chúng không sử dụngnguyên lý như loại UPS phổ thông dùng trong dân dụng nên ít được nhắc tới).

3.1 UPS offline

Hình 1.3 sơ đồ nguyên lý UPS offline

Ở trên hình 1.3 thể hiện hai trạng thái làm việc của UPS offline thôngthường

 Ở trạng thái lưới điện ổn định thì tải tiêu thụ sử dụng điện trực tiếp củalưới điện UPS lúc này chỉ sử dụng một bộ nạp (charger) để nạp điện mộtcách tự động cho Ắc quy mà thôi

 Khi điện áp lưới điện không đảm bảo (cao quá,thấp quá), hoặc mất điệnthì lúc này mạch điện chuyển sang dùng điện cung cấp ra từ Ắc quy và bộinverter

Qua nguyên lý được phân tích như trên thì ta thấy rằng thời gian cungcấp điện cho thiết bị tiêu thụ vì thế mà bị gián đoạn Sự gián đoạn này gây raviệc cung cấp nguồn điện không ổn định tại phía các thiết bị tiêu thụ

Một số máy tính bị tắt do nguồn (UPS) thuộc loại chất lượng thường haycông suất thấp, có khả năng tích tụ điện tại tụ đầu nguồn đầu vào thấp so vớinhu cầu công suất của các linh kiện trên máy tính, nên thời gian chuyển mạchcủa UPS đã gây dừng hoạt động của PSU Rất nhiều người đã gặp điều nàynhưng lại đổ lỗi cho PSU của họ - và họ có thể mang đi bảo hành rồi lại bị trảlại bởi vì kĩ thuật viên nơi bán hàng đã kiểm tra và thấy chúng chẳng bị làmsao cả

Cũng qua sơ đồ, ta thấy rằng UPS offline không có công dụng ổn áp khi

sử dụng điện lưới bình thường – bởi đơn giản khi không có sự cố về lưới điệnthì các thiết bị phía sau UPS đơn thuần được nối trực tiếp với lưới điện thôngqua rơle (phần bypass trong sơ đồ trên)

3.2 UPS offline với công nghệ Line interactive

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý UPS offline với công nghệ Line interactiveKhắc phục nhược điểm của loại UPS offline thông thường là loại UPSoffline với công nghệ Line interactive Do sự tích cực hơn trong nguyên lýhoạt động nên chúng thường có giá thành cao hơn so với UPS offline thôngthường.So với sơ đồ nguyên lý UPS offline thông thường ta thấy: Phần nhánh

Ắc quy và inverter không thay đổi, chỉ có phía nhánh cung cấp điện cho thiết

bị tiêu thụ lẽ ra được nối trực tiếp thì lại nối thêm qua một phần nữa(boost/buck) có kí hiệu như trên hình vẽ.

Theo hình phía trên ta nhận thấy rằng nhánh cung cấp điện trực tiếp chothiết bị tiêu thụ được thông qua một biến áp tự ngẫu Ở dây có các trường hợpsau:

 Trong trường hợp điện áp cấp vào UPS bình thường, có nghĩa là chúngxấp xỉ thông số đầu ra ở lưới điện thì mạch UPS hoạt động như khung hìnhphía trên - bên trái Có nghĩa rằng biến áp tự ngẫu lúc này có số vòng dây sơcấp bằng thứ cấp, do đó không có sự can thiệp nào vào điện áp đầu ra – vàUPS hoạt động như UPS offline thông thường

 Trong trường hợp điện áp của lưới thấp hơn so với điện áp chuẩn, biến

áp tự ngẫu sẽ chuyển mạch sang một nấc khác, làm cho điện áp đầu ra đảmbảo đúng thông số yêu cầu Trong trường hợp điện áp của lưới cao hơn so vớithông số chuẩn thì trường hợp này cúng giống như khi điện áp thấp hơn sovới điện áp thấp

 Trong trường hợp mất điện lưới UPS offline với công nghệ Lineinteractive sẽ chuyển các mạch giống như UPS thông thường: Tức là chúngngắt nhánh đi qua biến áp tự ngẫu và chuyển sang sử dụng nhánh Ắc quy vớiinverter

Qua đó ta thấy rõ ràng UPS offline với công nghệ Line interactive nàytiến bộ hơn UPS offline truyền thống: Chúng có thể ổn định điện áp so vớiviệc không có một chút chức năng ổn áp nào của UPS offline truyền thống.Máy biến áp tự ngẫu chuyển mạch bằng rơle Rơle này do các mạch UPS điềukhiển chúng

3.3 UPS online

Khắc phục hoàn toàn các nhược điểm trên là loại UPS online, chính vìvậy mà UPS online thường có giá bán cao nhất so với các loại trên

Hình 1.5 sơ đồ nghuyên lý UPS online

Ta thấy rằng ở đây việc cấp điện cho thiết bị tiêu thụ là hoàn toàn liên tụckhi có sự cố về lưới điện

Phân tích sơ đồ như sau:

- nguồn điện lúc này không cấp trực tiếp cho các thiết bị, mà chúng đượcbiến đổi thành dòng điện một chiều tương ứng với điện áp của Ắc quy Trongmạch đã thể hiện sự cung cấp điện từ Ắc quy và chính từ lưới điện đến bộinverter để biến đổi thành điện áp đầu ra phù hợp với tiết bị sử dụng

- Như vậy, có thể thấy rằng trong bất kì sự cố nào về lưới điện thì UPSonline cũng có thể cung cấp điện cho thiết bị sử dụng mà không có một thờigian trễ nào Diều này làm cho thiết bị sử dụng rất an toàn và ổn định

- UPS online sẽ luôn luôn ổn định điện áp đầu ra bởi cũng theo mạch thìđiện áp đầu vào lúc này được biến đổi xuống mức điện áp Ắc quy và chúng

có công dụng như một Ắc quy có dung lượng lớn vô cùng (nếu không bị sự cốlưới điện), mạch inverter sẽ đóng vai trò một bộ ổn định điện áp Vì vậy chỉvới các loại UPS online mới có công dụng ổn áp một cách triệt để

4 Ứng dụng của UPS trong thực tế:

Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông,ngân hàng,y tế,hàng không là rất lớn Số lượng UPS được sử dụng gần bằng1/3 số lượng máy tính đang được sử dụng Có thể lấy một vài ví dụ về cácthiết bị sử dụng UPS, đó là những máy tính, việc truyền dữ liệu và toàn bộthiết bị ở một trạng thái nào đó là rất quan trọng và không cho phép được mất

điện UPS được sử dụng trong ngành hàng không để đảm bảo sự thắp sángliên tục của đường băng sân bay.

1.Hệ thống máy tính nói chung

-Máy tính, mạng máy tính-Máy in, hệ thống vẽ đồ thị, bàn phím

và các thiết bị đầu cuối

2.Hệ thống máy tính công nghiệp

-Bộ điều khiển lập trình, hệ thống điềukhiển số, điều khiển giám sát, máy tựđộng

dữ liệu, hệ thống rađa

4.Y tế,công nghiệp

Dụng cụ y tế, thang máy, thiết bị điềukhiển chính xác, thiết bị đo nhiệt độ,bơm plastic

nhà công cộng

Nói tóm lại UPS là một nguồn điện dự phòng nó có mặt ở mọi chỗ mọinơi, những nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục

CHƯƠNG II : TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN

BỘ ẮC QUY CHO NGUỒN UPS

1 Giới thiều chung về Ắc quy:

Ắc Quy là loại bình điện hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện vàlàm nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, bóngđèn,làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện tử.v.v

- Sức điện động lớn ,ít thay đổi khi phóng nạp điện

Các tính năng cơ bản của Ắc Quy:

Có hai loại Ắc Quy là: Ắc Quy a-xit (hay Ắc Quy chì) và Ắc Quy kẽm(Ắc Quy sắt kền hay Ắc Quy cadimi-kền).Trong đó Ắc Quy a-xit được dùngphổ biến và rộng rãi hơn

1.1 Cấu tạo của Ắc Quy :

Hình 2.1 Hình dạng và cấu tạo của Ắc quy

a) Các bộ phận chủ yếu của Ắc Quy a-xit gồm:

- Các lá cực dương làm bằng PbO2 được ghép song song với nhau thànhmột bộ chùm cực dương

- Các lá cực âm làm bằng Pbđược ghép song song với nhau thành một

có các lỗ để đổ dung dịch điện phân vào bình và đầu cực luồn qua Nút đậy

để điện dịch khỏi đổ ra

- Cầu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn Ắc Quy này vớicực dương của ngăn Ắc Quy tiếp theo

b) Cấu tạo Ắc quy sắt kền

Còn gọi là bình ắc quy ankalin, gồm các bản cực làm bằng oxy hydrat kền, và các bản cực âm bằng sắt thuần ngâm trong dung dịch hyđrôxít kali.Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, và dẹp, làm bằng hợp kim thép có mạkền Các bản cực được chế tạo có các quai ở trên để có thể dùng bu lông xiếtdính lại với nhau, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối vớibản cực âm.

-Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy, số lượng các bản cực sẽ xác địnhdung lượng của bình ắc quy Điện thế danh định của bình là 1,2 vôn Điện thếthực sự của bình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như đang hở mạch, hay đangphóng, hay được nạp bao nhiêu Thông thường, Điện thế hở mạch biến thiên

từ 1,25 đến 1,35 vôn, tuỳ thuộc vào tình trạng nạp Chất lỏng trong bình này

là dung dịch hydrôxít kali, có pha thêm chất xúc tác tuỳ thuộc vào nhà chếtạo, thường là điôxít liti

Nồng độ của dung dịch, biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, không tuỳthuộc vào loại bình ắc quy, và cũng không tuỳ thuộc vào tình trạng phóng nạpcủa bình, do nó không tham gia vào phản ứng hóa học Tỷ trọng suy ra ở 25

độ C (77 độ F) từ 1,210 đến 1,215 g/cm³ Trị số này thực tế giảm nhẹ theothời gian, do dung dịch có khuynh hướng bị cacbônát hoá, do tiếp xúc vớikhông khí Khi trị số này giảm xuống tới 1,160 g/cm³, nó có thể làm thay đổidung lưọng của bình, và cần phải thay thế Tình trạng này có thể xảy ra vàilần trong suốt tuổi thọ của bình

Ngoài ra, chỉ có một lý do duy nhất có thể làm thay đổi tỷ trọng của bình,

đó là khi bình ắc quy đã phóng quá giới hạn bình thường, nghĩa là tới điện thếgần bằng không Khi đó, các phần tử liti chuyển ra dung dịch làm tăng tỷtrọng lên, có thể tăng thêm từ 0,025 đến 0,030 g/cm³ Tác động này có thểloại bỏ khi nạp bình ắc quy trở lại

Dung lượng của bình, cách tính cũng như bình ắc quy chì - axít, nhưngcác thông số và các hệ số hiệu chỉnh cũng khác.

C) sự khác nhau giữa Ắc quykiềmì và Ắc quy axit

Cả hai loại Ắc quy này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tảithuộc loại dung kháng và sức phản điện động Nhưng chúng còn có một sốđặc điểm khác biệt sau:

- Khả năng quá tải không cao, dòng

nạp lớn nhất đạt được khhi quá tải là

Inmax = 20 %C10

- Hiện tượng tự phóng lớn, Ắc quy

nhanh hết điện ngay cả khi không sử

dụng

- Sử dụng rộng rãi trong đời sống

công nghiệp, ở những nơi có nhiệt

độ cao, va đập lớn nhưng đòi hỏi

công suất và quá tải vừa phải

- Dùng trong xe máy, ô tô, các động

cơ máy nổ công suất vừa và nhỏ

- Giá thành thấp

- Khả năng quá tải rất lớn dòng điệnnạp lớn nhất khi đố có thể đạt tới50%C10

- Hiện tượng tự phóng nhỏ

- Thường sử dụng những nơi yêu cầucông cao quá tải thường xuyên và sửdụng với các thiết bị công suất lớn

- Dùng trong công nghiệp hàngkhông, hàng hải và những nơi nhiệt

độ hoạt động môi trường thấp

- Giá thành cao

1.2 Quá trình biến đổi năng lượng trong Ắc quy

Ắc qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch : nó tích trữ nănglượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng.Quá trình Ắc quy cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện,quá trình Ắc quy dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện

1.2.1 Quá trình biến đổi năng lượng trong Ắc quy axit:

Trong Ắc quy axit có các bản cực dương là đôixit chì ( PbO2 ), các bản

âm là chì ( Pb ), dung dich điện phân là axit sunfuaric ( H2SO4 ) nồng độ d 1,1  1,3 %

1.2.2 Quá trình biến đổi năng lượng trong Ắc quy sắt kền:

Trong Ắc quy kiềm có bản cực dương là Ni(OH)3 , bản cực âm là Fe,dung dịch điện phân là: KOH nồng độ d  20 %

* Nhận xét : Từ những điều đã trình bày ở trên ta nhận thấy trong các

quá trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi Khi Ắc quyphóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần Khi Ắc quy nạp điệnnồng độ dung dịch điện phân tăng dần Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độdung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của Ắc quy

Từ đặc tính phóng của Ắc quy như trên hình vẽ ta có nhận xét sau:

Trong khoảng thời gian phóng từ tp  0 đến tp  tgh, sức điện độngđiện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thờigian này độ dốc của các đồ thị không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn địnhhay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của

Ắc quy ( dòng điện phóng )

Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột Nếu ta

CP = IP.tP Vïng phãng ®iÖn cho phÐp

2 0

5

10

1,75 1,95 2,11

I (A) E,U (V)

10 6

tiếp tục cho Ắc quy phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của Ắc quy

sẽ giảm rất nhanh Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO4) tạo thành trongphản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan ( biến đổi hoá học) trong quátrình nạp điện trở lại cho Ắc quy sau này Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóngđiện cho phép của Ắc quy, các giá trị Ep, Up,  tại tgh được gọi là các giá trịgiới hạn phóng điện của Ắc quy Ắc quy không được phóng điện khi dunglượng còn khoảng 80%

Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào, các giá trị sứcđiện động, điện áp của Ắc quy, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, tagọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của Ắc quy Thời gian hồi phụcnày phụ thuộc vào chế độ phóng điện của Ắc quy (dòng điện phóng và thờigian phóng )

b Đặc tính nạp Ắc quy

Hình 2.3 Đặc tính nạp Ắc QuyĐặc tính nạp của Ắc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức điện động , điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị

số dòng điện nạp không thayđổi

Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau :

Trong khoảng thời gian từ tn  0 đến tn  tgh thì sức điện động, điện

áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần

1,95

Cn = In.tn

Vïng n¹p chÝnh

5 10

10%C10 1

Vïng n¹p n 0

Tới thời điểm ts trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còngọi là hiện tượng" sôi " ) lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của Ắc quyđơn tăng đến 2,4V Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới2,7V và giữ nguyên Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng chophần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi tuần hoàn,nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của Ắc quy.

Trong sử dụng thời gian nạp no cho Ắc quy kéo dài từ 2h  3h trongsuốt thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của Ắc quy và nồng độ dungdịch điện phân không thay đổi Như vậy dung lượng thu được khi Ắc quyphóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no Ắc quy

Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của Ắc quy, nồng độdung dịch điện phân giảm xuống và ổn định Thời gian này cũng gọi làkhoảng nghỉ của Ắc quy sau khi nạp

Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của

Ắc quy Dòng điện nạp định mức đối với Ắc quy là In  0,1C10

Trong đó C10 là dung lượng của Ắc quy mà với chế độ nạp với dòng điệnđịnh mức là In  0,1C10 thì sau 10 giờ Ắc quy sẽ đầy

Ví dụ với Ắc quy C  180 Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điệnbằng 10% dung lượng ( tức In  18 A ) thì sau 10 giờ Ắc quy sẽ đầy

a Phương pháp nạp Ắc quy với dòng điện không đổi.

Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp vớimỗi loại Ắc quy, bảo đảm cho Ắc quy được no Đây là phương pháp sử dụngtrong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho Ắc quy hoặc nạp sửdụng cho các Ắc quy bị Sunfat hoá Với phương pháp này Ắc quy được mắcnối tiếp nhau và phải thoả mãn điều kiện :

Un  2,7.Naq

Trong đó: Un - điện áp nạp

Naq - số ngăn Ắc quy đơn mắc trong mạch

Trong quá trình nạp sức điện động của Ắc quy tăng dần lên, để duy trìdòng điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R Trị số giớihạn của biến trở được xác định theo công thức :

n

aq n

I

N 0 , 2 U

Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời giannạp kéo dài và yêu cầu các Ắc quy đưa vào nạp có cùng dung lượng địnhmức Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụngphương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc Trong trườnghợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3  0,6 )C10 tức lànạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi Ắc quy bắt đầu sôi Dòng điện nạp ởnấc thứ hai là 0,1C10

b Phương pháp nạp với điện áp không đổi.

Phương pháp này yêu cầu các Ắc quy được mắc song song với nguồnnạp Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3V  2,5V)cho mỗi ngăn đơn Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạpngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian.Tuy nhiên dùng phương pháp này

Ắc quy không được nạp no Vì vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phươngpháp nạp bổ xung cho Ắc quy trong quá trình sử dụng.

tự đã đặt sẵn thì ta chọn phương án nạp Ắc quy là phương pháp nạp dòng áp

 Đối với Ắc quy axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạpthì trong khoản thời gian tn  8h tương ứng với 7580 % dung lượng Ắc quy

ta nạp với dòng điện không đổi là In  0,1 Vì theo đặc tính nạp của Ắc quytrong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện độngtải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp Sau thờigian 8 h Ắc quy bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp Khithời gian nạp được 10 h thì Ắc quy bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 2 đến 3h

 Đối với Ắc quy kiềm : Trình tự nạp cũng giống như Ắc quy axitnhưng do khả năng quá tải của Ắc quy kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạpvới dòng nạp In  0,2C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòngnạp In  0,5C10

Các quá trình nạp Ắc quy tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khinạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của Ắc quy, lúc đó dòng nạp sẽ

từ từ giảm về không

2.4.Tính toán và lựa chọn Ắc Quy

Căn cứ vào đầu ra của bộ nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện, ta có thểchọn được điện áp đầu vào đặt lên Ắc Quy Giả sử ta chọn bộ nghịch lưu độclập nguồn áp một pha.

Khi đó điện áp ra dạng xung chữ nhật, nếu phân tích ra các thành phầncủa chuỗi Fourier sẽ gồm các thành phần sóng hài với biên độ bằng:

U(n)=-2

n

n E



 )) cos(

1 (  

Như vậy điện áp ra tồn tại các thành phần sóng hài bậc lẻ 1,3,5,7 với

5

4 , 3

4 ,

Để điện áp ra có dạng sin có thể dùng các bộlọc để lọc bỏ các thành phần sóng hài bậc cao Giả sử điện áp ra đã được lọc

chỉ còn thành phần sóng hài bậc một dạng sin biên độ 

Ắc Quy được chọn là loại Ắc quy 12V

* Kết luận:

- Vì Ắc quy là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện độngcho nên khi Ắc quy đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điệntrong Ắc quy sẽ tự động dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi Ắc quydẫn đến hỏng hóc nhanh chóng Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách

ổn định dòng nạp cho Ắc quy

 Khi dung lượng của Ắc quy dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếptục giữ ổn định dòng nạp thì Ắc quy sẽ sôi và làm cạn nước Do đó đến giaiđoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp Ắc quy sang chế độ ổn áp Chế độ ổn

áp được giữ cho đến khi Ắc quy đã thực sự no Khi điện áp trên các bản cựccủa Ắc quy bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm vềkhông, kết thúc quá trình nạp

 Tuỳ theo loại Ắc quy mà ta nạp với các dòng điện nạp khác nhau + Ắc quy chì - axit : dòng nạp In  0,1C10 ; nạp cưỡng bức với dòng điện nạp In  0,2C10

+ Ắc quy sắt kiền : dòng nạp In  0,2C10; nạp cưỡng bức với

dòng điện nạp In  0,5C10

 Qua phân tích về yêu cầu kỹ thuật của bộ lưu điện ở trên, em chọnphương án thiết kế bộ chỉnh lưu cho bộ lưu điện loại Offline UPS vì nó kháđơn giản về thiết kế và đáp ứng được những đòi hỏi cơ bản của 1 nguồn điện

dự phòng

- Chọn loại ắc quy chì - axit 12V, 100Ah

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ

MỘT SỐ VAN BÁN DẪN

Chất bán dẫn là chất nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện về khảnăng dẫn dòng điện Chất bán dẫn đơn chất phổ biến nhất là silic, gemani vàcacbon Chất bán dẫn hợp chất như là gali, arsen cũng được sử dụng phổ biến.Các chất bán dẫn đơn chất được tạo thành từ các nguyên tử có 4 điện tử hóatrị Hai chất bán dẫn thường dùng trong kĩ thuật điện tử là silic và gemani Độdẫn điện của silic và gemani có thể tăng mạnh bằng cách thêm tạp chất vàovật liệu bán dẫn Tức là làm tăng số hạt dẫn điện ( điện tử hoặc lỗ trống ) và

vì vậy tăng độ dẫn điện Có hai chất bán dẫn tạp chất đó là loại N và loại P.Mặt ghép P-N là một cấu trúc bán dấn cơ bản được hình thành khi chochất bán dẫn loại N và loại P ghép lại với nhau bằng các biện pháp công nghệkhác nhau Trong chất bán dẫn loại N, điện tử là hại đa số còn lỗ trống là hạithiểu số Ngược lại, trong chất bán dẫn loại P, lỗ trống là hại đa số còn điện tử

là hại thiểu số

Mặt nghép P – N phân cực ngược nghĩa là không cho phép dòng điệnchạy qua mặt nghép P – N Nhưng vẫn có một dòng ngược rất nhỏ chạy qua(cỡ µA hoặc nA)

Mặt nghép P – N phân cực thuận nghĩa là cho phép dòng điện chạy qua nó,gọi là dòng thuận Phân cực thuận cho mặt nghép P – N bằng cách đặt mộtđiện áp ngoài lên mặt nghép P – N

Các phần tử bán dẫn công suất được sử dung trong các bộ biến đổi có nhữngđặc tính cơ bản chung, đó là:

 Chỉ làm việc trong chế độ khóa, khi mở cho dòng chạy đi qua thì cóđiện trở tương đương rất nhỏ, khi khóa thì điện trở tương đương rất lớn Nhờ

đó tổn hao công suất trong quá trình làm việc dược tính bằng tích của điện áprơi trên phần tử với dòng điện chảy qua sẽ có giá trị rất nhỏ

 Các phần tử bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặtdưới điện áp phân cực thuận Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược,dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò.

Các phần tử bán dẫn công suất được phân loại là:

Không điều khiển, ví dụ như Diode

Có điều khiển, trong đó lại phân ra thành:

- Điều khiển không hoàn toàn như: Thyristor, triac…

- Điều khiển hoàn toàn như: Transistor, GTO, IGBT, MOTFET

1 Diode

1.1 Tiếp giáp P-N và cấu tạo Diode bán dẫn.

- Diode là phần tử cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp p-n Diode có hai cực,cực anot ( A ) là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p,cực catot ( K ) là cực nối vớilớp bãn dẫn kiểu n Dòng điện chỉ chạy qua Diode theo chiều từ A đến K khiđiện áp UAK dương Khi U âm dòng qua Diode gần như bằng không Diode

công suất có dòng điện dịnh mức từ 1 tới 5000 A, điện áp định mức từ 10 V

tới 10 Kv và lớn hơn, chuyển mạch với thời gian nhanh nhất 20 ns, thấp nhất

100 s Chức năng chủ yếu của Diode là chỉnh lưu và biến đổi DC-DC Tiếpgiáp P-N có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn

N khuếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống từ đó tạo thành mộtlớp ion trung hòa về điện Các lớp ion này tạo thành miền cách điện giữa haichất bán dẫn

Hình 3.1 Vùng chuyển tiếp P-N, cấu tạo bên ngoài của Diode, kí hiệu Diode

2.2 Phân cực thuận cho Diode.

- Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anot và điện áp âm ( - ) vào catot ,khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, khiđiện áp chênh lệch giữa hai cực đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) hoặc 0.2V (vớiDiode loại Ge ) thì điện tích miền cách điện giảm bằng không khi đó Diodebắtđầu dẫ điện Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua diode tăngnhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng ( vẫn ởmức 0,6V

Hình 3.2 Diode phân cực thuận, Đường đặc tuyến của điện áp thuận qua

Diode

* Kết luận : Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân

cực thuận < 0,6V thì chưa có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt =0,6V thì có dòng đi qua Diode sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưngsụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V

2.3 Phân cực ngược cho diode

Hình 3.3 Diode phân cực ngược

- Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào catot, nguồn(-) vào Anôt, dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng

ra và ngăn cản dũng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chiu được điện ápngược rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng

2.1 Cấu tạo Thyristo :

- Thyristo hay còn gọi là SCR ( Sillcon-Controlled-rectifier ) là linh kiệngồm bốn lớp bán dẫn PNPN liên tiếp, tạo ra ba lớp tiếp giáp P-N J1,J2,J3.Thyristor có ba cực : anot ( A ), catot ( K ), cực điều khiển ( G ) Có hai loạiThyristor :

Thyristor kiểu N hay Thyristor có cực điều khiển G nối với vùng N gầnanot

Thyristor kiểu P hay Thyristor có cực điều khiển G nối với vùng P gầncatot

Hình 3.4 sơ đồ cấu trúc SCR, Hình dáng bên ngoài SCR, Kí hiệu SCR

2.2 nguyên lý làm việc của Thyristor :

- Có thể mô phỏng một Thyristor bằng hai transistor Q1, Q2 như hình vẽdưới đây Transistor Q1 ghép kiểu PNP, còn Q2 ghép kiểu NPN

Hình3.5 sơ đồ tương đương SCR-Gọi α1, α2 là hệ số truyền điện tích của Q1 và Q2 Khi đặt điện áp U lênhai đầu A và K của Thyristor, các mạt tiếp giáp J1 và J3 phân cực thuận, cònmặt tiếp giáp J2 phân cực ngược ( J2 mặt tiếp giáp chung của Q1 và Q2 ) Do đódòng chạy qua J2 là Ij2.

Ij2 =α1E1 + α2IE2 + I0

I0 là dòng điện rò qua J2-Nhưng do Q1 và Q2 ghép thành một tổng thể nên ta có:

-Như vậy muỗn làm cho Q1, Q2 chuyển từ trạng thái ngắt sang trạng tháibão hòa ( hay muỗn mở thyristor ) chỉ cần làm tăng Ib2 Để làm được việc nàyngười ta thường cho một dòng điều khiển Idk chảy vào cực cổng củathyristor, đúng theo chiều Ib2, trên hình 1.12.

2.3 Đặc tuyến volt-ampe của Thyristor

Hình 3.6 Đặc tuyến volt-ampe của Thyristor

I.th.max : giái trị cực đại dòng thuận

Uth : điện áp thuận

Ung : điện áp ngược

Udt : điện áp đánh thủng

Itd : dòng điện đánh thủng

Io : dòng rò qua Thyristor

Idt : dòng duy trì

ΔU : điện áp rơi trên ThyristorU : điện áp rơi trên Thyristor

-Để giải thích được ý nghĩa vật ý của đường đặc tuyến Volt – AmpeThyristor, người ta chia làm bốn đoạn đánh số la mã như hình 3.12

2.4 Các thông số chủ yếu của Thyristor

2.4.1 Điện áp thuận cực đại ( U thmax ):

Là giá trị điện áp lớn nhất có thể đặt lên Thyristor theo chiều thuận màThyristor vẫn ở trạng thái mở Nếu vượt quá giá trị này có thể làm hỏngThyristor

2.4.2 Điện áp ngược cực đại ( U ngmax ):

Là điện áp lớn nhất có thể đặt lên Thyristor theo chiều ngược màThyristor không hỏng Dưới tác dụng của điện áp này, dong điện ngược có giátrị Ing = 10-20 mA Khi điện áp ngược đặt lên Thyristor lưu ý phải giảm dòngđiều khiển như hình vẽ dưới đây

2.4.3 Điện áp định mức ( U dm ):

Là giá trị điện áp cho phép đặt lên Thyristor theo chiều thuận và chiềungược thông thường Udm = 2/3 Uthmax

2.4.4 Điện áp rơi trên Thyristor ( ΔU ):U ):

Là giá trị điện áp trên Thyristor khi Thyristor đang ở trạng thái mở

2.4.5 Điện áp chuyển trạng thái ( U ch ):

Ở giá trị điện áp này, không cần có Idk Thyristor cũng chuyển sang trạngthái mở

2.4.6 Dòng điện định mức ( I dm ):

Là dòng điện có giá trị lớn nhất được phé chạy qua Thyristor

2.4.7 Điện áp và dòng diện điều khiển ( U dk , I dk ):

Là giá trị nhỏ nhất điện áp điều khiển đặt vào G-K và dòng điều khiểnđảm bảo mở được Thyristor

2.4.8 Thời gian mở Thyristor ( T on ):

Là khoảng thời gian tính từ sườn trước xung điều khiển đến thời điểmdòng điện tăng đến 0.9Idm

2.4.9 Thời gian khóa Thyristor ( T off );

Là khoảng thời gian tính từ thời điểm I = 0 đến thời điểm lại xuất hiệnđiện áp thuận trên Anot mà Thyristor không chuyển sang trạng thái mở

2.4.10 Tốc độ tăng trưởng điện áp thuận cho phép ( du/dt ):

Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng điện áp trên Anot mà Thyristor khongchuyển từ trạng thái khóa sang trang thái mở

2.4.11 Tốc độ tăng trưởng dòng thuận cho phép ( di/ dt ):

Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng dòng trong qua trình mở Thyristor

2.5 Mở Thyristor

do tăng dần, dẫn dến dòng điện I0 rò tăng lên Sự tăng này làm cho hệ

số truyền điện tích α1, α2 tăng và Thyristor được mở Mở Thyristorbằng cách này không điều khiển được sự chạy hỗn loạn của dòng nhiệtnên thường loại bỏ

thủng Udt thì Thyristor mở Tuy nhiên phương pháp này sẽ làm choThyristor bị hỏng nên không được áp dụng

 Tốc độ tăng điện áp ( du/dt ) ; Nếu tốc độ tăng điện áp thuận

đặt lên Anot và Catot thì dòng điện tích của tụ điện tiếp giáp có khảnăng mở Thyristor Tuy nhiên dòng điện tích lớn này có khả năng pháhỏng các Thyristor và các thiết bị bảo vệ Thông thường tốc độ tăngđiện áp du/dt do nhà sản xuất quy định

đưa dòng điều khiển dương đặt vào hai cực G và K thì Thyristor dẫn,dòng điều khiển càng tăng thì Udt càng giảm

2.6 Khóa Thyristor

Khóa Thyristor có nghĩa là đưa nó trở vè trạng thái ban đầu trước khi mở

vó đầy đủ các tính chất có thể điều khiển được nó Có hai phương pháp khóaThyristor:

- giảm dòng điện thuận hoặc cắt nguồn cấp

- Đặt điện áp ngược lên Thyristor

Quá trình khóa Thyristor: Khi đặt điện áp ngược lên Thyristor tiếp

giáp J1,J3 phân cực ngược, còn J2 phân cực thuận Do tác dụng của điện trườngngoài, các lỗ trống trong lớp P2 chạy qua J3 về Catot, và trong lớp N1 lỗ trốngchạy qua J1 về Anot tạo nên dòng điện ngược chạy qua tải Khi các lỗ trống bịtiêu tán hết thì J1 và J3 ( chủ yếu là J1 ) ngăn cản không cho điện tích tiếp tụcchạy qua, dòng ngược bắt đầu giảm xuống

Thời gian khóa này thường dài gấp 8 – 10 lần thời gian mở

2.7 Các Thyristor đặc biệt

Các Thyristor đặc biệt dựa trên nguyên lý tương tự thyristor thườngnhưng có biến đổi chút ít để cải thiện một vài đặc tính

2.7.1 Thyristor cổng khuếch đại

Thyristor cổng khuếch đại có một miền N’

2 bổ xung khuếch tán trong miền

P2, làm xuất hiện Thyristor thứ hai hình thành bởi N’

2P2N1P1 Sự khuếch đại

tín hiệu cổng cho phép sử dụng các tín hiệu ddieeuf khiển nhỏ hơn, làm giảmthời gian mồi và chấp nhận di/dt lớn hơn.

Hình 3.7 Kí hiệu Thyristor cổng khuếch đại

2.7.2 Thyristor cực nhanh

Để giảm thời gian phục hồi của cổng, ta có thể đặt vào một điện áp âmlúc khóa Điều này cho phép các hạt tải còn tồn tại trong Thyristor thoát ra từcổng, do vậy ta tạo nên Thyristor cực nhanh

Hình 3.8 ký hiệu Thyristor cực nhanh

2.7.3 Thyristor không đối xứng

Các Thyristor không đối xứng còn gọi là ASCR ( Asymetrical SiliconControlled Rectifier ) nhận được băng cách đưa vào một lớp N’

1 kích tạpnhiều nàm giữa các lớp N1 và P1 của Thyristor thông thường

Hình 3.9 Kí hiệu và hình ảnh Thyristo không đối xứng

2.7.4 Thyristor dẫn ngược

Thyristor dẫn ngược RCT ( Reverse Conducting Thyristor ) hay ITR( Integraed Thyristor Rectifier ), là lin kiện tích hợp trog cùng một cấu trúc

gồm một Tyristor không đối xứng và một Diode mắc song song ngược Linhkiện này được úng dụng hạn chế ở công suất nhỏ.

Hình 3.10 Hình ảnh Thyristor dẫn ngược, kí hiệu Thyristor dẫn ngược

3 Transistor công suất BJT (Bipolar Junction Transistor 3.1 Cấu tạo

Transistor lưỡng cực BJT ( Bipolar Junction Transistor ) công suất có cấu trúcgồm ba lớp bán dẫn P-N-P ( bóng thuận ) hoặc N-P-N ( bóng ngược )tạo nênhai tiếp giáp P-N Transistor có ba cực : Bazơ (B); Collector (C); Emiter (E)

Hình 3.11 Cấu trúc và kí hiệu Transistor BJP ( NPN và PNP )công suất

Cấu trúc bán dẫn tiêu biểu của một Transistor công suất được cho trênhình 3.11, trong đó lớp bán dẫn N- của collector sẽ xác định điện áp đánhthủng của tiếp giáp B – C và C – E Transistor công suất còn được gọi làBipollar Transistor vì dòng điện chạy trong cấu trúc bán dẫn bao gồm cả hailoại điện tích âm và dương

Trong chế độ tuyến tính, hay còn gọi là chế độ khuếch đại, Transistor làphần tử khuếch đại dòng điện với dòng collector, dòng tải, bằng β lần dòngBazơ, ( dòng điều khiển ), β là hệ số khuếch đại dòng điện.

IC = βIB

Transitor công suất thông thường β cỡ từ 10 đến 100 Tuy nhiên khi sửdụng Trasistor công suất chỉ được sử dụng như một phần tử khóa

3.2 Đặc tính V – A trong mạch Emitter chung

Hình 3.12 Đặc tính Volt – Ampe và ngõ ra của Transistor mắc chung cực

Hệ số này được kí hiệu là 

Khả năng chịu tải:

Điện áp định mức: Phụ thuộc vào điện áp đánh thủng giữa các lớp bándẫn và xác định bởi giá trị UCEOM – giá trị điện thế cực đại đặt lên lớpCollector – Emitter khi iB=0 và giá trị cực đại UEBOM – điện thế lớp Emitter –Base khi iC=0

Định mức dòng điện: Giá trị cực đại của dòng Collector iCM , dòngEmitter iEM , dòng kích Base iBM Đó là các giá trị cực đại tức thời củaTransistor khi đóng mạch trong trạng thái bão hòa

Công suất tổn hao: Công suất tổn hao tạo nên trong hoạt động của Transistorkhông được phép làm nóng bán dẫn vượt qua giá trị cho phép TjM (1500C).

Vì thế cần làm mát Transistor và toàn bộ công suất tổn hao phải nhỏ hơn chophép

3.3.Mạch kích Transistor BJT

Để tăng tần số đóng ngắt của BJT, cần giảm thời gian ton , toff Để giảmdòng ton ta có thể đưa xung dòng kích IB với đỉnh khá lớn đầu giai đoạn kích.Sau khi Transistor dẫn, có thể giảm dòng kích IB tới dòng bão hòa

Hình 3.13 Mạch điều khiển kích đóng BJT

Hình 3.14 Mạch điều khiển kích ngắt BJT

 Mạch bảo vệ BJT

Hình 3.15 Mạch bảo vệ BJTTác dụng của mạch nhằm bảo vệ BJT trước các hiện tượng tăng quánhanh của điện áp du dt và dòng điện dt di qua Transistor

Mạch RC có tác dụng hạn chế độ dốc du dt giữa hai cực CE Cuộn kháng LSthực hiện giảm sự tăng nhanh dòng dt di qua BJT

4 MOSFET ( Metal – Oxide – Semiconductor field effect transistor)

4.1 Cấu trúc Mosfet

Loại Transistor có khả năng đóng cắt nhanh và tổn hao do đóng cắt thấpđược gọi là 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 nhiênlinh 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 ứng dụng chocác tải công suất lớn.

MOSFET có hai loại NPN và PNP Trên (Hình 3.26) mô tả cấu trúcMOSFET loại NPN Giữa lớp kim loại mạch cổng và các mối nối N và P cólớp điện môi Silicon oxid SiO Điểm thuận lợi cơ bản của MOSFET là khảnăng điều khiển kích đóng ngắt linh kiện bằng xung điện áp ở mạch cổng Khiđiện áp dương đặt lên giữa cổng G và Source, tác dụng của điện trường FET

sẽ kéo các lớp electron từ lớp N+ vào lớp P tạo điều kiện hình thành một kênhnối gần cổng nhất, cho phép dòng dẫn điện từ cực Drain ( Collector) tới cựcSource ( Emitter)

MOSFET đòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ kíchđóng nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp Tuy nhiên, MOSFET có điện trởkhi dẫn điện rất lớn Do đó công suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nó khôngthể phát triển thành linh kiện

Hình 3.16 Cấu trúc, kí hiệu và đặc tính V – A của MOSFET loại NPN

4.2 Đặc tính V – A

Đặc tính V – A của MOSFET có dạng tương tự như đặc tính V – A củaBJT Điểm khác biệt là tham số điện áp điều khiển là điện áp kích UGS thaycho dòng kích IBE

MOSFET ở trạng thái ngắt khi điện áp cổng thấp hơn giá trị UGS

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 điệncho tụ của mạch cổng Thời gian đóng cắt rất nhỏ, khoảng từ vài ns đến hàngtrăm ns tùy thuộc vào linh kiện Điện trở của MOSFET khi dẫn điện Ron thayđổi phụ thuộc vào khả năng chịu áp của linh kiện Do đó các linh kiệnMOSFET thường có định mức áp thấp tương ứng với trở kháng trong nhỏ vàtổn hao ít.

Tuy nhiên, do tốc độ đóng cắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp Do đó, vớiđịnh mức áp từ 300V đến 400V MOSFET tỏ ra ưu điểm so với BJT ở tần sốvài chục kHz

MOSFET có thể sử dụng đến mức điện áp 1000V, dòng điện vài chụcAmpe 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 từng loại), mặc dùthông thường có thể dùng điện áp đến 5V để điều khiển được nó

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

G G GS

R R R

R U U