bài giảng điện tử công suất trong công nghiệp

Hình 1.3 a Mô hình cấu trúc mạng tinh thể b Đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại n Vậy ta thu được một chất bán dẫn loại mới có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng điện tử gọi là

CHƯƠNG 1: PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN

1.1 Nhiệm vụ của điện tử công suất

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng các linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch vào quá trình biến đổi điện năng

Sự ra đời và hoàn thiện của các linh kiện điện tử công suất như: điốt công suất, thyristor, GTO, triac, MOSFET công suất, IGBT, SID, MCT… với những tính năng dòng điện, điện áp, tốc độ chuyển mạch ngày càng được nâng cao làm cho kỹ thuật điện truyền thống thay đổi một cách sâu sắc

Trong nghiên cứu điện tử công suất có ba cách tiếp cận:

- Về linh kiện: Nghiên cứu bản chất vật lý, các quá trình diễn ra trong các linh kiện, các tính năng kỹ thuật và phạm vi ứng dụng của các linh kiện điện tử công suất

- Về cấu trúc: Nghiên cứu các sơ đồ phối hợp các linh kiện điện tử công suất và các thiết bị điện – điện tử khác hợp thành mạch động lực nhằm tạo nên các bộ biến đổi phù hợp với mục đích sử dụng

- Về điều khiển: Nghiên cứu các chiến lược điều khiển khác nhau để tạo nên các

bộ biến đổi điện tử công suất với các tính năng cần thiết Chú trọng các kỹ thuật điều khiển nâng cao để tạo nên các bộ biến đổi thông minh, linh hoạt, có các chỉ tiêu kinh tế -

kỹ thuật, năng lượng tối ưu

Sự phát minh ra transistor vào năm 1948 do Bardeen, Brattain và Schockey, tại phòng thí nghiệm Bell Telephone, giải thưởng Nobel năm 1956 về vật lý, đã đánh dấu bước phát triển cách mạng trong kỹ thuật điện tử Kể từ đó kỹ thuật điện tử phát triển mạnh mẽ theo hai hướng:

- Kỹ thuật điện tử tín hiệu (điện tử dòng điện yếu) với đặc điểm chủ yếu là xử lý tín hiệu qua khuếch đại, điều chế tần số cao

- Điện tử công suất với đặc điểm chủ yếu chuyển mạch đóng – cắt dòng điện lớn, điện áp cao để thay đối độ lớn, dạng điện sóng, tần số dòng công suất

Hình 1.1: Điện tử tín hiệu và điện tử công suất

1.2 Các phần tử bán dẫn công suất

1.2.1 Diode công suất

1.2.1.1 Chất bán dẫn

Về phương diện dẫn điện, các chất được chia thành hai loại: chất dẫn điện (có điện

trở suất nhỏ) và chất không dẫn điện (có điện trở suất lớn) Chất không dẫn điện còn gọi

là chất cách điện hay là chất điện môi

Giữa hai loại chất này có một chất trung gian mà điện trở suất của nó thay đổi

trong một giới hạn rộng và giảm mạnh khi nhiệt độ tăng (theo quy luật hàm mũ) Nói cách

khác, chất này dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao và dẫn điện kém hoặc không dẫn điện ở nhiệt

độ thấp Đó là chất bán dẫn (hay chất nửa dẫn điện)

51 Sb

33

As

15 P

16 S

34 Se

52 Sb

53 I

Hình 1.3 a) Mô hình cấu trúc mạng tinh thể b) Đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại n

Vậy ta thu được một chất bán dẫn loại mới có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng điện tử gọi là chất bán dẫn tạp chất loại n Dòng điện trong chất bán dẫn tạp chất loại n gồm điện tử (là các hạt đa số) và lỗ trống (là loại hạt thiểu số) tạo nên

Bán dẫn P

Nếu tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm 3 (Al, Ga, In…) bảng Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất sẽ xuất hiện các liên kết đôi bị khuyết (gọi là lỗ trống) có khả năng nhận điện tử Khi kích thích năng lượng, các nguyên

tử tạp chất sẽ bị ion hóa sinh ra một cặp: ion âm tạp chất – lỗ trống tự do Mô hình mạng

tinh và đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại p cho trên hình 1.4

Hình 1.4 a) Cấu trúc mạng tinh thể b) Đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại p

Mức năng lượng tạp chất nằm sát đỉnh vùng hóa trị tạo cơ hội nhảy mức ào ạt cho các điện tử hóa trị và hình thành một cặp ion âm tạp chất (không tham gia dòng điện) và

lỗ trống (hạt đa số) Dòng điện trong chất bán dẫn tạp chất loại p gồm lỗ trống (là các hạt

đa số) và điện tử (là loại hạt thiểu số) tạo nên

1.2.1.2 Chuyển tiếp P-N

Nối P-N là cấu trúc cơ bản của linh kiện điện tử và là cấu trúc cơ bản của các loại Diode Phần này cung cấp cho sinh viên kiến thức tương đối đầy đủ về cơ chế hoạt động của một nối P-N khi hình thành và khi được phân cực

