Bài giảng điện tử công suất và truyền động điện

PHẦN 1- ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT MỞ ĐẦU Điện tử công suất là một chuyên ngành của điện tử học nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất trong sơ đồ các bộ biến đổi nhằm biến đổi và k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐOÀN VĂN ĐIỆN

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

HƯNG YÊN 2017

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

PHẦN 1- ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 5

Chương 1 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN 6

1.1 NHIỆM VỤ CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 6

1.2 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN 6

1.2.1 Diode công suất 6

1.2.2 Transistor công suất 10

1.2.3 Thyristor (SCR-Silicon Controlled Rectifier) 18

1.2.4 Triac (Triode Alternative Current) 25

1.2.5 GTO (GATE TURN-OFF Thyristor) 27

1.2.6 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor) 28

1.2.7 IGTC (Integrated Gate Commutated Thyristor) 29

1.2.8 MCT (MOS CONTROLLED THYRISTOR) 30

1.2.9 MTO (MOS TURN OFF THYRISTOR) 31

1.2.10 ETO (EMITTER TURN OFF THYRISTOR) 32

1.2.11 Khả năng hoạt động của các linh kiện 34

Chương 2 CHỈNH LƯU DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 35

2.1 PHÂN BIỆT SƠ ĐỒ MẠCH CHỈNH LƯU, LUẬT ĐÓNG MỞ VAN 35

2.1.1 Phân biệt sơ đồ mạch chỉnh lưu 35

2.1.2 Nguyên lí làm việc, luật đóng mở van 36

2.2 CHỈNH LƯU HÌNH TIA 39

2.2.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha không và có điều khiển 39

2.2.2 Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha không và có điều khiển 41

2.3 MẠCH CHỈNH LƯU HÌNH CẦU 42

2.3.1 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không và có điều khiển 42

2.3.2 Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha không và có điều khiển 44

2.4 CÁC MẠCH CHỈNH LƯU BÁN ĐIỀU KHIỂN 47

2.4.1 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha 47

2.4.2 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha 48

Chương 3 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 51

3.1 KHÁI QUÁT CHUNG 51

3.2 BỘ ĐIỀU CHỈNH XUNG ÁP MỘT CHIỀU NỐI TIẾP 53

3.3 MẠCH XUNG ÁP SONG SONG 55

3.4 BỘ ĐIỀU CHỈNH XUNG ÁP 1 CHIỀU HỖN HỢP 56

3.5 MỘT SỐ SƠ ĐỒ XUNG ÁP MỘT CHIỀU KHÁC 57

3.5.1 Sơ đồ xung áp loại B 58

3.5.2 Sơ đồ xung áp có đảo chiều 61

Chương4 ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU 69

4.1 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA 69

4.1.1 Sơ đồ nguyên lý 69

4.1.2 Nguyên lý làm việc 69

4.1.3 Chế độ dòng tải 70

4.2 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 3 PHA 71

4.2.1 Trường hợp tải thuần trở đối xứng 72

4.2.2 Trường hợp tải thuần cảm đối xứng 73

4.2.3 Trường hợp tải điện trở và điện cảm 74

Chương 5.NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN 76

5.1 THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI DÒNG ĐIỆN MỘT PHA 76

5.2 BBĐ MCXC NGUỒN ÁP 3 PHA 76

5.3 THIẾT BỊ BIẾN TẦN BA PHA GIÁN TIẾP 77

5.3.1 Khái niệm chung 77

5.3.2 Biến tần gián tiếp 3 pha nguồn áp 78

5.3.2 Biến tần gián tiếp 3 pha nguồn dòng 79

5.4 BIẾN TẦN TRỰC TIẾP 81

Chương 6.NGUYÊN TẮC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI 84

6.1 CÁC NGUYÊN TẮC VÀ CÁC KHÂU ĐIỀU KHIỂN 84

6.1.1 Các nguyên tắc điều khiển 84

6.1.2 Khuếch đại và biến đổi xung điều khiển 86

6.2 MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 86

6.2.1 Mạch điều khiển bộ chỉnh lưu 86

6.2.2 Mạch điều khiển bộ điều áp xoay chiều 86

PHẦN 2 - TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 101

Chương 1 KHÁI NIỆM, CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 101

1.1 CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG 101

1.1.1 Cấu trúc của hệ thống truyền động điện tự động 101

1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện tự động 101

1.2 CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 102

1.2.1 Đặc tính cơ của động cơ điện 102

1.2.2 Đặc tính cơ của máy sản xuất 103

1.2.3 Trạng thái làm việc của hệ truyền động điện tự động 104

1.2.4 Quy đổi các đại lượng cơ học 105

1.2.5 Phương trình động học của hệ TĐĐ TĐ 107

1.2.6 Điều kiện ổn định tĩnh của hệ truyền động điện tự động 107

1.2.7 Các đặc tính của động cơ điện 108

1.3 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 109

1.3.1 Phương trình đặc tính cơ - ảnh hưởng của các tham số 110

1.3.2 Vẽ các đặc tính cơ 115

1.3.3 Tính toán điện trở khởi động 117

1.3.4 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm 117

1.4 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP 122

1.4.1 Phương trình đặc tính cơ và cách vẽ 122

1.4.2 Tính toán điện trở khởi động 126

1.4.3 Các trạng thái hãm của động cơ kích từ nối tiếp 126

1.5 ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ KĐB 128

1.5.1 Phương trình đặc tính cơ 128

1.5.2 Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ 131

1.5.3 Khởi động và cách xác định điện trở khởi động 133

1.5.4 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm 134

1.6 ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 140

1.6.1 Các đặc tính động cơ đồng bộ 140

1.6.2 Khởi động và hãm động cơ đồng bộ 143

CHƯƠNG 2 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 146

2.1 VẤN ĐỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ VÀ CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TĐĐ 146

2.1.1 Các định nghĩa 146

2.1.2 Các chỉ tiêu chất lượng 148

2.2 CÁC NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH 149

2.2.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMĐL bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động cơ 149

2.2.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi từ thông kích từ của động cơ: 151

2.2.3 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch

phần ứng: 151

2.3 CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH 152

2.3.1 Hệ Máy phát - Động cơ một chiều (F-Đ) 152

2.3.2 Hệ Chỉnh lưu - Động cơ một chiều 155

2.3.3 Các hệ TĐ điều chỉnh xung áp - động cơ ĐC 157

2.3.4 Đặc tính cơ 158

2.4 ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TĐĐ MỘT CHIỀU 159

2.4.1 Điều chỉnh Eb theo dòng tải 159

2.4.2 Điều chỉnh Eb theo điện áp phần ứng 161

2.4.3 Điều chỉnh Eb theo tốc độ 161

Chương 3 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 163

3.1 NGUYÊN LÝ CHUNG 163

3.2 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN TRỞ MẠCH ROTOR 163

3.3 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP ĐỘNG CƠ 165

3.4 ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT TRƯỢT PS 171

3.5 ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ CỦA NGUỒN CẤP CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 173

3.5.1 Điều chỉnh tần số - điện áp 173

3.5.2 Các bộ biến đổi tần số điện áp 175

Chương 4 CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 178

4.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 178

4.1.1 Đặt vấn đề 178

4.1.2 Phát nóng và làm nguội động cơ điện 178

4.1.3 Phân loại chế độ làm việc của truyền động điện 180

4.2 CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO NHỮNG TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 182

4.2.1.Chọn động cơ làm việc dài hạn 182

4.2.2 Chọn công suất động cơ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại 182

4.3 CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG CÓ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 183

4.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM NGHIỆM CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 184

PHẦN 1- ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

MỞ ĐẦU Điện tử công suất là một chuyên ngành của điện tử học nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất trong sơ đồ các bộ biến đổi nhằm biến đổi và khống chế nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được, cung cấp cho các phụ tải điện

Theo nghĩa rộng, nhiệm vụ của điện tử công suất là sử lý và điều khiển dòng năng lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải Tải sẽ quyết định các thông số về điện áp, dòng điện, tần số, và số pha tại đầu ra của bộ biến đổi Thông thường, một bộ điều khiển có hồi tiếp sẽ theo dõi đầu ra của bộ biến đổi và cực tiểu hóa sai lệch giữa giá trị thực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt)

Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn, còn gọi

là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi.Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được

Với đối tượng nghiên cứu là các bộ biến đổi bán dẫn công suất, Điện tử công suất còn

có tên gọi là "Kỹ thuật biến đổi điện năng" Để phân biệt với các chuyên ngành khác của kỹ thuật điện tử liên quan đến quá trình xử lý tín hiệu với mức điện áp thấp và dòng điện nhỏ, Điện tử công suất còn được gọi là "Kỹ thuật dòng điện lớn" Tuy nhiên Điện tử công suất cũng nghiên cứu các sơ đồ mạch điều khiển các van bán dẫn công suất bằng các phần tử bán dẫn công suất nhỏ, vì vậy các tên gọi trên đây chỉ phản ánh một phần phạm vi nghiên cứu của lĩnh vực này

Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến dổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn

Chương 1 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN

1.1 NHIỆM VỤ CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1.1.1 Định nghĩa, Phân loại

a Điện tử tín hiệu

b Điện tử công suất lớn

1.1.2 Nhiệm vụ của Điện tử công suất

A Chỉnh lưu dòng điện xoay chiều

B Điều chỉnh điện áp và dòng điện một chiều

C Điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều

D Nghịch lưu và biến tần

1.2 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN

1.2.1 Diode công suất

a 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)

