Bài giảng Điện tử công suất - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:252

Thêm vào BST

Báo xấu

85
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng được biên soạn với thời lượng 30 giờ lý thuyết lên lớp và 60 giờ tự học, bài giảng được chia làm 5 chương với nội dung cơ bản đến kỹ thuật hiện đại đang ứng dụng trong thực tế, được trình bày cụ thể như sau: Đặc tính các phần tử công suất lớn, chỉnh lưu, nghịch lưu độc lập - tần biến, biến đổi xung áp, điều khiển các bộ biến đổi;...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Điện tử công suất - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

LỜI NÓI ĐẦU Học phần Điện tử công suất là môn học chuyên ngành của ngành CN Điện-Điện tử, CN Kỹ thuật Điện. Chương trình môn học đã được xây dựng theo chương trình học chế tín chỉ của Bộ Giáo dục & Đào tạo. Hiện nay có rất nhiều tài liệu, giáo trình liên quan đến môn học Điện tử công suất. Tuy nhiên các giáo trình này chưa thật phù hợp với chương trình đào tạo hiện nay. Do đó cần có giáo trình phù hợp với chương trình đào tạo trong nhà trường. Với yêu cầu trên “Bài giảng Điện tử công suất” được biên soạn với mục tiêu: - Chuẩn hoá nội dung chi tiết của chương trình Điện tử công suất. Xây dựng bài giảng theo phương thức đào tạo theo tín chỉ. - Tập bài giảng Điện tử công suất thống nhất quá trình giảng dạy, đảm bảo tính khoa học, cơ bản, hiện đại, đáp ứng được nhu cầu học tập, nghiên cứu. - Giáo trình dùng cho đào tạo CN Điện-Điện tử, CN Kỹ thuật Điện. Ngoài ra có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên trình độ khác. Bài giảng được biên soạn với thời lượng 30 giờ lý thuyết lên lớp và 60 giờ tự học, bài giảng được chia làm 5 chương với nội dung cơ bản đến kỹ thuật hiện đại đang ứng dụng trong thực tế. Được phân công biên soạn như sau: Th.s Nghiêm Thị Thúy Nga chủ biên, biên soạn chương 1, chương 2 Th.s Lê Anh Tuấn biên soạn chương 3,4 Th.s Đoàn Ngọc Sỹ biên soạn chương 5. Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo tham gia giảng dạy môn học Điện tử công suất của bộ môn Kỹ thuật điện tử, Khoa Điện-Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã đóng góp những ý kiến xây dựng, tạo điều kiện thuận tiện cho chúng tôi khi biên soạn tập bài giảng này. Tập bài giảng đề cập đến nhiều nội dung của các chuyên nghành kỹ thuật khác do đó không tránh khỏi những sai sót nhất định. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các bạn đồng nghiệp, bạn đọc gần xa giúp giáo trình hoàn thiện hơn. Mọi góp ý xin được gửi về Bộ môn Kỹ thuật Điện tử, Khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Nam Định, ngày.......tháng 11 năm 2012 Nhóm tác giả: Nghiêm Thị Thúy Nga Lê Anh Tuấn Đoàn Ngọc Sỹ i
Mục lục LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................................. i Chương 1: ĐẶC TÍNH CÁC PHẦN TỬ CÔNG SUẤT LỚN ................................................. 1 1.1. DIODE .......................................................................................................................... 3 1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động......................................................................... 3 1.1.2. Đặc tính V-A (Volt-Ampe) ................................................................................ 4 1.1.3. Đặc tính đóng cắt ................................................................................................. 5 1.1.4. Các thông số cơ bản. ........................................................................................... 6 1.2 THYRISTO (SCR- SILICON CONTROLLED RECTIFIER)............................... 6 1.2.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động ....................................................................... 6 1.2.2. Đặc tính V-A........................................................................................................ 8 1.2.3. Đặc tính đóng cắt:.............................................................................................. 10 1.2.4. Các thông số cơ bản. ......................................................................................... 11 1.3. TRIAC.........................................................................................................................12 1.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc: ........................................................................ 12 1.3.2. Đặc tính volt-Ampe........................................................................................... 13 1.4. TRANZITOR CÔNG SUẤT BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANZITOR).....14 1.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động....................................................................... 14 1.4.2. Đặc tính V-A...................................................................................................... 15 1.4.3. Đặc tính đóng cắt của BJT ............................................................................... 16 1.4.4. Các thông số kỹ thuật:....................................................................................... 