Bằng nhưng công nghệ đặc biệt, người ta cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại n

và loại p tiếp xúc với nhau Tại nới tiếp xúc sẽ xảy ra các hiện tượng vật lý

Mặt ghép p-n khi chưa có điện áp ngoài

Hình 1.5: Tiếp xúc p-n khi chưa có điện áp ngoài

Do sự chênh lệch lớn vì nồng độ giữa hai loại bán dẫn n và p (nn>>np và pp>>pn) tại vùng tiếp giáp có hiện tượng khuếch tán các hạt đa số qua nơi tiếp giáp, xuất hiện một dòng khuếch tán Ikt hướng từ p sang n Tại vùng lân cận mặt tiếp xúc xuất hiện một lớp điện tích khối do ion tạp chất tạo ra, trong đó nghèo hạt dẫn đa số, do đó đồng thời xuất hiện một điện trường nội hướng từ vùng n (lớp ion dương) sang vùng p (lớp ion âm) gọi

là điện trường tiếp xúc Điện trường Etx cản trở chuyển động của dòng khuếch tán và gây

ra chuyển động trôi của hạt thiểu số qua miềm tiếp xúc, có chiều ngược lại với dòng khuếch tán Quá trình này xảy ra sẽ dẫn tới một trạng thái Ikt = Itr và không có dòng điện qua tiếp xúc p-n

Mặt ghét p-n khi có điện trường ngoài

Trạng thái cân bằng động trên bi phá vỡ khi đặt tới tiếp xúc p-n một điện trường ngoài

Có hai trường hợp xảy ra:

Hình 1.6: Tiếp xúc p-n phân cực thuận

Khi đặt điện trường ngoài (Engoài) ngược chiều với Etx (Eng hướng từ p sang n), trạng thái cân bằng bị phá vỡ, cường độ trường tổng cộng giảm đi, do đó làm tăng chuyển động khuếch tán Ikt người ta gọi đó là hiện tượng phun hạt đa số qua miền tiếp xúc p-n khi nó được mở Dòng điện trôi Itr do Etx gây ra xuồng gần bằng không Trường

hợp này ứng với hình 1.6 gọi là phân cực thuận cho tiếp xúc p-n

Hình 1.7: Tiếp xúc p-n phân cực ngược

Khi Eng cùng chiều với Etx ứng với hình 1.7 , trạng thái cân bằng ban đầu cũng bị

phá vỡ, dòng Ikt giảm tới không, dòng gia tốc có tăng lên nhưng không đáng kể vì do hạt dẫn thiểu số đóng góp, nhanh tới một giá trị bão hòa Người ta nói đó là sự phân cực ngược cho tiếp xúc p-n

Kết luận: Tiếp xúc p-n có tính dẫn điện không đối xứng, khi bị khóa dòng qua nó nhỏ trong khi điện áp đặt vào nó (hướng từ n sang p) có giá trị lớn (vài chục vôn) do vậy tiếp xúc có điện trở tương đối lớn Khi được mở, tiếp xúc p-n dẫn điện tốt, dòng qua nó lớn (hướng từ p sang n) trong khi điện áp rơi trên nó nhỏ

1.2.1.3 Điôt công suất (diode)

Cấu tạo

Cấu tạo của một diode bán dẫn gồm một tiếp xúc p-n và hai tiếp xúc để lấy ra 2 điện

cực là anốt (từ vùng p) và katốt (từ vùng n), ký hiệu quy ước trên hình 1.8

Hình 1.8 Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn

Nguyên lý làm việc

Khi phân cực thuận cho diode: ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt ( vùng bán dẫn P ) và điện áp âm (-) vào Katôt ( vùng bán dẫn N ) như hình 1.9 Khi điện áp chênh lệch giữ hai cực anốt và katốt đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) hoặc 0,2V ( với Diode loại Ge ) thì diode bắt đầu dẫn điện theo chiều anốt đến katốt Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V )

Hình 1.9 Diode phân cực thuận Hình 1.10 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 nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V

Khi phân cực ngược cho diode: Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn

(+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P) như hình 1.11, dưới sự tương

tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chịu được điện áp ngược rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng

Hình 1.11 Diode phân cực ngược 1.2.3.4 Điôt đệm

Diode đệm (còn gọi là Diode phóng điện, Diode hoàn năng lượng) là Diode mắc song song ngược với một phụ tải điện một chiều có tính chất cảm kháng (hình8) Diode đệm D0 có hai nhiệm vụ:

Khi phụ tải làm việc, Diode đệm D0 chịu điện áp ngược và ở trạng thái khoá Dòng điện tải được cấp từ nguồn một chiều (hình 1.13a) Khi ngắt nguồn (U= 0), do s.đ.đ tự cảm của của cảm kháng phụ tải lúc ngắt mạch, dòng cảm ứng trong phụ tải khép kín qua Diode D0 (hình 1.13b) Nếu không có Diode D0, điện cảm ứng lớn sẽ đặt lên các phần tử nguồn và có thể phá hỏng chúng, đánh thủng cách điện và nguy hiểm cho người

Đảm bảo dòng điện liên tục cho tải

Hình 1.12: Diode đệm nối vào mạch có tính chất cảm kháng để tránh sự

giảm về 0 đột ngột của dòng điện

Bình thường, dòng điện phụ tải có tính chất cảm kháng do nguồn cung cấp Khi dòng điện phụ tải giảm (đột ngột) hoặc bị ngắt rồi lại có, trong phụ tải sẽ xuất hiện điện

áp cảm ứng qúa độ rất lớn, dẫn đến các nguy hiểm đã nêu cho thiết bị và nguồn Diode D0

sẽ cho dòng cảm ứng khép kín qua nó và duy trì dòng tải Dòng cảm ứng phóng qua D0 có

độ lớn tuỳ thuộc năng lượng điện từ tích luỹ trong cuộn dây phụ tải tức là tuỳ thuộc trị số

độ tự cảm L nhỏ hay lớn Cường độ dòng điện phóng giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian:  = L/R

Nếu  >> T (T- chu kỳ điện áp hình sin) thì cường độ dòng điện qua tải coi như không đổi

1.2.2 Transitor BJT công suất

1.2.2.1 Cấu tạo và ký hiệu

Hình1.13: Cấu tạo transistor

Miền colectơ (C) có nồng độ tạp chất trung bình và điện cực tương ứng là colectơ Tiếp giáp p-n giữa miền emitơ và bazơ gọi là tiếp giáp emitơ (JE), tiếp giáp p-n giữa miền bazơ và miền colectơ gọi là tiếp giáp colectơ (JC)