Trong bảng tuần hoàn

(Mendeleev) các nguyên tố bán dẫn

chiếm vị trí trung gian (Hình 1.1) giữa

các kim loại và á kim Điển hình là Ge,

Si… Vì ở phân nhóm IV, lớp ngoài cùng

của Ge, Si có 4 điện tử (electron) và

chúng liên kết đồng hoá trị với nhau tạo

thành một mạng bền vững (Hình 1.2a)

Hình 1.1 Các nguyên tố bán dẫn

Khi có một tâm không thuần khiết (nguyên tử lạ, nguyên tử thừa không liên kết trong bán dẫn, những khuyết tật có thể của mạng tinh thể: nút chân không, nguyên tử hay ion giữa các nút mạng, sự phá vỡ tinh thể, rạn vỡ…) thì trường điện tuần hoàn của tinh thể bị biến đổ

và chuyển động của các điện tử bị ảnh hưởng, tính dẫn điện của bán dẫn cũng thay đổi

Nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm III chảng hạn như In, thì do lớp điện tử ngoài cùng của In chỉ có ba điện tử nên thiếu 1 điện tử để tạo cặp điện tử đồng hoá trị Nguyên tử In có thể sẽ lấy 1 diện tử của nguyên tử Ge lân cận và làm xuất hiện một lỗ trống (hole) dương (Hình 1.2b) Ion Ge lỗ trống này lại có thể lấy 1 điện tử của nguyên tử Ge khác

để trung hoà và biến nguyên tử Ge sau thành một lỗ trống mới Quá trình cứ thế tiếp diễn và bán dẫn Ge được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn dương (bán dẫn loại P – Positive)

Tương tự, nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm V, chẳng hạn như As, thì

do lớp điện tử ngoài cùng của As có 5 điện tử nên sau khi tạo 4 cặp điện tử đồng hoá trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh, thì As thừa ra 1 điện tử Điện tử này dễ dàng rời khαi nguyên tử

As và trở thành điện tử tự do Bán dẫn Ge trở thành bán dẫn điện tử hay bán dẫn âm (bán dẫn loại N – Negative)

Khi nhiệt độ chât bán dẫn tăng hay bị ánh sáng chiếu vào nhiều thì chuyển động của các phần tử mang điện mạnh lên nên chất bán dẫn sẽ dẫn điện tốt hơn

Các chất bán dẫn có thể là đơn chất như B, C, Si, Ge, S, Se…các hợp chất như ZnS, CdSb, AlSb…các ôxyt như Al2O3, Cu2O, ZnO, SiO2…các sulfua như ZnS, CdS…

Hiện nay, các chất bán dẫn được dùng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật

và đời sống

b Tính dẫn điện một chiều của lớp tiếp xúc P-N

Khi ghép 2 loại bán dẫn P và N lại với nhau (Hình 1.3) thì tại chỗ hai mặt ghép giáp nhau sẽ hình thành một lớp tiếp xúc P-N (ký hiệu là: J - Junction)

Hình 1.2 Sự tạo ra các bán dẫn P(b) và N(c)

Quá trình xảy ra như sau: Tại chỗ ghép, các điện tử âm tự do từ bán dẫn N chuyển sang bán dẫn P, chúng tái hợp với các lỗ trống và trở nên trung hoà về điện Phía bán dẫn P, do mất lỗ trống nên trở thành mang điện âm Phía bán dẫn N do mất điện tử nên trở thành mang điện dương Do vậy, một điện trường E0 ở lớp tiếp xúc P-N được hình thành và hướng từ N sang P ( Hình 1.3a) Điện trường nay như một bức rào ngăn không cho lỗ trống từ P tiếp tục sang N

và điệ tử từ N tiếp tục sang P

Nếu nối P-N với một nguồn điện một chiều để tạo sự phân cực thuận (Hình 3b) tức là cực dương của nguồn nối với bán dẫn P, cực âm của nguồn nối với bán dẫn N thì có một điện trường ngoài (do nguồn ngoài tạo ra) hướng từ P sang N, mạnh hơn E0 và ngược hướng E0 Điện trường này giúp lỗ trống dương tiếp tục từ P sang N và điện tử tiếp tục từ N sang P tạo

ra dòng điện thuận Ith qua lớp tiếp xúc P-N

Nếu nối P-N để tạo ra phân cực ngược (Hình 1.3c) tức là cực dương của nguồn nối với bán dẫn N và cực âm của nguồn nối với bán dẫn P thì điện trường ngoài sẽ hướng từ N sang P cùng chiều với lớp tiếp xúc E0 cản trở sự dịch chuyển của các lỗ trống từ P sang N và điện tử

tự do từ N sang P nên dòng điện không tạo ra được Trên thực tế, vẫn có một dòng điện rất nhỏ qua lớp tiếp xúc gọi là dòng điện ngược (vì chảy từ N sang P) hay dòng điện rò

Ge

Ge Ge

a,

Hình 1.3 Sự hình thành lớp tiếp xúc P-N

Vậy lớp tiếp xúc P-N có một tính chất đặc biệt là chỉ cho dòng điện chảy qua khi phân cực thuận và ngăn cản không cho dòng điện chảy qua khi phân cực ngược Tính chất này có được là do điện trường lớp tiếp xúc E0 hướng từ N sang P Điện trường E0 tạo ra một bức rào thế

c Diode công suất

Diode là phần tử bán dẫn gồm 2 miếng bán dẫn P và N ghép lại với nhau Đầu nối với bán dẫn P gọi là anode (A), đầu nối với bán dẫn N gọi là cathode (C)

Đặc tính Von-Ampe của Diode biểu thị

quan hệ I(U) giữa dòng điện qua Diode và điện

áp đặt vào hai cực Diode

Đặc tính Von-Ampe tĩnh của Diode có

hai nhánh

Hình 1.4 Cấu tạo của Diode công suất

Nhánh thuận: ứng với phân áp thuận thì dòng điện đi qua Diode tăng theo điện áp Khi điện áp đặt vào Diode vượt một ngưỡng Un cỡ 0, 1V-0, 5V và chưa lớn lắm thì đặc tính có dạng Parabol (đoạn 1) Khi điện áp lớn hơn thì đặc tính gần như đường thẳng (đoạn 2)

Điện trở thuận của Diode ở một điểm nào đó trên đặc tính thường nhỏ và có thể tính theo: Rth = = tgα Đó chính là nghịch đảo của giá trị đạo hàm dI/dU của đặc tính tại điểm

tính điện trở

Nhánh ngược: ứng với phân áp ngược Lúc đầu điện áp ngược tăng thì dòng điện ngược (dòng điện rò) rất nhỏ cũng tăng nhưng rất chậm (đoạn 3) Tới điện áp ngược |U| > 0, 1V thì dòng điện ngược có trị số nhỏ khoảng vài mA và gần như giữ nguyên Sau đó, khi điện

áp ngược đủ lớn |U| > Ung.max thì dòng điện ngược tăng nhanh (đoạn 4) và cuối cùng (đoạn 5) thì Diode bị đánh thủng

U

I





Lúc này, dòng điện ngược tăng vọt

dù có giảm điện áp Điện áp này gọi là điện

áp chọc thủng Diode bị phá hỏng, để đảm

bảo an toàn cho Diode, ta nên chọn Diode

làm việc với điện áp ngược điện áp ~ 0, 8

Ung.max Với Ung< 0, 8 Ung.max thì dòng điện

rò qua Diode nhỏ không đáng kể và Diode

coi như ở trạng thái khoá

Hình 1.5 Đặc tính Von-Ampe của Diode

Vùng khuỷu là vùng điện trở ngược của Diode đang từ trị số rất lớn chuyển sang trị số rất nhỏ dẫn đến dòng điện ngược từ trị số rất nhỏ trở thành trị số rất lớn

Từ đặc tính V.A của Diode, có thể thấy Diode (do tính chất đặc biệt của lớp tiếp xúc P-N) chỉ cho dòng điện chảy qua từ anode A sang cathode C khi phân áp thuận và không cho dòng điện qua từ cathode C sang anode A khi phân áp ngược

Đặc tính của Diode thực là một đường phi tuyến (không thẳng) (đường a hình 1.6) Đặc tính V.A của một Diode lý tưởng là nhữngđoạn thẳng (đường b hình 1.6) vì khi phân áp thuận, điện trở RAC là bằng 0, dòng điện thuận coi như ngắn mạch, còn khi phân áp ngược điện trở

RAC là vô cùng, không có dòng điện ngược Đặc tính V.A của Diode còn thay đổi theo nhiệt

toff– thời gian cần để Diode chuyển từ trạng thái thông sang trạng thái khoá

ton– thời gian cần để Diode chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái thông (dẫn)

Chính vì vậy, nếu tần số điện áp xoay chiều quá lớn thì Diode bình thường có thể không tạo được chế độ khoá

d Diode 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 8a) 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 8b) Nếu không có Diode D0, điện cảm ứng lớn sẽ đặt lên các phần tử nguồn và có thể phá hαng chúng, đánh thủng cách điện và nguy hiểm cho người

