Giáo trình Điện tử công suất - CĐ Công nghiệp Hải Phòng

(NB) Giáo trình Điện tử công suất cung cấp cho người học các kiến thức: Tổng quan về điện tử công suất; Chỉnh lưu; Biến đổi DC-DC (DC - DC CONVERTER); Bộ biến tần; Bộ nghịch lưu;....Mời các bạn cùng tham khảo!

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH HẢI PHONG TRƯỜNG CĐCN HẢI PHÒNG

GIÁO TRÌNH

Tên môn học: Điện tử công suất

Hải Phòng

Bài 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1 Giới thiệu chung về điện tử công suất

Điện tử công suất là lĩnh vực áp dụng khá rộng trong sản xuất, trong công nghiệp, mà nó dựa trên nền tảng của các môn học mạch điện tử, kỹ thuật xung số… Trong đó đối tượng được điều khiển để truyền năng lượng điện có kiểm soát từ nguồn đến tải Công suất này có trị số từ vài chục watt đến vài gigawatt Yêu cầu quan trọng trong điện tử công suất là hiệu suất và giá trị kinh tế do đó phải sử dụng kỹ thuật giao hoán nhằm giảm thiểu tổn thất trong quá trình chuyển đổi và điều khiển Lĩnh vực áp dụng điện tử công suất được mô tả như hình vẽ

Hình vẽ bao gồm 4 kỹ thuật biến đổi cốt lõi nhất của điện tử công suất đó là

• AC biến đổi thành DC: chỉnh lưu

• DC biến đổi thành DC: biến đổi điện một chiều

• DC biến đổi thành AC: nghịch lưu

• AC biến đổi thành AC: biến đổi điện xoay chiều

Trong công nghiệp, ngoài tải riêng phần lớn mạch điện tử công suất là điều khiển động cơ

để thực hiện các yêu cầu của tải

Trong chương này chúng ta khảo sát các nội dung sau

• Các đại lượng đặc trưng về điện: trị trung bình, trị hiệu dụng, công suất…

• Các linh kiện công suất giao hoán có những đặc tính sau

• Các linh kiện công suất giao hoán thông dụng là: Diode,Transistor, Mosfet,SCR, TRIAC, GTO, SCS, IGBT, MCT…

2 Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công suất

(Diode, SCR, DIAC, TRIAC, IGBT, GTO)

2.1 Diode công suất

2.1.1.Chất bán dẫn

Về phương diện dẫn điện, các chất được chia thành hai loại: chất dẫn điện (có điện trở suất nhỏ) và chất không dẫn điện (có điện trở suất lớn) Chất không dẫn điện còn gọi là chất cách điện hay là chất điện môi

Giữa hai loại chất này có một chất trung gian mà điện trở suất của nó thay đổi trong một giới hạn rộng và giảm mạnh khi nhiệt độ tăng (theo quy luật hàm mũ) Nói cách khác, chất này dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao và dẫn điện kém hoặc không dẫn điện ở nhiệt độ thấp Đó là chất bán dẫn (hay chất nửa dẫn điện)

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)

51 Sb

33

As

15 P

16 S

34 Se

52 Sb

53 I

50 Sn

32

Ge

14 Si

6 C

5 B

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 chẳng 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 khỏi 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

Ge

Ge Ge

b,

As

Ge Ge

2.1.2.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)

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 điện 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

+ + + +

J

+ +

- - -

R t

I = 0

+ + + +

- - -

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

2.1.3 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

P N

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:

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

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

U th

I

0 th

ng I

U ng 5

2

1 Ungmax

U I Un

V A

-A C V

A + -

A C

b b

t1 t2

t2 t1

t2>t1

Hình 1.7 Đặc tính Von-Ampe của Diode phụ thuộc nhiệt độ

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 độ (hình 1.7)

Qua đặc tính V.A cho thấy tuỳ theo điều kiện phân áp mà Diode có thể dẫn dòng hay không dẫn dòng Diode là một van (valve) bán dẫn

Tính chất này được sử dụng để chỉnh lưu (nắn) dòng điện xoay chiều thành một chiều

Khi nối một Diode vào giữa một nguồn điện xoay áp chiều vào phụ tải Diode sẽ dẫn dòng ở nửa chu kỳ còn lại vì phân áp ngược Sự chuyển đổi thông = khoá của Diode là không tức thời

mà cần có một thời gian nhất định

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

2.1.4 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 hỏng 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: ụ = L/R

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

2.2.Transistor công suất

2.2.1 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

U out

R1 R2

A2 A3

A4 Ub Uc

Ib Ucb = 0

A

Uce Uce

V

Hình 1.10 Điểm làm việc của công tắc Transitor 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

2.2.3 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 quá 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 UCErest rất 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

