Bài giảng điện tử công suất

Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Bài 5: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình tia ba pha không điều khiển Thời gian: Lên lớp 3h, 3h tự học Bài 6: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hì

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Hưng yên 2013

Trang 2

LỜI GIỚI THIỆU

Nhằm thống nhất nội dung giảng dạy trong các hệ đào tạo, tác giả đã xây

dựng giáo trình điện tử công suât áp dụng cho các chuyên nghành kỹ thuật điện, kỹ

thuật điện tử, cơ điện tử thuộc lĩnh vực đào tạo theo định hướng ứng dụng

Giáo trình được xây dựng trên cơ sở thừa kế những nội dung giảng dạy của

các giảng viên trường ĐHSP kỹ thuật Hưng Yên và các tài liệu tham khảo trong và

ngoài nước

Giáo trình do các nhà giáo có nhiều năm kinh nghiệm tham gia giảng dạy và

đóng góp ý kiến

Tuy tác giả đã có nhiều cố gắng biên soạn, nhưng giáo trình chắc không

tránh khỏi khiếm khuyết Hy vọng nhận được sự góp ý của bạn đọc Mọi góp ý xin

liên hệ về tác giả

Trang 3

Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất

MỞ ĐẦU

Giáo trình điện tử công suất được biên soạn dựa theo chương trình môn học ĐTCS trường ĐHSP kỹ thuật Hưng Yên Nội dung trong giáo trình được biên soạn ngắn gọn, đơn giản giúp người học nhanh chóng tiếp cận môn học

Khi biên soạn giáo trình tác giả đã cố gắng cập nhật các thông tin mang tính chất thời đại để đảm bảo kiến thức cho học viên đáp ứng được các kiến thức thực

tiễn và lý thuyết

Nội dung của giáo trình được biên soạn tương đương với 45 đến 60 tiết học tuỳ theo từng đối tượng đào tạo

Trang 4

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN HỌC PHẦN

1 Mô tả cấu trúc của học phần

Học phần điện tử công suất được trang bị cho học viên hệ đại học vào năm thứ 2 với thời lượng 02 tín chỉ lý thuyết và 01 tín chỉ thực hành, nội dung được trình bày vắn tắt:

Chương 1: Các phần tử bán dẫn công suất

(Thời gian: Lên lớp 3 tiết, tự học 6 giờ) 1.1 Nhiệm vụ của điện tử công suất

1.2 Các phần tử bán dẫn công suất và các tham số

1.2.1 Diode công suất

1.2.2 Transitor BJT công suất

1.2.8 IGTC, MCT, MTO, ETO

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

1.3 Bài tập ứng dụng

Chương 2: Chỉnh lưu không và có điều khiển

(Thời gian: Lên lớp 18 tiết, tự học 36 giờ) 2.1 Khái niệm, phân loại mạch chỉnh lưu và luật đóng mở van

2.2 Các mạch chỉnh lưu không điều khiển

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

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

2.2.3 Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha không điều khiển

2.2.4 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không điều khiển

2.2.5 Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha không điều khiển

2.3 Các mạch chỉnh lưu có điều khiển

2.3.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển

2.3.2 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển

2.3.3 Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển

2.3.4 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha có điều khiển

2.3.5 Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha có điều khiển

2.4 Các mạch chỉnh lưu bán điều khiển

Trang 5

2.4.1 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha bán điều khiển đối xứng

2.4.2 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha bán điều khiển không đối xứng

2.4.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha bán điều khiển

Chương 3: Biến đổi điện áp xoay chiều

(Thời gian: Lên lớp 3 tiết, tự học 6 giờ) 3.1 Giới thiệu chung bộ biến đổi điện áp xoay chiều

3.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha

3.2.1 Một số sơ đồ biến đổi điện áp xoay chiều một pha

3.2.2 Mạch điều áp xoay chiều một pha

3.3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha

Chương 4: Biến đổi điện áp một chiều

(Thời gian: Lên lớp 5 tiết, tự học 10 giờ) 4.1 Khái quát chung, luật điều khiển, phân loại các mạch xung áp

4.2 Mạch xung áp nối tiếp

4.3 Mạch xung áp song song

4.4 Mạch xung áp đảo dòng

4.5 Mạch xung áp kép loại B (loại B kép)

Chương 5: Nghịch lưu và biến tần

(Thời gian: Lên lớp 6 tiết, tự học 12 giờ) 5.1 Nghịch lưu

5.1.1 Khái niệm và phân loại sơ đồ nghịch lưu

5.1.2 Các sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn dòng một pha và ba pha

5.1.3 Các sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha và ba pha

5.2 Biến tần

5.2.1 Khái niệm và phân loại biến tần

5.2.2 Thiết bị biến tần trực tiếp 1 pha và ba pha

5.2.3 Thiết bị biến tần gián tiếp 1 pha và ba pha

5.10 Bài tập ứng dụng

Chương 6: Điều khiển thiết bị biến đổi

(Thời gian: Lên lớp 5 tiết, tự học 10 giờ) 6.1 Yêu cầu, đặc điểm mạch điều khiển điện tử cống suất

6.2 Các nguyên tắc điều khiển thiết bị biến đổi

Trang 6

6.2.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

6.2.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos

6.3 Các khâu trong bộ điều khiển biến đổi phụ thuộc

6.3.1 Khâu đồng bộ tín hiệu điều khiển

6.3.2 Khâu tạo xung răng cưa dồng bộ

6.3.3 Khâu so sánh và tạo xung điều khiển

6.3.4 Khâu khuếch đại xung

6.4 Các khâu trong bộ điều khiển biến đổi độc lập

6.4.1 Khâu tạo tín hiệu dao động

6.4.2 Khâu tạo xung răng cưa

6.4.3 Khâu so sánh và tạo xung điều khiển

6.4.4 Khâu khuếch đại xung

6.5 Một số mạch điều khiển điền hình

Chương 7: Bảo vệ thiết bị biến đổi

(Thời gian: Lên lớp 3 tiết, tự học 6 giờ) 7.1 Ngắn mạch và bảo vệ ngắn mạch

7.2 Quá điện áp và bảo vệ quá điện áp

7.3 Hao tổn công suất và làm mát thiết bị biến đổi

7.3.1 Hao tổn công suất trong thiết bị biến đổi

(Thời gian: Lên lớp 3h, 3h tự học)

Bài 2: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển

Bài 3: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ không điều

khiển

Bài 4: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không điều khiển

Trang 7

Bài 5: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình tia ba pha không điều khiển

Bài 6: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha không điều khiển

Bài 7: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển

Bài 8: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình cầu 1 pha có điều khiển

Bài 9: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình cầu một pha bán điều khiển hai

thyristor mắc cathot chung

Bài 10: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình cầu một pha bán điều khiển mắc đối