- Đảm bảo dòng điện liên tục cho tải

Hình 1.8 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 Transistor công suất

a Đặc điểm chung

Transitor công suất có cấu tạo tương tự như Transitor thường với các loại như NPN hay PNP Điểm khác cơ bản với Transitor thường là Transitor công suất thường được sử dụng như 1 khoá đóng cắt điện tử Tiếp giáp có diện tích hàng mm2 và nó có thể cho dòng điện qua hàng chục hay hàng trăm Ampe, chịu được tần số đóng cắt cao và điện áp làm việc lớn Nó còn được gọi là phần tử khuếch đại chuyển mạch Nghĩa là Transitor có hai điểm làm việc khác biệt Hình dưới đây mô tả sơ đồ một bộ khuếch đại chuyển mạch

Hình 1.9 Bộ khuếch đại chuyển mạch

Như vậy, một Transitor làm việc ở trạng thái khoá điện tử thì nó chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng hoặc cắt hay dẫn hay không dẫn

b Đường đặc tính làm việc

Đường đặc tính làm việc của Transitor ở trạng thái đóng cắt được ch như hình vẽ Trong vùng đặc tính đầu ra, Transitor chỉ có hai điểm làm việc: đóng hoặc cắt hay dẫn hoặc ngưng dẫn

Hình 1.10 cho thấy Transitor ngừng dẫn ở điểm làm việc A1 (dòng điện IB = 0) chỉ có một dòng điện rò ICEO phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp bán dẫn

Nếu Transitor dẫn, thì điểm làm việc trong vùng đặc tính đầu ra tăng từ A1 đến A2 ở đây dòng điện cực đại thu IC tăng tuyến tính với dòng điện IB khi dòng điện IB tăng càng lớn thì điểm làm việc chuyển từ A2 vượt qua A3 đến A4 Đến đầy dòng điện IC tăng rất ít, có nghĩa là Transitor bị điều khiển quá mức ở đây điên áp UCE giảm xuống bé hơn điện áp bão hoà UCEsat chúng được gọi là:UCErest

Hình 1.10 Điểm làm việc của công tắc Transitor

c Sự điều khiển quá mức của Transitor

Sự điều khiển quá mức là trạng thái hoạt động của Transitor, mà khi có dòng điện IBquá lớn chạy qua, nó lớn hơn cả dòng điện cần thiết để dòng IC đạt tới cực đại ở điều khiển quá mức thì dòng điện IC thay đổi không còn tuyến tính với dòng IB nữa Điểm điều khiển quá mức đạt đến nếu UBE = UCEsat có nghĩa là UCB = 0, Transitor được điều khiển quá mức nếu nó cần làm việc như là một công tắc Sự điều khiển quá mức có ưu điểm sau là điện áp dư UCErestrất nhỏ, làm cho công suất tổn hao bé

Mức độ điều khiển quá mức được tính toán theo hệ số điều khiển quá mức u nó chính

là tỉ số dòng điện IB thực tế và dòng điện IB’ cần thiết để Transitor điều khiển đến giới hạn

UCB = 0

u = IB/IB’, Thông thường tỉ số này được chọn từ 2-5

d Khuếch đại chuyển mạch với tải là điện trở

Bộ khuếch đại chuyển mạch bằng Transitor được ứng dụng rộng rãi là bộ chuyển mạch công suất Trong trường hợp này tải có thể mắc trực tiếp với cực Collector Hình 11 và

12 là sơ đồ nguyên lí của một bộ chuyển mạch công suất với tải là điện trở thuần và miền đặc tính lí tưởng của mạch

Độ dốc của đường làm việc trên hình 12 được xác định qua độ lớn của điện trở tải ở điểm làm việc A1 (IB = 0A) Transitor không dẫn ở điểm A2 thì Transitor dẫn Vì Transitor điều khiển quá mức nên điện áp UCErest tương ứng nhỏ Như vậy trong khi đóng cũng như trong khi ngắt mạch điện, điểm làm việc của mạch chuyển dời giữa điểm làm việc A1, A2 dọc theo đường thẳng làm việc đã được điện trở thuần xác định Trong thực tế không chỉ có các điện trở thuần mà có khi còn có điện dung hoặc điện cảm mắc trong mạch, ví dụ như cuộn dây Rơle hoặc cuộn dây của nam châm điện, độ tự cảm của chúng trực tiếp làm trở ngại đến quá trình chuyển mạch tiếp giữa các điểm làm việc Khi ngắt mạch nhanh các điện cảm này,

có thể xuất hiện đỉnh điện áp lớn hơn điện áp nguồn nuôi đặt vào Transitor, do vậy mà có thể dẫn tới tình trạng phá hỏng Transitor Vì vậy cần có biện pháp bảo vệ

e Khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện

Mạch khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện và đường đặc tính tương ứng được

mô tả trên hình 1.13 và 1.14 Mạch này cần thiết phải lắp thêm điên trở tải vì nếu không sẽ không có điểm làm việc A2 trong chế độ tĩnh

Hình 1.13

Chuyển mạch công suất với tải tụ điện

Hình 1.14

Đường đặc tính làm việc với tải tụ điện

f Khuếch đại chuyển mạch với tải là cuộn dây

Sự hoạt động của bộ khuếch đại chuển mạch công suất với tải là cuộn dây và đường đặc tính tương ứng mô tả trên hình 1.15 và 1.16

Trong điểm làm việc A1, Transitor không dẫn Không có dòng điện chạy qua Rload và

Lload Cuộn dây không dự trữ năng lượng từ trường Trong khoảnh khắc đóng mạch có sẵn dòng điện IB thì xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng Lúc đầu nó nhỏ hơn điện áp nguồn nuôi UB và nó nhỏ dần Chính sức điện động cảm ứng này sinh ra dòng điện có chiều ngược với chiều dòng IC, nên dòng IC bị tác động chỉ tăng từ từ Điểm làm việc chuyển dời trong pham vi quá độ trên đường đặc tính mô tả là phía dưới theo chiều mũi tên tới làm việc A2

Hình 1.13 Chuyển mạch công suất với tải

điện cảm

Hình 1.14 Đường đặc tính làm việc với tải điện cảm

Ở điểm làm việc A2 Transitor dẫn một dòng collector nhất định Dòng này chạy qua

Rload và Lload Trong cuộn dây lúc này dự trữ một năng lượng từ trường Trong khoảnh khắc ngắt mạch, Transitor không dẫn, như vậy kéo theo một sự cùng đổ vỡ của từ trường và năng lượng dự trữ sẽ được giải phóng Nó xuất hiện một sức điện động tự cảm UL mà cực dương của nó đặt trực tiếp vào cực C của Transitor, độ lớn của sức điện động tự cảm này phụ thuộc vào năng lượng dự trữ và sự nhanh hay chóng của quá trình ngắt (thời gian quá trình ngắt)

Lúc này điểm làm việc chuyển dời trong phạm vi quá độ trên đường đặc tính phía trên theo hướng mũi tên tới điểm làm việc A1

Qua hiện tượng tự cảm, trong quá

trình ngắt mạch có thể sẽ xuất hiện trên cực

C của Transitor một điện áp quá cao, cao hơn

cả điện áp UB Điều này có thể dẫn tới tình

trạng làm hαng Transitor, do đó các mạch có

tải là các cuộn dây thường cần có biện pháp

bảo vệ

Một trong những biện pháp bảo vệ là

người ta thực hiện theo sơ đồ hình 15 Hình 1.15 Mạch bảo vệ bằng Diode cho mạch

khuếch đại chuyển mạch công suất

1.2.2.1 Transitor trường – Field effect Transistor

a Khái niệm

Transitor trường được viết tắt

là FET (Field effect Transitor) là loại

Transitor có tổng trở đầu vào rất lớn

khác với Transitor lưỡng cực BJT (

Bipolar Junction Transitor) loại NPN

hay PNP có tổng trở đầu vào tương

đối nhỏ ở cách lắp ráp thông thường

kiểu E chung

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của FET

Sự điều khiển dòng điện ở FET thông qua một điện trường nằm vuông góc với đường dòng điện Điều này thực ra đã được phát hiện ra từ năm 1928 Nhưng ứng dụng thực tế chỉ xảy ra sau khi sự phát triển của nhiều loại bán dẫn khác nhau ra đời Hình 16 mô tả nguyên lí làm việc của FET

Trong khi ở Transitor lưỡng cực thì dòng điện chính luôn luôn chạy qua hai vật liệu bán dẫn loại N và P, thì ở Transitor trường dòng điện chỉ chạy ở 1 trong 2 loại bán dẫn nêu trên Đường của dòng điện được cấu tạo từ chất bán dẫn loại N được gọi là bán dẫn kênh N Loại được cấu tạo từ bán dẫn loại P được gọi là kênh P Sơ đồ dưới đây mô tả các loại khác nhau của Transitor trường

Các Transitor trường có 3 chân:

Các cực của Transitor trường trong so sánh với Transitor BJC

Cực S tương đương với cực Emitter

Cực G tương đương với cực Base

Cực D tương đương với cực Collector

Mỗi loại Transitor trường có một kí hiệu riêng Nó được tóm tắt trên hình 1.18

Hình 1.17 Các loại Transitor trường

Vì đặc tính tổng trở đầu vào rất lớn (đối với JFETs có giá trị khoảng 109Ù, ở MOSFETs thậm chí khoảng 1015Ù) cho nên sự điều khiển dòng điện trong Transitor trường

có công suất tổn hao gần bằng không Vì vậy việc ứng dụng Transitor trường rất rộng rãi đặc biệt với kỹ thuật MOSFETs