Về cấu trúc có thể coi transistor như hai diode mắc đối nhau hình 1.13 Điều này không hoàn toàn có nghĩa là cứ mắc 2 diode như hình 1.13 là có thể thực hiện chức năng của transistor Bởi vì khi đó không có tác dụng tương hỗ lẫn nhau của hai tiếp giáp p-n Hiệu ứng transistor chỉ xảy ra khi khoảng cách giữa hai tiếp giáp nhỏ hơn nhiều so với độ dài khuếch tán của hạt dẫn

Ký hiệu

Hình1.14: Ký hiệu của Transistor

Kí hiệu của transistor trên mạch điện cần chú ý là mũi tên đặt giữa cực bazơ và cực colectơ có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n

1.2.2.2 Hoạt động

Nguyên lý hoạt động: Để transistor làm việc cần phải đưa điện áp một chiều tới các cực của nó, gọi là phân cực cho transistor Đối với chế độ khuếch đại thì JE phân cực thuận còn JC phân cực ngược như hình 1.15

Hình 1.15: Sơ đồ phân cực của transistor npn (a) và pnp(b) ở chế độ khuếch đại

Để phân tích nguyên lí làm việc ta lấy transistor pnp (b) làm ví dụ: Do JE phân cực thuận, các hạt đa số (lỗ trống) từ miền E phun qua JE nên tạo thành dòng emitơ (IE) Chúng tới vùng bazơ và trở thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ hướng tới JC Trên đường đi khuếch tán một phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số của bazơ tạo nên dòng cực bazơ (IB) Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần như hoàn toàn các hạt khuếch tán tới được bờ của JC và bị trường gia tốc do JC phân cực ngược cuốn qua tới được miền colectơ tạo nên dòng colectơ (IC) Qua việc phân tích này rút được hệ thức cơ bản về dòng điện trong transistor (hệ thức gần đúng do bỏ qua dòng ngược của JC ):

IE = IB + IC

Để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong vào cùng bazơ, người ta định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện  của transistor:

C B

I

β = I

hệ số  xác định chất lượng của transistor và có giá trị càng gần 1 với các transistor loại tốt

Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng IB tới dòng IC người ta định nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện  của transistor

C B

I

β = I

 thường có giá trị trong khoảng vài trục tới vài trăm Từ các biểu thức trên suy ra được vài hệ thức hay được sử dụng đối với transistor

IE = IB(1 + ) và β

α =

1 + β

Xét hoạt động của Transistor npn

Sự hoạt động của Transistor npn hoàn toàn tương tự Transistor pnp nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại Dòng IC đi từ C sang E còn dòng IB đi từ E sang B

1.2.3 MOSFET

MOSFET là transistor hiệu ứng trường, là một transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với transistor thường mà ta đã biết, MOSFET có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu, MOSFET được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn monitor, nguồn máy tính

Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET

Đặc điểm cấu tạo và kí hiệu quy ước của MOSFET có hai dạng cơ bản thể hiện

trên hình 1.16 là loại kênh đặt sẵn và loại kênh cảm ứng

Trên thân tinh thể bán dẫn tạp chất loại p, người ta pha tạp chất bằng công nghệ bán dẫn đặt biệt (plasma, khuếch tán ion) để tạo ra hai vùng bán dẫn loại n+ (nồng độ pha tạp chất cao hơn so với đế) và lấy ra hai điện cực là D và S, hai vùng này được nối thông với nhau nhờ một kênh dẫn loại n có thể hình thành ngay trong quá trình chế tạo (loại

kênh đặt sẵn hình 1.16 a, b, c, d) hay chỉ hình thành sau khi đã có một điện trường ngoài tác động (loại kênh cảm ứng hình 1.16 e, f, g, h) Tại phần đối diện kênh dẫn người ta tạo

ra điện cực thứ 3 là cực cửa G sau khi đã đã phủ lên bề mặt kênh một lớp cách điện mỏng SiO2 Kênh dẫn được cách li với thân đế nhờ tiếp giáp p-n thường được phân cực ngược nhờ một điện áp phụ đưa tới cực thứ 4 là cực đế U

Hình 1.16: Cấu tạo và ký hiệu của Mosfet

a, b) Loại kênh n đặt sẵn; c, d) Loại kênh p đặt sẵn

e, f) Loại kênh n cảm ứng; g, h) Loại kênh p cảm ứng

Nguyên lý làm việc của MOSFET

Để phân cực MOSFET người ta đặt một điện áp UDS>0:

Với loại kênh đặt sẵn, xuất hiện dòng điện tử trên dẫn nối giữa S và D và trong mạch ngoài có dòng cực máng ID (chiều đi vào cực D), ngay cả khi chưa có điện áp đặt và cực cửa (UGS = 0)

+ Nếu đặt nên cực cửa điện áp UGS > 0, điện tử tự do trong vùng thân (đế) (là hạt thiểu số) được hút và kênh dẫn đối diện với cực cửa là giàu hạt dẫn điện cho kênh, tức là làm giảm điện trở của kênh, do đó làm tăng dòng cực máng ID chế độ làm việc này được gọi

là chế độ là giàu của MOSFET

+ Nếu đặt tới cực cửa điện áp UGS < 0, quá trình trên sẽ ngược lại, làm kênh dẫn bị nghèo đi (là điện tử) bị đẩy xa khỏi kênh Điện trở kênh dẫn tăng tùy theo mức độ tăng của UGS theo chiều âm sẽ làm giảm dòng ID Đây là chế độ nghèo của MOSFET Hình