Bài 11: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển

`

Bài 12: Khảo sát các mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha có điều khiển

2 Vai trò của học phần

- Nội dung học phần giúp người học có khả năng trang bị kiến thức về:

+ Phân tích được cơ sở lý thuyết và khảo sát lựa chọn được các van bán dẫn công suất

+ Phân tích được cơ sở lý luận và kháo sát đánh giá được các bộ biến đổi công suất AC-DC; DC-DC; AC-AC và DC-AC

+ Làm cơ sở lý luận cho các học phần như truyền động điện; trang bị điện; lý thuyết điều khiển tự động

3 Sự hình thành năng lực và liện hệ các chuẩn đầu ra

- Sau khi nghiên cứu học phần người học có khả năng phân tích, sửa chữa, bảo dưỡng và thiết kế được các bộ biến đổi điện tử công suất cơ bản

- Môn học là tiền đề cho việc hình thành và tích lũy kiến thức cho việc tham gia đánh giá các chuẩn đầu ra về lĩnh vực điện tử công suất và truyền động điện

Trang 8

cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp

Trong dân dụng ngày nay được sử dụng khá rộng rãi như các bộ điều khiển ánh

sáng, chuyển đổi điện DC - AC hay bộ băm xung áp DC-DC…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 đổi ngày càng gọn

nhẹ, nhiều tính năng ưu vượt và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn

Để có cách nhìn tổng quát về ứng dụng của điện tử công suất trong đời sống

với mọi lĩnh vực ta có thể nhìn nhận tổng quan ứng dụng như sau:

Như vậy ta thấy lĩnh vực điện tử công suất có mặt hầu hết mọi lĩnh vực, nó

mở ra cho chúng ta một cơ hội việc làm và là cơ sở để đầu tư phát chuyển

lĩnh vực chuyên môn về điện tử công suất

5 Phương pháp học tập, nghiên cứu học phần

* Hình thức tổ chức

- Học tập chung trên lớp

- Tự học ở nhà

* Phương pháp:

- Kết hợp nhiều phương pháp khác nhau phù hợp với nội dung bài học: Phân

tích, thuyết trình, trực quan hình ảnh - vật thật, làm việc theo nhóm và tự

nghiên cứu…

Trang 9

6 Tài liệu, học liệu liên quan

[1] Nguyễn Đình Hùng- Điện tử công suất – Lưu hành nội bộ

[2] Nguyễn Bính- Điện tử công suất – NXB KHKT- 2000

[3] Võ Minh Chính – Phạm Quốc Hải - Trần Trọng Minh- Điện tử công suất – NXB KHKT- 2005

[4] Vụ trung học chuyên nghiệp - Điện tử công suất – NXB GD- 2000

[5] Nguyễn Đình Hùng- Thí nghiệm điện tử công suất – Lưu hành nội bộ

Trang 10

Chương 1:

CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN

1.1 Nhiệm vụ của điện tử công suất

Điện tử công suất là một môn học thuộc chuyên ngành kỹ thuật điện - điện

tử, nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất Nhiệm vụ chính của điện tử công suất là biến đổi nguồn năng lượng điện với các tham số không thay đổi được thành nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải Như vậy các bộ biến đổi bán dẫn công suất là đối tượng nghiên cứu chính của môn học điện tử công suất

Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như các khoá bán dẫn, còn gọi là các van bán dẫn, khi van bán dẫn mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn còn khi khoá thì không cho dòng điện chạy qua các van Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian, không gây tiếng ồn và có khả năng đóng cắt với tần số rất lớn Không những vậy các van bán dẫn còn có thể đóng cắt các dòng điện rất lớn với điện áp cao nhưng các phần tử điều khiển của chúng lại được tạo bởi các mạch điện tử công suất rất nhỏ, nên công suất tiêu thụ cũng nhỏ dẫn đến hiệu suất làm việc cao

Quy luật nối tải vào nguồn trong các bộ biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ

đồ các bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi Quá trình biến đổi năng lượng sử dụng các van công suất được thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi Các bộ biến đổi công suất không những đạt được hiệu suất cao mà các 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 nên rất phù hợp trong các hệ thống tự động đò hỏi độ chính xác cao Đây là đặc tính nổi trội của các bộ biến đổi bán dẫn công suất

mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu cơ điện tử thông thường không thể có được

Trang 11

Khi nghiên cứu điện tử công suất chúng ta cần hiểu rõ các đặc tính cơ bản của các van công suất để sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của van sông suất trong các ứng dụng cụ thể Tính năng kỹ thuật chủ yếu của các van công suất được thể hiện ở khả năng đóng cắt, khả năng chịu điện áp, dòng điện và các đặc tính liên quan đến quá trình làm việc và điều khiển chúng

Về cơ bản các van công suất đều có các đặc tính chung như sau:

* Các van bán dẫn công suất (BDCS) khi mở dẫn dòng đi qua thì điện trở

tương đương rất nhỏ, còn khi khoá không cho dòng điện đi qua thì điện trở tương

đương rất lớn

* bản chất BDCS chỉ dẫn dòng điện theo một chiều khi được phân cực thuận

và có tín hiệu điều khiển với các van có điều khiển Nếu các van công suất bị phân cực ngược xẽ có dòng điện rất nhỏ đi qua khoảng vài mA, gọi là dòng điện ngược hay dòng rò

1.2 Các phần tử bán dẫn công suất và các thông số

1.2.1 Diode công suất

a> Cấu tạo đặc điểm và phân loại:

-Diode công suất là phần tử bán dẫn có một tiếp giáp P-N Diện tích bề mặt tiếp giáp được chế tạo lớn hơn so với diode thông thường, có thể đạt tới hàng trục mm2 Mật độ dòng điện cho phép của tiếp giáp cỡ 10A/mm.2 Do vậy dòng điện định mức của một số loại diode có thể đạt tới hàng trăm ampe, như PK200, thậm chí hàng nghìn ampe như BB2-1250 Cấu tạo và ký hiệu của diode công suất được mô tả như hình 1.1

A

K

P N J A

K

Hình 1.1: Cấu tạo, ký hiệu của diode công suất

Trong thực tế các diode công suất thường được chế tạo với nhiều hình dáng khác nhau, nhưng thường tập chung theo các dạng sau:

Trang 12

Hình 1.2: Hình ảnh một số loại diode công suất

- Điode công suất có 2 loại thường được dùng trong các mạch chỉnh lưu công suất lớn:

*Diode chỉnh lưu Gecmani (Ge):

Tiếp giáp của diode Ge phần lớn được chế tạo bằng phương pháp làm nóng chảy IN (indi) với nhiệt độ thích hợp, trong bán dẫn Ge loại N Miếng bán dẫn Ge được hàn với nền bằng thép Tinh thể Ge được đặt trong vỏ bọc hợp kim cova để bảo vệ và liên kết với bộ phận tản nhiệt