JFETs

MOSFETs loại kênh liên tục

MOSFETs loại kênh gián đoạn

Hình 1.18 Ký hiệu Transitor trường

1.2.2.2 Transitor JFET (Junction FET)

a Cấu tạo, nguyên lí làm việc

JFET còn được gọi là Transitor tiếp xúc P-N hay FET nối Gọi tắt là FET JFET có hai loại là JFET kênh N và JFET kênh P

Cấu tạo của JFET kênh N được cho như trên hình vẽ Cấu tạo của nó bao gồm có một tấm bán dẫn loại N, trên tinh thể bán dẫn Si-N người ta tạo xung quanh nó một lớp bán dẫn P (có nồng độ cao hơn so với bán dẫn loại N) và đưa ra điện cực là cực nguồn S (Source), cực máng D (Drain), và cực cổng G (Gate)

Transitor trường (FETs)

JFETs kênh N JFETs kênh P MOSFETs

kênh đặt sẵn

MOSFETs kênh cảm ứng

Loại5 đặc biệt

Cổngđôi

VMOSFETs SIPMOSFETs

G

D

D S

G

D

D S

G

D

D S

Như vậy hình thành một kênh dẫn

điện loại N nối giữa hai cực D và S, cách li

với cực cổng G dùng làm cực điều khiển bởi

một lớp tiếp xúc bao quanh kênh dẫn Đối

với JFET kênh P thì hoàn toàn tương tự Ký

hiệu và cực tính điện áp phân cực cũng như

dòng điện và đặc tính điều khiển cho các

JFET loại kênh N và kênh P như hình 20

Hình 1.19 Mặt cắt của một JFET kênh N

b Nguyên lí hoạt động

Để phân cực JFET người ta dùng hai nguồn điện áp ngoài là UDS> 0 và UGS< 0 như hình vẽ (đối với JFET kênh P, các chiều điện áp phân cực sẽ ngược lại sao cho tiếp giáp P-N bao quanh kênh dẫn luôn được phân cực ngược) Do tác dụng của các điện trường này, trên kênh dẫn xuất hiện một dòng điện (là dòng điện tử đối với loại kênh N) hướng từ cực D tới cực S, được gọi là dòng điện cực máng ID Dòng IĐ có độ lớn tuỳ thuộc và các giá trị UDS và

UGS vì độ dẫn điện của kênh phụ thuộc mạnh vào cả hai điện trường này Điều này có thể giải thích như sau:

Hình 1.20 Ký hiệu, đặc tính điều khiển của FET kênh N và FET kênh P

Khi đặt điện áp -UGS giữa cực G và cực S (hình 19) thì cả hai tiếp giáp PN đều bị phân cực ngược Trong chất bán dẫn loại P và N bắtđầu hình thành vùng chắn làm cho dòng điện không còn chạy qua được giữa hai vùng tiếp giáp PN phân cực ngược Khi vùng chắn cứ rộng mãi ra thì dòng điện trong kênh nhỏ dần đi Trong kênh gần cực Source là rộng nhất và phía cực Drain thì nhỏ hơn

Điện áp -UGS càng lớn bao nhiêu thì vùng chắn trong kênh càng lớn bấy nhiêu và dòng điện chạy trong kênh càng nhỏ đi bấy nhiêu Độ lớn của điện trở RDS giữa Source và Drain của JFET phụ thuộc vào độ lớn của điện áp -UGS Như vậy điện áp có thể làm thay đổi được điện trở RDS Khi các vùng chắn tiếp xúc với nhau thì dòng điện sẽ bị gián đoạn và kênh lúc

này bị thắt lại Dòng điện ID lúc này sẽ bằng không Vì tiếp giáp PN phân cực ngược nên chỉ

có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, do đó việc điều khiển dòng điện ID bằng điện áp -UGS có công suất tổn hao rất nhỏ

c Đường đặc tính

Đường đặc tính đầu ra biểu diễn sự phụ thuộc giữa dòng điện cực máng ID và điện áp

UDS khi UGS bằng hằng số

d Phương pháp lấy đường đặc tính đầu ra:

 Điều chỉnh nguồn điện áp U2 = 0

 Đặt U1 ở giá trị mong muốn giữa 0 và -6V và giữ bằng hằng số

 Đóng công tắc S1 và điều chỉnh U2 các giá trị khác nhau

 Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UDS

 Mở công tắc S1, chỉnh U2 về không và U1 ở giá trị điện áp tiếp theo

 Lập lại quá trình đo như trên

Hình 1.21.Đặc tuyến đầu ra của JFET chia thành 3 vùng rõ rệt

Vùng tuyến tính

Khi UDS nhỏ, ID tăng mạnh tuyến tính theo UDS và ít phụ thuộc vào UGS Đây là vùng làm việc mà JFET giống như điện trở thuần cho tới lúc đường cong bị uốn mạnh

Vùng bão hoà

Khi UDS đủ lớn, ID phụ thuộc rất yếu

vào UDS và phụ thuộc mạnh vào UGS Đây là

vùng làm việc mà JFET giống như một phần tử

khuếch đại, dòng điện ID được điều khiển bằng

điện áp UGS

Vùng đánh thủng

Khi UDS có giá trị khá lớn, ID tăng đột

biến do tiếp giáp PN bị đánh thủng, hiện tượng

thác lũ xảy ra tại khu vực gần cực D do điện áp

ngược đặt lên tiếp giáp PN tại vùng này là lớn

nhất

e Các tham số của JFET

Tham số giới hạn

Dòng điện IDmax là dòng điện máng cực đại cho phép (ứng với UGS =0)

Điện áp UDSmax là điện áp máng nguồn cực đại cho phép

Điện áp UGSmax là điện áp cổng nguồn cực đại cho phép

Điện áp khoá UGS(P) là điện áp cổng nguồn làm cho dòng ID = 0

Tham số làm việc

Điện trở đầu ra dòng một chiều RDS: RDS = UDS/ID

Điện trở đầu ra dòng xoay chiều rDS: rDS = ÄUDS/ÄID, rDS thể hiện độ dốc của đường đặc tính đầu ra trong vùng bão hoà

Hỗ dẫn của đặc tính truyền dẫn S: S = ÄID/ ÄUGS cho biết tác dụng điều khiển của điện áp cực cổng tới dòng cực máng

1.2.2.3 Transitor MOSFET (Transitor trường cực cổng cách li)

Ở MOSFETs, sự điều khiển không thông qua lớp chắn mà qua một lớp cách điện Lớp cách điện này về nguyên tắc có cấu tạo từ oxýt kim loại cũng chính vì vậy mà người ta gọi la MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor FET) Khi viết tắt người ta cũng thường hay viết IFET (I: insulated) hoặc IGFET (IG: insulated gate)

Hình 1.22 Cấu tạo của MOSFETs kênh liên tục

MOSFETs được chia làm hai loại: Loại có kênh liên tục hay còn gọi là MOSFETs có kênh đặt sẵn và loại có kênh gián đoạn còn gọi là MOSFETs có kênh cảm ứng MOSFETs có kênh liên tục có khả năng dẫn điện khi UGS = 0V ở MOSFETs có kênh gián đoạn thì ngược lại, khi UGS = 0V thì nó không dẫn Mỗi loại kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại theo chất bán dẫn là kênh N hay kênh P Mỗi loại có một kí hiệu riêng như ở hình 18

Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của MOSFETs kênh liên tục

1.2.3 Thyristor (SCR-Silicon Controlled Rectifier)

a Cấu tạo, ký hiệu

- Cấu tạo: Thyristior là một thiết bị gồm bốn lớp bán dẫn P1, N1, P2, N2 ghép lại Tạo nên 3 cực anode A, Cathode K và Gate G

Về lý thuyết có hai loại Thyristor:

Thyristor kiểu N hay Thyristor có cực điều khiển G nối với vùng N gần anode, có ký hiệu như trên hình a:

Thyristor kiểu P hay Thyristor có cực điều khiển G nối với vùng P gần cathode, có ký hiệu như trên hình b:

Trong thực tế thường gặp Thyristor kiểu N

Để giải thích rõ sự làm việc Thyristor ta xét chi tiết các lớp bán dẫn bên trong Thyristor

Lớp cathode là bán dẫn loại dãn bình thường N rất mαng (10-100m) có mật độ điện

tử rất cao,  1014cm-3, do vậy khi dòng điện thuận qua sẽ tạo nhiều điện tử ở lớp điều khiển Lớp Cathode có dòng điện ngược lớn nhưng chỉ chịu điện áp thấp vì chiều dày bé

Lớp điều khiển là bán dẫn loại P rất mαng cỡ 10m, có mật độ điện tử trung bình, do vậy hầu hết các điện tử xuất phát từ Cathode đều tới được lớp điều khiển

Lớp chắn là lớp bán dẫn loại N dày

nhất có mật độ điện tử thấp nhất, do đó có dòng

điện ngược (dòng điện rò) nhỏ và chịu được

điện áp ngược lớn

Lớp anode là bán dẫn loại P có chiều

dày và mật độ trung bình Lớp sát vα anode có

mật độ điện tích rất cao làm gảim điện trở thuận

Lớp anode có dòng điện ngược nhỏ và chịu gần

như toàn bộ điện áp ngược đặt lên Thyristor

Hình 1.25

Lớp chắn càng dày càng chịu được điện áp ngược lớn, nhưng tần số chuyển mạch sẽ giảm bởi vì điện tích tích luỹ khi dẫn sẽ nhiều hơn

