Đồ án mạch nghịch lưu

Ta có thể phân loại thành một số dạng biến đổi sau: AC→DC (Chỉnh lưu) ; DC→AC (Nghịch lưu) ; AC→AC(Điều chỉnh điện áp xoay chiều);DC→DC(Điều chỉnh điện áp một chiều).Mỗi nhóm trên đều có những ứng dụng riêng của nó trong từng lĩnh vực cụ thể. Với yêu cầu của đồ án “ Tìm hiểu và thực hiện mạch nghịch lưu độc lập điện áp một pha từ nguồn một chiều 12VDC lên 220VAC tần số 50Hz”.Mạch này được ứng dụng nhiều trong đời sống sinh hoạt. Mạch có nhiêm vụ cung cấp nguồn năng lượng cho tải khi xảy ra sự cố mất điện.

111Equation Chapter 1 Section 1LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay điện tử công suất đóng một vai trò hết sức quantrọng trong đời sống.Việc biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác nhờcác mạch công suất được ứng dụng rộng rãi.Đặc biệt nhờ có sự phát triển củavan bán dẫn công suất mà lĩnh vực này ngày càng phát triển mạnh mẽ.Ta có thểphân loại thành một số dạng biến đổi sau: AC→DC (Chỉnh lưu) ; DC→AC(Nghịch lưu) ; AC→AC(Điều chỉnh điện áp xoay chiều);DC→DC(Điều chỉnhđiện áp một chiều).Mỗi nhóm trên đều có những ứng dụng riêng của nó trongtừng lĩnh vực cụ thể

Với yêu cầu của đồ án “ Tìm hiểu và thực hiện mạch nghịch lưu độc lậpđiện áp một pha từ nguồn một chiều 12VDC lên 220VAC tần số 50Hz”.Mạchnày được ứng dụng nhiều trong đời sống sinh hoạt Mạch có nhiêm vụ cung cấpnguồn năng lượng cho tải khi xảy ra sự cố mất điện

Phần báo cáo của em gồm những phần sau:

Phần 1 : Giới thiệu về điện tử công suất và các van bán dẫn

Phần 2 : Giới thiệu chung về nghịch lưu độc lập

Phần 3 : Tính toán và thiết kế mạch thực tế

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em xin chân thành cảm ơn sự hướngdẫn và chỉ bảo tận tình của cô Nguyễn Thị Thắm Cô đã giúp em có được thêmnhiều những kiến thức và kinh nghiệm quí báu để phục vụ cho việc học tập cũngnhư cho công việc trong tương lai Song thời gian có hạn và vốn kiến thức chưađược rộng nên trong quá trình thiết kế không thể tránh khỏi những thiếu sót Vìvậy em mong nhận được sự chỉ bảo của các quý thầy cô để đồ án tốt nghiệp của

em được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ NGHỊCH LƯU

1.1 Khái niệm về điện tử công suất

1.1.1 Định nghĩa

Điện tử công suất là chuyên ngành nghiên cứu các phương pháp và cácthiết bị điện tử có công suất lớn với các thuật toán điều khiển nhằm biến đổi vàđiều khiển năng lượng điện

Hình 1.1 Sơ đồ chung về bộ biến đổi công suất

Hình 1.2 Đối tượng nghiên cứu của điện tử công suất

1.1.2 Phân loại và ứng dụng:

Điện xoay chiều thành điện một chiều: Các bộ Chỉnh lưu (Rectifier) điềukhiển (dùng Thyristor) hoặc không điều khiển (dùng Diode) tuỳ theo việc ta cócần điều khiển giá trị của dòng điện một chiều ở đầu ra hay không

Điện một chiều thành điện xoay chiều: Các bộ Nghịch lưu (Inverter) Các

bộ nghịch lưu có khả năng biến một dòng điện một chiều thành một dòng điệnxoay chiều có giá trị điện áp và tần số thay đổi được tuỳ vào luật đóng mở cácvan bán dẫn

Điện một chiều thành điện một chiều: Các bộ Băm xung một chiều (còn

có tên là Điều áp một chiều, biến đổi điện áp một chiều ( DC to DC converter,

DC chopper) Các bộ biến đổi này biến dòng điện một chiều có giá trị cố địnhthành dòng điện một chiều có giá trị điện áp, dòng điện điều khiển được

Điện xoay chiều thành điện xoay chiều: Các bộ Biến tần (FrequencyDrive) trực tiếp (Cycloconverter) hoặc gián tiếp (Inverter) Các bộ biến tần cókhả năng biến nguồn điện xoay chiều có giá trị dòng điện, điện áp và tần số cốđịnh của lưới điện thành dòng điện xoay chiều có giá trị dòng, áp và tần số điềukhiển được theo ý muốn