2.2.4.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

Rload R1

Hình 1.12

2.2.5 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

2.2.6.Khuếch đại chuyển mạch với tải là cuộn dây

Sự hoạt động của bộ khuếch đại chuyển 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

Uce

A2

A1 Us Ib= 0A

Khong co Diode bao ve

Co Diode bao ve

Hình 1.15 Chuyển mạch công suất

với tải điện cảm

Hình 1.16 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

Rload

R1

+Us

V1 Lload

Hình 1.17 Mạch bảo vệ bằng Diode cho mạch khuếch đại chuyển mạch công

suất 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 hỏng 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 1.17

2.3.Transitor trường – Field effect Transistor

2.3.1.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

+

U2

U1

Hình 1.18 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:

Cực máng D (Drain),

Cực nguồn (Source),

Cực cổng (Gate)

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 1.20

Hình 1.19 Các loại Transitor trường

Vì đặc tính tổng trở đầu vào rất lớn (đối với JFETs có giá trị khoảng 109Ω, ở MOSFETs thậm chí khoảng 1015Ω) 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 1.20 Ký hiệu Transitor trường

2.3.2.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 (PNFETs) MOSFETs (IGFETs)

JFETs kênh N JFETs kênh P MOSFETs

kênh đặt sẵn kênh cảm ứng MOSFETs

Loại5 đặc biệt

Kênh N Kênh P Kênh N Kênh P MOSFETs

Cổng đôi

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 1.22

P

S G

-Dßng ®iÖn tö

Vïng ch¾n

Hình 1.21 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:

G

D

S

+

-+ -

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

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

0 5 10 15 20 VDS

5 10 15

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

2.3.3.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 là MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor FET) Khi viết tắt người ta cũng thường hay viết IFET (I: insulated) hoặc IGFET (IG: insulated gate)

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

2.4 Thyristor (SCR-Silicon Controlled Rectifier)

2.4.1 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

Về cấu trúc Thyristor được tạo nên từ một đĩa silic đơn tinh thể loại n có điện trở suất rất cao Trên lớp đệm bán dẫn loại P có cực điều khiển bằng dây nhôm Các chuyển tiếp được tạo nên nhờ kỹ thuật bay hơi Gali Lớp tiếp xúc giữa anode và cathode làm bằng đĩa Molipden hay túngten có điểm nóng chảy gần bằng Silic Cấu tạo có dạng đĩa để dễ tản nhiệt

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

a - Lớp cathode là bán dẫn loại dãn

bình thường N rất mỏng (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

b - Lớp điều khiển là bán dẫn loại P rất

mỏng cỡ 10m, có mật độ điện tử trung bình,

do vậy hầu hết các điện tử xuất phát từ

Líp ®iÒu khiÓn

Líp Cathode

Cathode Gate

d - Lớp anode là bán dẫn loại P có chiều dày và mật độ trung bình Lớp sát vỏ 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

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

2.4.2.Sự hoạt động của Thyristor

a Thyristor phân cực ngược

b Thyristor phân cực ngược

c Đặc tính Volt Ampe của Thyristor (Gồm 4 đoạn)

- 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)

2.4.3.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

2.4.4 Đặc tính điều khiển

Đặc tính điều khiển cho quan hệ giữa điện áp UG theo dòng điện IG có dạng gần giống như

ở Diode

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

P GM

Hình 1.27 Đặc tính điều khiển của Thyristor Trên đặc tính điều khiển miền gạch chéo đảm bảo Thyristor được kich mowr 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 thẳng:

UT = UO + r.iT

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 I T2T

2

1 trong đó IT

là dòng quá tải cực đại

e, Kích mở bằng Vi mạch

* Khuếch đại thuật toán

* TCA780/785

2.4.6 Khoá Thyristor

a, Thời gian khoá

Một khi Thyristor đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển Ig không còn là cần thiết nữa

Để khoá Thyristor có 2 cách:

Cách 1: Khoá bằng cách giảm dòng điện ở anốt đang dẫn xuống dưới mức giá trị của dòng điện duy trì Khi Thyristor được phân áp thuận thì lớp J2 có điện trở lớn làm cho dòng qua Thyristor rất nhỏ -> Thyristor bị khoá lại

Cách 2: Đặt 1 điện áp ngược lên Thyristor (biện pháp thường dùng)

Khi đặt điện áp ngược lên Thyristor có uAK< 0, hai mặt ghép J1 và J3 bị phân cực ngược, J2

phân cực thuận Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính uAK, đang có mặt tại P1,N1, P2 bây giờ đảo chiều hình thành nên dòng điện ngược chảy từ catốt về anốt và về cực âm của nguồn điện ngoài

Lúc đầu của quá trình từ to đến t1, dòng điện ngược khá lớn sau đó J1, J3 trở nên cách điện Còn lại một ít điện tử ở giữa hai mặt ghép J1 và J3, hiện tượng khuyếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt ghép điều khiển