Thyristor 300A, 200V có lớp Silic đường kính 30mm, dày 0, 7mm

b Sự hoạt động của Thyristor

Líp Anode

Líp ®iÒu khiÓn

Líp Cathode

Cathode Gate

+ + + + + + + + + + + +

Líp ch¾n

+ + + + + + + + + + + +

N

a Thyristor phân cực ngược

b Thyristor phân cực ngược

c Đặc tính Volt Ampe của

Thyristor (Gồm 4 đoạn)

- Đoạn 1: Trạng thái khoá của Thyristor

Khi u tăng đến uch (u chuyển trạng thái) bắt

đầu quá trình tăng nhanh của dòng điện,

Thyristor chuyển sang trạng thái mở

Hình 1.26

Đoạn 2: Giai đoạn ứng với phân cực thuận J2, mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt trên Thyristor

Đoạn 3: Trạng thái mở của Thyristor J1, J2, J3 trở thành mặt ghép dẫn điện

Đoạn 4: Thyristor bị đặt áp ngược -> Thyristor bị chọc thủng ( do u tăng nên ing cũng tăng lên)

c Các thông số cơ bản của Thyristor

Các thông số cơ bản là những thông số dựa vào đó ta có thể lựa chọn một Thyristor cho một ứng dụng cụ thể nào đó

Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor Itb

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor không vượt quá một giá trị cho phép Trong thực tế dòng cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải lượng nhiệt toả ra nhanh hơn Nói chung có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát như sau:

Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép đến 1/3 dòng Itb

Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng bằng 2/3 dòng Itb

Làm mát cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng đến 100% dòng Itb

Điện áp ngược cho phép lớn nhất UngMax

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên Thyristor Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kì thời điểm nào điện áp giữa anốt và catốt: uAk ungMax phải được chọn ít nhất bằng 1, 2 1, 5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ

Thời gian phục hồi tính chất khoá Thyristor tr (às) Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm nên giữa anốt và catốt của Thyristor sau khi dòng anôt và catôt đã về không, trước khi lại có thể có điện áp UAk dương mà Thyristor vẫn khoá nên tr là một thông số dất quan trọng của Thyristor

Đối với các Thyristor có cùng một series, do sự phân tán của các đặc trưng trong các miền P2 và N2, các đặc tính này tạo nên một miền giữa các giới hạn max và min của điện trở

Hình 1.27 Đặc tính điều khiển của Thyristor

Trên đặc tính điều khiển miền gạch chéo đảm bảo Thyristor được kích mở chắc chắn Đường nét đứt là đường giới hạn công suất điều khiển (UGM.IGM) cực đại

UGM giới hạn điện áp điều khiển cực đại

IGM giới hạn dòng điện điều khiển cực đại

IG dòng điện điều khiển nhỏ nhất ở nhiệt độ bất kỳ

UG điện áp điều khiển nhỏ nhất ở nhiệt độ bất kỳ

Đặc tính dòng - áp của Thyristor ở trạng thái dẫn có thể được làm gần đúng bằng đoạn

Khi nhiệt độ tăng thì r tăng còn UO giảm

Hệ số quá tải I2t của Thyristor được xác định giống như Diode và bằng trong

đó IT là dòng quá tải cực đại

- Khuếch đại thuật toán

- TCA780/785

f Khoá Thyristor

Khi Thyristor đã dẫn điện, muốn tắt dòng điện IA cần phải giảm dòng điện tải nhỏ hơn dòng điện duy trì IH hoặc đảo chiều điện áp đặt trên Thyristor Khi làm việc với điện áp xoay chiều, dòng điện IA tự tắt do điện áp phân cực ngược ở nửa chu kỳ thứ hai Khi làm việc với nguồn điện một chiều cần phải có một số phương pháp tắt dòng điện IA theo một số phương pháp được trình bày dưới đây

- Cắt dòng điện IA

Sử dụng một khóa cắt dòng điện đi qua Thyristor, sau đó lại đóng mạch trở lại Đây là phương pháp đơn giản nhất đòi hαi thời gian ngắt phải lớn hơn thời gian cắt toff của Thyristor

Có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động

b, Phương pháp đảo chiều cưỡng bức

Đảo chiều cưỡng bức là phương pháp làm giảm dòng điện IA nhỏ hơn dòng điện duy trì IH Tắt dòng điện cưỡng bức được chia làm nhiều lớp Dưới đây là một số lớp tắt dòng cưỡng bức

Lớp A Tắt dòng bằng mạch cộng hưởng dòng điện Sơ đồ như sau:

Lớp C Sử dụng một cặp Thyristor mang tải phụ

Hình 1.33

Sơ đồ mạch gồm hai thyristor mang tải nối song song nhau, và một tụ điện nối giữa hai cathode Giả sử ở thời điểm ban đầu T1 dẫn điện, tụ điện được nạp theo chiều như hình vẽ Khi có xung điều khiển mở T2 tụ điện C phóng một dòng điện ngược qua T1 làm cho nó khóa lại Tụ C lại được nạp theo chiều ngược lại sẵn sang cho chu kỳ tiếp theo Thông thường Z1 =

Z2 vì vậy T1và T2 được chọn giống nhau Tụ C được gọi là tụ tắt dòng có điện dung được xác định theo biểu thức:

Lớp D: Bao gồm hai loại Loại thứ nhất tương tự như tắt dòng lớp C nhưng một trong hai thyristor được dùng để tắt dòng có công suất nhỏ hơn nhiều lần Thyristor chính Thông thường dòng điện qua mạch tắt dòng chỉ bằng 1/10 dòng tải

Loại thứ 2 có sơ đồ như hình vẽ hoạt động như sau: T2 được kích mở trước tụ điện C được nạp có chiều như hình vẽ T2 sẽ tắt khi dòng nạp cho tụ nhỏ hơn dòng duy trì của T1 Khi T1 được kích mở tụ điện C sẽ phóng điện qua mạch điện cảm LC và diode DC Nếu mạch

LC đủ điều kiện dao động, tụ C sẽ nạp theo chiều ngược lại Khi cho xung mở T2 tụ điện C sẽ phóng một dòng ngược làm T1 khóa lại

Hình 1.34

Lớp E Tắt dòng bằng một nguồn điện áp phụ Lớp này sử dụng hai nguồn: Nguồn chính là nguồn cấp cho dòng tải và một nguồn phụ để tắt dòng thyristor Mạch tắt dòng lớp E được cho như sau:

Hình 1.35

Phần tử đóng tắt nguồn phụ là một transistor Giả sử thyristor đang dẫn điện, muốn tắt dòng ta chỉ việc cho một xung điện áp dương vào cực gốc để transistor Q mở Nguồn áp phụ

sẽ cho một dòng ngược chạy qua Thyristor làm nó khóa lại

g Khả năng mang tải

Khả năng chịu áp và dòng cũng như khả năng quá tải được xem xét tương tự như Diode Điện thế ngược cực đại có thể lặp lại uRRM và điện thế khoá uDRM thường bằng nhau và cho biết các giá trị điện áp lớn nhất tức thời cho phép xuất hiện trên Thyristor bởi vì điện thế cực đại không lặp lại của Thyristor thường không được biết Khả năng chịu áp của Thyristor đạt đến hàng chục kV, thông thường ở mức từ 5-7kV dòng điện trung bình đạt đến khoảng 5000A Độ sụt áp khi dẫn điện nằm trong khoảng từ 1, 5-3V Phần lớn các Thyristor được làm mát bằng không khí

1.2.4 Triac (Triode Alternative Current)

a Cấu tạo và ký hiệu của Triac

Hình 1.36

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

b Mô tả và chức năng

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

c Đặc tính V-A

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

e Khả năng chịu tải

a Định mức điện áp:

Xác định theo điện áp khoá cực đại có thể lặp lại nó bằng nhau cho cả hai hướng

uDRM = uRRM Điện áp cực đại không lặp lại không được biết

b Định mức dòng điện

Xác định theo giá trị hiệu dụng lớn nhất của dòng dẫn iVM Thường được định nghĩa cho dòng hình sin đối với nhiệt độ cho trước và chế độ làm mát cho trước

Các thông số cơ bản của Triac BCR5AS (Mitsubishi)

VDRM 600A Điện áp khóa lặp lại cực đại- repetitive peak off-state

voltage

ITRMS 5A Trị hiệu dụng dòng điện dẫn- RMS on-state current

IFGT, IRGT 30mA Dòng điện kích

VDSM 720V Điện áp khóa không lặp lại cực đại- non-repetitive

peak off-state voltage

ITSM 50A Dòng điện đỉnh không lặp lại cực đại qua linh kiện

dạng sin- surge on-state current

VGM 10V Điện áp kích cực đại – peak gate voltage

IGM 2A Dòng điện kích cực đại- peak gate current

VTM Max 1, 8V Điện áp trên Triac khi dẫn điện- on state voltage

VFGT, VRGT Max 1, 5V Điện áp kíchcổng

IFGT, IRGT Max 30mA Dong điện kích cổng

(dV/dt)crit 5V/ sμ Độ tăng điện áp khóa – critical-rate of rise off-state

commutating voltage (diT/dt)crit 100A/ sμ Độ tăng dòng điện qua linh kiện cực đại-Critical rate

of rise of on-state current

1.2.5 GTO (GATE TURN-OFF Thyristor)

a 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 mαng và kích tạp cao

Lớp P2 hay lớp điều khiển cũng tương đối mαng 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:

Hình 1.38 Cấu trúc và kí hiệu của GTO

Trên phiến silic, các đoạn cathode có chiều rộng từ 50 đến 500m, số lượng phụ thuộc vào dòng điện của linh kiện, có thể hàng trăm đoạn Các đoạn này được bố trí vòng quanh Cathode và được nối với nhau bằng một tấm Cathode ghép chặt lên mặt phiến Cần đảm bảo tốt tiếp xúc giữa một trong các phiến của lớp N2 và tấm Cathode

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

Đặc tính V-A

Hình 1.39 Đặc tính V-A thực tế và lý tưởng

1.2.6 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor)

a 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 1.15

Hình 1.40 Kí hiệu và cấu tạo IGBT

b 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 chịutải lớn của transistor thường

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 như được thể hiện trên hình 1.16.Mạch điều khiển IGBT về nguyên tắc không khác gì so với các mạch điều khiển MOSFET

1.2.7 IGTC (Integrated Gate Commutated Thyristor)

a Cấu tạo và chức năng

Sự cải tiến công nghệ chế tạo GTO Thyristor đã dẫn đến phát minh công nghệ IGTC GCT (Gate-Commutated Thyristor) là một dạng phát triển của GTO với khả năng kéo xung dòng điện lớn bằng dòng định mức dẫn qua Cathode về mạch cổng trong 1s để đảm bảo ngắt nhanh dòng điện Cấu trúc của GCT và mạch tương đương của nó giống như của GTO

IGCT là linh kiện gồm GCT và có thêm một số phần tử hỗ trợ, bao gồm cả board mạch điều khiển và đôI khi có thêm cả diode ngược

Để kích đóng GCT xung dòng điện được đưa vào cổng kích làm đóng GCT tương tự như trường hợp GTO

Để kích ngắt IGCT, mối nối pn base-emitter được phân cực ngược bằng cách cung cấp điện áp nguồn một chiều Điều này làm triệt tiêu dòng điện qua Cathode vì toàn bộ dòng điện

đi qua Cathode sẽ được đẩy sang mạch cổng với tốc độ rất nhanh và biến GCT trở thành một transistor pnp

Để có thể tạo ra dòng điện qua mạch cổng tăng nhanh và đủ lớn GCT được chế tạo đặc biệt để giảm cảm kháng mạch cổng đến giá trị nhỏ nhất

Vấn đề mấu chốt của GCT là tạo khả năng tăng nhanh dòng điện qua cổng Điều này đạt được bằng ống dẫn điện đồng trục qua mạch cổng cathode và công nghệ mạch điều khiển nhiều lớp Chúng cho phép dòng cổng tăng nhanh với tốc độ 4kA/s khi điện thế cổng cathode ở mức 20V Trong thời gian 1s, Transistor npn của GTO bị ngắt hoàn toàn và cực cổng của transistor pnp còn lại bị mở làm GCT bị ngắt Do việc thực hiện bằng xung dòng rất ngắn nên công suất tổn hao mạch cổng được giảm đến mức tối thiểu Công suất tiêu thụ của GCT giảm đi khoảng 5 lần so với trường hợp GTO

Lớp p phía anode được làm mαng và làm giàu hạt mang điện chút ít để cho phép khử các hạt mang điện phía anode nhanh hơn trong thời gian ngắt IGCT có thể tích hợp diode ngược bằng mối nối nnp được vẽ bên phải của H… Diode ngược cần thiết trong cấu tạo của các bộ nghịch lưu áp

Quá trình ngắtdòng điện của GCT bởi tác dụng xung dòng kích cổng được minh hoạ trên hình… Để có thể so sánh với quá trình ngắt dòng của GTO, đồthị của dòng cổng được

vẽ cho cả hai trường hợp

1.2.8 MCT (MOS CONTROLLED THYRISTOR)

a Cấu tạo và chức năng

MCT có cấu tạo kết hợp công nghệ của Thyristor với ưu điểm tổn hao dẫn điện thấp

và khả năng chịu áp cao của MOSFET với khả năng đóng ngắt nhanh

Hình 1.41

Hình vẽ 1.40 Mô tả cấu trúc cắt ngang của một MCT, trong đó MOSFET được tích hợp trong cấu trúc của SCR để thực hiện điều khiển quá trình đóng nắgt linh kiện này MCT được điều khiển qua cổng MOS Trong công nghiệp thường xuất hiện các MCT loại p Ký hiệu và đặc tính của MCT mô tả như trên hình

Để kích dẫn MCT, xung điện áp âm được đưa vào giữa cổng G-A Điều này dẫn đến việc đóng On-FET (p-FET) trong khi đó cổng off-FET (n-FET) vẫn bị khoá và kích thích lớp cổng đệm Emitter của transistor npn Q1 Transistor Q1 và Q2 sau đó chuyển sang trạng thái dẫn điện

Hình 1.42

Để ngắt MCT, điện áp cổng G-A chuyển sang giá trị dương Điều này làm Off-FET Q4dẫn điện và làm nối tắt mạch Emitter-lớp đệm của Transistor Q2 vì thế bị tắt làm MCT bị ngắt

MCT đạt độ sụt áp thấp khi dẫn điện (như GTO) và thấp hơn cả IGBT Phương pháp điều khiển dùng xung điện áp (như MOSFET, IGBT) Mạch điều khiển đơn giản hơn so với GTO Vì thế, MCT đang dần trở thành linh kiện điều khiển ngắt lý tưởng cho các tải có yêu cầu độ sụt áp thấp, tổn hao thấp và đóng ngắt nhanh Khả năng dẫn dòng điện của MCT thấp hơn so với GTO

b Khả năng chịu tải

MCT được áp dụng cho các trường hợp yêu cầu điện trở và độ tự cảm nhỏ với khả năng chịu được gai dòng điện lớn và tốc độ tăng trưởng dòng điện cao MCT có khả năng chịu được độ tăng dòng điện lên tới 1.400kA/us và gái trị dòng đỉnh 14kA, tính quy đổi trên một đơn vị diện tích là 40kA/cm2 đối với xung dòng điện Các MCT được chế tạo dưới dạng tích hợp từ 4-6 linh kiện trở lên

MCT được sử dụng làm thiết bị phóng nạp điện cho máy bay, xe ôtô, tàu thuỷ, nguồn cung cấp, tivi MCT cũng được sử dụng làm công tắc chuyển mạch mềm (soft switching) trong các mạc dao động cộng hưởng Khả năng chịu di/dt cao và gai dòng lớn mở ra hướng phát triển dùng MCT chế tạo các máy cắt với ưu điểm gọc nhẹ, gái thành hạ và đáp ứng nhanh

so với các máy cắt bán dẫn hiện tại MCT tích hợ còn được sử dụng trong các hệ truyền động máy kéo trong giao thông vận tải

1.2.9 MTO (MOS TURN OFF THYRISTOR)

a Cấu tạo và chức năng

Linh kiện MTO Thyristor được phát triển bởi hãng SPCO (Silicon Power Coperation) trên cơ sơ công nghệ GTO và MOSFET Chúng khắc phục các nhược điểm của GTO liên quan đến công suất mạch kích, mạch bảo vệ và các hạn chế của tham số du/dt Không giống như IGBT tích hợp cấu trúc MOS phủ lên toàn bộ tiết diện bán dẫn, MTO đặt MOSFET trên phiến silicon

Hình 1.43

Các linh kiện có cấu trúc tương tự thyristor như MTO và GTO thường được sử dụng trong các trường hợp yêu cầu công suất lớn nhờ ở khả năng hoạt động như một công tắc hai trạng thái lý tưởng có tổn hao thấp ở cả hai trạng thái “on” và “off”

Cấu trúc MTO gồm bốn lớp và hai cổng điều khiển: một kích đóng và một kích ngắt Tại hai cổng này lớp kim loại được ghép trên lớp p

MTO được kích đóng bằng xung dòng điện trong khoảng thời gian 5-10s vào cổng turn on G1, tương tự như khi kích GTO Xung dòng này sẽ cung cấp dòng điện vào lớp đệm của Transistor n-p-n Q1 mà dòng qua collector của nó sẽ cung cấp dòng đệm cho transitor n-p-

n Q2 và quá trình tái sinh diễn ra sau đó tạo thành trạng thái dẫn điện của MTO

Để ngắt dòng điện qua MTO, cần đưa một xung điện áp khoảng 15V vào cổng “off”

G2 tương tự như ngắt MCT Xung điện áp trên sẽ làm cấu trúc mạch FET dẫn điện, làm nối tắt, mạch emitter và cổng kích transistor n-p-n Q1 Do đó làm giảm khẳ năng dẫn lớp emitter

và lớp đệm của transistor Q1 và quá trình tái sinh sẽ dừng lại So với trường hợp GTO phải sử dụng xung dòng âm rất lớn để dập tắt quá trình tái sinh của Transistor Q1, quá trình ngắt dòng của MTO diễn ra nhanh hơn nhiều (1-2s so với 10-20s) MTO tắt dòng với thời gian phục hồi ngắn hơn nhiều so với GTO, do đó tổn hao tương ứng là gần như được loại bα và đáp ứng nhanh hơn so với GTO