1.2 Các phần tử bán dẫn công suất cơ bản

1.2.1 Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất

Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổinhư các khóa điện tử, gọi là các van bán dẫn Khi mở dẫn dòng thì nối tải vàonguồn, khi khóa thì ngắt tải ra khỏi nguồn, không cho dòng điện chạy qua Đểđóng cắt các dòng điện lớn thì các van bán dẫn lại được điều khiển bởi các tínhiệu công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ

Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất :

Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khóa, khi mở cho dòng chạyqua thì có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khóa không cho dòng chạy qua thì

có điện trở tương đương rất lớn Nhờ đó tổn hao công suất trong quá trình làmviệc bằng điện tích của dòng điện chạy qua với điện áp rơi trên phần tử sẽ có giátrị rất nhỏ

Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dướiđiện áp phân cực thuận Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược, dòng quaphần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò

Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn được phân loại thành:

Van không điều khiển như Diode

Van có điều khiển : Điều khiển không hoàn toàn, như Thysitor, Triac Điều khiển hoàn toàn, như MOSFET, IGBT,GTO

1.1.3 Diode công suất

Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn P-N Diode

có 2 cực, anot A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu P, catot K là cực nối với lớpbán dẫn kiểu N Dòng điện chỉ chạy qua Diode theo chiều từ A đến K khi điện

áp UAK dương Khi UAK âm, dòng qua Điode gần như bằng không

a) Cấu tạo và kí hiệu

Hình 1.3a Cấu tạo và kí hiệu Diode

Tiếp giáp bán dẫn P-N là bộ phận cơ bản trong cấu tạo của một Diode Khighép 2 lớp tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tánsang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống, tạo thành một lớp Ion trung hoà vềđiện, lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn

Tuy nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ mở rộng ra đến độ dày nhất định

vì ở bên trong vùng N khi các điện tử di chuyển đi sẽ để lại các Ion dương, cònbên vùng P khi các điện tử di chuyển đến sẽ nhập vào lớp cách điện tử hóa trịngoài cùng, tạo nên các Ion âm Các Ion này nằm trong cấu trúc tinh thể củamạng tinh thể Silic nên không thể di chuyển được Kết quả tạo thành như một tụđiện với các điện tích âm ở lớp phía dưới lớp P và các điện tích dương phía dướilớp n Các điện tích của tụ điện này tạo nên một điện trường E có hướng từ vùng

N sang vùng P ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục cac điện tử từ vùng N sang vùngP

b) Đặc tính Vôn - Ampe

Hình 1 4 Đặc tính Vol – Ampe và đặc tính lý tưởng

Đặc tính gồm 2 phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư thứ I tươngứng với UAK > 0, đặc tính ngược nằm trong góc phần tư thứ III tương ứng với

UAK < 0

Trên đường đặc tính thuật, nếu điện áp A-K tăng dần từ 0 đến khi vượtqua ngưỡng điện áp VF, dòng có thể chảy quan Diode Dòng điện áp iD có thểthay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên Diode UAK hầu như ít thay đổi Như vậyđặc tính thuận của Diode đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương đương nhỏ Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị

Ung.max gọi là điện áp ngược lớp nhất, thì dòng qua Diode vẫn có giá trị rất nhỏgọi là dòng rò Nghĩa là Diode cản trở dòng chạy qua theo chiều ngược Cho đếnkhi UAK đạt đến giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dòng qua Diode tăng độtngột, tính chất cản trở dòng điện ngược của Diode bị phá vỡ Quá vì này không

có đảo ngược nghĩa là nếu ta lại giảm điện áp trên A-K thì dòng điện vẫn khônggiảm Ta nói Diode bị đánh thủng

Đặc tính Vôn-Ampe của các Diode khác nhau, tuy nhiên để phân tích sơ

đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng như hình trên được sử dụng nhiềuhơn cả Theo đặc tính lý tưởng, Diode có thể cho phép một dòng điện lớp bất kìchạy qua với sụt áp trên nó bằng 0 và chịu được điện áp ngược lớn bất kì vớidòng rò bằng 0 Nghĩa là, theo đặc tính lý tưởng, Diode có điện trở tương đươngkhi dần bằng 0 và khi khóa bằng ∞

c) Các thông số

Dòng điện thuận ID : Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy quadiode theo chiều thuận ID Đây là giá trị lựa chọn diode cho ứng dụng thực tế Điện áp ngược UNg.max: Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịudựng được Luôn lựa chọn:

Thysistor có ba cực : anot A, catot K, cực điều khiển G

Thysistor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn P-N-P-N tạo ra batiếp giáp P-N: J1, J2, J3

Hình 1.5 Kí hiệu cấu trúc của Thysistor

b) Đặc tính Vôn – Ampe

Hình 1.6 Đặc tính Von-Ampe của Thysistor

Đặc tính Von-Ampe của một Thisistor gồm 2 phần Phần thứ nhất nằmtrong góc phần tư I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK > 0,phần thứ 2 nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược tương ứng vớitrường hợp UAK < 0

Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng 0 (IG = 0)

Khi dòng vào cực điều khiển của T bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiểnThisistor sẽ cản trở dòng điện tương ứng với cả 2 trường hợp phân cực điện ápgiữa A-K Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của Thysistor, hai tiếp giáp

J1, J3 sẽ phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận Như vậy Thysistor sẽ giống như

2 Diode mắc nối tiếp bọ phân cực ngược Qua T sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏchạy qua, gọi là dòng rò Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhấtUng.max sẽ xảy ra hiện tượng T bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn.Giống như ở đoạn đặc tính ngược của Diode, quá trình đánh thủng là quá trìnhkhông thể đảo ngược được, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức

Ung.max thì dòng điện cũng không giảm đượ về mức dòng rò T đã bị hỏng

Khi tăng điện áp A-K theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có mộtdòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Điện trở tương đương mạch A-K vẫn

có giá trị rất rất lớn Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược.Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max sẽ xảy ra hiệntượng điện trở tương đương mạch A-K đột ngột giảm, dòng điện chạy quaThysistor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài Nếu khi đó dòng quaThysistor lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đóThysistor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tínhthuận ở Diode Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng có thể cógiá trị lớn như điện áp rơi trên A-K nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trịcủa dòng điện

Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển ( IG > 0)

Nếu có dòng điện điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và A, quá trìnhchuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khiđiện áp thuật đạt đến giá trị lớn nhất Nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểmchuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn

c) Điều kiện mở Thysistor

Thysistor chỉ cho phép dòng chạy qua một chiều, từ anot đến catot, và cảntrở dòng chạy theo chiều ngược lại Tuy nhiên, để Thysistor có thể dẫn dòng,ngoài điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn cần thêm một số điều kiện khác.Khi đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vòa giữa cực điều khiển vàcatot Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thysistor từ trởkháng cao trở kháng thấp ở mức điện áp A-K nhỏ Khi đó nếu dòng qua A-K lớnhơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (idt) thì Thysistor sẽ tiếp tục ở trongtrạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển.Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các Thysistor bằng các xung dòng có độrộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, sovới công suất mạch lực mà Thysistor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòngđiện

d) Điều kiện khóa Thysistor

Một Thysistor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa ( điện trở tươngđương mạch anot-catot tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trịdòng duy trì, Idt Tuy nhiên để Thysistor vẫn ở trạng thái khóa, với trở khángcao, khi điện áp anot-catot lại dương, (UAK > 0), cần phải có một thời gian nhấtđịnh để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện củamình

e) Các thông số

Giá trị trung bình cho phép chạy qua Thysistor, IV

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thysistor với điều kiệnnhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn Thysistor không vượt quá một giá trị chophép

Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép: I = 1/3 IV

Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: Dòng sử dụng cho phép: I = 2/3 IV

Làm mát cưỡng bức bằng nước : Dòng sử dụng cho phép: I = IV

Điện áp ngược lớn nhất: Là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặtlên Thysistor Trong ứng dụng phải đảm bảo rằng, tại bất kì thời điểm nào điện

áp giữa anot-catot UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung.max

Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thysistor, tr

Đây là thời gian tối thiểu đặt điện áp âm lên giữa anot-catot của Thysistorkhi dòng A-K đã về bằng 0 trước khi có thể có điện áp dương mà Thysistor vẫnkhóa

Tốc đô tăng điện áp cho phép

Với T tần số thấp dU/dt = 50 đến 200 V/ micro giây

Với T tần số cao dU/dt = 500 đến 2000 V/ micro giây

Độ tăng dòng cho phép dI/ dt ( A/ micro giây)

Với T tần số thấp dI/dt = 50 đến 200 A/ micro giây

Với T tần số cao dI/dt = 500 đến 2000 A/ micro giây

1.1.5 GTO ( Gate Turn-off Thysistor)

GTO khóa lại được bằng cực điều khiển, có khả năng về đóng cắt cácdòng điện rất lớn, chịu được điện áp cao giống như Thysistor , là một van điềukhiển hoàn toàn, có thể chủ động cả thời điểm khóa dưới tác động của điềukhiển

a) Cấu trúc và kí hiệu

Hình 1.7 Cấu trúc kí hiệu GTO

Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, anot được bổ sung các lớp n +.