Thời gian khoá toff tính từ khi bắt đầu có điện áp ngược cho tới dòng điện ngược bằng không (t2) Đấy là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu mà đặt điện áp thuận nên Thyristor, Thyristor cũng không mở Trong bất kỳ trường hợp nào cũng không được đặt Thyristor dưới điện

áp khi Thyristor chưa bị khoá, nếu không có thể có nguy cơ gây ngắn mạch nguồn

2.4.7 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

2.5 Triac (Triode Alternative Current)

a Cấu tạo và ký hiệu của Triac

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

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

bị giới hạn bởi giá trị:Si = (diV/dt)max

e Khả năng chịu tải

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

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

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 kích cổng

IFGT,IRGT Max 30mA Dòng 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

2.6 GTO (GATE TURN-OFF Thyristor )

Cấu trúc và ký hiệu của GTO

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

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

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

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

- Lớp P1 được thực hiện bằng việc khuếch tán trong N1, có cùng tính chất như P2 Lớp P1

cùng với N1 tạo nên chuyển tiếp JA

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

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

Đặc tính V-A thực tế và lý tưởng

2.7 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

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 chịu tải 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 I.16.Mạch điều khiển IGBT về nguyên tắc không khác gì so với

các mạch điều khiển MOSFET

2.8 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 Cờu 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 mỏng 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 hoạn 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

2.9 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

A

G K

A

G

K

§ãng Ng¾t 0

iA

UAK

§ãng Ng¾t 0

iA

UAK

Hình vẽ … 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

p p- p A

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

2.10 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

p n+

n p n+

A

K G

K

G

turn on turn off

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 bỏ 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

2.11 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…

T1 turn off

K

turn on

n-MOSFET p-MOSFET

T2turn on

A

Linh kiện MOSFET T1 mắc nối tiếp với GTO và linh kiện MOSFET T2 mắc nối tắt giữa cổng kích của GTO và linh kiện MOSFET T1 Thực tế T1 bao gồm một số n-MOSFET và T2 bao gồm một số p-MOSFET, chúng được thiết kế bao quanh GTO để giảm tối đa cảm kháng giữa các linh kiện MOSFET và cổng Cathode của GTO

ETO có hai cổng điều khiển: một cổng của riêng GTO được sử dụng để đóng nó và cổng thứ hai là cổng kích vào cổng MOSFET nối tiếp để ngắt ETO

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

Điểm thuận lợi do cấu trúc chứa MOSFET nối tiếp mang lại là nó tạo điều kiện để chuyển dòng điện từ cathode sang mạch cổng thực hiện hoàn toàn và nhanh chóng, cho phép ngắt đồng thời tất cả các cathode trong cấu hình linh kiện Điểm không thuận lợi là linh kiện nối tiếp này phải dẫn tàon bộ dòng điện qua Cathode của GTO vì thế làm tăng thêm độ sụt áp và tổn hao Tuy nhiên, các MOSFET này có điện áp thấp khi dẫn (0,3-0,5V) nên các hệ quả trên không quan trọng

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

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

IGBT Mitshubishi CM1200HA-66H

GCT Mitsubishi FGC4000B

X-90DS

ETO4060 (Toshiba GTO) SG4000JX

26

ETO1045 (Westcode GTO)

WG10045S

Điện áp hoạt động 1750VDC 3000VDC 3600VDC 3000VDC

2.12 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

Linh kiện GTO công suất lớn được sản xuất với khả năng chịu được điện áp và dòng điện

từ 2,5-kkV/1- 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

Bài 2 CHỈNH LƯU

1 Mạch chỉnh lưu không điều khiển (theo từng loại tải)

1.1 Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ

a Sơ đồ, nguyên lí hoạt động

Sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ gồm hai loại: trực tiếp và gián tiếp được mô

tả như hình 2.1 và 2.2

Hình 2.1 hình 2.2 Hình vẽ Sơ đồ chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ

b Nguyên lý làm việc

- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, điện áp phía sau thứ cấp là

u2= 2 U2sint(v), và khi Diode dẫn điện thì điện áp sụt trên nó bằng không

- Trong

2

1 chu kỳ đầu t = 0 đến  thì u2  0, van D được phân cực thuận, nên van D dẫn

điện.Ta có: uD = 0, utải = u2  0, iD = itải =

- Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự

c Giản đồ dòng điện, điện áp

id

id



 0

2 U2 sin (t) dt = 0,45 U2 -Trị số trung bình của dòng điện tải

Itải =

R

U20,45

1.2 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha

1.2.1 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha với tải thuần trở

R d

uD2 = uD3 = 0; uD1= uD4 = u2 0; utải = - u2 0; iD2 = iD3 = itải ; iD1 = iD4 = 0

- Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự

c Giản đồ dòng điện, điện áp (Hình 2.6)