1.17 cho ta thấy đặc tuyến ra của MOSFET loại kênh n đặt sẵn

Hình 1.17: Họ đặc tuyến ra của MOSFET a) Loại kênh đặt sẵn; b) Loại cảm ứng

Với loại kênh cảm ứng, khi đặt tới cực cửa điện áp UGS < 0, không có dòng cực máng ID do tồn tại hai tiếp giáp p-n mắc đối nhau tại vùng máng – thân và nguồn và thân,

do đó không tồn tại kênh dẫn nối giữa máng và nguồn Khi UGS > 0, tại vùng thân đế đối diện cực cửa xuất hiện các điện tử tự do và hình thành một kênh dẫn điện nối liền hai cực

máng và nguồn Độ dẫn của kênh tăng theo giá trị của UGS do đó dòng điện cực máng IDtăng Như vậy MOSFET loại kênh cảm ứng chỉ làm việc với một loại cực tính của UGS và chỉ ở chế độ làm giàu kênh Hình 2.43b cho ta thấy đặc tuyến ra của MOSFET loại kênh n cảm ứng

Từ họ đặc tuyến ra của MOSFET với cả hai loại kênh đặt sẵn và kênh cảm ứng giống như đặc tuyến ra của JFET ta xét, thấy rõ có 3 vùng phân biệt: vùng gần gốc ở đó IDtăng tuyến tính theo UDS và ít phụ thuộc và UGS, vùng bão hòa (vùng thắt) lúc đó ID chỉ phụ thuộc mạnh vào UGS, Phụ thuộc yếu và UDS và vùng đánh thủng lúc UDS có giá trị khá lớn

Hình 1.18 a và b cho ta thấy đặc tuyến truyền đạt của MOSFET loại kênh đặt sẵn

về điện với kênh dẫn, so với BJT dòng dò đầu vào gần như bằng không, gần đạt tới lý tưởng

Đa số các FET có tính chất đối xứng giữa hai cực D và S Do đó tính chất của FET gần như không thay đổi khi đổi lẫn vai trò của hai cực này

1.2.4 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor)

Cấu trúc và ký hiệu của IGBT

Cấu trúc bán dẫn IGBT chỉ khác MOSFET ở chỗ giữa Emiter (tương tự với cực gốc) và Collector(tương tự với cực máng) là cấu trúc bán dẫn n - p - n, chứ không phải là

n - n Có thể coi IGBT tương đương với một p - n - p transistor với dòng bazơ được điều khiển bởi một MOSFET

Ký hiệu của IGBT như hình 1.19

Nguyên lí làm việc của IGBT

IGBT là loại bóng bán dẫn kết hợp hai ưu điểm của transistor bipolar và MOSFET chịu được dòng lớn ( như loại bipolar) và điều khiển bằng áp ( như MOSFET ) Linh kiện bán dẫn này là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET với khả năng chịu tải lớn của transistor thường

Hình 1.19: Ký hiệu của IGBT

Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng bằng điện áp, do đó công suất yêu cầu sẽ cực nhỏ.Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE> 0 kênh dẫn với các hạt mang

điện là điện tử được hình thành giống như ở cấu trúc MOSFET.Các điện tử di chuyển về phía colector vượt qua lớp tiếp giáp n- p, như ở cấu trúc giữa bazơ và colector ở transistor thường, tạo nên dòng colector

Thời gian đóng cắt của IGBT nhanh hơn so với transistor thường Trễ khi mở khoảng 0,15 s như đối với MOSFET, trễ khi khoá khoảng 1s như ở transistor thường Công suất yêu cầu để điều khiển IGBT rất nhỏ Dạng của tín hiệu điều khiển thường là+15V khi mở và - 15V để khoá lại Mạch điều khiển IGBT về nguyên tắc không khác

gì so với các mạch điều khiển MOSFET

1.2.5 Thyristor, GTO

1.2.5.1 Thyristor

Cấu tạo

Hình 1.20: Cấu tạo, ký hiệu và sơ đồ tương đương của Thyristor; loại 22RIA

Thyristor có cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn p1-n1-p2-n2 đặt xen kẽ nhau, ghép lại tạo thành hai Transistor mắc nối tiếp, một Transistor thuận p1n1p2 và một Transistor ngược

n1p2n2 ( như sơ đồ tương đương ở trên ).Giữa các lớp bán dẫn này hình thành các chuyển tiếp p-n lần lượt là J1, J2, J3 và lấy ra 3 cực là Anot, Katot và Gate gọi là A-K-G, Thyristor là Diode có điều khiển , bình thường khi được phân cực thuận, Thyristor chưa dẫn điện, khi có một điện áp kích vào chân G => Thyristor dẫn cho đến khi điện áp đảo chiều hoặc cắt điện áp nguồn Thyristor mới ngưng dẫn

Nguyên lý làm việc

Để tiện phân tích nguyên lý làm việc của thyristor ta sử dụng sơ đồ tương đương

của nó Phân tích sơ đồ hình 1.21 để làm rõ nguyên lí làm việc của thyristor

Hình 1.21: Sơ đồ minh hoạ sự hoạt động của Thyristor

Khi UAK > 0, Thyristor được phân cực thuận:

Nếu IG = 0 thì chuyển tiếp J1 và J3 được phân cực thuận còn J2 phân cực ngược Thyristor không cho dòng điện chạy qua Dòng qua tryristor quyết định chủ yếu bởi dòng

dò ngược của J2 có giá trị rất nhỏ

Nếu IG khác 0 (do U1 cung cấp) vào chân G làm đèn Q2 dẫn kéo theo đèn Q1 dẫn Thyristor mở cho dòng điện chạy qua Dòng IG càng lớn thì UAK tương ứng để mở thyristor càng nhỏ (IG lớn hơn dòng mở cực tiểu của Q2, nhưng UAK vẫn chưa đủ lớn để phân cực thuận cho Q1 và Q2 thì thyristor cũng vẫn chưa mở)