Dấu (+) ở bên cạnh chỉ ra rằng mật độ các điện tích tương ứng, các lỗ hoặcđiện tử, được làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của các

vùng này Cực điều khiển vẫn được nối vào lớp p thứ ba nhưng được chia nhỏ ra

và phân bố đều so với lớp n + của catot

b) Nguyên lý điều khiển GTO

GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giốngnhư ở Thyristor thường

Để khoá GTO, một xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển

n p

K G

J 1

J 2

J 3

Hình 1.8 Nguyên lý điều khiển GTO

a.Yêu cầu dạng xung điều khiển

b.Nguyên lý thực hiện

Để khóa GTO, một xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứ một lương lớn các điện tích sinh ra do tác động của hiệu ứng bán phá “vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các điện

tử di chuyển từ catot, vùng n+ , đến anot, cùng p+ , tạo nên dòng anot Bằng cách lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện sẽ bị co hẹp và bị ép về phía vùng n+ của anot và vùng n+ của catot Kết quả là dòng anot

sẽ bị giảm cho đến khi về đến 0 Dòng điều khiển được duy trì một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khóa

Xung dòng khóa phải GTO phải có biên độ rất lớn Vào khoảng 20-25% biên độ dòng anot-catot Một yêu cầu quan trọng nữa là xung dòng điều khiển phải có độ dốc sườn rất lớn, sau khoảng 0,5 đến 1µs Điều này giải thích tại sao nguyên lý thực hiện tạo xung dòng khóa là nối mạch cực điều khiển vào một nguồn áp Về nguyên tắc, nguồn áp có nội trở bằng 0 và có thể cùng cấp một dòng điện vô cùng lớn

Mạch điều khiển GTO dùng 2 khóa Transitor T1, T2 Khi tín hiệu điềukhiển là 15V, T1 mở, dòng chạy từ nguồn 15V qua điện trở hạn chế R1 nạp điệncho tụ C1 tạo nên dòng chạy vào cực điều khiển của GTO Khi tụ C1 nạp đầyđiện áp của Diode ổn áp DZ (12V) dòng điều khiển kết thúc Khi tín hiệu điềukhiển rơi xuống mức 0V thì T1 bị khóa, T2 sẽ mở do có điện áp trên tụ C1, tụ C1

bị ngắn mạch qua cực điều khiển và catot, Transistor T2 tạo nên dòng đi ra khỏicực điều khiển, khóa GTO lại Diode DZ ngăn ko cho tụ nạp ngược lại.Transistor T2 phải chọn là loại chịu được xung dòng có biên độ lớn chạy qua

1.1.6 Transistor công suất, BJT ( Bipolar Junction Transistor)

a) Cấu tạo

Transistor là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p(bóng thuận) hoặc n-p-n (bóng ngược), tạo nên hai tiếp giáp p-n được biểu diễntrên hình 1.2.5

V A

Trong đó kbh = 1,2 ÷ 1,5 gọi là hệ số bão hòa Khi đó Trasistor sẽ ở trongchế độ bão hòa với điện áp giữa conlecto và emito rất nhỏ, cỡ 1 – 1,5V, gọi làđiên áp bão hòa, U CE.bh.

Khi khóa, dòng điều khiển IB bằng 0, lúc đó dòng colecto gần bằng 0, điện

áp UCE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp vớitransistor

Hình 1.10 Đặc tính đóng cắt của Transitor

Quá trình mở : Theo đồ thị, trong khoảng thời gian (1), BJT đang trongchế độ khóa với điện áp ngược, -UB2 đặt lên tiếp giáp B-E Quá trình mở BJT bắtđầu khi tín hiệu điều khiển nhảy từ -UB2 lên mức UB1 Trong khoảng (2), tụ đầuvào, giá trị tương đương bằng Cin=CBE + CBC, nạp điện từ điện áp –UB2 đến UB1.Khi UBE còn nhỏ hơn 0, chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với IC và UCE Tụ Cin

chỉ nạp đền giá trị ngưỡng mở U* của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6-0,7V, bằng điện áprơi trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi UBE vượt quá giá trị 0 ở đầu giai đoạn (3).Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ để mở Id(on) của BJT

Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ emito thâm nhập vào vùngbazo, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dòng colecto Các điện tử thoát rakhỏi colecto càng làm tăng thêm các điện tử đến emito Quá trình tăng dòng IC,

IE tiếp tục xảy ra cho đến khi trong bazo đã tích lũy đủ lượng điện tích dư thừa

mà tốc độ tự trung hòa của chúng đảm bảo một dòng bazo không đổi :

Tại điểm cộng dòng điện tại bazo trên sơ đồ tao có:

Trong đó iC.BE là dòng nạp của tụ CBE,

iC.BC là dòng nạp của tụ CBC,

iB là dòng đầu vào của Transistor, iC=β.iB

Dòng colecto tăng dần theo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là

IC (∞)=β.IB1 Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3)thì dòng IC đã đạt đến giá trị bão hòa, IC.bh, BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện iC=β.iB không còn tác dụng nữa Trong chế độ bão hòa cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận Vì khóa làm việc với tải trở trên colecto nên điện áp trên colecto-emito

VCE cũng giảm theo cùng tốc độ với sự tăng của dòng IC Khoảng thời gian (3)

phục thuộc và độ lớn của dòng IB1, dòng này càng lớn thì thời gian này càng ngắn Trong khoảng thời gian (4), đuôi điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện

áp bão hòa cuối cùng, xác định bởi biểu thức:

Khi điện áp điều khiển thayd dổi từ UB1 xuống –UB2 ở đầu giai đoạn (6) Điện tích tích lũy trong các lớp bán dân không thể thay đổi ngay lập tức được Dòng IB ngay lập tức sẽ có giá trị :

Lúc đầu các điện tích được di chuyển ra ngoài bằng dòng không đổi IB2.Giai đoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích trong tiếpgiáp bazo-conlecto giảm về bằng 0 và tiếp theo tiếp giáp này bắt đầu bị phân cựcngược Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khóa, t d(off)

Trong khoảng thời gian (7) dòng colecto IC bắt đầu giảm về bằng 0, điện áp UCE

sẽ tăng dần tới giá trị +Un Trong khoảng thời gian này BJT làm việc trong chế

độ tuyến tính, trong đó dòng IC tỷ lệ với dòng bazo Tụ CBC làm việc trong chế

độ tuyến tính, trong đó dòng IC tỷ lệ với dòng bazo Tụ CBC bắt đầu nạp tới giátrị điện áp ngược bằng Un Lưu ý rằng trong giai đọa này, tại điểm cộng dòngđiện áp trên bazo trên sơ đồ ta có: IB2=iC.BC-iB

Trong đó iC.BC là dòng nạp của tụ CBC; iB là dòng đầu vào của trazito Từ đó

có thể thấy quy luật iC=β.iB vẫn thực hiện Tiếp giáp B-E vẫn được phân cựcthuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược Đến cuối khoảng (7) tranzito mới khóalại hoàn toàn Trong khoảng (8), tụ bazo-emito tiếp tục nạp tới điện áp ngược –

UB2 Tranzito ở chế độ khóa hoàn toàn trong khoảng (9)

c) Đặc tính tĩnh của BJT và cách mắc sơ đồ Darlington

Từ đặc tính tĩnh ở trên thấy rằng hệ số khuếch đại dòng điện của các tran.công suất nhỏ chỉ khoảng hàng chục Do đó cần mắc hai tran nối tiếp nhau nhưhình vẽ

Hình 1.11 Sơ đồ Darlington

Sơ đồ Darlington là cách nối hau trazito Q1, Q2 với hệ số khuếch đạidòng tương ứng β1, β2, có hệ số khuếch đại chung bằng :β=β1+β2+β3+β4

1.1.7 Trasisto trường, MOSFET

a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MOSFET

MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòngđiện điều khiển cực nhỏ, hình 1.2.6a thể hiện cấu trúc bán dẫn và kí hiệu củamột MOSFET kênh dẫn kiểu n Trong đó G (Gate) là cực điều khiển được cách

ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có

độ cách điện cực lớn doxit-silic (Sio2) Hai cực còn lại là cực gốc S (Source) vàcực máng D (Drain) Trên kí hiệu phần tử, phần chấm gạch giữa D và S để chỉ rarằng trong điều kiện bình thường không có một kênh dẫn thực sự nối giữa D vớiS