-Đặc điểm của Diode Ge là điện áp chịu đựng được khoảng 400V, nhưng sụt áp trên Diode nhỏ nên được sử dụng trong các bộ chỉnh lưu điện áp thấp Diode Ge thường

bị đánh thủng do nhiệt độ, nhiệt độ cho phép của Diode Ge khoảng 750

C, nên khi làm việc ở nhiệt độ cao dòng điện ngược tăng lên đáng kể dẫn đến chất lượng chỉnh

lưu thấp, do vậy ta có thể coi nhiệt độ cho phép là nhiệt độ tới hạn của Diode Ge

*Diode chỉnh lưu silic (Si):

-Diode chỉnh lưu Si được chế tạo bằng cách làm nóng chảy nhôm trong tinh thể Si loại N, hoặc làm nóng chảy hợp kim thiếc phốt pho, hay vàng antimoan trong tinh thể silic loại P Ngoài ra người ta còn chế tạo bằng phương pháp khuếch tán

Phốt pho vào tinh thể Si loại N Công nghệ chế tạo kiểu khuếch tán thường được áp dụng cho các loại diode công suất lớn

-Tinh thể Si và tiếp giáp PN được bọc bởi vỏ kim loại, tinh thể bán dẫn được hàn

bằng hợp kim bạc- antimoan hay vàng- antimoan

Trang 13

- Diode Si có điện áp ngược cho phép cỡ 2500V, nhưng độ xụt diện áp trên Diode

Si cũng cao hơn Diode Ge Nhiệt độ cho phép của Diode Si khá cao

tmax = 1250C, và hiện tượng đánh thủng chủ yếu cũng là do nhiệt độ

b>Nguyên lý làm việc và đặc tính vôn – ampe của diode

- Khi ghép công nghệ hai miền bán dẫn P-N với

nhau như hình vẽ, ở điều kiện nhiệt độ môi

trường bình thường tại tiếp giáp J các điện tử

bên miền bán dẫn N khuếch tán sang miền bán

dẫn P xẽ trung hòa vào các ion dương ở đây Do

các điện tích trong vùng tiếp giáp bị trung hòa

lẫn nhau nên vùng này trở thành vùng nghèo

điện tích hay vùng có điện trở lớn Tuy nhiên

vùng này chỉ mở rộng ra đến một độ dày nhất

định vì bên miền bán dẫn N khi các điện tử di

chuyển để lại các ion dương, còn bên miền bán

dẫn P các điện tử di chuyển xẽ nhập vào các lớp

hóa trị ngoài cùng tạo thành các ion âm Các ion

này nằm trong cấu trúc tinh thể của mạng tinh

thể Si nên không thể di chuyển được Kết quả

tạo thành một tụ điện tương đương tại tiếp giáp

với điện cực âm bên miền P và điện cực dương

bên miền N Các điện tích của tụ tạo nên một

điện trường Ein cò hường từ miền N sang miền P

Điện trường Ein tạo nên một hàng rào điện thế

với giá trị khoảng 0,65V ở nhiệt độ môi trường

bình thường

Sự tạo thành vùng nghèo điện tích (hàng rào điện thế) trong tiếp giáp P-N

+++++-

-n p

c

Sự hình thành tụ điện tương đương tại

tiếp giáp P-N

- Khi tiếp giáp P-N của diode được đặt đưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu

điện trường ngoài cùng chiều với điện trường Ein thì vùng nghèo điện tích xẽ được

mở rộng ra, nên điện trở tương đương của diode càng lớn và dòng điện xẽ không thể

chạy qua Lúc này toàn bộ điện áp xẽ được đặt lênvùng nghèo điện tích, ta nói rằng

diode bị phân cực ngược như hình 1.3

Trang 14

- Khi điện trường ngoài ngược chiều với điện trường Ein thì vùng nghèo điện tích xẽ

bị thu hẹp lại Nếu điện áp bên ngoài lớn hơn 0,65V thì vùng nghèo điện tích xẽ thu

hẹp lại đến bằng không, và các điện tích có thể di chuyển tự do qua cấu trúc của

diode Dòng điện đi qua diode lúc này chỉ bị hạn chế do điện trở tải ở mạch ngoài

Khi đó ta nói rằng diode được phân cực thuận như hình 1.4

Hình 1.3: vùng nghèo các điện tích

+ +

+

-

+

-E ng

+ + +

Hình 1.4:Hướng di chuyển các các điện tích

*Đặc tính vôn – ampe của diode ( Đặc tính tĩnh)

Một sô tính chất của diode trong quá trình làm việc có thể được giải thích

thông qua đặc tính V-A

Hình 1.5: Đặc tính V-A của diode công suất

Đặc tính V-A của diode gồm 2 nhánh, nhánh thuận(1) nằm ở góc phần tư thứ

nhất ứng với UAK  0, nhánh ngược (2) nằm ở góc phần tư thứ ba ứng với

UAK  0 như hình 1.5

Trang 15

-Trên đường đặc tính thuận của diode nếu điện áp UAK được tăng dần từ 0 đến giá trị nhỏ hơn UD0 khi đó dòng điện qua diode tăng gần như tuyến tính với điện áp rơi trên diode, đến khi UAK vượt quá giá trị UD0  0,6 – 0,7V, gọi là điện áp rơi trên diode theo chiều thuận, thì dòng điện đi qua diode có thể đạt tới giá trị rất lớn, nhưng điện áp rơi trên diode hầu như không đổi

-Trên đường đặc tính ngược diode nếu điện áp UAK được tăng dần trong phạm vi từ

0 đến giá trị nhỏ hơn Ungmax khi đó dòng điện qua diode có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng rò Cho đến khi UAK đạt đến giá trị lớn hơn Ungmax thì dòng điện qua diode tăng đột ngột, như vậy khả năng cản trở dòng điện của diode theo chiều ngược bị phá vỡ Đây là hiện tượng diode bị đánh thủng ( vùng 3)

-Trong những tính toán thực tế người ta thường dùng đặc tính gần đúng đã tuyến tính hóa của diode Biểu thức toán học của đường đặc tính này là:

u = UD0 + iDRDTrong đó: UD0(V) là điện áp trung bình rơi trên diode

ID (A) là dòng trung bình qua diode

RD () là điện trở vi phân

- Đặc tính V-A của diode thực tế là khác nhau, nó phụ thuộc vào dòng điện cho phép và điện áp ngược mà diode chịu được Theo đặc tính lý tưởng thì điện trở tương đương của diode bằng 0 theo chiều thuận và bằng  theo chiều ngược

* Đặc tính động của diode

Khác với đặc tính V-A, đặc tính động hay đặc tính đóng cắt biểu diễn mối quan hệ u(t), i(t) theo thời gian Đặc tính đóng cắt tiêu biểu của một diode được thể hiện như hình vẽ sau:

R L

i F

Trang 16

Lúc này dòng điện thuận qua diode tăng dần lên đến giá trị xác lập còn điện áp rơi trên diode lúc này thay đổi từ giá trị UR về giá trị UF (1 1,5)V Khi điên áp qua

điểm 0V ở giai đoạn đầu điện áp dương có tăng lên vài vôn do điện trở vùng nghèo điện tích còn lớn Từ thời điểm t2 đến t3 khi đó diode hoàn toàn ở trạng thái dẫn

- Tại thời điểm t = t3 khi đó Us < 0, ngay thời điểm ban đầu diode vẫn được phân cực thuận trong khoảng t3 < t < t4 do các điện tích tại tiếp giáp chưa kịp di chuyển hết ra ngoài Thời gian di chuyển phụ thuộc vào tốc độ tăng của dòng điện ngược di/dt và lượng điện tích tích lũy quyết định bởi giá trị dòng điện mà diode dẫn trước

đó Vì lúc này nội trở của diode vẫn còn nhỏ nên hình thành một dòng điện ngược

Trang 17

đi từ cathot sang Anot, dòng điện này có nhiệm vụ triệt tiêu dòng điện thuận và sinh

ra dòng điện phân cực ngược diode Đến thời điểm t = t4 khi đó diode bắt đầu bị

phân cực ngược do vậy nii trở tại tiếp giáp tăng dần lên làm dòng điện ngược giảm

đi và điện áp ngược bắt đầu tăng dần lên đến giá trị UR Trong khoảng thời gian từ

t4 đến t5 tụ điện tương đương tại tiếp giáp được hình thành và được nạp đến giá trị

điện áp ngược Từ thời điểm t6 trở đi lúc này diode bị khóa hoàn toàn

Để rõ hơn quá trình đóng cắt của một diode dưới đây giới thiệu đặc tính của

một diode RURU10060 trong công nghiệp do nhà sản xuất linh kiện cung cấp

c> Các tham số cơ bản của Diode

- Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận, IDAV

Trong quá trình làm việc dòng điện chạy qua diode sẽ làm phát nóng tinh thể bán

dẫn của diode Công suất tổn hao của diode khi đó sẽ bằng tích dòng điện chạy qua

nó với điện áp rơi trên diode Diode chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anốt đến catot

Trang 18

Điều này có nghĩa là công suất phát nhiệt tỷ lệ với dòng điện trung bình qua diode,

Vì vậy giá trị IDAV là một thông số quan trọng để lựa chọn một diode trong một ứng dụng cụ thể

- Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chiệu đựng được, Ung,max (URRM)

Ung,max là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu đựng được, đây cũng là một thông số quan trọng để lựa chọn một diode Như ở đặc tính

vôn – ampe đã chỉ ra, quá trình diode bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, vì vậy trong các ứng dụng thực tế khi lựa chọn diode phải luôn đảm bảo UAK <= Ung,max

- Tần số làm việc của diode

Quá trình phát nhiệt trên diode còn phụ thuộc vào tần số đóng cắt của diode Trong các khoảng thời gian diode mở ra hoặc khóa lại công suất tổn hao tức thời u(t) i(t) có giá trị lớn hơn luc diode dẫn dòng hoặc lúc đạng bị khóa Vì vậy nếu tần

số đóng cắt cao, hoặc trong trường hợp thời gian đóng cắt của diode

So sánh được với khoảng dẫn dòng hoặc khóa thì tổn thất trên diode lại bị quy định chủ yếu bởi tần số làm việc chứ không phải chỉ có giá trị dòng điện trung bình Các diode được chế tạo để phù hợp với các dải tần số làm việc khác nhau, nên khi lựa chọn diode cần phải quan tâm dến tần số làm việc của diode

- Thời gian phục hồi tr

Trong các bộ biến đổi thường sẩy ra quá trình chuyển mạch giữa các phần tử, nghĩa là quá trình dòng điện chuyển từ một phần tử này sang một phần tử khác Các diode khi khóa lại có dòng ngược có thể có biên độ rất lớn để di tản các điện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của mình trong khoảng thời gian tr, gọi là thời gian phục hồi Thời gian phục hồi cũng quyết định tổn thất công suất trong diode Các diode có thời gian phục hồi rất ngắn cỡ s, gọi là các diode cắt nhanh Cần phải phân biệt các diode cắt nhanh với các diode tần số cao, và tr là một thông số cần quan tâm khi chọn diode Dưới đây chúng tôi giới thiệu bảng thông số cụ thể của một diode trong công nghiệp

Trang 19

Trang 20

1.2.2 Transitor công suất (Bipolar transistor) - BJT

a> Cấu tạo và đặc điểm chung

Transitor công suất có cấu tạo, ký hiệu tương tự như Transitor thường với các loại như NPN hay PNP Nó cũng được cấu tạo bởi ba miền bán dẫn, được ghép liên tiếp nhau, miền ở giữa luôn khác tên với 2 miền bên cạnh, tạo nên hai lớp tiếp giáp PN Tiếp giáp giữa cực B và cực C gọi là tiếp giáp Jc, còn tiếp giáp giữa cực B

và cực E gọi là tiếp giáp JE Nếu miền bán dẫn ở giữa là loại N thì 2 miền bên cạnh

là loại P khi đó ta có loại transitor thuận PNP Ngược lại nếu miền bán ở giữa là loại

P thì 2 miền bên cạnh là loại N khi đó ta có loại transitor ngược NPN

- Transior công suất đưa ra ngoài ba cực, cực nối với lớp bán dẫn ở giữa gọi là cực gốc B (bazơ), cực nối với lớp bán dẫn mà khi làm việc có điện trường ngoài ngược chiều với điện trường trong gọi là cực phát E (Emitor), cực nối với lớp bán dẫn còn lại là cực C (Collector)

p

p n Collector

n

J C

J E

Hình 1.6: Cấu trúc và ký hiệu của tranzitor thuận - ngƣợc

Thông thường các transistor thường làm việc ở chế độ khuếch đại với dòng colecter lớn hơn dòng bazơ là  lần

B

I .

Trong đó  = 10 -100 gọi là hệ số khuếch đại tùy thuộc vào BJT tuy nhiên điểm

khác cơ bản với Transistor thường là Transistor công suất thường được sử dụng như

1 khoá đóng - cắt điện tử, khi điều khiển mở phải thỏa mãn điều kiện:

Trang 21

với Kbh = 1,2 1,25 Điểm khác biệt nữa là tiếp giáp của Transistor công suất có

diện tích lớn hơn transistor thường, nó có thể đạt đến hàng trục mm2

và nó có thể cho dòng điện qua hàng chục đến hàng trăm Ampe, chịu được tần số đóng cắt

tương đối cao và điện áp làm việc khá lớn, nó còn được gọi là phần tử khuếch đại

chuyển mạch Transistor công suất làm việc ở chế độ đống cắt nên có hai điểm làm

việc khác biệt Hình 1.7 mô tả sơ đồ một bộ khuếch đại chuyển mạch và điểm làm việc của transistor:

Uout

Rc

R2 Uin

0

Ib2>ib1

Ib1 = 0

Hình 1.7: Sơ đồ khuếch đại chuyển mạch và điểm làm việc trên dặc tuyến ra của tranzitor

Như vậy, một Transitor làm việc ở trạng thái khoá điện tử thì nó chỉ làm việc

ở hai trạng thái đóng tại điểm A2 hoặc cắt tại điểm A1 hay dẫn - không dẫn

b> Nguyên lý làm việc

- Để tranzitor làm việc ta cần phân cực cho tranzitor sao cho tiếp giáp JE phân cực thuận còn JC phân cực ngược Cụ thể ta xét với loại tranzitor ngược (NPN) khi JE được phân cực thuận thì các hạt đa số được di chuyển đến tiếp giáp JE làm cho điện trở tiếp giáp JE giảm làm xuất hiện dòng điện IB Khi đó tiếp giáp JC được phân cực ngược nhưng do điện trường ngoài lớn hơn rất nhiều so với điện trường nội tại nên phần lớn các điên tử bị hút về cực dương của nguồn ngoài tạo nên dòng điện IC Dòng điện IC phụ thuộc vào độ lớn của dòng điều khiển IB

Trang 22

c> Đường đặc tính làm việc và sự điều khiển quá mức của transistor

Uout

Rc

R2 Uin

+ U b

R1

V1

Ub A1

A2 A3 A4

I b Ucb = 0

I c (A)

Uce Uce

V

Hình 1.8: Đặc tính làm việc của công tắc Transitor

Để phân biệt điểm làm việc thông thường của transistor với điểm làm việc quá mức ta xét mạch điện như hình 1.8 với tải thuần trở Ở trạng thái làm việc bình thường nếu transistor dẫn, thì điểm làm việc trong vùng đặc tính đầu ra tăng từ A1 đến A2 Ở đây dòng điện IC tăng tuyến tính với dòng điện IB khi dòng điện IB tăng càng lớn thì điểm làm việc sẽ chuyển từ A2 vượt qua A3 đến A4 Đến đây dòng điện IC tăng rất ít khi tăng giá trị iB Ở đây điên áp UCE giảm xuống bé hơn điện áp bão hoà UCEsat chúng được gọi là:UCErest Điểm làm việc như vậy tại A4 gọi là điểm làm việc quá mức

d> Sự điều khiển quá mức của Transitor

Sự điều khiển quá mức là trạng thái hoạt động của Transitor, mà khi có dòng điện IB có giá trị 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 là điện áp dư UCErest rất nhỏ, làm cho công suất tổn hao giảm đi

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

K 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

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

Trang 23

e> Đặc tính tải của transistor với các loại tải khác nhau

với tải thuần trở

Với tải thuần trở khi IB = IB1 = 0 thì BJT làm việc tại điểm A1, đến khi IB = IB2 > 0

lúc này BJT chuyển từ chế độ khóa sang chế độ dẫn bão hòa theo đường thẳng nối

A1 đến A2 và làm việc tại điểm A2 Còn khi khóa thì ngược lại

** Tải C mắc song song với R

Sơ đồ nguyên lý mạch đóng cắt dung BJT

với tải C // R

i c

A1 A2

Ban đầu IB = IB1 = 0 thì BJT làm việc tại điểm A1, đến khi IB = IB2 > 0 lúc này BJT

chuyển từ chế độ khóa sang chế độ dẫn, nhưng ngay lập tức UCE vẫn dữ nguyên do

hiện tượng quá độ của tụ C, điện áp tụ coi như bằng không khi nạp tại thời điểm

đầu và dòng điện cũng tăng vọt so với giá trị xác lập khi làm việc tại điểm bão hòa

Trang 24

Sau đó tụ điện C được nạp điện áp tăng dần thì dòng điện qua BJT giảm dần, điện

áp trên cực CE cũng giảm dần về giá trị UCES sau một thời gian rất ngắn thì BJT về

làm việc tại điểm bão hòa A2 Khi dòng điều khiển thay đổi từ giá trị IB2 về IB1 = 0

thì ngay lập tức điện áp trên hai đầu tụ không đổi nên điện áp UCE vẫn giữ nguyên

còn dòng IC giảm nhanh về không Sau đó tụ C phóng điện qua R sau một thời gian

ngắn thì điện áp UCE mới tăng dần về giá trị US và làm việc tại điểm A1

** Tải L mắc nối tiếp R

Sơ đồ nguyên lý mạch đóng cắt dung BJT

Ban đầu IB = IB1 = 0 thì BJT làm việc tại điểm A1, đến khi IB = IB2 > 0 lúc này BJT

chuyển từ chế độ khóa sang chế độ dẫn, nhưng ngay lập tức IC vẫn dữ nguyên giá

trị bằng IA1 do hiện chậm pha của dòng điện trong tải cảm Đường đặc tính lúc này

chạy sát với trục hoành theo chiều giảm UCE sau đó dòng điện IC tăng dần về làm

việc tại điểm bão hòa A2 Khi dòng điều khiển thay đổi từ giá trị IB2 về IB1 = 0 thì

ngay lập tức dòng điện IC vẫn giữ nguyên giá trị bằng dòng bão hòa, còn điện áp

UCE tăng vượt giá trị điện áp nguồn US do sự tác động của sức điện động

eL= -Ldi/dt của cuộn cảm gây ra Sau một thời gian ngắn thì điện áp UCE mới giảm

dần về giá trị US còn IC giảm gần về không lúc này BJT làm việc tại điểm A1

Như vậy ta thấy khi BJT làm việc với tải có tính chất dung kháng hoặc cảm

kháng thì đều xẩy ra hiện tượng tăng dòng và áp vượt khỏi giá trị giới hạn công

suất, nên có thể gây phá hỏng BJT Chính vì vậy trong thực tế với tải cảm thường

mắc thêm một diode song song ngược với tải gọi là diode hoàn năng lượng, còn với

tải dung kháng thường mắc thêm một cuộn cảm hạn chế độ tăng trưởng của dòng

điện và có một điện trở mắc song song với tụ điện C để gái phóng điện năng tích lũy

trong tụ điện dưới dạng điện trường

Trang 25

f> Đặc tính đóng cắt của transistor

Chế độ đóng cắt của transistor chủ yếu phụ thuộc vào các tụ ký sinh CBE và

CBC giữa các tiếp giáp B-E và B-C Để hiểu rõ hơn ta phân tích quá trình đóng cắt của một BJT với tải thuần trở làm việc với điện áp nguồn Us và điều khiển bởi tín

hiệu UB như hình vẽ sau:

Rt+Us

Trước thời gian t1 khi đó UB = UB1 < 0 nên BJT đang ở trạng thái khóa do

vậy điện áp UBE = UB1; iBE = 0; UCE = US; ICE = 0 Tại thời điểm t = t1 khi đó tín

hiệu điều khiển UB = UB2 > 0 để kích mở BJT Tại thời điểm ban đầu có dòng nạp

cho tụ tương đương CBC và CBE từ giá trị UB1 đến giá trị điện áp ngưỡng U* nên

dòng IB tăng đột ngột sau đó giảm dần về giá trị IB1 Giá trị IB1 được xác định:

Trang 26

BE

BE BC C BE C B

B B

I I

I R

U U I

Trong đó U* là giá trị điện áp ngưỡng mở của tiếp giáp B-E có giá trị khoảng

U* = 0,6 V  0,7V Tụ điện tương đương được nạp kết thúc tại thời điểm t2, khi đó dòng điện iC bắt đầu tăng dần lên từ không đến giá trị bão hòa ICS còn điện áp UCE

giảm dần do điện trở tương đương tại các tiếp giảp J1 và J2 giảm xuống Khoảng

thời gian từ t1 < t < t2 gọi là khoảng thời gian trễ mở (TON) của BJT , khoảng thời gian t2 < t < t4 là khoảng thời giản bắt đầu dẫn đến khi dẫn bào hòa của BJT, nó phụ thuộc vào độ lớn của dòng IB Đến thời điểm t4 khi đó khi đó điện áp UCE hoàn toàn giảm đến giá trị bão hòa và được xác định:

t CS S

** Phân tích quá trình khóa BJT

Trong thời gian BJT dẫn ở chế độ bão hòa thì điện tích được tích tụ tại các

tiếp giáp trong lớp Bazơ và colectơ, nên tại thời điểm t5 khi điện áp điều khiển thay đổi từ giá trị UB2 về UB1 các điện tích tích lũy trong các lớp bán dẫn không thể thay đổi ngay lập tức, do vậy dòng IB tức thời thay đổi từ giá trị IB1 về giá trị IB2

B

B B

R

U U I

* 2 2





Lúc đầu lượng điện tích tại các tiếp giáp được di chuyển ra ngoài bằng một lượng

không đổi là IB2 Đến thời điểm t = t6 khi đó khi đó lượng điện tích trong tiếp giảm

về gần không nên tiếp giáp BC bắt đầu bị phân cực ngược do vậy dòng điện IC

giảm dần về 0V và điện áp UCE tăng dần đến điện áp US Trong khoảng này BJT

làm việc ở chế độ tuyến tính và tụ CBC bắt đầu được nạp tới giá trị điện áp ngược , bằng giá trị của US Như vậy trong khoảng t6 < t < t7 thì tiếp giáp BE vẫn được phân cực thuận còn tiếp giáp Bc bị phân cực ngược Đến thời điểm t = t7 khi đó BJT mới khóa hoàn toàn còn tụ điện CBE mới được nạp tới điện áp ngược UB2 và dòng điện

IB giảm về không, lúc này BJT mới hoàn toàn phục hồi về trạng thái khóa ban đầu

g> Các thông số cơ bản của BJT

- VCEO : Điện áp cực đại giữa collector và emitter khi IB = 0

- VCBO: Điện áp cực đại giữa collector và base khi IB = 0

- VEBO: Điện áp cực đại giữa emitter và base khi IC = 0

- IC: Dòng điện cực đại chảy qua cực CE khi làm việc liên tục

Trang 27

- IB: Dòng điện điều khiển cực đại chảy qua cực BE khi làm việc liên tục

Sau đây giới thiệu các thông số của một BJT cụ thể:

1.2.3 MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor)

1.2.4.3 Transistor MOSFET (Transitor trường cực cổng cách li)

Ở MOSFET, 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 oxít kim loại cũng chính vì vậy mà

người ta gọi là MOSFET Khi viết tắt người ta cũng thường hay viết IFET

(I: insulated) hoặc IGFET (IG: insulated gate)

MOSFET được chia làm hai loại: Loại có kênh liên tục hay còn gọi là

MOSFET có kênh đặt sẵn và loại có kênh gián đoạn còn gọi là MOSFET có kênh

cảm ứng MOSFET có kênh liên tục có khả năng dẫn điện khi UGS = 0V

Trang 28

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

a> Cấu trúc và ký hiệu:

- Không giống như Transitor thường được giới thiệu ở phần trên, chúng được điều

khiển bằng dòng điện Còn MOSFET được điều khiển bằng điện áp nên công suất điều khiển rất nhỏ, do vậy MOSFET có thể được điều khiển trực tiếp từ các đầu ra của các vi mạch công suất nhỏ

- Trên hình: 1.9, biểu diễn cấu trúc của một MOSFET kênh dẫn kiểu n trong đó G

là cực điều khiển cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn bởi lớp điện môi mỏng silicđioxit (SiO2) nhưng có cách điện rất lớn Nếu kênh dẫn là kiểu n thì các hạt mang điện xẽ là các electron (các hạt điện tử) do đó cực tính điện áp của cực máng

là cực dương, còn cực gốc thường nối với đế P

-Trên cấu trúc ký hiệu gạch chéo giữa D&S để chỉ ra rằng bình thường không có kênh dẫn nối giữa D và S

b>

n

source (S)

n n

p

n n p

G

Drain (D) a>

Trang 29

G

Drain (D) a>

n

source (S)

n n p

G

Drain (D) b>

n

source (S)

n n p

G

Drain (D) c

n

-+

Hình1.10: Sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET

Trong chế độ làm việc bình thường UDS > 0 Giả sử UGS = 0.khi đó kênh dẫn hoàn toàn không xuất hiện và giữa cực S và cực D lúc này là tiếp giáp p-n bị phân cực ngược, điện áp xẽ rơi hoàn toàn trên tiếp giáp này, còn dòng qua cực gốc và cực máng sẽ rất nhỏ gọi là dòng rò

- Nếu điện áp điều khiển UGS < 0 thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển xẽ tích tụ các lỗ (P) do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng vẫn hầu như không có (hình1.10- a.)

- Khi điện áp điều khiển UGS > 0 và đủ lớn thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển xẽ tích tụ các điện tử, như vậy một kênh dẫn đã được hình thành, lúc này dòng điện giữa cực máng và cực gốc chỉ phụ thuộc vào điện áp UDS (hình1.10-b.)