Những ưu điểm trên làm giảm giá thành chế tạo và tăng độ tin cậy khi hoạt động

b Khả năng chịu tải

MTO thích hợp cho các truyền động công suất lớn, điện áp cao (>3kV cho đến 10kV), dòng điện > 4000A, độ sụt áp thấp (thấp hơn nhiều so với IGBT) và cho công suất trong phạm

vi từ 1 MVA đến 20MVA do khả năng điều khiển đơn giản và chịu được áp khoá lớn MTO

có thể được sử dụng trong các thiết bị điều chỉnh công suất trong hệ thống điện (FACTS Controller) làm việc trên nguyên lý PWM Các nguồn điện dự phòng công suất lớn (UPS) cũng là một hướng áp dụng của MTO Khả năng điều khiển cắt nhanh và dễ dàng của MTO làm cho nó có thể ứng dụng thuận lợi làm các thiết bị cắt dòng điện DC và dòng điện AC

1.2.10 ETO (EMITTER TURN OFF THYRISTOR)

Giống như MTO, ETO được phát triển trên cơ sở kết hợp các công nghệ của GTO và MOSFET ETO được phát minh bởi trung tâm Điện tử công suất Virgina hợp tác với hãng SPCO Ký hiệu ETO và mạch tương đương của nó được vẽ trên hình…

p n+

n p n+

A

K G

turn on

turn off G

Khi áp đặt một điện thế để kích ngắt ETO lên cổng n-MOSFET, n-MOSFET bị tắt và

nó đẩy toàn bộ dòng điện đang dẫn qua mạch cathode (lớp emitter n của transistor n-p-n trong cấu tạo GTO) sang mạch cổng kích của ETO với sự hỗ trợ của MOSFET T2 Do đó quá trình tái sinh trong linh kiện kết thúc làm linh kiện bị ngắt

Bảng so sánh khả năng hoạt động của các linh kiện IGBT, GCT, ETO

IGBT Mitshubishi CM1200HA-66H

GCT Mitsubishi FGC4000BX-90DS

ETO4060 (Toshiba GTO) SG4000JX

26

ETO1045 (Westcode GTO) WG10045S

ETO về cơ bản gồm GTO có trang bị thêm linh kiện phụ dạng MOSFET, nó giúp ngắt GTO nhanh, vì vậy giảm đáng kể tổn hao mạch cổng Với đặc điểm như vậy chi phí mạch điều khiển và mạch bảo vệ giảm đáng kể, đồng thời nâng cao khả năng công suất của GTO

1.2.11 Khả năng hoạt động của các linh kiện

Khả năng hoạt động của các linh kiện bán dẫn công suất được so sánh theo hai khía cạnh công suất mang tải và tốc độ đóng ngắt được minh họa trên hình … và … Dựa theo số liệu tra cứu năm 98-99 của hang EUPEC

Hình 1.45

Linh kiện GTO công suất lớn được sản xuất với khả năng chịu được điện áp và dòng điện từ 2, 5kV/6kA GTO còn được chế tạo chứa diode ngược với tổn hao thấp, khả năng chịu điện áp/dòng điện của nó đạt đến 4, 5kV/3kA

Linh kiện GCT được chế tạo gần đây có khả năng chịu được điện áp/dòng điện 6kV/6kA với khả năng chuyển mạch gần như toàn bộ dòng điện sang mạch cổng khi kích ngắt, cảm kháng mạch cổng có thể giảm đến 1/100 so với loại GTO thông thường, cho phép tốc độ tăng dòng điện cổng khi ngắt đến diG/dt = 6000A/us Thời gian tích trữ giảm còn khoảng 1/10 so với của GTO Các tính chất cho phép GTC rất thuận tiện khi mắc song song hoặc nối tiếp và khả năng điều khiển đóng ngắt công suất lớn ngay cả khi không sử dụng mạch bảo vệ

Các diode cho nhu cầu thông thường được chế tạo với khả năng chịu được điện áp thay đổi từ 400V đến 12kV và dòng điện từ 1000A đến 5kA Đối với nhu cầu đóng ngắt nhanh dòng đạt đến 800-1700A và điện áp 2800- 6000V

Các thyristor cho nhu cầu thông thường được chế tạo với khả năng chịu được điện áp thay đổi

từ 400-12kV và dòng đạt từ 1000A đến 5kA Đối với nhu cầu đóng ngắt nhanh khả năng dòng đạt đến 800-1500A và điện áp 1200-1500V

Các linh kiện IGBT dang module được chế tạo với khả năng chịu được điện áp/dòng điện 1, 7-3, 3kV/400-1200A Khả năng chịu điện ápcao của IGBT gần đây đã đạt đên 6kV Các linh kiện chế tạo dưới dạng module tạo thuận lợi cho việc lắp đặt, kết nối mạch và làm giảm kích thước, trọng lượng của hệ thống công suất

Chương 2 CHỈNH LƯU DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

2.1.PHÂN BIỆT SƠ ĐỒ MẠCH CHỈNH LƯU, LUẬT ĐÓNG MỞ VAN

2.1.1 Phân biệt sơ đồ mạch chỉnh lưu

a Mạch chỉnh lưu hình tia

Hình 2.1 là các sơ đồ chỉnh lưu hình tia tổng quát Hình 2.1a là sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối K chung, còn hình 2.1b là sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối A chung Trong các sơ đồ này:

u1, u2, … um, là hệ thống điện áp xoay chiều (thường là hình sin) m pha

T1, T2, … Tm, là các van chỉnh lưu điều khiển Thyristor, trong các sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển thì các van là Diode

Rd, Ld, Ed là điện trở, điện cảm, sđđ phụ tải một chiều

ud, id là điện áp và dòng điện chỉnh lưu tức thời trên phụ tải một chiều, chiều quy ước của id lấy trùng với chiều thực của dòng qua tải, còn chiềuquy ước của ud lấy trungf với dòng quy ước của dòng tải id

Điểm O là điểm trung tính của nguồn xoay chiều

Đặc điểm chung của mạch chỉnh lưu hình tia m pha là:

Số van chỉnh lưu bằng số pha của nguồn xoay chiều

Các van có số điện cực cùng tên nối chung, điện cực còn lại nối với nguồn xoay chiều Nếu điện cực nối chung là Katốt thì sơ đồ được gọi là Katốt chung, còn nếu điện cực nối chung là Anốt ta có sơ đồ nối Anốt chung

Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính, trung tính nguồn là điện cực còn lại của điện áp chỉnh lưu

b Mạch chỉnh lưu hình cầu

Hình 2.2 là các sơ đồ chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu Hình 2.2a là sơ đồ tổng quát với

số pha m >= 3 Hình 2.2b là sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha

Các phần tử trên các sơ đồ:

u1, u2, … um, là hệ thống điện áp xoay chiều ( thường là hình sin) m pha

T1, T2, … Tm, là các van chỉnh lưu điều khiển Thyristor, trong các sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển thì các van là Diode

Rd, Ld, Ed là điện trở, điện cảm, sđđ phụ tải một chiều

ud, id là điện áp và dòng điện chỉnh lưu tức thời trên phụ tải một chiều, chiều quy ớc của id lấy trùng với chiều thực của dòng qua tải, còn chiều quy ước của ud lấy trùng với dòng quy ước của dòng tải id

Điểm O là điểm trung tính của nguồn xoay chiều

Đặc điểm chung của mạch chỉnh lưu cầu m pha là:

Số van chỉnh lưu bằng 2 lần số pha của nguồn xoay chiều, trong đó có m van có Katốt nối chung được gọi là nhóm van Katốt nối chung và trên sơ đồ ta kí hiệu bởi chỉ số lẻ, m van còn lại có anốt nối chung nên gọi là nhóm van anốt chung và trên sơ đồ ta kí hiệu bằng chỉ số chẵn

Mỗi pha nguồn xoay chiều nối với hai van, một ở nhóm A chung và một ở nhóm K chung

Điểm nối chung của các van nối K chung và nối A chung là 2 điện cực của điện áp ra 2.1.2 Nguyên lí làm việc, luật đóng mở van

A Trường hợp mạch chỉnh lưu hình tia

- Sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển

Để đơn giản cho việc nghiên cứu nguyên lí làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình tia trước tiên ta xét với sơ đồ không điều khiểnvà nghiên cứu loại sơ đồ các van nối K chung

Qua nghiên cứu người ta thấy rằng: ở chế độ dòng qua tải là liên tục và bα qua quá trình chuyển mạch thì ở một thời điểm bất kỳ khi bộ chỉnh lưu đang làm việc trong sơ đồ luôn

có một van dẫn dòng, đó là van nối với điện áp pha dương nhất Mặt khác như đã biết, với hệ thống điện áp xoay chiều m pha thì trong thời gian một chu kỳ nguồn mỗi pha sẽ lần lượt dương nhất trong khoảng thời gian 1/m chu kỳ, do vậy mà mỗi van trong sơ đồ sẽ dẫn dòng một khoảng bằng 1/m chu kỳ trong thời gian một chu kỳ nguồn

Ta giả thiết rằng sụt áp trên Diode hoặc Thyristor mở (dẫn dòng) băng không Như vậy thời điểm mà điện áp trên van bằng không và có xu hướng chuyển sang dương là thời