Hình 1.12 a.Cấu trúc b.kí hiệu của MOSFET

Sự hình thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET

p

n

n n

n

p

n

-Cùc gèc (S –Source)

Hình 1.13 Sự hình thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET

Trong chế độ làm việc bình thường uDS > 0 Giả sử điện áp giữa cực điềukhiển và cực gốc bằng không, uDS=0, khi đó kênh dẫn sẽ hoàn toàn không xuấthiện Giữa cực gốc và cực máng sẽ là tiếp giáp p-n- phân cực ngược Điện áp uDS

sẽ là hoàn toàn rơi trên vùng nghèo điện tích của tiếp giáp này

Khi điện áp điều khiển âm, UGS < 0, thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển

sẽ tích tụ các lỗ (p), do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng sẽ không thểxuất hiện Khi điện áp điều khiển là dương, UGS>0, và đủ lớn, bề mặt tiếp xúccực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử, và một kênh dẫn thực sự đã hình thành Từcấu trúc bán dẫn của MOSFET, có thể thấy rằng giữa cực máng và cực gốc tồntại một tiếp giáp p-n-, tương đương với một Diode ngược nối giữa D-S

b) Đặc tính tĩnh của MOSFET

Khi điện áp điều khiển UGS nhỏ hơn một ngưỡng nào đó, cỡ 3V, MOSFET

ở trạng thái khóa với điện trở rất lớn giữa cực máng D và cực gốc S Khi UGS cỡ5-7V, MOSFET sẽ ở trong chế độ dẫn Thông thường người ta điều khiểnMOSFET bằngđiện áp điều khiển cỡ 15 V để làm giảm điện áp rơi trên D vs S.Khi đó UDS sẽ gần như tỷ lệ cới dòng ID

Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản, MOSFET có thể đóngcắt với tần số rất cao Tuy nhiên để đạt được thời gian đóng cắt rất ngắn thì vấn

đề điều khiển là rất quan trọng Cơ chế ảnh hưởng đến thời gian đóng cắt củaMOSFET là các tụ điện kí sinh giữa các cực

Hình 1.16 Sự phụ thuộc của tụ điện C GD vào điện áp U DS

Quá trình mở một MOSFET

Hình 1.17 Quá trình mở một MOSFET

a) Sơ đồ; b) Đồ thị dạng dòng điện, điện áp

Tải cảm trong sơ đồ thể hiện bằng nguồn dòng nối song song ngược vớidiot dưới điện áp một chiều UDD MOSFET được điều khiển bởi đầu ra của vimạch DRIVER dưới nguồn nuôi UCC nối tiếp qua điện trở Rgext Cực điều khiển

có điện trở Rgint Khi có xung dương ở đàu vào của DRIVER, ở đầu ra của nó sẽ

có xung với biên độ UP đưa đến điện trở RGgext

Như vậy UGS sẽ tăng với hằng số thời gian xác định bởi T1=(Rdt+

Rgext+Rgint).(CGS+CGDI), trong đó tụ CGD đang ở mức thấp, CGDI do điện áp UDS

Trong khoảng thời gian t1 đến t2, dòng Id tăng tuyến tính rất nhanh, đạt dếngiá trị dòng tải Từ t2 trở đi, khi UGS đạt đến mức, gọi là mức Miller điện áp,UDS

bắt đầu giảm rât nhanh Trong khỏng từ t2 đến t4, điện áo UGS bị găm ở mứcMiller, do đó dòng IG cũng có giá trị không đổi Khoảng này gọi là khoảngMiller Trong khoảng thời gian này, dòng điều khiển là dòng phóng cho tụ CGD

để giảm nhanh điện áp giữa cực máng vs cực gốc UDS

Sau thời điểm t4, UGS lại tăng tiếp tục với hằng số thời gian T2+(Rdr+Rgext+Rgin).(CGS+CGDh) vì lúc này tụ CGDh đã tăng đến giá trị cao CGDh UGS sẽtăng đến giá trị cuối cùng, xác định giá trị thấp nhất của điện áp giữa cực gốc vàcực máng, UDS+ IDS.RDS(on).