0 iD2(iD3)

u D1 (uD4) ut¶i

H×nh 2.6

u2 -u2

1



 0

- Điện áp thuận, điện áp ngược đặt trên Diode

uD(thuận) = uD(ngược) = 2 U2

e.ứng dụng

- Do tính rộng rãi của nguồn một pha, đồng thời điện áp phía sau chỉnh lưu được liên tục,

cho nên mạch chỉnh lưu cầu một pha được ứng dụng rộng rãi

1.2.2 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha với tải trở và nguồn E

a Sơ đồ nguyên lý

b Nguyên lý làm việc

- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, điện áp phía thứ cấp u2 = 2 U2sint(v), khi

Diode dẫn điện thì điện áp sụt trên nó là không Volt

- Trong một nửa chu kỳ đầu t = 0 đến , điện áp u2 0, khi u2 E, thì cặp van D1và D4

vẫn chưa được phân cực thuận, nên chưa dẫn điện, đến khi u2 > E

thì cặp van D1và D4 được phân cực thuận, nên dẫn điện Còn cặp van D2 và D3 bị phân cực

ngược nên không dẫn điện Ta có:

uD1= uD4 = 0; uD2 = uD3 = - u2 0; utải = u2 > E > 0; iD1 = iD4 = itải; iD2 = iD3 = 0

- Đến thời điểm u2 E, cặp van D1 và D4 bị phân cực ngược nên không dẫn điện Cặp van

D2 và D3 cũng bị phân cực ngược nên không dẫn điện Ta có:

uD1 = uD4 = u2- E < 0; uD2 = uD3 =- u2- E < 0; utải = E; iD1= iD2 = iD3 = iD4 = itải= 0

- Trong một nửa chu kỳ sau t =  đến 2., điện áp - u2 0, khi - u2 E, thì cặp van van

D2và D3 vẫn chưa được phân cực thuận, nên chưa dẫn điện, đến khi - u2 > E thì cặp van D2và

D3 được phân cực thuận, nên dẫn điện Còn cặp van D1 và D4 bị phân cực ngược nên không dẫn

điện Ta có:

uD2 = uD3 = 0; uD1= uD4 = u20; utải = - u2 > E > 0; iD2= iD3 = itải; iD1 = iD4 = 0

- Đến thời điểm - u2  E, cặp van D2 và D3 bị phân cực ngược nên không dẫn điện Cặp

van D1 và D4 cũng bị phân cực ngược nên không dẫn điện Ta có: uD1= uD4 = u2- E < 0; uD2= uD3

c Giản đồ dòng điện, điện áp

(trong đó 1 và 1 là 2 nghiệm của phương trình E = u2= 2 U2sint)

- Điện áp thuận, điện áp ngược trên các van

b Nguyên lý làm việc

- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, điện áp phía sau thứ cấp lần lượt là :

u21= 2 U2sint(v), u22= - 2 U2sint(v), coi rằng điện áp sụt trên Diode khi chúng dẫn điện là không Volt

- Trong nửa chu kỳ đầu t = 0 đến , u21 0, van D1 được phân cực thuận, nên dẫn điện Van D2 bị phân cực ngược, nên không dẫn điện Khi đó ta có:

uD1= 0; uD2= u22- u21< 0; utải = u210; iD1 = itải ; iD2 = 0

- Trong nửa chu kỳ sau t =  đến 2, u22 0, van D2 được phân cực thuận, nên dẫn điện Van D1 bị phân cực ngược, nên không dẫn điện Khi đó ta có:

uD2= 0; uD1= u21- u22< 0; utải= u22 0; iD2 = itải ; iD1 = 0

- Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự

c Giản đồ dòng điện, điện áp (hình 2.10)

1



 0

dụng đạt được giống như mạch chỉnh lưu hình cầu một pha cho nên người ta rất ít sử dụng sơ đồ chỉnh lưu này, và chủ yếu được sử dụng với mục đích minh hoạ

1.4 Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha

a.Sơ đồ nguyên lý

b Nguyên lý làm việc

- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, điện áp phía sau thứ cấp lần lượt là :

ua= 2 U2sint(v), ub= 2 U2sin(t-1200)(v), uc= 2 U2sin(t-2400)(v) coi rằng điện áp sụt trên Diode khi chúng dẫn bằng không Volt

, thì D2 phân cực thuận, nên nó dẫn điện Còn D1 và D3

bị phân cực ngược, nên không dẫn điện Khi đó ta có:

, thì D3 phân cực thuận, nên nó dẫn điện Còn D1 và D2

bị phân cực ngược, nên không dẫn điện Khi đó ta có:

uD3 = 0; u D1 = uac < 0; uD2 = ubc < 0

utải = uc > 0

iD3 = itải ; iD1 = iD2 = 0

- Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự

c Giản đồ dòng điện, điện áp