18 1.5. MOSFET (METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FIELD – EFFECT)...........18 1.5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động....................................................................... 18 1.5.2. Đặc tính V-A...................................................................................................... 20 1.5.3. Đặc tính đóng cắt của MOSFET...................................................................... 21 1.5.4. Các thông số kỹ thuật:....................................................................................... 23 1.6. GTO (GATE TURN-OFF THYRISTOR)..............................................................24 1.6.1. Cấu trúc và nguyên lý làm việc: ...................................................................... 24 1.6.2. Đặc tính đóng cắt GTO ..................................................................................... 26 1.6.3. Thông số cơ bản của GTO ............................................................................... 27 1.7. IGBT (INSUALATED GATE BIPOLAR TRANZITOR) ..................................27 1.7.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động....................................................................... 27 1.7.2. Đặc tính đóng cắt của IGBT............................................................................. 28 1.7.3. Các thông số cơ bản của IGBT ........................................................................ 31 1.8. GHÉP VÀ BẢO VỆ CÁC VAN BÁN DẪN CÔNG SUẤT ...............................32 1.8.1 Ghép các linh kiện điện tử công suất ................................................................ 32 ii
1.8.2. Bảo vệ các linh kiện điện tử công suất.............................................................34 1.9. CÔNG SUẤT TIÊU TÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT ........................... 36 1.9.1 Tổn hao công suất trên phần tử bán dẫn ...........................................................36 1.9.2. Phương pháp làm mát ........................................................................................41 Câu hỏi ôn tập chương 1 ........................................................................................................... 46 Chương 2: CHỈNH LƯU............................................................................................................. 48 2.1. KHÁI NIỆM .............................................................................................................. 48 2.1.1. Cấu trúc mạch chỉnh lưu ...................................................................................48 2.1.2 Phân loại...............................................................................................................49 2.1.3. Các thông số cơ bản của mạch chỉnh lưu ........................................................50 2.1.4. Luật dẫn của van ................................................................................................51 2.1.5. Khái niệm về góc điều khiển (α) ......................................................................52 2.2. CHỈNH LƯU MỘT PHA NỬA CHU KỲ: ........................................................... 54 2.2.1. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ không điều khiển ...........................................54 2.2.2 Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ có điều khiển ...........................................62 2.3. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính........................................... 69 2.3.1 Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính không điều khiển .....69 2.3.2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính có điều khiển ...........74 2.4.Chỉnh lưu cầu một pha ............................................................................................... 81 2.4.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha không điêu khiển .............................................................81 2.4.2. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển ..............................................................86 2.4.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển ..................................................................89 2.5. Chỉnh lưu hình tia ba pha .......................................................................................... 92 2.5.1. Chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển ..............................................................92 2.5.2. Chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển ..........................................................97 2.6.Chỉnh lưu hình cầu ba pha ....................................................................................... 100 2.6.1 Chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển ...........................................................100 2.6.2. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn ..................................................103 2.6.3. Chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển ...............................................................105 2.7. Ghép các bộ chỉnh lưu và chỉnh lưu kép. .............................................................. 107 2.7.1. Ghép các bộ chỉnh lưu .....................................................................................107 2.7.2. Chỉnh lưu kép ...................................................................................................108 2.8. Trùng dẫn.................................................................................................................. 113 2.8.1. Khái niệm..........................................................................................................113 2.8.2.Quy luật của chuyển mạch trùng dẫn ..............................................................114 2.8.3. Ảnh hưởng của chuyển mạch trùng dẫn ........................................................117 2.8.4. Quá trình chuyển mạch ở một số mạch chỉnh lưu cơ bản............................118 iii