Quá trình khóa MOSFET

Hình 1.18.a Quá trình khóa MOSFET

Dạng sóng của quá trình khóa thể hiện như hình trên Khi đầu ra củamạch điều khiển Driver xuống đến mức không UGS bắt đầu giảm theo hàm mũvới hằng số thời gian T2=(Rdr+Rgext+Rgind).(CGS+CGDh) từ 0 đến t1 Tuy nhiên sauthời điểm t3 thì hằng số thời gian lại là T1+ (Rdr+Rgext+Tgint).(CGS+CGDI)

Từ điểm 0 đến t1 là thời gian trễ khi khóa Id(off), dòng điều khiển phóngđiện cho tụ cuối cùng tại t3, trong đó dòng Id vẫn giữ nguyên mức cũ Khoảngthời gian từ t2 đến t3 tương ứng với mức Miller, dòng điều khiển vài điện áp trêncực điều khiển giữ nguyên giá trị không đổi Sau thời điểm t3 dòng ID bắt đầugiảm về đến 0 ở thời điểm t4 Từ t4 MOSFET bị khóa hẳn

a) Các thông số thể hiện khả năng đóng cắt của MOSFET

Các thông số kĩ thuật của MOSFET thường được cho dưới dạng các trị số

tụ CIS, CRSS, COS dưới những điều kiện nhất định như điện áp UDS, UGS Có thểtính ra các tụ kí sinh như sau:

CGS=CRSS

CGSS=CISS – CRSS

CDSS=COSS – CRSS

Công suất mạch điều khiển : Pđiều khiển=UCC.Qg.fsw

Trong đó fsw là tần số đóng cắt của MOSFET

Tổn hao công suất do quá trình đóng cắt trên MOSFET:

Psw= UDS.IDS.TD.fsw.(ton+toff)

Trong đó ton, toff là thời gian mở và khóa của MOSFET, tương ứng là cáckhoảng thời gian từ t1 đến t4 trên đồ thị dạng sóng của các quá trình mở, khóa.

1.1.8 Transisto có cực điều khiển cách ly IGBT

a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 1.19 IGBT

IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khảnăng chịu tải lớn của Transisto thường IGBT được điều khiển bằng điện áp, cócông suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là cóthêm lớp p nối với colecto tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n –p giữa emito (tương tựcục gốc) với colecto (tương tự cực máng), không phải là n-n như ở MOSFET

Có thể coi IGBT tương đương với một Transisto p-n-p với dòng được điều khiểnbởi MOSFET

b) Đặc tính đóng cắt của IGBT

Hình 1.20 Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT

Trên hình thể hiện cấu trúc tương đương của IGBT với một MOSFET vàmột p-n-p Transisto Kí hiệu dòng qua MOSFET, i2 là dòng qua transisto PhầnMOSFET, i2 là dòng qua trasisto Phần MOSFET trong IGBT có thể khóa lạinhanh chóng nếu xả hết đc điện tích giữa G và E, do đó dòng y sẽ bằng 0 Tuynhiên thành phần dòng i2 sẽ không thể suy giảm nhanh được do lượng điện tích

hiện vùng dòng điện bị kéo dài khi khóa một IGBT Trên sơ đồ IGBT đóng cắtmột tải cảm có diode không D0 mắc song song OGBT được điều khiển bởinguồn tín hiệu với biên độ UG nối với cực điều khiển G qua điện trở RG Trên sơ

đồ Cgs, Cge thể hiện các tụ kí sinh giữa cực điều khiển và colecto, emito

Quá trình mở IGBT

Hình 1.21 Quá trình mở IGBT Quá trình mở IGBT diễn ra rất giống với quá trình này ở MOSFET khiđiện áp điều khiển đầu vào tăng từ không đến giá trị UG Trong thời gian trễn khi

mở Id(on) tín hiệu điều khiên nạp điện cho tụ Cgc làm điện áp giữa cực điều khiển

và emito tăng theo quy luật hàm mũ, từ ko đến giá trị ngưỡng UGE(th) (khoảng 3đến 5 V), chỉ bắt đầu từ đó MOSFET trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở

ra Dòng điện giữa colecto – emito tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòngtải I0 trong thời gian tr Trong thời gian tr điện áp giữa cực điều khiển và emitotăng đến giá trị UGE.I0 xác đinh giá trị dòng I0 qua colecto Do Diode D0 còn đangdẫn dòng tải I0 nên điện áp UCE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều

Udc Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo 2 giai đoạn, ttv1 và ttv2 Trong suốt 2 giaiđoạn này điện áp giữa cực điều khiển giữ nguyên ở mức UGE.I0 (mức Miller, đểduy trì dòng I0, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng của tụ Cgc.IGBT vẫnlàm việc trong chế độ tuyến tính Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa vàphục hồi của Diode D0, dòng phục hồi của Diode D0 tạo nên xung dòng trên mức

dòng I0 của OGBT Điện áp UCE bắt đầu giảm IGBT chuyển điểm làm việc quavùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hòa Giai đoạn 2 tiếp diễn quá trìnhgiảm điện trở trong vùng thuần trở của colecto – emito về giá trị Ron khi khóabão hòa hoàn toàn, UCE.on=I0Ron.

