CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN cơ bản

Ơû trạng thái xác lập, điện áp hoặc dòng điện ngõ ra của các bộ biến đổi công suất nói chung là một hàm số tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T, như vậy ta có: = ,..... Đối với các bộ

CHƯƠNG I CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN

1.1 CÁC TÍNH CHẤT, KHÁI NIỆM, HỆ THỨC CƠ BẢN:

I

0

)(

¾ Ghi chú: Trường hợp trên dòng điện i được biểu diễn bằng một hàm duy nhất trong suốt chu kỳ T Nếu trong chu kỳ T :

( ) ( ) t i i T t t

t i i t

' 2 1

' 1

,

, 0

I

Tương tự tính trị trung bình của áp; Udc

2 Trị hiệu dụng (rms – root mean square):

¾ Ghi chú: Ghi chú: Trường hợp trên dòng điện i được biểu diễn bằng một hàm duy nhất trong suốt chu kỳ T Nếu trong chu kỳ T :

( ) ( )t i i T t t

t i i t

' 2 1

' 1

,

,0

Tương tự tính trị hiệu dụng của áp; Urms

Ví dụ1.1 :

H.1.1 Dạng sóng dòng điện có dạng như trên H.1.1 Tính trị trung bình, trị hiệu dụng và giá trị tức thời lớn nhất (giá trị đỉnh) của dòng điện này

Ví dụ1.2 :

H1.2 Dạng sóng dòng điện có dạng như trên H.1.2 Tính trị trung bình, trị hiệu dụng và giá trị tức thời lớn nhất (giá trị đỉnh) của dòng điện này

3 Khái niệm về quá trình quá độ và trạng thái xác lập :

Khái niệm thường gặp trong ĐTCS, liên quan đến quá trình đóng ngắt của các khoá công suất, còn được gọi là quá trình chuyển trạng thái khoá công suất từ đóng sang ngắt hoặc ngược lại Quá trình quá độ là quá trình xảy ra ngay sau khi đóng (ngắt) khoá công suất, diễn ra trong khoảng thời gian ngắn và liên quan đến tính chất động (thời gian khóa chuyển sang trạng thái đóng tON và thời gian khóa chuyển sang ngắt toff ) của các linh kiện bán dẫn công suất

Trạng thái xác lập của mạch ĐTCS là trạng thái diễn ra trong khoảng thời gian tương đối dài (so với thời gian đóng ngắt khoá), khi khoá công suất ở trạng thái đóng hoàn toàn hoặc ngắt hoàn toàn

4 Sự liên tục và gián đoạn:

Khái niệm liên quan đến tính dẫn điện một chiều của khoá công suất (BJT, IGBT, SCR, GTO…) Khi dòng đi qua theo chiều thuận của khoá vẫn còn lớn hơn 0 ta có dòng liên tục Nếu dòng giảm xuống giá trị nhỏ hơn 0 ⇒ khoá ngắt ⇒ ta có hiện tượng dòng gián đoạn Trường hợp gián đoạn của dòng điện yêu cầu giải tích mạch phức tạp hơn và bất lợi cho quá trình điều khiển

5 Phân tích Fourier : Nhằm mục đích xác định các thành phần một chiều và các thành phần sóng hài của điện áp, dòng điện

Ơû trạng thái xác lập, điện áp (hoặc dòng điện) ngõ ra của các bộ biến đổi công suất nói chung là một hàm số tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T, như vậy ta có:

)()

=

,

2 , 1

0

2)(

0 0

1)(

2

t d t v dt

t v T a

2

t td n t v tdt

n t v T a

2

t td n t v tdt

n t v T b

T

Nếu n = 1 – ta có hài cơ bản

n≥ 2 – hài bậc cao Phép phân tích Fourier được sử dụng để đánh giá thành phần một chiều và xoay chiều của đại lượng điện áp (dòng) ngõ ra bộ biến đổi công suất (thường không có dạng chuẩn một chiều hoặc xoay chiều) và thông qua đó có thể đánh giá so sánh chất lượng các đại lượng điện này