- Trên cấu trúc MOSFET hình (hình1.10- c.) ta thấy rằng giữa cực gốc và cực máng tồn tại một tiếp giáp p-n, tương đương với một diode ngược nối giữa D và S, đó chính là ưu điểm của MOSFET trong các sơ đồ sử dụng diode ngược trong mạch điện

Trang 30

c> Đặc tính ra của transistor MOSFET kênh N:

Hình 1.11: Họ đặc tính ra của MOSFET kênh N

Trên đường đặc tính ta thấy khi đặt điện áp điều khiển nhỏ hơn một mức nào đấy cỡ 3V thì giữa cực máng và cực gốc điện trở rất lớn dòng qua đó gần bằng không Khi điện áp cỡ 6-7V thì MOSFET sẽ trong chế độ dẫn, thông thường người

ta điều khiển MOSFET bằng diện áp cỡ 15V để giảm điện áp rơi trên 2 cực D và S khi đó UDS gần như tỷ lệ với dòng ID

MOSFET tác động rất nhanh có thể đóng, mở với tần số trên 100KHZ Khi MOSFET dẫn dòng thì điện trở rất nhỏ khoảng 0,1  đối với MOSFET -1000V và khoảng 1 với MOSFET -500V

Ngày nay người ta đã chế tạo được MOSFET với UDS tới 500V và ID tới hàng trục ampe Vì vậy MOSFET được dùng nhiều để làm khóa điện tử vì chịu được tần số cao và nó giữ vai trò quan trong trong các thiết bị biến tần có khâu trung gian

Trang 31

d> Đặc tính đóng cắt của MOSFET

Mosfet là phần tử với các hạt mang điện cơ bản

nên có thể đóng cắt với tần số cao Tuy nhiên để

đạt được thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều

khiển là rất quan trọng Cơ chế ảnh hưởng đến

thời gian đóng cắt của mosfet là các tụ ký sinh

giữa các điện cực Hình bên thể hiện các thành

phần tụ điện ký sinh được tạo ra giữa các miền

bán dẫn trong cấu trúc bán dẫn của mosfet

Trong đó CGS được nạp đến giá trị UGSth thì mới

xuất hiện dòng điện ID, còn CGD quyết định tốc độ

đóng căt của mosfet Các tụ này có giá trị thay đổi

theo điện áp, chẳng hạn giá trị tụ CGD thay đổitheo

điện áp UDS giữa giá trị điện dung mức thấp CDSL

vàđiện dung mức cao CDSH như đặc tính hình bên

SMạch điện tương đương của Mosfet

Trang 32

Trên sơ đồ thể hiện morsfet được điều khiển bởi đầu ra của một mạch driver

có điện trở trong là Rdr được nối tiếp với một điện trở ngoài Rext trước khi nối vào cực điều khiển G có nội trở là RGin

Tại thời điểm t = 0 khi đó có một xung

điều khiển dương cấp vào driver, như vậy

đầu ra driver có một xung điều khiển

dương nối vào điện trở Rext Tại thời điểm

ban đầu tụ CGD và CGS được nạp nên

dòng điện IG tăng tức thời do quá độ và

điện áp UGS tăng dần theo hằng số thời

gian được xác định bởi

) (

Trong khoảng t1 < t < t2 lúc này dòng điện IG tiếp tục giảm, còn dòng ID tăng tuyễn tính rất nhanh từ giá trị 0 đến giá trị dòng tải Bắt dầu từ thời điểm t2 trở

đi UGS đạt đến một giá trị UGml gọi là điện áp mức miller nên dòng IG và IDS

không đổi còn điện áp UGS giảm xuống rất nhanh Khi UDS giảm thì giá trị tụ CGD tăng nên khoảng này dòng điều khiển chính là dòng nạp cho tụ CGD Sau thời gian t3 lúc này điện áp UGS lại tiếp tục tăng theo hằng số thời gian

Trang 33

) (

T      vì giá trị tụ CGD tăng đến giá trị ở mức cao CGDH, khi đó xác định được giá trị UDS =IDS.RDson

** Quá trình khóa mosfet

Xét quá trình khóa một mosfet với tải trở cảm như hình vẽ sau:

xuống mức không Khi đó UGS

bắt đầu giảm xuống theo hàm mũ

với hằng số thời gian

) (

trong khoảng thời gian từ 0 đến

t1, lúc này IG giảm dần và đổi

chiều, UDS = UDSon còn dòng điện

ID vẫn giữ nguyên bằng dòng điện

tải Khoảng thời gian từ 0 đến t1

gọi là khoảng thời gian trễ khóa

Trang 34

Sau thời gian t1 khi đó UGS giảm về mức miller nên IG và ID không đổi còn

điện áp UDS tăng nhanh từ giá trị UDSon về giá trị điện áp nguồn US Bắt đầu từ thời điểm t2 khi đó UGS nhỏ hơn mức miller nên dòng điện IG và ID giảm

dầnvề giá trị không tại thời điểm t4

e> Các thông số của mosfet

- ID : dòng điện làm việc lien tục qua cực máng

- IDM: Dòng điện cực đại qua cực máng

- VDS : Điện áp làm việc cực đại trên cực máng và cực gốc

- RDS: Điện trở kênh dẫn khi làm việc ở điều kiện định mức

- VGS:Điện áp điều khiển

Sau đây giới thiệu một vài thông số cơ bản của một mosfet thực tế (IRF460)

Trang 35

1.2.4 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

a>Cấu trúc và ký hiệu:

- IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET với khả năng

chịu tải của transistor thường BJT Do vậy IGBT cũng là phần tử được điều khiển

bằng điện áp, do đó công suất điều khiển rất nhỏ, dạng tín hiệu thường là các xung

điện áp 15V

- Cấu trúc của IGBT cũng đưa ra ba cực Emitor, colector, và cực điều khiển G

Nhưng IGBT khác với MOSFET ở chỗ giữa E & C là cấu trúc bán dẫn p-n-p chứ

không phải n-n Có thể coi IGBT giống như một transistor được điều khiển bởi một

n n p

C

E G

Hình 1.12 a> Cấu trúc IGBT, b> Cấu trúc IGBT tương đương một tranzitor với một

MOSFET, c> Ký hiệu IGBT

b>Nguyên lý làm việc:

-Phân cực cho IGBT sao cho UCE > 0, sau đó cấp vào cực G một điện áp điều khiển

UGE > 0 với một giá trị đủ lớn Khi đó hình thành một kênh dẫn với các hạt là điện

tử giống như MOSFET Các hạt điện tử di chuyển về phía cực C, vượt qua lớp tiếp

giáp p-n tạo nên dòng colector

-Thời gian đóng cắt của IGBT nhanh hơn transistor thường, trễ khi mở khoảng

0,15s , trễ khi khóa khoảng 1s Công suất điều khiển IGBT rất nhỏ thường mở

dưới dạng điện áp điều khiển là 15V còn dòng điện cỡ nA Để mở thường cấp tín

hiệu +15V, để khóa thường cấp tín hiệu là -15V

Trang 36

c> Các thông số của IGBT

- UDS: Điện áp cực đại giữa cực máng và cực gốc

- ID: Dòng điện cực máng chịu được lớn nhất khi làm việc liên tục

- VGS: Điện áp điều khiển cực đại

Dưới đây giới thiệu các thông số của một IGBT-K2611l

Trang 37

1.2.5 Thyristor

1.2.5.1.Cấu tạo và kí hiệu:

-Thyristor là phần tử gồm có bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra ba tiếp giáp J1, J2, J3 Thyristor có ba cực anôt (A), catôt (K), và cực điểu khiển G

j 2

j 1

j 3

K G

b> §Æc tÝnh v«n - ampe cña thyristor a> CÊu tróc vµ ký hiÖu cña thyristor

K G

Hình1.13: Cấu ttrúc, ký hiệu và đặc tính V-A của thyritstor

1.2.5.2.Đặc tính vôn – ampe

- Gồm hai phần: Phần đặc tính thuận nằm ở góc phần tư thứ nhất với UAK > 0, còn phần đặc tính ngược nằm ở góc phần tư thứ ba với UAK < 0

a>Trường hợp I G = 0:

* Khi UAK < 0 thì tiếp giáp J1 và J3 bị phân cực ngược còn J2 phân cực thuận, khi

đó dòng điện qua thyristor rất nhỏ Gọi là dòng điện rò ngược

- Nếu thực hiện tăng UAK đến giá trị nhỏ hơn Ung,max thì dòng điện qua thyristor cũng vẫn rất nhỏ Nếu cứ tiếp tục tăng đến giá trị UAK > Ung,max thì xẽ sẩy ra hiện tượng thyristor bị đánh thủng, dòng điện qua thyristor xẽ tăng lên rất lớn, quá trình này không đảo ngược lại được gây phá hỏng thyristor

* Khi UAK > 0 khi đó tiếp giáp J1 và J3 được phân cực thuận còn J2 bị phân cực ngược, lúc này dòng điện qua thyristor cũng rất nhỏ, gọi là dòng điện rò thuận

Trang 38

- Nếu ta thực hiện tăng UAK đến giá trị lớn hơn điện áp thuận lớn nhất Uth,max thì xẽ sẩy ra hiện tượng điện trở tương đương A- K đột ngột giảm xuống và đòng điện dễ dàng chảy qua thyristor, và giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào điện trở mạch ngoài Nếu khi đó dòng qua thyristor lớn hơn dòng đuy trì Idt thì thyristor xẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận ( giống như diode) Đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng điện có thể thay đổi lớn nhưng điện áp rơi trên thyristor gần như không đổi

b> Trường hợp I G > 0

*Khi UAK > 0 nếu đặt vào cực điều khiển dòng IG > 0 thì quá trình chuyển điểm làm việc lên đường đặc tính thuận xẽ xớm hơn Nếu dòng điều khiển càng lớn thì quá trình chuyển điểm làm việc lên đường đặc tính thuận xẽ càng xớm hơn với UAK nhỏ hơn Tuy nhiên dòng IG được giới hạn bởi nhà sản xuất

*Khi UAK < 0 với IG > 0 thì tiếp giáp J1 và J3 bị phân cực ngược còn J2 được phân cực thuận nên dòng điện qua thyristor cũng rất nhỏ, gọi là dòng điện rò ngược

1.2.5.3.Mở và khóa thyristor:

+ E

Trang 39

a>Mở thyristor:

-Có 2 phương pháp kích mở thyristor:

* Phương pháp thứ nhất là tăng UAK > Uth,max khi đó điện trở tương đương trong mạch A – K giảm đột ngột, dòng điện qua thyristor lúc đó chỉ phụ thuộc vào điện trở mạch ngoài Phương pháp này ít được sử dụng trong thực tế

* Phương pháp thứ hai là: phân cực cho UAK >0, sau đó thực hiện đưa một dòng điện có giá trị nhất định vào cực G Khi đó thyristor xẽ chuyển từ trạng thái trở kháng cao sang thấp, nên có dòng điện đi qua thyristor

- Nếu dòng qua thyristor lớn hơn dòng duy trì thì thyristor tiếp tục duy trì dẫn dòng

mà không cần xung điều khiển nữa Phương pháp này chỉ cần mạch điều khiển có công suất rất nhỏ so với mạch lực

b>Khóa thyristor:

-Để khóa thyristor lại cần phải giảm dòng qua A-K về dưới mức dòng duy trì (Idt), thường sử dụng bằng cách đặt một điện áp ngược lên thyristor trong thời gian tối thiểu gọi là khoảng thời gian phục hồi trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa cathot và anot Dòng điện này di chuyển các điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp cho tụ điện tương đương tại tiếp giáp J1 và J3 Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích di chuyển ngoài cấu trúc bán dẫn và thời gian nạp điện cho tụ tương đương tại J1 và J3 Như vậy quá trình khóa một thyristor có dạng gần giống như khóa diode Thời gian phục hồi của thyritstỏ là một thông số quan trọng nó quyết định tần số làm việc của thyristor Thông thường thời gian phục hồi

có giá trị: tr = 5 -50s đối với thyritstor tần số cao và tr = 50 -200s đối với thyritstor tần số thấp

1.2.5.4.Các thông số cơ bản của Thyristor:

Các thông số chính cơ bản giống diode tuy nhiên để cụ thể hóa chúng tôi giới thiệu một vài thông số đặc trưng sau:

- Giá trị dòng trung bình cho phép qua thyristor, I V,trb

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt độ cấu trúc tinh thể bán dẫn của tinh thể thyristor không được vượt quá một giá trị cho

Trang 40

phép Trong thực tế dòng điện chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn để làm mát tự nhiên, ngoài ra Thyristor còn có thể được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để làm mát nhanh hơn Nói chung có thể lựa chọn dòng điện qua Thyristor theo các điều kiện làm mát sau:

+ Làm mát tự nhiên dòng sử dụng cho phép đến 1/3 IV,trb

+ Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió dòng sử dụng cho phép đến 1/2 IV,trb

+ Làm mát cưỡng bức bằng nước dòng sử dụng cho phép đến 100% IV,trb

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristo Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào UAK luôn nhỏ hơn Ung,max Ngoài ra còn phải đảm bảo một độ dự trữ điện áp, nghĩa là Ung,max phải được ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ

-Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor t r (s)

Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lê giữa anot – catot của thyristor sau khi dòng qua thyristor đã về bằng không, trước khi có thể có điện áp UAK dương mà thyristor vẫn khóa Tr là thông số rất quan trọng của thyristor, nhất là khi sử dụng trong các bộ nghịch lưu phụ thuộc, hoặc nghịch lưu độc lập Trong đó luôn phải đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 – 2 lần tr

-Tốc độ tăng điện áp cho phép

Tiêu đề	Điện Tử Công Suất
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên
Chuyên ngành	Điện Tử Công Suất
Thể loại	Giáo Trình
Năm xuất bản	2013
Thành phố	Hưng Yên

Định dạng
Số trang	225
Dung lượng	9,93 MB