Sau khi thyristor được kích thích mở, nếu dòng IG = 0 thì Q1 dẫn, điện áp chân B đèn Q2 tăng làm Q2 dẫn, khi Q2 dẫn làm áp chân B đèn Q1 giảm làm đèn Q1 dẫn , như vậy hai đèn định thiên cho nhau và thyristor vẫn duy trì trạng thái mở cho dòng điện chạy qua Muốn vậy phái đảm bảo dòng IE thuận lớn đến một giá trị nhất định gọi là điện áp ghim (giá trị điện áp cực tiểu của dòng thuận IE) Nếu trong quá trình thyristor mở, IG vẫn được duy trì thì giá trị dòng Ghim tương ứng sẽ giảm khi IG tăng

Khi UAK< 0 thì chuyển tiếp J1 và J3 được phân cực ngược còn J2 phân cực thuận Thyristor không cho dòng điện chạy qua Dòng qua tryristor chính là dòng dò ngược của

diode (giống hệt như dòng ngược bão hòa của diode) Nếu tăng điện áp ngược gần đến một giá trị nhất định thì 2 chuyển tiếp J1 và J3 sẽ lần lượt bị đánh thủng theo cơ chế thác

lũ và zener, dòng ngược qua thyristor tăng lên đột ngột Nếu không có biện pháp ngăn chặn thì dòng ngược này sẽ làm hỏng thyristor

Trường hợp IG = 0 và UAK> 0, nếu ta tăng UAK đến một giá trị xấp xỉ giá trị đánh thủng J2 gọi là điện áp đánh thủng thuận khi điện áp thuật tăng đến giá trị này, dòng IE

đủ lớn dẫn tới làm cho Q1 và Q2 trong sơ đồ tương đương mở và lập tức chuyển sang trạng thái bão hòa Thyristor chuyển sang trạng thái mở Điện áp UAK giảm xuống đến một giá trị gọi là điện áp dẫn thuận Phương pháp chuyển thyristor từ khóa sang mở bằng cách tăng UAK gọi là kích mở bằng điện áp thuận

1.2.5.2 GTO

Cấu trúc và ký hiệu của GTO

Thyristor khoá bằng cực điều khiển GTO là Thyristor có cấu trúc đặc biệt để cực điều khiển G có thể thực hiện đồng thời hai chức năng kích mở và kích ngắt Để thực hiện được cả hai chức năng mở và ngắt, GTO có cấu trúc đặc biệt như sau:

- Lớp N2 hay lớp Cathode rất mỏng và kích tạp cao

- Lớp P2 hay lớp điều khiển cũng tương đối mỏng và kích tạp cao cùng với N2 hình thành chuyển tiếp JK

- Lớp N1 hay lớp khoá tương đối dày và kích tạp thấp Chiều dày của nó phụ thuộc điện áp thuận khi khoá Cùng với J2 tạo nên chuyển tiếp JC

- Lớp P1 được thực hiện bằng việc khuếch tán trong N1, có cùng tính chất như P2 Lớp P1 cùng với N1 tạo nên chuyển tiếp JA

Điểm đặc biệt của GTO là lớp N2 được thực hiện bằng công nghệ khắc ở vị trí tiếp xúc với cực điều khiển G, tạo thành cathode dạng các phân đoạn xếp thành các vòng tròn đồng tâm Ký hiệu của GTO cho trên hình vẽ:

Ta có thể coi GTO như tạo nên bởi nhiều GTO nhỏ mắc song song

1.2.6 Triac (Triode Alternative Current)

Cấu tạo và ký hiệu của Triac

Triac là linh kiện có thể dẫn dòng điện đi theo cả hai chiều Vì vậy định nghĩa dòng thuận hay dòng ngược đều không có ý nghĩa, tương tự cho khái niệm điện áp ngược Việc kích dẫn Triac thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cổng điều khiển G Điều kiện

để Triac đóng điện là đưa xung dòng kích vào cổng điều khiển trong điều kiện tồn tại điện

áp trên linh kiện khác là bằng không

Giống như Thyristor, không thể điều khiển ngắt dòng quia Triac Triac sẽ ngắt theo quy luật như đã giải thích đối với Thyristor

Việc đóng mở Triac được thực hiện nhờ một cổng duy nhất G và xung dòng kích vào cổng G có chiều bất kỳ Bởi vì Triac dẫn điện cả hai chiều nên chỉ có hai trạng thái, trạng thái dẫn và trạng thái khoá Mặc dù vậy có thể định nghĩa Triac có chiều thuận và chiều nghịch

Đặc tính V-A của Triac tương tự như của Thyristor do khả năng dẫn điện theo cả hai chiều đặc tính của Triac có dạng đối xứng qua tâm toạ độ Cần nói thêm về đặc tính cổng điều khiển Việc kích Triac có thể chia ra làm các trường hợp:

- Mở bằng xung điều khiển UGT1> 0 khi UT2T1> 0

- Mở bằng xung điều khiển UGT1< 0 khi UT2T1> 0

- Mở bằng xung điều khiển UGT1< 0 khi UT1T2> 0

- Mở bằng xung điều khiển UGT1> 0 khi UT1T2> 0

Mặc dù có thể tạo dòng kích có dấu tuỳ ý, nhưng thực tế việc kích thuận lợi hơn khi dòng kích dương cho trường hợp dòng qua triac dương và dòng kích âm khi dòng qua triac âm

1.2.7 Khả năng làm việc của các phần tử bán dẫn công suất

Ta có thể liệt kê một số linh kiên điện tử công suất chủ yếu sau đây:

Đi ốt công suất có dòng điện định mức từ 1A tới 5000A, điện áp định mức từ 10V tới 10kV và lớn hơn, chuyền mạch với thời gian từ 20ns tới 100s Chức năng chủ yếu của đi ốt là chỉnh lưu và biến đổi DC-DC

Transistor lưỡng cực công suất BJT (Bipolar Junction Transistor) dẫn dòng theo một chiều khi có dòng bazơ thích hợp Dòng điện định mức từ 0,5A tới 500A và lớn hơn, điện áp định mức từ 30V đến 1200V, thời gian chuyển mạch từ 0,5s tới 100s Chức

năng chủ yếu là biến đổi DC-DC, phối hợp với đi ốt trong các bộ nghịch lưu BJT công suất đang được thay thế bởi FET và IGBT

Transistor hiệu ứng trường FET (Field Effect Transistor) dẫn dòng điện máng khi đặt điện áp cổng thích hợp Các FET công suất (hầu hết là MOSFET) có nôi song song một điôt ngược Dòng điện định mức từ 1A đến 100A, điện áp định mức từ 30V đến 1000V Thời gian chuyển mạch rất nhanh từ 50ns đến 200ns Chức năng chủ yếu là biến đổi DC-DC và nghịch lưu

Transistor lưỡng cực cổng cách ly IGBT (Insulated Gate Bilopar Transistor) là loại FET đặc biệt có chức năng của BJT và điều khiển công suất bằng FET IGBT nhanh hơn

và dễ dàng sử dụng hơn BJT cùng công suất Dòng điện định mức từ 10A đến 600A, điện

áp định mức từ 600V đến 1700V IGBT được sử dụng phổ biến trong các bộ nghịch lưu

từ 1W đến trên 100kW và được ứng dụng trong các lĩnh vực của điện tử công suất

Thyristor, còn gọi là SCR (Silicon Controlled Rectifier) Thyristor dẫn dòng điện tương tự như điôt sau khi đã đưa xung mồi thích hợp, trở về trạng thái khóa khi dòng điện bằng không Dòng điện định mức từ 10A đến 5000A, điện áp định mức từ 200V đến 6kV Thời gian chuyển mạch từ 1s đến 200s Thyristor được sử dụng trong mọi lĩnh vực điện tử công suất

Thyristor khóa bằng cực điều khiển GTO (Gate Turn – Off thyristor) là SCR có thể khóa bằng cách gửi xung âm tới cực điều khiển Có thể thay thế cho BJT trong các ứng dụng đòi hỏi công suất cao Các đại lượng định mức có trị số tương tự SCR và được sử dụng trong các bộ nghịch lưu trên 100 kW

TRIAC (Triode Alternative Current) là linh kiện gồm hai thyristor mắc nối song song ngược và chỉ có một cực điều khiển Dòng điện định mức từ 2A đến 50A, điện áp định mức từ 200V đến 800V Được sử dụng chủ yếu để điều chỉnh đèn, thiết bị điện dân dụng, công cụ cầm tay, rất tiện dụng trong bộ biến đổi xoay chiều

Thyristor điều khiển bằng MOSFET MCT (Mosfet Controlled thyristor) là SCR đặc biệt có chức năng của GTO và cổng điều khiển bằng FET Nhanh hơn GTO, dễ sử dụng hơn và được thay thế cho Gto trong một số ứng dụng

Linh kiện cảm ứng tĩnh SCD (Static Induction Device) là linh kiện chuyển mạch bằng cách điều khiển hàng rào thế ở cổng Có công suất 100 kW ở tần số 100kHz và 10W

ở tần số 10Ghz Ưu điểm chủ yếu của SID là tốc độ chuyển mạch cao, điện áp ngược lớn, điện áp rơi thuận nhỏ

Bảng 1.1 Trị số cực đại của các linh kiện điện tử công suất

Linh kiện Năm

xuất hiện

Điện áp định mức (Uđm)

Dòng điện định mức (Iđm)

Tần số định mức (fđm)

Công suất định mức (Pđm)

Điện áp rơi thuận

1.3 Các bộ biến đổi điện tử công suất

Ta nhận thấy các linh kiện điện tử công suất cùng với các linh kiện điện tử khác tạo nên bộ biến đổi nhằm biến đổi công suất vào, được đặc trưng bằng điện áp u1, dòng điện vào i1 và tần số dòng điện f1, thành các đại lượng đầu ra tương ứng u2, i2 , f2

Hình 1.24: Phân loại các bộ biến đổi Trên hình 1.24 là quan hệ điện áp, dòng điện, và tần số vào ra xoay chiều và một

chiều được biểu diễn qua các mũi tên thể hiện bản chất bộ biến đổi đó là:

- Biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều: Bộ chỉnh lưu

- Biến đổi dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều: Bộ nghịch lưu

- Biến đổi trị số điện áp một chiều: Bộ băm hay bộ điều áp một chiều

- Biến đổi trị số điện áp xoay chiều, tần số không đổi: Bộ điều áp xoay chiều

- Biến đổi tần số dòng điện xoay chiều: Biến tần

CHƯƠNG 2: CHỈNH LƯU KHÔNG VÀ CÓ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Phân biệt sơ đồ mạch chỉnh lưu, luật đóng mở van

2.1.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều

Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế Sơ

đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu như trên hình 2.1

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu

Giải thích:

MBA: Máy biến áp, trong sơ đồ này máy biến áp làm hai nhiệm vụ chính là:

+Chuyển điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu của tài Tùy theo tải mà máy biến áp có thể là tăng hoặc giảm áp

+ Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu cảu mạch van Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3, song mạch van cần dòi hỏi là 6, 12…

Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha như lưới thì có thể bỏ qua máy biến áp

MV: Mạch van Mạch van ở đây là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách

nào để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu

LỌC: Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp hoặc dòng điện một chiều cấp cho tải là

phẳng theo yêu cầu

chỉnh lưu không điều khiển, mạch van dùng toàn thyristor được gọi là chỉnh lưu điều khiển, mạch van dùng cả loại điốt và thyristor được gọi là chỉnh lưu bán điều khiển

Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau: Có hai kiểu mắc van: Sơ đồ hình tia -

Ở sơ đồ này số lượng van sẽ bằng số pha nguồn cấp cho mạch van Tất cả các van đấu chung một đầu nào đó với nhau hoặc Catot chung hoặc Anot chung Sơ đồ hình cầu - Ở

sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi só pha nguồn cấp cho mạch van Trong đó một nửa

số van mắc theo kiểu Catot chung, một nửa số van mắc theo kiểu Anot chung

2.1.3 Các tham số cơ bản

Về phía tải

Ud: Giá trị điện áp nhận được nhay sau mạch van chỉnh lưu

Id: Giá trị trung bình dòng điện từ mạch van cấp ra

Pd = Ud Id: là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu

Về phía van:

Itbv: Giá trị trung bình dòng điện chảy qua 1 van của mạch van

Ungvmax: Điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc

Đây là hai tham số giúp việc lựa chọn van phù hợp để không hỏng khi hoạt động trong mạch

Về phí nguồn: Thể hiện bằng công suất mba

φ KC

φ A1

φ A2

φ An

Hình 2.2: Sơ đồ mạch van mắc K chung

Là mạch mà tất cả các van thyristor hay diode có catôt đấu chung với nhau Luật dẫn của nó được thể hiện như sau: Van có khả năng dẫn là van có điện thế ở anốt dương nhất trong nhóm, và dương hơn điên thế ở catốt chung

Nhóm đấu Anot chung (A chung)

φ AC

φ K1

φ K2

φ Kn

Hình 2.3: Sơ đồ mạch van mắc A chung

Ở nhóm van đấu anốt chung quy luật dẫn như sau: Van có khả năng dẫn là van có điện thế catốt âm nhất và âm hơn điện thế anốt chung

2.2 Mạch chỉnh lưu hình tia

2.2.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha không và có điều khiển

2.2.1.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển

Hình 2.4: Sơ đồ mạch chỉnh lưu tia một pha nửa chu không điều khiển

Nguyên lý làm việc của sơ đồ được giả thích như sau: Giả sử điện phía thứ cấp MBA đặt vào mạch chỉnh lưu là điện áp xoay chiều hình sin có biểu thức sau:

không có điện áp ra ở mạch chỉnh lưu

2sin 0,452

2

1

U tdt

U

Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu được xác định theo biểu thức:

d R

t U

Dòng điện trung bình qua diode D: I v I d

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 đầu diode D: Ungvmax 2U2= 1.41U2

Khi tải mang tính cảm kháng (R-L):

Trong trường hợp tải mang tính cảm kháng, cuộn cảm L có tác dụng hạn chế dòng điện khi tải tăng và duy trì dòng điện khi tải giảm

Trong thực tế đối với tải R-L người ta thường dùng thêm một diode hoàn năng lượng D0 đấu song song ngược với tải, vừa để bảo vệ diode vừa để duy trì dòng điện ngược trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn Hình2-5-b

-Dòng tải chậm sau u 2 một góc  với tg = L / Z

-Khi không có diode D 0 thì điện áp chỉnh lưu U d có chứa một đoạn điện áp âm

-Khi có diode D 0 thì điện áp chỉnh lưu U d không còn đoạn điện áp âm

Trong một chu kỳ cuộn cảm tích lũy được bao nhiêu năng lượng thì hoàn trả bấy nhiêu

Khi tải là R+E:

-Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ với tải R+E được trình bày trên hình 2.7

E + -

UD



Hình 2.7: Tải loại R+E

Diode D chỉ cho dòng điện qua tải khi u2 > E Dòng id chỉ tồn tại trong khoảng 1 

2 và góc 1 ; 2 là 2 nghiệm của phương trình sau:

E U

u2  2 2sin 

Biểu thức của dòng điện qua tải:

R

E U

u2   (Lúc này coi R.id =0)

Do đó điện áp đặt lên diode D là:

E u

U D  2

Điện áp ngược cực đại đặt lên diode D là:

E U

2

U d

R

E U

I d

2 2

R

E U

T R

E U d

R

E U I

2

2 cos

.

2 2

2

2 2

2.2.1.2 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển

Sơ đồ và nguyên lý làm việc:

Nguyên lý làm việc: Giả sử điện áp đặt vào cuộn sơ cấp máy biến áp là hình sin

Khi đó phía thứ cấp MBA suất hiện 2 điện áp u21 và u22 bằng nhau về dấu nhưng ngược nhau về pha

t U

u21  2 2sin

t U

u22   2 2sin

Ở nửa chu kỳ dương của điện áp u21 , diode D1 được phân cực thuận cho dòng điện chạy qua Khi đó u22 âm, nên D2 bị phân cực ngược, khóa lại

Ở nửa chu kỳ âm của điện áp u21 , diode D1 bị phân cực ngược nên khóa lại Khi đó

u22 dương, nên D2 được phân cực thuận cho dòng điện chạy qua tải

Như vậy cả 2 nửa chu kỳ D1 và D2 luân phiên đóng mở, cung cấp điện cho tải trong cả chu kỳ

Dòng điện, điện áp chỉnh lưu:

Tùy thuộc vào tính chất của tải mà dòng điện, điện áp chỉnh lưu có giá trị khác nhau

Trường hợp tải thuần trở:

Với tải thuần trở: dòng điện có dạng sóng giống như điện áp chỉnh lưu Nhưng

biên độ sóng dòng điện nhỏ hơn biên độ sóng điện áp R lần

Hình 2.9 : Sơ đồ nguyên lý và điện áp chỉnh lưu trường hợp tải R

Trong khoảng 0 < t < , u21 dương,u22 âm, nên D1 mở cho dòng chạy qua tải, còn

D2 khóa:

t R

U i

u u

u D2  22  21   2 2 2sinĐiện áp ngược cực đại đặt lên diode:

22

U Dm 

Trong khoảng  < t < 2, u22 dương,u21 âm, nên D2 mở cho dòng chạy qua tải, còn D1 khóa:

t R

U i

u

u D1  21 22  2 2 2sin

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

2 0

2 2

0

9,02

2sin

.211

U U

t td U

t d u





Giá trị trung bình của dòng điện tải:

2

2 2

U R R

1

2sin

22

D D

I t td R

U I

I

Dòng hiệu dụng qua thứ cấp máy biến áp:

4

2

sin

0

2 2

22 21

d

I R

U t d R

t U

Điện áp chỉnh lưu khi đó vẫn có dạng như tải R, do đó giá trị trung bình bằng:

2

2 0 , 9 2

Dòng điện trung bình chảy qua tải:

10

2 2

d d

I t d I

d

k

I t d k

21

2.2.1.3 Mạch chỉnh lưu hình tia 1 pha nửa chu kỳ có điều khiển

Sơ đồ và nguyên lý làm việc

E + -

Hình 2.11: Sơ đồ mạch chỉnh lưu hình tia 1 pha nửa chu kỳ có điều khiển với các loại tải

Nguyên lý làm việc:

Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào mạch

chỉnh lưu có dạng hình sin:

t U

u2  2 2sin

Ở nửa chu kỳ đầu thyristor T được phân

cực thuận, UAC >0, nếu sau một khoảng

thời gian t = , ta kích một xung điều

khiển tác động vào cực G của thyristror T

với IG >0 và đủ lớn Khi đó T sẽ mở cho

dòng đi qua tải, T sẽ tắt khi dòng qua nó

bằng không

Như vậy ta thấy tùy thuộc vào thời điểm

ta kích xung vào cực G mà dòng điện và

điện áp trung bình qua tải sẽ có giá trị

khiển với tải R

Dòng điện và điện áp chỉnh lưu

Vì dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải nên ta tiến hành xét từng trường hợp tải khác nhau:

22

Gọi  là góc mở, còn góc  là góc tắt dòng Và giả sử điện áp U2 là hình sin và có biểu thức:

t U

u2  2 2sin

Trong khoảng thời gian 0 < t < , mặc dù lúc này UAK > 0 nhưng vì chưa có xung điều khiển nên thyristor vẫn khóa, dòng điện qua nó bằng không sau khoảng thời gian t =  ta kích một xung điều khiển vào cực G của thyristor, nó sẽ mở dẫn dòng qua thyristor, điện áp trên thyristor bằng không, dòng điện tải tăng dần Do tính chất điện cảm trong tải, dòng điện được duy trì ngay cả khi t = , và UAC < 0

 t

 t

 t 0

dt

di L Ri u

2

2sin

22

Khi dùng diode D0 đấu song song ngược với tải, điện áp tải Ud không còn phần âm,

do đó điện áp U2 ở nửa chu kỳ âm được đặt lên thyristor

2.2.1.4 Mạch chỉnh lưu hình tia 1 pha hai nửa chu kỳ có điều khiển

Sơ đồ nguyên lý đươc trình bày như (hình 2-14)

C (T 1 )

(T 2 )

Hình 2-14: Sơ đồ nguyên lý

R R

L R

E + - L

Khi tải thuần trở R

Giả sử điện áp thứ cấp có dạng hình sin:

t U

u

u21   22  2 2sin

Trong khoảng 0 t , điện áp U21 > 0, U22 < 0 Khi đó V1 được mở nếu có xung điều khiển Tại thời điểm t =  ta kích xung điều khiển vào V1, lúc đó V1 mở thông dẫn dòng qua tải và đầu ra trên tải có điện áp Ud (Một phần điện áp hình sin U21.) Bắt đầu từ t  , điện áp nguồn đổi

dấu U21 < 0, U22 > 0 nên V1 khóa

Còn V2 trong khoảng thời gian







  t  vì chưa nhận được xung

điều khiển, do vậy dòng và áp trên tải

đều bằng không

Tại thời điểm t , V2 nhận được

xung điều khiển và bắt đầu mở,

cos 1

) 1 (cos

2 sin

2 1

0

2 0

U U

Giá trị dòng trung bình qua tải:

Giả sử điện áp thứ cấp có dạng hình sin:u21  u22  2U2sint

Trong thực tế thường XL >> R, nên Id là dòng liên tục, vì vậy khi cho biết góc mở

 thì tức khắc xác định được ngay góc tắt dòng  =  +  Dòng Id có cùng một giá trị bằng I0 khi t =  và khi t = 

*Xác định các giá trị dòng điện, điện áp

trong mạch:

Khi T1 mở ta có phương trình cân bằng

điện áp:

t U

dt

di L Ri

2sin

2

2

U td

) 1 (

) 1 (

).

sin(

2

2 2

2 0

e

e X

R

U I

Từ biểu thức ta thấy muốn dòng Id liên tục thì I0 phải dương, vậy  < 



Như vậy nếu  < gh thì dòng liên tục

Nếu  > gh thì dòng không liên tục

Như vậy ta cũng có thể tính được điện cảm giới hạn trong mạch: tg

a) Dòng điện gián đoạn

b) Dòng điện liên tục

Hình 2.17: Dạng dòng, áp mạch chỉnh lưu 1 pha hai nửa chu kỳ tải R+L+E