Sau thời gian mở ton, khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điềukhiển và emito tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ, với hằng số thời gian bằng

từ mức Miller điện áp giữa cực điều khiển và emito bị giữ không đổi do điện áp

Uce bắt đầu tăng lên và do đó tụ Cge bắt đầu được nạp điện Dòng điều khiển bâygiờ sẽ hoàn toàn là dòng nạp cho tụ Cge nên điện áp UGF được giữ không đổi Điện áp Uce tăng từ giá trị bão hòa Uce.on tới giá trị điện áp nguồn Udc saukhoảng thời gian trV Từ cuối khoảng IrV Diode bắt đầu mở ra cho dòng tải I0

ngắn mạch qua, do đó dòng colecto bắt đầu giảm, Quá trình giảm diễn ra theohai giai đoạn tti1 và tti2 Trong gian đoạn đầu, thành phần dòng i1 của MOSFETtrong cấu trúc bán dẫn IGBT suy giảm nhanh chóng về không Điện áp Ugc rakhỏi mức Miller và giảm về mức điện áp điều khiển ở đầu vào –UG với hằng sốthời gian RG(Cge+Cgc) Ở cuối khoảng tti1, Ugc đạt mức ngưỡng khóa củaMOSFET, UGE(th), tương ứng với việc MOSFET bị khóa hoàn toàn Trong giaiđoạn hai, thành phần dòng i2 của transisto p-n-p bắt đầu suy giảm Quá trìnhgiảm dòng này có thể kéo rấ dài vì các điệntích trong lớp n- chỉ bị mất đi do quátrình tự trung hòa điện tích tại chỗ Đó là vấn đề đuôi dòng điện đã nói đến ởtrên

Tổn hao năng lượng trong quá trình khóa có thể tính gần đúng bằng:

Qoff= Lớp n- trong cấu trúc bán dẫn của IGBT giúp giảm điện áp rơi khi dẫn, vìkhi đó số lượng các điện tích thiểu số (các lỗ) tích tụ trong lớp này làm giảmđiện trở đáng kể Tuy nhiên các điện tích tích tụ này lại ko có cách gì di chuyển

ra ngoài một cách chủ động được, làm tăng thời gian khóa của phần tử Ở đâycông nghệ chế tạo bắt buộc phải thỏa hiệp So với MOSFET, IGBT có thời gian

mở tương đương nhưng thời gian khóa dài hơn cỡ 1 đến 5 μs.s

Hình 1.22 Quá trình khóa của IGBT

Thời gian khóa của IGBT có thể rút ngắn nếu thêm vào một lớp đệm N+

như trong cấu trúc Punch Throung IGBT như hình:

Hình 1.2.7.5Cấu trúc bán dẫn của một IGBT cực nhanh

Cấu trúc này có một Thisisto kí sinh tạo từ ba tiếp giáp bán dẫn p-n, J1,J2,J3.Trong cấu trúc này mật độ các điện tích dương, các lỗ, suy giảm mạnh theohướng từ các lớp p+ đến n- đến n+, điều này giúp quá trình tự trung hòa các điện

tích dương trong lớp n- xảy ra nhanh hơn Công nghệ này tạo ra các IGBT cựcnhanh với thời gian khá nhỏ hơn 2 μs.s.

Vùng làm việc an toàn, SOA (Safe Operating Area)

Hình 1.23 Vùng làm việc an toàn, SOA

Vùng làm việc an toàn của các phần tử bán dẫn công suất, SOA, được thể hiệndưới dạng đồ thị quan hệ giữa giá trị điện áp và dòng điện lớn nhất mà phần tử

có thể hoạt động được trong mọi chế độ, khi dẫn khi khóa cũng như trong quátrình đóng cắt

Hình 1.24 Vùng làm việc an toàn của IGBT

Khi điện áp đặt lên cực điều khiển dương có dạng hình chữ nhật với hạnchế góc ở phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn.Điều này nghĩa là khi chu kì đóng cắt càng ngắn, ứng với tần số làm việc càngcao, thì khả năng đóng cắt công suất càng phải được suy giảm khi đặt điện ápđiều khiển âm lêc cực điều khiển và emito lại bị giới hạn ở vùng công suất lớn

do tốc độ tăng điện áp trên colecto-emito khi IGBT khóa lại Đó là vì khi tốc độ