Ví dụ 1.3 Phân tích Fourier cho dạng sóng vuông có dạng đối xứng so với trục α = 0 Do giản đồ hoàn toàn xoay chiều (thành phần dc bằng 0) nên chuỗi Fourier chỉ chứa các sóng hài bậc lẻ của hàm số cosin Do tính đối xứng nên phép tích phân được lấy ¼ chu kỳ, nghĩa là từ 0÷π/2 Kết quả phân tích Fourier cho điện áp tức thời u có dạng như sau:

13cos3

1cos4

.3,7,11,

ncho -

1,5,9,

ncho

14]

[sin14cos

2/

0

2 /

0 )

(

α α

α π

π

α π

α α

π

d

d d

d n

U u

U n U

n n d

n U

a

Bài tập : Viết phương trình hài cơ bản của điện áp có giản đồ sau (H1.3a):

H1.3a

6 Các hệ số phẩm chất :

a Hệ số hài (HFn) của sóng hài thứ n : Tỷ lệ trị hiệu dụng sóng hài bậc n so với sóng hài cơ bản

1

n n

V V

c Hệ số công suất λ : Tỷ lệ công suất sử dụng (tải) so với công suất biểu kiến (nguồn)

7 Hiện tượng sóng nhiễu và biện pháp khắc phục :

a Các vấn đề thường gặp ví dụ với bộ biến tần :

• Nguyên nhân : Nguyên lý vận hành các bộ biến đổi công suất phần lớn dựa trên nguyên lý đóng ngắt của các khoá công suất (BJT, IGBT, MOSFET, Thyristor …) ở tần số cao Hơn nữa, hoạt động của bộ biến đổi làm méo dạng áp (dòng) ngõ vào, ngõ ra so với dạng chuẩn

• Hậu quả: Điều đó gây ra nhiễu cao tần (sự xuất hiện các sóng hài bậc cao của áp và dòng) trong cáp dẫn và bức xạ sóng điện từ ảnh hưởng đến phía nguồn và phía cổng ra bộ biến đổi công suất

H1.4 Nhiễu truyền trong cáp dẫn và nhiễu tia

b Giải pháp :

- Phía nguồn : Sử dụng bộ lọc RFI khử nhiễu sóng dẫn và sóng bức xạ loại tia

- Bộ biến đổi công suất : Sử dụng tủ kim loại (lồng Faraday)

- Phía cổng ra bộ biến đổi đến tải: Sử dụng cáp bọc

Đối với các bộ biến đổi công suất dạng khác ta cũng gặp hiện tượng này do hoạt động của bộ biến đổi với khả năng chuyển đổi dạng năng lượng và điều khiển các tham số điện làm méo dạng điện áp (dòng) so với dạng chuẩn (một chiều hoặc sin)

1.2 PHẦN GIỚI THIỆU:

1 Định nghĩa : Điện tử công suất (ĐTCS) là công nghệ chuyển đổi (hoặc/ và điều khiển) năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác nhờ ứng dụng các linh kiện bán dẫn công suất lớn

2 Đặc điểm linh kiện ĐTCS:

+ Phát triển cùng với công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn công suất lớn

+ Là thành phần cơ bản của các bộ biến đổi công suất tĩnh

+ Làm việc như khoá công suất và thường chỉ làm việc ở chế độ đóng ngắt (dựa vào tính chất của bán dẫn : làm việc như chất cách điện tương đương trạng thái khóa ngắt, làm việc như chất dẫn điện tương đương trạng thái khóa đóng)

+ Ưu điểm so với công tắc cơ học với các tiếp điểm chuyển động: công tắc bán dẫn có độ bền vững cao hơn, độ chính xác cao hơn và tần số đóng ngắt cao hơn

+ Ứng dụng khóa bán dẫn : là cấu phần của các bộ biến đổi công suất dùng để điều khiển các tham số ra như áp, dòng, công suất, tần số và dạng sóng

3 Phân loại các khoá công suất:

• Theo đặc tính điều khiển: Các khóa công suất được chia làm các loại khóa :

+ Không điều khiển được trạng thái đóng ngắt (ví dụ diode công suất) + điều khiển trạng thái đóng ngắt bằng tín hiệu điều khiển (đóng ngắt bởi mạch điều khiển) : tùy theo khả năng điều khiển đóng hoặc ngắt hoặc cả hai, linh kiện còn được chia thành khóa điều khiển hoàn toàn (điều khiển quá trình đóng ngắt bằng tín hiệu điều khiển) hoặc khóa điều khiển bán phần (chỉ kích đóng được nhưng không kích ngắt được bằng tín hiệu điều khiển)

• Theo chiều dòng điện chạy qua: Khóa được chia làm các loại khóa :

+ 1 chiều: Diode, BJT, IGBT, Thyristor (SCR), GTO dẫn điện theo một chiều + 2 chiều: MOSFET, Thyristor dẫn ngược, DiAC,TriAC dẫn điện theo hai chiều

• Theo khả năng khoá áp ngược trị số cao

+ Có khả năng :Diode, GTO, Thyristor, TriAC + Không có khả năng khóa áp ngược trị số lớn : BJT, IGBT

BBĐ

M

• Tín hiệu điều khiển: Đối với các loại khóa bán dẫn có điều khiển, tín hiệu điều khiển được chia làm hai dạng

+ Tín hiệu liên tục (cho BJT, IGBT, MOSFET): muốn duy trì khóa ở trạng thái đóng cần phải duy trì tín hiệu điều khiển trong suốt khoảng thời gian này,

+ Tín hiệu xung (cho Thyristor, GTO, TriAC) : chỉ cần kích đóng linh kiện bằng tín hiệu điều khiển dạng xung hẹp, sau đó có thể tắt xung điều khiển mà linh kiện vẫn tiếp tục ở trạng thái đóng điện cho đến khi điều kiện ngắt thỏa

4 Phân loại các bộ biến đổi công suất tĩnh :

• Bộ chỉnh lưu (Rectifier, Redresseur) - AC/DC : Biến đổi năng lượng dạng xoay chiều thành năng lượng dạng một chiều

• Bộ biến đổi điện áp một chiều (Chopper, Hacheur) - DC/DC : Biến đổi áp một chiều ngõ vào có giá trị không đổi thành dạng điện áp một chiều điều khiển được,

• Bộ biến đổi điện áp xoay chiều (AC Voltage Controller, Gradateur) AC/AC: Biến đổi áp xoay chiều ngõ vào có trị hiệu dụng không đổi thành dạng điện áp xoay chiều điều khiển được trị hiệu dụng (nhưng không điều khiển tần số),

• Bộ nghịch lưu (Inverter, Onduleur) DC/AC : Biến đổi năng lượng dạng một chiều thành năng lượng dạng xoay chiều,

• Bộ biến tần (Frequency Converter, Convertisseur de fréquence) AC/AC hoặc AC/DC/AC : Biến đổi áp xoay chiều tần số không đổi ở ngõ vào thành điện áp xoay chiều có tần số khác (hoặc điều khiển được) ở ngõ ra, song song đó có khả năng điều khiển cả giá trị hiệu dụng áp hài cơ bản ngõ ra

5.Tính chất tĩnh và tính chất động : Khóa được phân làm hai loại:

+ Khoá công suất lý tưởng + Khoá công suất thực tế

a Tính chất tĩnh: Công suất nhiệt tiêu tán khi khoá ở trạng thái đóng (Pon) và ngắt (Poff)

+ đối với khóa lý tưởng Pon và Poff =0 + đối với khóa thực tế :

Khi khóa đóng : điện áp rơi trên khoá khác không (do khóa có cấu trúc các lớp bán dẫn ghép nối với nhau) suy ra

Pon = Vf If ≠ 0 (1.12) Với Vf – điện áp rơi trên hai điện cực công suất của khóa ở trạng thái dẫn điện

If - dòng qua khóa công suất khi dẫn điện

Khi khóa ngắt : dòng rò qua khoá khác không, suy ra

Poff = Vbl Ir ≠ 0 (1.13) Với Vbl – điện áp rơi trên hai điện cực công suất của khóa ở trạng thái khóa dòng

Ir - dòng rò qua khóa công suất khi ngắt điện

b Tính chất động: được đặc trưng bằng thời gian khoá chuyển trạng thái từ ngắt sang đóng điện ton và ngược lại toff- các giá trị này khác nhau cho mỗi loại khóa công suất

Hệ quả: + Thời gian khóa chuyển trạng thái ton, toff làm giới hạn tần số đóng ngắt khoá và tần số làm việc của bộ biến đổi công suất;

+ Phát sinh công suất tiêu tán nhiệt khi chuyển trạng thái gọi là công suất tổn hao động hay công suất tổn hao do đóng cắt

1.3 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN : www.semikron.com ; www.eupec.com ;

1 DIODE CÔNG SUẤT

1.1 Cấu tạo- đặc điểm :

c) Các dạng vỏ diode H1.5 Diode công suất

• Linh kiện không điều khiển,

• Có cấu tạo gồm một lớp chuyển tiếp p-n, 2 điện cực ngoài,

• Phương pháp chế tạo : Khuyếch tán nguyên tử tạp chất loại p vào một mặt của phiến tinh thể Si loại n,

• Cực Anode nối với lớp p, Cathode nối với lớp n,

• Quá trình đóng ngắt : Nếu VAK > 0 (điện áp Anode dương hơn điện áp Cathode) thì diode dẫn (đóng), ngược lại diode ngắt,

• Tiết diện của phiến bán dẫn Si quyết định khả năng chịu dòng của diode,

• Điện trở của nguyên liệu ban đầu (ví dụ phiến bán dẫn loại n) và chiều dày quyết định khả năng chịu áp khoá của diode,

• Các tham số cơ bản : + Khả năng điều khiển dòng điện (vài A → vài kA ) + Khả năng khóa điện áp (vài chục V → vài kV ) + Thời gian phục hồi tính nghịch : thời gian cần thiết để diode phục hồi khả năng chịu áp khoá khi quá trình dẫn thuận chấm dứt : chia làm 2 loại

– phục hồi nhanh : sử dụng trong các mạch có tần số làm việc cao

- phục hồi chậm : sử dụng trong mạch làm việc với tần số thấp (tần số công nghiệp)

1.2 Đặc tuyến VA:

Kim loại

Gốm cách điện

H1.6 Đặc tuyến Volt-Ampère của diode công suất

Các tham số: VTO – điện áp đóng diode (turn -on)

VBR – điện áp ngược đánh thủng lớp pn (break- down)

f

f f

1.4 Thời gian phục hồi tính nghịch Trr:

Trong các hiện tượng quá độ, quá trình ngắt diode đóng vai trò quan trọng Ta khảo sát một diode đang dẫn điện, nó được ngắt điện bằng một nguồn điện áp ngược Vng đặt lên Cathode –Anode khi đóng khoá S, dòng qua diode theo chiều thuận có giá trị là IF Ở thời điểm:

t = 0 : khoá S ngắt; i = IF

t = t0 : đóng khoá S, áp ngược Vng đặt lên diode và dòng thuận giảm dần;

t = t1 : dòng thuận giảm về 0, IF = 0 Do sự tồn tại chuyển động các hạt dẫn không cơ bản nên diode tiếp tục dẫn, cho dòng ngược đi qua;

t = t2 : các hạt dẫn không cơ bản tiêu tán hết, diode khôi phục nhanh khả năng khoá áp ngược;

t = t3 : dòng ngược giảm về 0 Quá trình ngắt diode kết thúc

Thời gian phục hồi tính nghịch được định nghĩa là: trr = t3 – t1 =ta+tb (1.16) Thời gian phục hồi ngược trr thường nhỏ hơn 1µs Hiện tượng này trở nên quan trọng cho các ứng dụng có tần số làm việc cao Diode phục hồi nhanh được sử dụng trong trường hợp này với trr nhỏ hơn so với thời gian phục hồi của diode tần số công nghiệp 50Hz

Sụt áp lúc dẫn điện

Nhánh dẫn Dòng rò

Nhánh khóa Điện áp đánh thủng

kiểu thác

S

LD

a) Mạch khảo sát trr b) Quá trình ngắt diode H1.7 Khảo sát thời gian phục hồi tính nghịch của diode công suất

1.5 Mạch bảo vệ :

Khi dòng ir giảm đột ngột (ở thời điểm t=t2) ta có thể quan sát hiện tượng quá áp trên diode (nếu trong mạch diode có cảm kháng mắc nối tiếp):

dt

di L V

ng

tốc độ giảm dòng lớn quá mức có thể làm hỏng diode

Người ta có thể hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng quá áp và bảo vệ cho linh kiện diode công suất bằng mạch lọc RC mắc song song với diode làm quá trình tắt dòng diễn

ra chậm hơn (xem hình H1.7.a) (mạch RC không cho phép điện áp tăng đột ngột trên hai đầu điện cực diode) Trong các diode hiện nay, module diode công suất chứa mạch

RC tích hợp bên trong lúc sản xuất

1.6 Một số vấn đề phụ :

• Khả năng chịu áp tải và dòng tải ⇒ ghép nối tiếp các diode để tăng khả năng khóa áp và ghép song song các diode để tăng khả năng tải dòng;

• Các loại diode đặc biệt trong công nghiệp: diode cao áp, tần số đóng ngắt cao (trr

nhỏ, giá thành cao), diode Schottky… có thể xuất hiện trong các dạng mạch đặc biệt Schottky diode với lớp chuyển tiếp kim loại –bán dẫn thay vì lớp p-n Sụt áp trên diode Schottky khoảng 0.3V và thường được sử dụng trong các ứng dụng điện áp thấp, khi sụt áp trên diode cần xét đến Điện áp ngược tối đa trong trường hợp này khoảng 100V Lớp chuyển tiếp kim loại –bàn dẫn không có quá độ lúc phục hồi nên đóng ngắt nhanh hơn các diode với lớp chuyển tiếp p-n

2 TRANSISTOR CÔNG SUẤT

2.1 Cấu tạo:

H1.8 Cấu trúc BJT H1.9 (a) BJT(NPN) (b) Đặc tuyến V-A (c ) Đặc tuyến BJT lý

tưởng (d) Mắc Darlington

• BJT có hai loại : npn và pnp, tuy nhiên npn (H1.8) thường dùng hơn vì với cùng định mức áp và dòng thì loại này có kích thước nhỏ gọn hơn;

• Linh kiện điều khiển hoàn toàn và có ba cực ngoài Collector (C) , Emitter (E) và cổng điều khiển Base (B) (H1.9a)

+ Mạch công suất nối giữa 2 cực C và E + Mạch điều khiển nối giữa 2 cực B và E 2.2 Đặc điểm:

+ Transistor vận hành như một khóa đóng cắt bán dẫn được sử dụng trong điện tử công suất và như vậy thường chỉ làm việc ở chế độ đóng ngắt;

+ BJT công suất được định mức đến 1200V và 400A Chúng thường được sử dụng trong các bộ biến đổi vận hành đến 10kHz BJT công suất có định mức cao hơn MOSFET + Không có khả năng khoá áp ngược trị số lớn ⇒ chuyên dùng khoá áp thuận (áp VCE > 0)

+ Đặc tính của BJT được trình bày trên H1.9b BJT chuyển sang trạng thái dẫn khi cấp cho nó một dòng cổng Base đủ lớn để BJT dẫn bão hoà Điện áp bão hoà collector-emitter khoảng 1 – 2V đối với BJT công suất Dòng Base bằng 0 làm BJT ngắt

+ BJT là một linh kiện điều khiển bằng dòng, có hệ số khuếch đại hFE thấp, thường nhỏ hơn 20 Sự vận hành của khoá được đặc trưng bởi dòng vào ở cực điều khiển IB để đóng dòng IC ở cực chính

20

H1.10 Đặc tuyến Volt-Ampère của BJT + Đặc tuyến Volt-Ampère (V-A) trình bày trên H1.10: Đó là mối quan hệ giữa dòng collector IC vào áp giữa hai đầu cực công suất VCE phụthuộc tham số điều khiển là dòng

IB

+ Hai vùng làm việc tương ứng với trạng thái đóng ngắt của BJT: vùng ngắt và vùng bão hoà

2.4 Thời gian đóng ngắt : Tính chất động được khảo sát thông qua đáp ứng của dòng IC so

với dòng điều khiển IB (H1.11)

H1.11 Thời gian đóng cắt BJT

t1 – t0 : thời gian trễ của quá trình chuyển sang đóng

t2 – t0 : thời gian đóng tON – khoảng vài µs

t4 – t3 : thời gian trễ của quá trình chuyển sang ngắt

t5 – t3 : thời gian ngắt tOFF - lớn hơn 10µs2.5 Mạch kích:

Nguyên tắc thiết kế mạch sao cho BJT sẽ được đóng ngắt bởi dòng IB thích hợp trong mọi điều kiện thay đổi dòng IC trong quá trình vận hành

IB