2.9. Nghịch lưu phụ thuộc ..............................................................................................123 2.9.1. Khái niệm ......................................................................................................... 123 2.9.2. Bản chất nghịch lưu phụ thuộc và các điều kiện thực hiện ......................... 123 CHƯƠNG 3: NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP – BIẾN TẦN .......................................................136 3.1. Nghịch lưu độc lập ...................................................................................................136 3.1.1. Khái quát về nghịch lưu độc lập .................................................................... 136 3.1.2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng...................................................................... 136 3.1.3. Nghịch lưu độc lập nguồn áp. ........................................................................ 143 3.2. BIẾN TẦN ...............................................................................................................147 3.2.1. Khái quát biến tần............................................................................................ 147 3.2.2. Biến tần trực tiếp. ............................................................................................ 148 3.2.3. Biến tần gián tiếp ............................................................................................. 155 3.2.4. So sánh bộ biến tần trực tiếp và bộ biến tần gián tiếp.................................. 158 3.2.5. Ứng dụng.......................................................................................................... 159 Câu hỏi ôn tập chương 3 ............................................................................................................160 CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP ................................................................................162 4.1. BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU ............................................................162 4.1.1. Khái quát về biến đổi xung áp........................................................................ 162 4.1.2. Bộ giảm áp ....................................................................................................... 164 4.1.3. Hiệu suất của bộ giảm áp................................................................................ 177 4.1.3. Bộ giảm áp ....................................................................................................... 177 4.2. BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP XOAY CHIỀU .........................................................179 4.2.1. Khái quát về biến đổi xung áp xoay chiều .................................................... 179 4.2.2. Bộ biến đổi xung áp xoay chiều một pha ...................................................... 180 4.2.3. Bộ biến đổi xung áp xoay chiều ba pha ........................................................ 183 Câu hỏi ôn tập chương 4 .................................................................................................189 Chương 5: ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI .....................................................................192 5.1. KHÁI QUÁT VÀ PHÂN LOẠI ............................................................................192 5.1.1. Chức năng và cấu trúc của hệ thống điều khiển bộ biến đổi....................... 192 5.1.2. Phân loại hệ điều khiển ................................................................................... 197 5.2. CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI .......................................................................................................................199 5.2.1. Mạch tạo tín hiệu đồng bộ .............................................................................. 199 5.2.3. Mạch so sánh ................................................................................................... 203 5.2.4. Các mạch khuếch đại xung............................................................................. 204 5.3. MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC ........................................212 5.3.1. Mạch điều khiển chỉnh lưu dùng UJT. .......................................................... 212 iv
5.3.3. Mạch điều khiển chỉnh lưu dùng IC OPAM .................................................213 5.3.2. Sơ đồ mạch điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc dùng IC CD4528 ...............216 5.3.3. Sơ đồ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc dùng TCA785...............................217 5.4. MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU .................... 220 5.4.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển..............................................................220 5.4.2. Nguyên lý điều khiển.......................................................................................220 5.4.3. Mạch điện .........................................................................................................223 5.5. MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ......................................................... 226 5.5.1 Nguyên lý điều khiển ........................................................................................226 5.5.2. Mạch điều khiển nghịch lưu dòng ..................................................................232 5.5.3. Mạch điều khiển nghịch lưu áp. .....................................................................233 5.6. MẠCH ĐIỀU KHIỂN SỐ...................................................................................... 236 5.6.1 Phương pháp dịch pha ......................................................................................236 5.6.2. Phương pháp điều khiển dọc...........................................................................239 5.6.3. Bộ điều khiển dùng vi xử lý ............................................................................241 5.7. MẠCH PHẢN HỒI VÀ ỔN ĐỊNH ...................................................................... 242 5.7.1. Khái niệm..........................................................................................................242 5.7.2. Ứng dụng ..........................................................................................................244 v
CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CÁC PHẦN TỬ CÔNG SUẤT LỚN Điện tử công suất đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong kỹ thuật hiện đại, làm thay đổi tận gốc rễ kỹ thuật truyền động điện, trong sản xuất, truyền tải và phân phối điện. Là một chuyên ngành của kỹ thuật điện tử, nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất trong các bộ biến đổi và khống chế nguồn năng lượng điện. Điện tử công suất (điện tử dòng điện mạnh) với đặc điểm chủ yếu là chuyển mạch (đóng - cắt) dòng điện lớn, điện áp cao, làm thay đổi độ lớn, tần số, dạng sóng dòng công suất. Công suất đầu ra được biến đổi về độ lớn, tần số, dạng sóng so với công suất đầu vào. Tín hiệu đóng vai trò điều khiển dòng công suất. Pin Pout Mạch động lực Tải Tín hiệu điều khiển Tín hiệu hồi tiếp Mạch điều khiển Tín hiệu đặt Hình 1. 1: Sơ đồ khối bộ biến đổi điện tử công suất Một bộ biến đổi bao gồm mạch động lực (mạch điện tử công suất) và mạch điều khiển. Trong đó: Mạch điện tử công suất giới hạn ở các sơ đồ sử dụng linh kiện điện tử làm việc ở chế độ đóng ngắt dùng cho biến đổi năng lượng điện. Mạch điều khiển gồm mạch điều khiển vòng kín (nếu có) và mạch phát xung. Mạch phát xung cung cấp dòng, áp điều khiển các linh kiện điện tử công suất để chúng đóng ngắt theo trình tự mong muốn. Mạch động lực (mạch điện tử công suất): 1. Bộ chỉnh lưu: Biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều (AC-DC). 2. Bộ nghịch lưu: Biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều (DC-AC). 3. Bộ băm điện áp (BBĐ xung áp một chiều): Biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều (DC-DC). 4. Bộ điều áp xoay chiều (BBĐ xung áp xoay chiều): Biến đổi điện áp xoay chiều thành địên áp xoay chiều tần số không đổi (AC-AC). 5. Bộ biến tần: Biến đổi dòng điện xoay chiều về tần số và điện áp (AC-AC). Các phần tử bán dẫn công suất điển hình được dùng trong các bộ biến đổi công suất: Diode công suất, thyristor công suất, thyristor khoá bằng cực điều khiển GTO 1
(Gate Turn off Tiristor), transistor lưỡng cực công suất BJT (Bipolar Junction Transistor), transistor trường công suất FET (Field Effect Transistor), transistor lưỡng cực cổng cách ly IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), TRIAC (Triode Alternative Current), tiristor điều khiển bằng MOSFET MCT (Mosfet Controlled Tiristor), linh kiện cảm ứng tĩnh điện SID (Static Induction Device). Các phần tử bán dẫn công suất trong lĩnh vực điện tử công suất có hai chức năng cơ bản: đóng và ngắt dòng điện đi qua nó. Trạng thái linh kiện dẫn điện (đóng) là trạng thái linh kiện có tác dụng như một điện trở rất nhỏ (gần bằng không). Trạng thái linh kiện không dẫn điện (ngắt) là trạng thái linh kiện có tác dụng trong mạch như một điện trở lớn vô cùng. Linh kiện bán dẫn hoạt động với hai chế độ làm việc đóng và ngắt dòng điện được xem là lý tưởng nếu ở trạng thái dẫn điện nó có độ sụt áp bằng không và ở trạng thái không dẫn điện (ngắt), dòng điện qua nó bằng không. Phân loại linh kiện bán dẫn: a. Linh kiện bán dẫn điều khiển được: Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc cùa mình từ trạng thái không dẫn điện (ngắt) sang trạng thái dẫn điện (đóng) và ngược lại thông qua tác dụng kích thích của tín hiệu lên cổng điều khiển của linh kiện, gọi linh kiện có tính điều khiển. Tín hiệu điều khiển có thể tồn tại dưới dạng dòng điện hay điện áp. Ví dụ BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IGCT, MCT, MT SCR, TRIAC. - Linh kiện bán dẫn điều khiển hoàn toàn – linh kiện đóng ngắt cưỡng bức (forced commutated device): là linh kiện có thể điều khiển đóng ngắt hoàn toàn bằng tín hiệu điều khiển, ví dụ BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IGCT, MCT, MT. - Linh kiện bán dẫn điều khiển đóng: là linh kiện chỉ có thể điều khiển đóng bằng tín hiệu điều khiển mà không điều khiển ngắt được: SCR, TRIAC b. Linh kiện bán dẫn không điều khiển được: là những linh kiện không có cực điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc của linh kiện xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất. Ví dụ: Diode, diac. 2
1.1. DIODE 1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 1. Cấu tạo: Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n. Diode có 2 cực, anode (A) là cực nối với lớp bán dẫn P, cathode (K) là cực nối với lớp bán dẫn N (Hình 1.1). a b c Hình 1.2: Diode công suất a. Cấu tạo b. Ký hiệu c. Hình dạng Do hiệu ứng khuếch tán các phần tử tải điện cơ bản giữa 2 miền, tại lớp tiếp xúc (phần truyền) sẽ hình thành 1 hiệu điện thế tiếp xúc, tạo ra từ trường E để ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các phần tử tải điện cơ bản. Kết quả là ở trạng thái cân bằng, ở ranh giới tiếp xúc tạo ra vùng nghèo các phần tử tải điện. Các diode công suất được chế tạo để chịu được một giá trị điện áp ngược nhất định. Do cấu trúc diode có lớp bán dẫn n- tiếp giáp với lớp p có cấu tạo giống như lớp n nhưng có ít các điện tử tự do hơn. 2. Nguyên lý làm việc: Å p n- - n Å p n- - n Å - Å - Å Å Å - - - - - Å Å Å - E + - Å Å - Vùng nghèo điện tích Vùng trở nên có độ dẫn điện + U - - U + Hình 1.2d Phân cực ngược Hình 1.2e Phân cực thuận Nối điện thế một điện trường ngoài (U), trạng thái cân bằng bị phá vỡ, nếu nối điện thế ngoài theo chiều dương (+) với anode và âm (–) với cathode của diode (hình 1.2e), điện trường ngoài sẽ ngược chiều với điện trường của điện áp tiếp xúc, các phần tử tải điện dịch chuyển qua vùng tiếp xúc và tạo ra dòng điện thuận qua diode. Nếu nối điện 3
thế ngoài theo chiều dương (+) với cathode và chiều âm (–) nối với anode của diode hình 1.2d, sẽ tạo ra điện trường ngoài cùng chiều với điện thế tiếp xúc, làm vùng nghèo được mở rộng. Vùng nghèo của lớp tiếp xúc không cho phép các phần tử tải điện chuyển qua lớp tiếp xúc và dòng qua lớp tiếp xúc chỉ là dòng điện rò. 1.1.2. Đặc tính Volt-Ampe (V-A) Trên hình 1.3 mô tả đặc tuyến Volt-Ampe của diode, ứng với nhánh phân cực ngược dòng rò là không đáng kể, nó phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Diode công suất làm việc với dòng thuận lớn vì vậy đòi hỏi chế độ giảm nhiệt thích hợp. Thông thường sẽ có 1 cực tính được chế tạo thuận lợi cho việc ghép với tản nhiệt. Các diode công suất sử dụng cho các thiết bị công nghiệp thường đòi hỏi phải có khả năng chịu đựng điện áp ngược lớn, khoảng vài trăm cho đến vài ngàn Volt. Dòng điện định mức (dòng tải chính hay dòng thuận) phải đạt vài trăm Ampe. Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận nằm ở góc phần tư thứ I tương ứng với U AK>0, đặc tính ngược nằm ở góc phần tư thứ III tương ứng UAK
Theo đặc tính lý tưởng, diode có thể cho phép một dòng điện lớn bất kì chạy qua với sụt áp trên nó bằng 0 và chịu được điện áp ngược lớn bất kỳ có dòng rò bằng 0. Nghĩa là, theo đặc tính lý tưởng, diode có điện trở tương đương khi dẫn bằng 0 và khi khóa bằng  . Đặc tính V-A của các diode thực tế sẽ khác nhau, phụ thuộc vào dòng điện cho phép chạy qua diode và điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu đựng được. 1.1.3. Đặc tính đóng cắt Khác với đặc tính Volt-Ampe là đặc tính tĩnh, đặc tính u(t), i(t) cho thấy dạng của điện áp và dòng điện trên diode theo thời gian, gọi là đặc tính động hay đặc tính đóng-cắt của diode. Đặc tính đóng-cắt của diode tiêu biểu được thể hiện trên hình 1.4. + Khoảng t1 diode bắt đầu dẫn dòng. Dòng điện ban đầu nạp điện tích cho tụ điện tương đương tiếp giáp p-n. + Khoảng t2 khi lượng điện tích đã đủ lớn độ dẫn điện của tiếp giáp tăng lên, điện trở giảm và điện áp trên diode trở về ổn định ở mức sụt áp cỡ 1-1,5V (Von ) diode hoàn toàn dẫn dòng. iD IF Qrr t uD t3 t4 t5 t1 t2 VF trr Von t VR Vrr Hình 1.4: Đặc tính đóng cắt của một diode + Khoảng t3 diode bắt đầu khóa. Diode vẫn còn được phân cực thuận cho đến khi các điện tích trong lớp tiếp giáp được di chuyển hết ra ngoài. Thời gian di chuyển phụ thuộc giá trị tăng của dòng ngược dirr /dt và lượng điện tích tích lũy. + Khoảng t4 tiếp giáp p-n phân cực ngược và diode có khả năng ngăn cản dòng điện. + Khoảng t5 tụ điện tiếp tục được nạp tới điện áp phân cực ngược. Diện tích gạch chéo trên đường dòng điện i(t) tương ứng bằng với lượng điện tích phải di chuyển ra bên ngoài Qrr. Điện tích Qrr là điện tích phục hồi. Thời gian trr = t4+t5 gọi là thời gian phục hồi và là một trong những thông số quan trọng của diode. 5
1.1.4. Các thông số cơ bản. 1. Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận (ID). Trong quá trình làm việc diode chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anod đến cathode, điều này có nghĩa là công suất phát nhiệt sẽ tỷ lệ với giá trị trung bình của dòng điện. Vì vậy dòng điện ID là thông số quan trọng để lựa chọn diode cho một ứng dụng thực tế. 2. Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu đựng được (Ung.max). Theo đặc tính Volt - Ampe, quá trình diode bị đánh thủng là quá trình không bị đảo ngược được, vì vậy trong mọi ứng dụng phải luôn luôn đảm bảo rằng UAK < Ung.max. 3. Tần số Quá trình phát nhiệt trên diode còn phụ thuộc vào tần số đóng cắt của diode. Trong quá trình diode mở ra hoặc khóa lại, tổn hao công suất tức thời u(t).i(t) có giá trị lớn hơn lúc diode đã dẫn dòng hoặc đang bị khóa. Các diode được chế tạo với tần số làm việc khác nhau, do đó tần số là một thông số quan trọng phải lưu ý khi lựa chọn diode. 4. Thời gian phục hồi trr và điện tích phục hồi Qrr Các diode khi bị khóa lại có dòng ngược để di chuyển lượng điện tích Qr ra khỏi cấu trúc bán dẫn, phục hồi khả năng khóa của mình. Thời qian phục hồi tr nếu bị kéo dài làm chậm lại quá trình chuyển mạch ở các van và làm tăng tổn thất trong quá trình đóng cắt các van. Những lý do như trên khiến ta phải đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng của t rr trong những trường hợp cụ thể. Diode được ứng dụng trong bộ chỉnh lưu không điều khiển, bộ biến đổi DC-DC và bảo vệ các van bán dẫn. 1.2. THYRISTOR 1.2.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 1. Cấu trúc thyristor Thysistor có cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp J1, J2, J3, thyristor có ba cực: anode (A), cathode (K), cực gate (G) biểu diễn trên hình 1.5. Về mặt cấu tạo thyristor gồm một đĩa silic từ đơn tinh thể loại n, trên lớp đệm p có cực điều khiển bằng nhôm. Lớp cathode là lớp bán dẫn loại n rất mỏng và mật độ điện tử rất cao. Nên nếu có dòng thuận qua sẽ tạo nên nhiều điện tử ở lớp điều khiển. Lớp điều khiển là bán dẫn loại p mỏng có mật độ trung bình, do đó hầu hết các điện tử ở lớp cathode có thể tới được lớp điều khiển. 6
J1 J2 J3 a. Cấu trúc b. Ký hiệu c. Mạch tương đương Hình 1.5: Cấu tạo và ký hiệu của thyristor Hình 1.6: Hình dạng bên ngoài thyristor 2. Nguyên lý hoạt động a. Kích mở thyristor Khi phân cực thuận cho thyristor UAK >0, mặt ghép J1 và J3 phân cực thuận, mặt ghép J2 phân cực ngược, gần như toàn bộ điện áp đặt vào mặt ghép J2. Điện trường nội tại E của J2 cùng hướng với điện trường ngoài, vùng cách điện được mở rộng ra, không có dòng chảy qua thyristor. Khi đó để mở thyristor có 2 cách: Cách 1 là tăng điện áp thuận UAK cho đến khi lớn hơn Uthmax khi đó điện trở nội của thyristor giảm mạnh, dòng qua thyristor sẽ do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trong thực tế không dùng (cần phải tránh) do những nguyên nhân sau: thyristor mở không mong muốn và không phải khi nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị Uthmax. Trường hợp này thường xảy ra do tác dụng của xung áp tại một thời điểm ngẫu nhiên không định trước. Cách 2 đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào cực điều khiển (U GK>0). Đây là phương pháp điều khiển thyristor được áp dụng trong thực tế. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp. Khi đó nếu dòng qua thyristor lớn hơn một giá trị Idt thì thyristor sẽ tiếp tục ở trạng thái dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển. Có nghĩa là có thể điều khiển mở thyristor bằng các xung dòng có độ rộng nhất định, do vậy công suất mạch điều khiển thực tế là rất nhỏ so với công suất mạch động lực. Tức là khi cấp dòng điện vào cực điều khiển, các điện tử từ N chảy sang P. Tại đây một phần chảy vào nguồn và hình thành 7
dòng điều khiển Ig theo mạch G-J3-K-G. Một phần điện tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp tại mặt ghép J2 chúng lao vào vùng chuyển tiếp này. Được gia tốc bởi điện trường, động năng tăng lên, trong quá trình chuyển động chúng va quệt và bẻ gãy các liên kết giữa các nguyên tử Si tạo nên những điện tử tự do mới. Số điện tử mới giải phóng này lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp. Kết quả là phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N 1 gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt, mặt ghép J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm nào đó quanh cực G rồi lan ra toàn mặt ghép. Dòng điện IAK tăng mạnh các điện tử chuyển động theo chiều N2 - P2 –N1 – P1 sẽ liên tiếp bắn phá mặt ghép J2 làm cho mặt ghép này không thể khôi phục tính chất cách điện, do vậy thời điểm này nếu I g = 0 thyristor vẫn tiếp tục dẫn dòng. Nếu dòng điện qua thyristor giảm xuống, thì số lượng điện tích chuyển động qua mặt ghép J2 giảm xuống. Khi dòng nhỏ hơn dòng duy trì thì số điện tích chuyển động qua mặt ghép J2 không đủ để duy trì tính dẫn điện của mặt ghép J2 kết quả là mặt ghép sẽ khôi phục dần tính chất cách điện. Thyristor trở về trạng thái khoá. b. Kích khoá thyristor Khi một thyristor đã mở, sự hiện diện của tín hiệu điều khiển Ig là không cần thiết, để khoá thyristor có 2 cách. Cách 1 giảm dòng qua thyristor xuống dưới giá trị dòng duy trì Idt. Cách 2 đặt một điện áp ngược lên thyristor (biện pháp thường dùng). Khi đặt một điện áp ngược lên thyristor, mặt ghép J1 và J3 bị phân cực ngược, J2 được phân cực thuận. Những điện tử tại thời điểm trước khi đặt điện áp ngược đang có mặt tại P1,N1, P2 bây giờ đảo chiều chuyển động tạo nên dòng điện ngược chảy từ K về A. Lúc đầu dòng điện ngược lớn, sau đó mặt ghép J1 và J3 trở nên cách điện, dòng điện ngược giảm dần. Dòng điện ngược di chuyển các điện tích ra khỏi mặt ghép J2 và nạp điện cho hai tụ điện tương đương của hai mặt ghép J1 và J3. Thời gian khoá của thyristor được tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược cho tới khi dòng điện ngược bằng không. Đây là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu lại đặt điện áp thuận lên thyristor thì nó cũng không thể mở. Thời gian khoá có giá trị 5s-50s đối với thyristor tần số cao và 50s-200s đối với thyristor tần số thấp. 1.2.2. Đặc tính V-A Đặc tính vôn - ampe của một thyristor gồm 2 phần hình 1.7. Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ nhất 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 với trường hợp UAK
i(A) Nhánh thuận mở (1) (1) (3) IG3 > IG2 > IG1 > IG0 = 0 Idt Dòng rò(mA) u(V) Ung.max Uth.max (3) (4) Nhánh ngược ) khóa Hình 1.7: Đặc tuyến V-A của thyristor Khi dòng vào cực điều khiển của thyristor bằng 0 hay để hở cực G thì thyristor sẽ bị cản trở dòng điện tương ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anode-cathode. + Khi điện áp UAK < 0 theo cấu tạo bán dẫn của thyristor, tiếp giáp J2 phân cực thuận, tiếp giáp J1 và J3 phân cực ngược. Như vậy thyristor giống như hai diode mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua thyristor chỉ có một dòng điện rất nhỏ (khoảng vài chục mA) chảy qua gọi là dòng rò (đoạn 2). Khi |UAK| tăng, dòng rò tăng với lượng rất nhỏ. Khi UAK đạt đến một giá trị nhất định Ungcmax sẽ xảy ra hiện tượng thyristor bị đánh thủng, dòng điện qua thyristor tăng lên mãnh liệt. Giống như đoạn đặc tính ngược của Diode (đoạn 3). + Khi thyristor được phân cực thuận UAK > 0. Khi đó chỉ có dòng rò chảy qua thyristor. Điện trở tương đương mạch anode-cathode vẫn có giá trị rất lớn, tiếp giáp J1 và J3 phân cực thuận, tiếp giáp J2 phân cực ngược. Khi tăng điện áp UAK đến Uthmax (điện áp chuyển trạng thái) sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anode-cathode đột ngột giảm, dòng điện chạy qua thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. Nếu khi dòng qua thyristor lớn hơn một mức dòng tối thiểu gọi là dòng duy trì (Idt) thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng tăng nhanh trên đường đặc tính thuận giống như đặc tính thuận của diode (đoạn 1), thyristor chuyển sang trạng thái mở. Đoạn 1 ứng với trạng thái mở của thyristor. Khi đó cả ba mặt ghép đều dẫn điện. Dòng điện qua thyristor phụ thuộc vào tải bên ngoài. Điện áp rơi trên thyristor nhỏ (khoảng 1-2V). Thyristor được giữ ở trạng thái mở khi dòng qua nó lớn hơn dòng duy trì Idt. Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và cathode quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất (UB0). Ứng với các giá trị dòng điều khiển khác nhau IG1, IG2, IG3 >0 sẽ nhận được một họ đường đặc tính V-A với các Uth nhỏ dần đi. Khi IG > IGmax ta thu được đường đặc tính thuận giống với đặc tính của diode. Nói chung nếu dòng điều khiển 9
lớn thì điểm chuyển mạch đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn. Đoạn 4 ứng với trạng thái phân cực thuận của mặt ghép J2. Trong đoạn này một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt trên thyristor. Đoạn này còn được gọi là đoạn điện trở âm. Không tồn tại điểm làm việc ổn định trên đoạn này. 1.2.3. Đặc tính đóng cắt 1. Quá trình đóng thyristor Quá trình tăng dòng trong thyristor được bắt đầu sau một khoảng thời gian t1, giá trị của thời gian này phụ thuộc vào biên độ dòng xung ban đầu Igmax và dao động trong khoảng 0,1-2ms. Trong khoảng thời gian ban đầu dòng qua thyristor tăng đến giá trị dòng chốt, dòng này thường có giá trị bằng 0,1Idm. Sau đó dòng điện tăng dần và đạt giá trị ổn định sau khoảng thời gian t2. Sau khi thyristor dẫn xung dòng điện điều khiển có thể giảm. 2. Quá trình ngắt thyristor Được tổng hợp từ 3 giai đoạn: Giai đoạn tăng dòng ngược (t 3), giai đoạn giảm dòng ngược về 0 (t4), giai đoạn phục hồi tính nghịch của thyristor (t5). Chỉ sau khoảng thời gian tr = t3 + t4+ t5 thì trên hai cực của thyristor mới có thể đặt một điện áp thuận. tr thời gian ngắt an toàn của thyristor: là khoảng thời gian từ khi dòng thuận trở về 0 cho đến khi xuất hiện điện áp khoá thuận mà thyristor không bị đóng lại khi chưa có tín hiệu xung điều khiển. ig igmax t uT 0,1UT t iT tq t t1 t3 t2 t4 t5 td Hình 1.8: Đặc tuyến đóng cắt của thyristor 10
1.2.4. Các thông số cơ bản 1. Giá trị dòng cho phép chạy qua thyristor (Iv) 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 điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. 2. Điện áp ngược cho phép lớn nhất (Ung.max) 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 U AK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung.max. Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó. 3. Thời gian phục hồi tính chất khoá của thyristor, (tr ( s )) Đây là thời gian tối thiểu phải đặt lên điện áp âm lên giữa A-K của thyristor sau khi dòng A-K đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp dương mà thyristor vẫn khóa. Thời gian phục hồi tr là một thông số rất quan trọng của thyristor, nhất là trong các bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 đến 2 lần tr 4. Tốc độ tăng điện áp cho phép (du/dt (V/s)) Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dù đựơc phân cực thuận (UAK>0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng điện chạy qua. Khi thyristor được phân cực thuận nếu điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện qua lớp tiếp giáp J2 có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G. Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor tần số cao. ở thyristor tần số thấp du/dt vào khoảng 50 đến 200 V/ s ; với các thyristor tần số cao dU/dt có thể đạt 500 đến 2000 V/ s . 5. Tốc độ tăng dòng cho phép (di/dt (A/s)) Khi thyristor bắt đầu mở, không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan toả dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ có thể dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn. Tốc độ tăng 11
dòng thyristor tần số thấp, có di/dt cỡ 50-100 (A/ s ), với các thyristor tần số cao với di/dt cỡ 500-2000 (A/ s ). Thyristor được ứng dụng trong bộ chỉnh lưu có điều khiển, bộ nghịch lưu và biến tần. 1.3. TRIAC 1.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc 1. Cấu tạo và ký hiệu Triac là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn bao gồm năm lớp, tạo nên cấu trúc p- n-p-n như ở thyristor theo cả hai chiều giữa các cực MT2(T2) và MT1(T2) như được thể hiện trên hình 1.9a. Triac có kí hiệu trên sơ đồ như trên hình 1.9c, có thể dẫn dòng theo cả 2 chiều MT2(T2) và MT1(T1). Về nguyên tắc triac hoàn toàn có thể coi tương đương với hai thyristor đấu song song ngược như trên hình 1.9b. MT2 N1 P1 N2 G N 3 P2 N4 MT1 Hình 1.9: Cấu trúc và ký hiệu a. Sơ đồ cấu trúc b. Sơ đồ tương đương c. Ký hiệuTriac 2. Nguyên lý làm việc Đưa một xung dương hoặc một xung âm vào cực điều khiển sẽ kích dẫn triac. Điện áp trên các cực MT2 và MT1 có thể dương hoặc âm. Có bốn chế độ mồi tùy theo cực tính của MT2 và G so với MT1. Điều này tương ứng với bốn góc phần tư của mặt phẳng MT2 và IGT. + Góc phần tư thứ nhất: Điện áp MT2 dương, dòng điều khiển dương. Triac được mồi như thyristor thường, do đó MT2 sẽ là anode, MT1 là cathode. + Góc phần tư thứ hai: Điện áp MT2 dương, dòng điều khiển âm. Thyristor P1N2P2N4 vẫn còn dẫn nhưng chuyển tiếp P2N2 phân cực ngược, chuyển tiếp P2N3 phân cực thuận, vùng N3 trích các điện tử trong P2 và gây hiệu ứng thác của P2N2 ở gần N3. Điện trở silic trong vùng này giảm và điện thế của vùng P2 xung quanh N3 gần bằng điện thế MT2. Bên trái chuyển tiếp P2N4 phân cực thuận và vùng N4 gửi các điện tử trong P2 gây thác trong toàn bộ chuyển tiếp P2N2. 12
+ Góc phần tư thứ 3: Điện áp MT2 âm, dòng điều khiển âm. Thyristor bây giờ là P2N2P1N1 do ảnh hưởng của dòng điều khiển vùng N3 trích các điện tử trong P2. Một bộ phận điện tử này sẽ tìm thấy trong vùng điện tích không gian của chuyển tiếp P2N2 và bị đẩy về N2 do ảnh hưởng của trường bên trong vùng này. Dòng điện ngược của chuyển tiếp N2P1 đóng vai trò vùng điều khiển tăng thêm và tạo nên thác. Do đó MT1 sẽ là anot, MT2 là catot. + Góc phần tư thứ tư: Điện áp MT2 âm, dòng điều khiển dương. Thyristor P2N2P1N1 vẫn còn dẫn. Các điện tử đảm bảo tăng dòng điện ngược của chuyển tiếp N2P1 bây giờ đưa duy trì bởi phía trái của chuyển tiếp N4P2 phân cực thuận. Do khác nhau về cơ chế hoạt động nên dòng điều khiển tối thiểu cần để mồi triac thay đổi theo các góc phần tư. Góc phần tư thứ I và III có dòng điều khiển nhỏ nhất. Hình 1.10: Chế độ kích dẫn triac 1.3.2. Đặc tính Volt-Ampe (V-A) Đặc tính Volt-Ampe của triac gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ I và thứ III, mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một thyristor như được biểu diễn trên hình 1.11. Hình 1.11: Đặc tuyến V-A của triac Triac có thể điều khiển mở dòng bằng cả xung dòng dương (dòng đi vào cực điều khiển) hoặc bằng xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là dòng chỉ có thể chạy qua triac khi điện áp giữa T 1 và 13
T2 phải lớn hơn một giá trị xác định, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dương. Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua triac, sử dụng dòng điều khiển âm là tốt hơn cả. Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều hoặc các công tắc tơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ. 1.4. TRANSITOR CÔNG SUẤT, BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANSITOR) 1.4.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 1. Cấu trúc: - 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 (JE, JC). Lớp tiếp xúc JE phân cực theo chiều thuận để kéo điện tử về vùng Base, lớp tiếp xúc JE phân cực theo chiều nghịch để thu điện tử về vùng collector. Cấu trúc này thường được gọi là Bipolar Junction Transistor (BJT), vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm cả hai loại điện tích âm và dương (Bipolar nghĩa là hai cực tính). Transistor có ba cực: Base (B), Collector (C) và Emitter (E). BJT công suất thường là loại bóng ngược. Cấu trúc tiêu biểu và ký hiệu trên sơ đồ của một BJT công suất được biểu diễn trên hình 1.12, trong đó lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh thủng của tiếp giáp B-C và của C-E. B E Baz¬ Emit¬ C p n n B n- n E C Colect¬ Hình 1.12: Sơ đồ cấu trúc và ký hiệu của BJT loại NPN 2. Nguyên lý làm việc - Mỗi lớp có thể được phân cực theo chiều thuận hoặc chiều nghịch dưới tác dụng của điện thế ngoài. Sự dịch chuyển của dòng collector IC khi qua lớp bị phân cực nghịch chịu ảnh hưởng rất lớn của dòng kích IB dẫn qua lớp phân cực thuận. - Khi UBE > 0; UCE > 0 lớp tiếp xúc BE phân cực theo chiều thuận, điện tử tự do từ emitter chuyển sang base, vì base có rất ít phần tử mang điện dạng lỗ trống nên một phần nhỏ điện tử tự do (1%) kết hợp với phần tử tích điện dương, phần điện tử tự do còn lại (99%) chạy đến collector do UCE>0 tạo ra dòng điện trong transistor đồng thời điện tích lỗ trống từ collector cũng dịch chuyển sang vùng base. 14