điểm van (Diode) bắt đầu mở, thời điểm mà Diode trong sơ đồ chỉnh lưu bắt đầu mở được gọi

là thời điểm mở tự nhiên đối với van trong sơ đồ chỉnh lưu

Thời điểm mở tự nhiên đối với van trong sơ đồ chỉnh lưu các van nối K chung chậm sau thời điểm điện áp của pha nối van bằng không và bắt đầu chuyển sang dương một góc độ điện bằng ỉ0, với ỉ0 được xác định như sau:ỉ0= ð/2 – ð/m

Mỗi Diode trong sơ đồ bắt đầu mở tại thời điểm mở tự nhiên và sẽ khoá lại tại thời điểm mở tự nhiên của van tiếp theo Điện áp chỉnh lưu sẽ lặp lại m lần giống nhau trong một chu kỳ nguồn xoay chiều Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anốt chung, khi sơ đồ làm việc ở chế độ dòng liên tụcvà bα qua chuyển mạch thì tại một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ có một van mắc với pha có điện áp âm nhất dẫn dòng Thời điểm mở tự nhiên đối với các van trong sơ đồ này chậm sau thời điểm điện áp của pha mắc với van bằng không và chuyển sang âm một góc độ điện cũng bằng ỉ0

- Trường hợp chỉnh lưu có điều khiển

Trong trường hợp này các van chỉnh lưu là các Thyristor Như đã biết để chuyển Thyristor từ trạng thái khoá sang trạng thái mở cần phải có đủ hai điều kiện:

Điện áp giữa A và K phải dương (thuận)

Có tín hiệu điều khiển đặt vào cực G

Do đặc điểm vừa nêu trên mà trong sơ đồ này ta có thể điều khiển được thơì điểm mở của các van trong một giới hạn nhất định Cụ thể là: Trong khoảng thời gian có điều kiện mở thứ nhất là có điện áp thuận (từ thời điểm mở tự nhiên đối với van cho đến sau thời điểm này một nửa chu kỳ), ta cần mở van ở thời điểm nào thì ta truyền tín hiệuđiều khiển đến van ở thời điểm đó và điều nay được thực hiện với tất cả các van trong sơ đồ Như vậy nếu ta truyền tín hiệu điều khiển đến van chậm sau thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện là α thì tất cả các van trong sơ đồ sẽ mở chậm so với thời điểm mở tự nhiên n một góc độ điện là α và đường cong điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều sẽ khác so với sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển (các van mở tại thời điểm mở tự nhiên đối với van) do vậy giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu sẽ thay đổi Mặt khác khi thay đổi giá trị của góc mở α thì giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu cũng thay đổi Vậy ta có thể thay đổi thành phần một chiều của điện áp trên tải nhờ thay đổi vào thời điểm mở van, tức là thay đổi giá trị góc α, Trong sơ đồ chỉnh lưu thì giá trị góc mở chậm của van α được gọi là góc điều khiển của sơ đồ chỉnh lưu Từ các điều kiện mở của van nêu trên ta thấy rằng muốn van mở được khi có tín hiệu điều khiển thì thời điểm truyền tín hiệu đến van phải nằm trong khoảng điện áp trên van là thuận, có nghĩa rằng 1800>

α > 00 Trường hợp sơ đồ làm việc với α = 00 tương đương với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển

Sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anốt chung cũng hòan toàn tương tự, chỉ khác là thời điểm mở tự nhiên của các van trong sơ đồ này xác định khác với sơ

đồ các van nối K chung

B Trường hợp sơ đồ hình cầu

- Trường hợp sơ đồ không điều khiển

Từ kết cấu của sơ đồ chỉnh lưu ta có nhận xét:

Để có dòng qua phụ tải thì trong sơ đồ phải có ít nhất hai van cùng dẫn dòng, một van

ở nhóm K chung và van còn lại ở nhóm A chung Vậy với giả thiết là sơ đồ làm ở chế độ dòng liên tụcvà bα qua quá trình chuyển mạch thì khi bộ chỉnh lưu cầu m pha làm việc, ở một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ luôn có hai van dẫn dòng: một van ở nhóm K chung nối với pha đang có điện áp dương nhất và một pha ở nhóm A chung nối với pha đang có điện áp âm nhất Thời điểm mở tự nhiên đối với các van nối K chung xác định như các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia cùng số pha với các van nối anốt chung Còn thời điểm mở tự nhiên đối với các van nhóm A chung thì xác định như đối với các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia cùng số pha các van nối anốt chung Với đặc điểm làm việc của sơ đồ chỉnh lưu cầu người ta nhận thấy rằng: Trong một chu kỳ nguồn xoay chiều, mỗi van cũng dẫn dòng một khoảng thời gian bằng 1/m chu kỳ như ở sơ đồ hình tia, sự chuyển mạch dòng từ van này sang van khác chỉ diễn ra với các van trong cùng một nhóm và độc lập với nhóm van kia; trong một chu kỳ nguồn xoay chiều điện áp chỉnh lưu lặp lại q lần giống nhau, với q = 2 khi m lẻ và q = m khi

m chẵn

- Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển

Sơ đồ chỉnh lưu cầu, để điều khiển điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều người ta cũng thực hiện việc điều khiển cho các van trong sơ đồ mở chậm hơn thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện bằng α nhờ sử dụng tín hiệu điều khiển giống như ở sơ đồ hình tia giới hạn thay đổi lớn nhất của góc điều khiển α là từ 0o đến 180o

 Dòng và áp trên phụ tải một chiều

Tải R

Tải R + L

Tải R + L + E

 Chế độ nghịch lưu của chỉnh lưu có điều khiển

 Quá trình chuyển mạch trong sơ đồ chỉnh lưu

 Chỉnh lưu điều khiển làm việc với Diode không

 Ảnh hưởng của chỉnh lưu điều khiển đến lưới điện xoay chiều

2.2.CHỈNH LƯU HÌNH TIA

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

a Chỉnh lưu tia một pha một nửa chu kỳ

Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, cuộn cảm tải Ld = , điện áp phía thứ

Đến thời điểm t= 2, u2 = 0 và có xu hướng dương dần, van T được đặt điện áp thuận tuy nhiên van T vẵn chưa dẫn, do chưa có xung điều khiển kích mở, còn D0 vẫn dẫn do sđđ ở cuộn cảm tải tạo ra Như vậy trong khoảng t= 2 đến 2 + , ta có: uT = u2 > 0; utải =

uD0; itải = iD 0; iT = 0

Đến thời điểm t = 2 + , phát xung điều khiển mở van T, lúc này T dẫn điện, còn

D0 khoá Ta có: uT = 0; utải = u2> 0; uD0= -u2; iT= itải; iD0= 0

Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự

Điện áp trung bình trên tải: Utải= U2 sin t d t= 0, 225.U2.(1+cos )

Dòng điện trung bình qua Thyristor: IT = Itải d t =

)( 

It

Điện áp thuận, điện áp ngược trên T và D0: uT(thuận)= uT(ngược)= uD(thuận)= uD(ngược) =

U2

b Mạch chỉnh lưu một pha hình tia hai nửa chu kỳ

Giả sử Ld= , điện áp phía sau thứ cấp u21= - u22= U2 sin t, sụt áp trên Thyristor

là không Volt, xét mạch đang làm việc ở chế độ xác lập

Trước thời điểm v1 thì van T2 đang dẫn điện Khi đó ta có: uT1= u21- u22 0; uT2= 0; utải

= u22; iT2= itải; iT1= 0

Đến thời điểm v1: t = , phát xung điều khiển kích mở van T1, lúc này van T1 vừa được phân cực thuận vừa có xung kích mở nên van T1 sẽ dẫn điện, còn van T2 bị phân cực ngược nên không dẫn điện Ta có: uT1= 0; uT2= u22- u21 0; utải = u21> 0 ; iT1= itải; iT2= 0

Đến thời điểm t = , thì u21= 0 và có xu hướng âm, còn u22 = 0 và có xu hướng dương Lúc này T2 dần dần được phân cực thuận, tuy nhiên T2 vẫn chưa dẫn do chưa có xung điều khiển, còn T1 dần dần bị phân cực ngược, tuy nhiên T1 vẫn dẫn điện, do sđđ của cuộn cảm tải tạo ra Ta có các biểu thức sau: uT2= u22- u21; uT1= 0; utải = u21< 0 ; iT1= itải; iT2= 0

Đến thời điểm t= + , phát xung điều khiển kích mở van T2, lúc này van T2 sẽ dẫn điện, còn van T1 bị phân cực ngược nên sẽ khoá ngay, khi đó ta có: uT2= 0; uT1= u21- u22< 0; utải = u22 > 0; iT2 = itải; iT1= 0

Đến thời điểm t = 2, thì u21= 0 và có xu hướng dương dần, còn u22 = 0 và có xu hướng âm dần Lúc này T1 dần dần được phân cực thuận, tuy nhiên T1 vẫn chưa dẫn do chưa

ó xung điều khiển, còn T2 dần dần bị phân cực ngược, tuy nhiên T2 vẫn dẫn điện, do sđđ của cuộn cảm tải tạo ra Ta có: uT2= 0; uT1= u21- u22; utải = u22< 0 ; iT2= itải; iT1= 0

Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự