Embed Size (px)
Citation preview
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
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
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.
Các phần tử bán dẫn công suất điển hình được dùng trong các bộ biến đổi công suất : Diode công suất, tiristor công suất SCR (Silicon Controlled Rectifier), tiristor khoá bằng cực điều khiển GTO (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 đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất :
1. Diode công suất : có dòng điện định mức tới 5000A, điện áp định mức tới 10kV , thời gian chuyển mạch nhanh nhất tới 20ns. Chủ yếu được dùng trong chỉnh lưu, biến đổi DC-DC.
2. Transistor lưỡng cực công suất BJT: dẫn dòng một chiều khi có dòng bazơ thích hợp. Dòng điện định mức 0,5-500A và lớn hơn, điện áp định mức tới 1200V, thời gian chuyển mạch từ 0,5-100µs. Chức năng chủ yếu là biến đổi DC-DC, phối hợp với diode trong nghịch lưu. BJT đang được thay thế bởi FET và IGBT.
3. Transistor trường công suất FET: dẫn dòng điện máng (Drain) khi có điện áp cổng thích hợp. Dòng điện định mức 1 – 100A, điện áp định mức 30-1000V, thời gian chuyển mạch rất nhanh 50-200ns. Chức năng chủ yếu là biến đổi DC-DC và nghịch lưu.
4. Transistor lưỡng cực cổng cách điện IGBT: là FET đặc biệt có chức năng của BJT và điều khiển cổng bằng FET. Nhờ vậy IGBT nhanh hơn và dễ sử dụng hơn BJT khi cùng công suất. Dòng điện định mức 10-600A, điện áp định mức 600-1700V. Được sử dụng chủ yếu trong nghịch lưu công suất từ 1-100KW.
5. Tiristor (Thyristor): dẫn điện tương tự như diode sau khi nhận được xung mồi thích hợp và trở về trạng thái bị khoá khi dòng điện bằng không. Sau khi đã dẫn, cực điều khiển không còn tác dụng nữa. Dòng điện định mức 10-5000A, điện áp định mức 200V-6kV, thời gian chuyển mạch 1-200µs. Là linh kiện điện tử công suất chủ yếu, được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của điện tử công suất.
6. Tiristor khoá bằng cực điều khiển GTO: là tiristor đặc biệt có thể khóa được bằng cách đặt xung âm vào cực điều khiển. Thay thế cho các BJT trong các ứng dụng đòi hỏi công suất lớn. Các đại lượng định mức tương tự như tiristor và được ứng dụng trong các bộ nghịch lưu trên 100KW.
7. TRIAC: là linh kiện phối hợp hai tiristor nối song song ngược và chỉ có một cực điều khiển. Dòng điện định mức 2-50A, điện áp định mức 200-800V. Ứng dụng chủ yếu trong các bộ biến đổi điện áp xoay chiều, điều khiển đèn, thiết bị điện gia dụng.
8. Tiristor điều khiển bằng MOSFET MCT: là tiristor đặc biệt có chức năng của GTO nhưng điều khiển bằng FET vì thế nhanh và dễ sử dụng hơn GTO.
9. Linh kiện cảm ứng tĩnh SID: là linh kiện được chuyển mạch bằng cách điều khiển hàng rào thế ở cổng. Công suất 100KW ở tần số 100kHZ. Ưu điểm chủ yếu là có tốc độ chuyển mạch cao, điện áp ngược lớn, điện áp rơi thuận rất nhỏ
Tính năng của các phần tử bán dẫn công suất chủ yếu cho trong bảng sau:
1
Linh kiện Năm xuất hiện
Uđm
(kV)
Iđm
(kA)
f
(kHZ)
P
(MW)
Điện áp rơi
(V)
Tiristor 1957 6 35 0,5 100 1,5-2,5
TRIAC 1958 1 0,1 0,5 0,1 1,5-2
GTO 1962 4,5 3 2 10 3-4
BJT 1960 1,2 0,8 10 1 1,5-3
MOSFET 1976 0,5 0,05 1000 0,1 3-4
IGBT 1983 1,2 0,4 20 0,1 3-4
SID 1976 1,2 0,3 100 0,01 2-4
MCT 1988 3 2 20-100 10 1-2
Các bộ biến đổi điện tử công suất gồm các linh kiện điện tử công suất nằm trong mạch động lực và các mạch điều khiển nhằm biến đổi dòng điện, điện áp và tần số dòng công suất gồm có :
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: Biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều DC-DC.
4. Bộ điều 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.
Bộ chỉnh lưu
Bộ nghịch lưu
Bộ biến tần Bộ băm
Môn học điện tử công suất nghiên cứu:
- Ứng dụng phần tử bán dẫn công suất trong năng lượng điện.
- Mạch điện tử điều khiển các phần tử bán dẫn công suất.
Ưu điểm của các phần tử bán dẫn công suất:
- Đóng cắt dòng điện không gây ra tia lửa điện.
- Không bị mài mòn theo thời gian.
- Được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ.
- Hiệu suất biến đổi điện năng cao.
- Cung cấp cho phụ tải được nguồn năng lượng theo yêu cầu.
- Đáp ứng nhanh.
2
Đại lượng một chiềuU1, I1
Đại lượng xoay chiềuu1, f1
Đại lượng xoay chiềuu2, f2
Đại lượng một chiềuU2, I2
Chương1. CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT1.1. MẶT GHÉP P-N
- Chất bán dẫn điện chiếm vị trí trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, điện trở suất của chúng nằm trong khoảng 10-6 - 108Ωm. Trong kỹ thuật chất bán dẫn công suất, người ta dùng các nguyên tố hóa học trong nhóm 4 của bảng tuần hoàn các nguyên tố. Chúng là Silic Si và Giéc ma ni Ge được đặc trưng bởi cấu trúc tinh thể.
- Trên tinh thể Si người ta khuếch tán một lượng nhất định các nguyên tử thuộc nhóm 5 ( Phốt pho P hoặc Antimoan Sb : có 5 điện tử lớp ngoài cùng ) người ta tạo ra được lớp bán dẫn kiểu n. Lớp bán dẫn kiểu n có đặc điểm trong cấu trúc mạng tinh thể sẽ có những nút bị thừa ra 1 điện tử, nghĩa là lớp n sẽ giàu các e tự do.
- Trên tinh thể Si người ta khuếch tán lượng nhất định các nguyên tử thuộc nhóm 3 ( Nhôm Al, Bo B, và Gali Ga : có 3 điện tử lớp ngoài cùng ) dưới nhiệt độ và áp suất thích hợp sẽ được lớp bán dẫn kiểu p. Lớp bán dẫn kiểu p có đặc điểm trong cấu trúc mạng tinh thể sẽ có những nút bị thiếu một điện tử tạo nên những iôn dương và những vùng điện tích dương.
- Khi sử dụng công nghệ khuếch tán tạo lớp bán dẫn p và n trên cùng 1 tinh thể Si sao cho lớp p và lớp n kề nhau ta được một tiếp giáp p-n.
- Ở nhiệt độ môi trường do chuyển động nhiệt các điện tử tự do vùng n sẽ khuếch tán sang vùng p và bị trung hoà bởi các iôn (+). Như vậy các điện tích vùng tiếp giáp tự trung hoà lẫn nhau làm cho vùng này trở nên nghèo điện tích và điện trở vùng tiếp giáp tăng cao. Tuy nhiên, vùng nghèo điện tích này chỉ có độ rộng nhất định.
- Khi e vùng n chuyển sang vùng p nó sẽ làm cho vùng n có một khối điện tích không gian dương.
- Vùng p sẽ có một điện tích không gian âm
Vùng –h ÷ h gọi là vùng chuyển tiếp. Vùng này có điện trở rất lớn.
Trong vùng chuyển tiếp hình thành một điện trường nội tại có chiều từ n p. Điện trường này ngăn cản các điện tử vùng n sang p và các iôn (+) sang n. Do đó vùng –h ÷ h chỉ mở rộng nhất định 0,01 ÷ 0,1mm.
Điện trường này cỡ 0,65V với Si ở 250C.
0,3V với Ge
Sự phân cực của mặt ghép p-n
a) Sự phân cực thuận:
P N
Ei
R E
3
-h +h0Hình 1.1 Hàng rào thế Hình 1.2 Cấu trúc mặt ghép pn
n
p + + +
- - -
n Ei
p n
Khi mặt nghép p-n được đặt dưới điện áp có cực tính như hình vẽ, chiều điện trường ngoài sẽ ngược với chiều điện trường nội tại Ei. Do vậy, vùng nghèo điện tích bị thu hẹp lại. Nếu E>Ei vùng nghèo điện tích bằng 0 và các điện tích có thể di chuyển tự do qua mặt ghép p-n.
b) Sự phân cực ngược:
Khi điện trường ngoài cùng chiều với điện trường nội tại Ei. Điện trường tổng Et sẽ cùng chiều và lớn hơn Ei, do đó nó ngăn cản chiều chuyển động của các điện tích đa số làm rộng thêm vùng chuyển tiếp, điện tử của vùng tiếp giáp p-n tăng làm cho dòng điện không chạy qua.
1.2. DIODE CÔNG SUẤT
Diode công suất do hai mặt ghép p-n ghép thành, diện tích mặt ghép tỉ lệ với dòng điện cho phép qua diode.
Trung bình mật độ dòng cỡ 10A/mm2.
Nhiệt độ mặt ghép cho phép: 2000C.
Để diode làm việc và chịu dòng cao phải có biện pháp
làm mát diode.
- Làm mát tự nhiên.
- Dùng cánh tản nhiệt: + Làm mát bằng gió.
+ Làm mát bằng dầu.
P N
A
K
A
K
Hình 1.7. Cấu tạo và ký hiệu diode
1.2.1. Đặc tính Vôn-ampe
Đặc tính V-A gồm hai nhánh:
- Nhánh thuận: Dưới điện áp UAK>0. Diode phân cực thuận. Đường đặc tính có dạng hàm mũ.
4
Hình 1.3 Phân cực thuận mặt ghép Hình 1.4 Trạng thái mặt ghép
Hình 1.5. Phân cực ngược mặt ghép
Hình 1.6. Trạng thái mặt ghép
Hình 1.8. Đặc tính V-A
P N
Ei
R E
UDo
U
i i
U UBR
UDo
U
i
- Nhánh ngược: Dưới điện áp UAK<0. Diode phân cực ngược. Khi tăng dòng điện cũng tăng.
Khi U > 0,1V. Dòng ngược không tăng.
Tới giá trị giới hạn. Khi . Dòng điện tăng đột biến phá huỷ diode.
Giải thích:
Dòng điện ngược hình thành do sự di chuyển của các điện tích thiểu số làm nên. Ở thời điểm đầu: Khi U I. Đến giới hạn Ut toàn bộ các điện tích thiểu số có mặt trong diode đều di chuyển để tạo dòng điện ngược nên dòng điện không tăng (tăng rất chậm).
Khi các điện tích di chuyển trong điện trường và được tích luỹ năng lượng W= .
Trong quá trình di chuyển chúng va chạm với các nguyên tử, vì động năng lớn chúng bẻ gẫy các liên kết của các nguyên tử trong mạng tinh thể tại vùng chuyển tiếp làm xuất hiện điện tử tự do mới. Các điện tích mới này chịu tác động của điện trường sẽ được gia tốc và bắn phá các nguyên tử khác. Do vậy một phản ứng dây chuyền xảy ra làm dòng ngược tăng nhanh. Dòng điện này sẽ gây phá huỷ diode.
Để bảo vệ diode trong thực tế người ta cho diode làm việc với điện áp U≤(0,7-0,8)UBR.
Biểu thức giải thích đặc tính V-A:
Với: e=1,59.10-19C Với:
K=1,38.10-23
Is: Là dòng điện dò.
1.2.2. Quá trình chuyển trạng thái
Khác với đặc tính V-A là đặc tính tĩnh, đặc tính u(t), i(t) cho thấy dạng của điện áp và dòng điện theo trên diode theo thời gian gọi là đặc tính động hay đặc tính đóng cắt của diode. Đặc tính đóng/cắt tiêu biểu của diode được cho trên hình
Quá trình khoá diode bắt đầu khi đóng khóa S. Dòng qua diode giảm dần, trong khoảng thời gian này diode vẫn còn phân cực thuận cho đến khi các điện tích trong lớp tiếp giáp p-n được di chuyển hết ra bên ngoài. Thời gian di chuyển của các điện tích phụ thuộc tốc độ tăng trưởng dòng ngược di/dt và lượng điện tích tích luỹ, phụ thuộc giá trị dòng điện mà diode dẫn trước đó. Khi dòng điện ngược đạt giá trị cực đại, tiếp giáp p-n trở lên phân cực ngược và diode ngừng dẫn dòng điện, điện áp rơi trên diode bắt đầu tăng. Trong giai đoạn tiếp theo tụ điện tưong đương của tiếp giáp p-n được nạp tới điện áp phân cực ngược, dòng điện qua diode giảm dần về giá trị bằng dòng rò.
Phần diện tích gạch chéo trên đường dòng điện i(t) tương ứng bằng lượng điện tích phải di chuyển ra bên ngoài. Phần điện tích này là điện tích phục hồi. Thời gian giữa giai đoạn t rr gọi là thời gian phục hồi.
Nhận xét:
5
Khi điện áp biến thiên với tần số cao, f=100Khz thì diode bình thường sẽ không còn chế độ khoá nữa. Đặc tính van một chiều sẽ mất. Khi đó diode gần giống với một điện trở
1.2.3. Các thông số cơ bản của một diode
1. Giá trị trung bình của dòng điện cho phép qua diode, ID (IF). Đây là dòng trung bình cho phép chảy qua diode với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn không vượt quá một giá trị cho phép. Trong thực tế dòng điện trung bình qua diode phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. Công suất phát nhiệt sẽ bằng tích của dòng điện chạy qua diode với điện áp rơi trên nó. Vì vậy dòng trung bình là một tham số quan trọng để chọn diode.
2. Dòng điện thuận cực đại không lặp lại, IFSM
3. Điện áp ngược lớn nhất mà diode bị đánh thủng, Ungmax (UBR). Là giá trị điện áp lớn nhất cho phép đặt lên diode. Khi sử dụng cần đảm bảo tại bất kỳ thời điểm nào điện áp ngược trên diode không lớn hơn Ungmax . Trong thực tế phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải chọn diode có thông số Ungmax ít nhất bằng 1,2 đến 2 lần giá trị biên độ điện áp lớn nhất đặt trên diode tính toán được trên sơ đồ.
4. Điện áp rơi trên diode khi phân cực thuận UF
5. Nhiệt độ mặt ghép Tj
1.3 . TRANSISTOR CÔNG SUẤT BJT( Bipolar Junction Tranzitor)
Tranzito là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p hoặc n-p-n tạo nên từ 2 tiếp giáp p-n.Tranzito có 3 cực như hình vẽ.
Tranzito công suất thường là loại n-p-n
6
Hình 1.9. Cấu tạo transistor BJT
Hoạt động: Xét loại n-p-n
Lớp bán dẫn n- có cấu tạo giống như lớp n, nhưng có ít điện tử tự do hơn. p - n- là vùng có trở kháng cao, do đó tranzitor chịu được điện áp cao hay thấp phụ thuộc độ dày miền n- . Ở chế độ bão hoà, dòng điện điều khiển Ib lớn, các điện tử được đưa thừa vào vùng p, các điện tích trung gian không trung hoà hết vùng bazơ có điện trở nhỏ có dòng điện chạy qua. Do tốc độ trung hoà điện tích không kịp, tranzitor không còn khả năng khống chế dòng điện.
1.3.1. Đặc tính V-A
0: hở mạch BE
R: kín mạch BE qua điện trở R
S: Ngắn mạch BE
U: Đặt điện áp ngược lên BE
Transistor công suất có 2 vùng làm việc: khuếch đại tuyến tính và đóng mở bão hòa. Trong lĩnh vực điện tử công suất, transistor hoạt động chủ yếu ở vùng đóng mở bão hòa (vùng gạch chéo )
1.3.2. Quá trình quá độ của transistor
1.3.3. Các thông số cơ bản
IC – dòng điện định mức
- hệ số khuếch đại dòng điện
7
Hình 1.10. Đặc tính V-A Hình 1.11. Đặc tính V-A
Hình 1.11. Quá trình chuyển trạng thái
IB = IC/ – dòng điện bazơ mA
U – sụt áp thuận
P – tổn hao công suất sinh nhiệt
Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép. Tại lớp tiếp giáp khoảng 2000C với bán dẫn Si
UCE - điện áp CE;
UBE - điện áp BE;
1.4. TRANSISTOR TRƯỜNG MOSFET
(Metal Oxide-Semiconductor Field-Effect Tranzitor)
1.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt độngKhác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng
điều khiển cực nhỏ. Hình 1.12 a, b thể hiện cấu trúc và ký hiệu của một MOSFET kênh dẫn kiểu n. Trong đó G 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 Dioxit Silic (SiO2). Hai cực còn lại là cực nguồn (S) và cực máng (D). Cực máng đón các hạt mang điện. Nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang điện sẽ là các điện tử ( electron , do đó cực tính điện áp của cực máng sẽ là dương so với cực nguồn. Trên ký hiệu, phần chấm gạch giữa D và S thể hiện trong điều kiện chưa có tín hiệu điều khiển thì không có một kênh dẫn thực sự nối giữa D và S.
Cấu trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng tương tự nhưng các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện ngược lại. Tuy nhiên đa số các MOSFET công suất là loại có kênh dẫn kiểu n.
Hình 1.12: a. Cấu trúc MOSFET kênh n b. Ký hiệu MOSFET kênh nHình 1.13 mô tả sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Trong chế độ làm
việc bình thường uDS > 0, giả sử điện áp giữa cực điều khiển và cực nguồn bằng không u GS = 0, khi đó kênh dẫn sẽ không hoàn toàn xuất hiện. Giữa cực nguồn và cực máng sẽ là tiếp giáp p – n - phân cực ngược. Điện áp uDS sẽ hoàn toàn rơi trên vùng nghèo điện tích của tiếp giáp này ( hình 1.13a).
Nếu 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 nguồn và cực máng sẽ không xuất hiện. Khi điện áp điều khiển dương u GS > 0, và đủ lớn, bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử, và một kênh dẫn thực sự đã hình thành ( hình 1.13b ). Như vậy trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, các phần tử mang điện là các điện tử, giống như của lớp n tạo nên cực máng, nên MOSFET được gọi là phần tử với các hạt mang điện cơ bản, khác với cấu trúc của BJT, IGBT, TIRISTOR là các phần tử với các hạt mang điện phi cơ bản. Dòng điện giữa cực máng và cực nguồn bây giờ phụ thuộc vào điện áp uDS .
Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET ( hình 1.13c ), có thể thấy rằng giữa cực máng và cực nguồn tồn tại một tiếp giáp p – n- , tương đương với một DIODE ngược nối giữa D và S. Trong các sơ đồ của các bộ biến đổi, để trao đổi năng lượng giữa tải và nguồn thường cần có các DIODE mắc song song với các van bán dẫn. Như vậy, ưu điểm của MOSFET là đã có sẵn một DIODE nội tại
8
Hình 1.13. Sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET kênh n
1.4.2. Đặc tính V-A
Khi UGS < 3V MOSFET ở trạng thái khóa.
Khi UGS cỡ 5-7V MOSFET ở trạng thái dẫn
Để hoạt động ở chế độ đóng cắt MOSFET được mở
bằng điện áp cỡ 12-15V
Hình 1.16 Đặc tính tĩnh của MOSFET
9
1.4.3. Quá trình chuyển trạng thái
Hình 2.17
1.5. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
1.5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Hình 1.19. IGBT
a. Cấu trúc b. Cấu trúc tương đương với một transistor n-p-n và một MOSFET c. Sơ đồ tương đương d. Ký hiệu
IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu dòng lớn của BJT. Về mặt điều khiển, IGBT gần giống như MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ.
Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp p nối với colectơ tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitơ ( tương tự như cực nguồn ) với colectơ ( tương tự như cực máng ), không phải là n-n như ở MOSFET ( hình 1.19 b) . Có thể coi IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng bazơ được điều khiển bởi một MOSFET ( hình 1.19 b,c).
Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE > 0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET. Các điện tử di chuyển về phía colectơ vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa bazơ và colectơ ở transistor thường, tạo nên dòng colectơ.
10
1.5.2. Quá trình chuyển trạng thái
Hình 1.22 Đặc tính động
1.5.3. Các thông số cơ bản của IGBT
UCES - Điện áp cực đại CE khi GE ngắn mạch.
UGES - Điện áp GE cực đại cho phép khi CE ngắn mạch.
IC- Dòng điện một chiều cực đại
ICmax - Dòng điện đỉnh của colector;
Pm - Công suất tổn hao cực đại;
TCP - Nhiệt độ cho phép;
IL - Dòng điện tải cảm cực đại;
Ir - Dòng điện rò
UGEng - Điện áp ngưỡng GE
11
1.6. TIRISTOR
1.6.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc
Tiristor ( thyristor) do nhóm kỹ sư của hãng Bell Telephone phát minh và sáng chế vào năm1956 .Cho đến nay người ta đã chế tạo được các tiristor làm việc với điện áp hàng KV và chịu dòng tới KA.
Tiristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo thành.
A J1
J2 J3 K p1 n1 p2 n2
A
K
G p2
p1
n1 n2
T1 T2
Tiristor có 3 lớp tiếp giáp J1, J2, J3 hình thành 3 cực Anot: A, Katot: K, cực điều khiển: G.
a. Mở tiristor
Khi phân cực thuận cho tiristor 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 tiristor. Khi đó để mở tiristor có 3 cách:
Tăng điện áp thuận UAK cho đến khi lớn hơn Uthmax khi đó điện trở nội của tiristor giảm mạnh, dòng qua tiristor sẽ do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trong thực tế không dùng (cần phải tránh) do những nguyên nhân sau:
- 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.
Tăng tốc độ biến thiên điện áp du/dt.
Đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào cực điều khiển (UGK>0) . Đây là phương pháp điều khiển tiristor được áp dụng trong thực tế. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của tiristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp. Khi đó nếu dòng qua tiristor lớn hơn một giá trị Idt thì tiristor 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 tiristor 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 lực.
Giải thích
Khi cấp dòng điện vào cực điều khiển, các điện tử từ N chảy sang P. Tại đây một phần chảy vào nguồn Ug và hình thành 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 N1 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
12
Hình 1.24. Cấu tạo tiristora)Nguyên lý, b) Ký hiệuc) Mặt ghép, d) Cấu trúc tương đương
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 Ig = 0 tiristor vẫn tiếp tục dẫn dòng.
Nếu dòng điện qua tiristor giảm xuống, thì số lượng điện tích chuyển động qua mặt ghép J 2 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. Tiristor trở về trạng thái khoá.
b. Khoá tiristor
Khi một tiristor đã mở, sự hiện diện của tín hiệu điều khiển Ig là không cần thiết, để khoá tiristor có 2 cách:
- Giảm dòng qua tiristor xuống dưới giá trị dòng duy trì Idt.
- Đặt một điện áp ngược lên tiristor (biện pháp thường dùng).
Khi đặt một điện áp ngược lên tiristor, 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 tiristor 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 tiristor thì nó cũng không thể mở. Thời gian khoá có giá trị 5-50s đối với tiristor tần số cao và 50-200s đối với tiristor tần số thấp.
1.6.2. Đặc tính V-A của Tiristor
Đặc tính V-A của tiristor gồm 2 phần : 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 hai nằm trong góc phần tư thứ ba tương ứng với trường hợp UAK < 0.
Đoạn 4 ứng với trạng thái tiristor được đặt dưới điện áp ngược. Khi điện áp uAK <0 theo cấu tạo bán dẫn của tiristor, tiếp giáp J2 phân cực thuận, tiếp giáp J1 và J3 phân cực ngược. Qua tiristor chỉ có một dòng điện rất nhỏ (khoảng vài chục mA) chảy qua gọi là dòng rò. Khi |UAK| tăng, dòng rò tăng với lượng rất nhỏ. Khi UAK đạt đến một giá trị nhất định Ungmax sẽ xảy ra hiện tượng tiristor bị đánh thủng, dòng điện qua tiristor tăng lên mãnh liệt. Giống như đoạn đặc tính ngược của diode.
Đoạn 3 ứng với trạng thái khoá của tiristor, trạng thái này ứng với tiristor được phân cực thuận UAK >0 nhưng dòng điều khiển bằng không( Ig =0). Khi đó chỉ có dòng rò chảy qua tiristor. Khi tăng điện áp UAK đến Uthmax (điện áp chuyển trạng thái) dòng điện sẽ tăng nhanh, tiristor chuyển sang trạng thái mở.
13
1
Hình 1.25. Sơ đồ đấu nối Hình 1.26. Đặc tính V-A
_
UAK
i
+ _ 4
3 2 IG3> IG2> IG1 > 0
Uthmax Ungmax
UAK
idt
Bằng cách cho Ig >0 sẽ nhận được một họ đường đặc tính V-A với các U th 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 lớn thì điểm chuyển mạch đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn
Đoạn 2 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 tiristor. Đoạn này còn được gọi là đoạn điện trở âm. Không tồn tại điểm làm việc ổn định trên đoạn này.
Đoạn 1 ứng với trạng thái mở của Tiristor. Khi này cả ba mặt ghép đều dẫn điện. Dòng điện qua tiristor phụ thuộc vào tải bên ngoài. Điện áp rơi trên tiristor nhỏ (khoảng 1-2V). Tiristor được giữ ở trạng thái mở khi dòng qua nó lớn hơn dòng duy trì Idt.
1.6.3. Đặc tính động
Đặc tính động thể hiện quá trình chuyển trạng thái của tiristor khi chuyển từ khóa sang dẫn và ngược lại.
Hình 1.27. Quá trình mở Hình 1.28. Quá trình khóa Hình 1.29. Vùng điều khiển
Đặc tính điều khiển cho biết mối quan hệ giữa điện áp điều khiển và dòng điều khiển.
1. Là đường đặc tính tiêu biểu
2. Đường đặc tính ứng với RG nhỏ
3. Đường đặc tính ứng với RG lớn
Các thông số giới hạn (cực đại) của tín hiệu điều khiển để đảm bảo tiristor mở chắc chắn và an toàn
Được thể hiện bằng vùng diện tích được tô đậm trên hình vẽ.
1.6.4. Các thông số cơ bản của tiristor
1. Giá trị dòng trung bình, Iv
2. Điện áp ngược lớn nhất Ung max
3. Thời gian phục hồi tính chất khoá tr(µs)
Là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên tiristor sau khi dòng điện qua tiristor đã về bằng không để đảm bảo rằng nếu ngay sau đó có lại điện áp thuận trên tiristor thì nó vẫn không mở. Thời gian phục hồi là một thông số quan trọng của tiristor, nhất là trong các bộ nghịch lưu.
4. Tốc độ tăng trưởng điện áp cho phép du/dt (V/µs)
Tiristo là một phần tử bán dẫn có điều khiển, nghĩa là khi tiristo được phân cực thuận và không có tín hiệu điều khiển đặt vào cực điều khiển thì nó phải ở trạng thái khoá. Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó tăng thêm tạo ra các vùng không gian nghèo điện tích cản trở dòng điện. Vùng không gian này có thể coi như một tụ điện có điện dung C . Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện sẽ tăng đáng kể, dòng điện này đóng vai trò như dòng điều khiển, kết quả là tiristo có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển đặt vào cực điều khiển.
Tốc độ tăng trưởng điện áp là một thông số để phân biệt tiristo tần số thấp với tiristo tần số cao. Với tiristo tần số thấp du/dt khoảng 50-200, với tiristo tần số cao du/dt khoảng 500-2000.
5. Tốc độ tăng dòng cho phép di/dt (A/µs)
Khi tiristo bắt đầu mở không phải mọi điểm trên mặt ghép J2 đều dẫn điện. Dòng điện sẽ bắt đầu tại một số điểm gần với cực điều khiển nhất. Sau đó dòng điện sẽ lan toả dần sang các điểm khác trên
14
toàn bộ mặt ghép J2. Nếu tốc độ tăng trưởng dòng điện quá lớn sẽ làm cho mật độ dòng điện ở thời điểm ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ sẽ làm nóng chảy tinh thể bán dẫn ở một vài điểm, từ đó làm hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn.
Tốc độ tăng trưởng dòng điện cũng phân biệt tiristo tần số thấp và cao. Ở tiristo tần số thấp di/dt khoảng 50-100, tần số cao khoảng 500-2000.
1.7. TIRISTOR KHOÁ BẰNG CỰC ĐIỀU KHIỂN GTO
( Gate turn off tiristor)
1.7.1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động
Tiristo được giới thiệu ở phần trên được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong dân dụng. Nó được sử dụng chủ yếu với mục đích chỉnh lưu với dải công suất từ vài trăm W đến vài trăm MW vì trong sơ đồ chỉnh lưu tiristo có thể khoá lại một cách tự nhiên dưới tác dụng của điện áp nguồn. Đối với các ứng dụng trong các bộ xung áp hoặc nghịch lưu, các van được đặt dưới điện áp một chiều nên điều kiện khoá tự nhiên sẽ không còn. Khi đó để sử dụng tiristo cần phải có các mạch chuyển mạch cưỡng bức phức tạp, tổn hao công suất lớn. Ngày nay người ta đã chế tạo được các van bán dẫn có khả năng điều khiển khoá bằng cực điều khiển.
Về cơ bản GTO giống như tiristo, nghĩa là nó có khả năng đóng cắt dòng điện rất lớn, chịu được điện áp cao, ngoài ra nó có khả năng chủ động hoàn toàn thời điểm mở và khoá dưới tác động của tín hiệu điều khiển.
Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp P, anot được bổ xung thêm các lớp bán dẫn n+. Dấu (+) chỉ ra rằng mật độ các điện tích tương ứng được làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của vùng này. Cực điều khiển vẫn được nối vào lớp thứ ba nhưng được chia nhỏ ra và phân bố đều so với lớp n+ của catot.
Khi chưa có dòng điều khiển nếu anot có điện áp dương hơn K thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa. Nếu K có điện áp dương hơn A thì tiếp giáp p+- n sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp thấp nghĩa là GTO không thể chịu được điện áp ngược.
GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng điện đi vào cực điều khiển như đối với tiristo. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác với tiristo nên dòng điều khiển phải có biên độ lớn hơn và duy trì thời gian lâu hơn để dòng qua GTO vượt xa giá trị dòng duy trì. Dòng duy trì ở GTO cũng cao hơn so với tiristo. Khi GTO đã dẫn thì không cần dòng điều khiển nữa. Như vậy có thể điều khiển mở GTO bằng những xung ngắn, công suất nhỏ.
Để khoá GTO cần lấy một xung dòng ra khỏi cực điều khiển. Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2
chứa một số lượng lớn điện tích sinh ra do hiện tượng bắn phá của các điện tích tạo lên vùng dẫn điện. 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 K và n+ của A. Kết quả là dòng điện A sẽ bị giảm cho đến khi về 0. Dòng điều khiển cần được duy trì một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khoá.
Trên hình ta thấy xung dòng khoá GTO phải có biên độ rất lớn, khoảng 20-25% biên độ dòng A-K. Xung dòng điều khiển phải có độ dốc sườn xung rất lớn
15
Hình 1.30. GTOa) Cấu trúc bán dẫn, b)Ký hiệu
Hình 1.31. Điều khiển GTOa) Yêu cầu , b)Nguyên lý
Sơ đồ điều khiển đơn giản như hình 1.32
Khi tín hiệu điều khiển là 15v, T1 mở dòng chạy từ +15v qua R1 nạp điện cho C tạo nên dòng chạy vào cực điều khiển của GTO. Khi tụ nạp đến giá trị 12V dòng điều khiển kết thúc.
Khi tín hiệu điều khiển là 0 V thì T1 khoá, T2 dẫn, tụ điện C phóng điện, dòng điện đi theo chiều T2-K-G-C tạo ra dòng đi ra khỏi cực điều khiển, GTO bị khoá lại.
Ỏ đây tụ C đóng vai trò nguồn áp do vậy nó phải là loại chất lượng cao, T2 phải là loại chịu được dòng điện lớn.
1.7.2. Một số thông số cơ bản của GTO
1. Dòng điện trung bình qua GTO
2. Điện áp ngược lớn nhất (lặp lại)
3. Điện áp rơi trên GTO khi làm việc với dòng trung bình
4. Điện áp kích mở
5. Dòng điện trung bình kích mở thuận
6. Dòng điện trung bình trong mạch G-K để duy trì trạng thái mở
7. Điện áp ngược đặt vào cực G để khoá GTO
8. Điện áp ngược cần thiết đặt vào cực G để duy trì trạng thái GTO khi đã khóa
9. Dòng điện cực đại trong mạch G-K
10. Thời gian khóa GTO
1.8. TRIAC( Triode Alternative Current)
1.8.1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động
16
Hình 1.33. Mạch điều khiển TRIACa) cấu tạo; b,c) Cấu trúc tương đương
Hình 1.32. Mạch điều khiển GTO
N4 N3
N1
P2 N2
P1
MT2
G
MT1 a)
P
P
N
N G
MT2
MT1 b)
MT2
MT1 G
MT2
MT1 G
P
P N
N G
MT2
MT1
MT2
MT1 G
c)
Triac là phần tử bán dẫn gồm 3 cực được cấu tạo từ 5 lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như ở tiristo theo cả 2 chiều giữa các cực T1 và T2 như trên hình vẽ. Về nguyên tắc có thể coi triac như 2 tiristo đấu song song ngược.
1.8.2. Đặc tính V-A
Đặc tính V-A của triac bao gồm 2 đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ I, III mỗi đoạn như đặc tính thuận của tiristo . Triac có thể điều khiển dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều khiển) và cả xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là dòng chỉ có thể chạy qua triac khi điện áp giữa T1 và T2 phải lớn hơn một giá trị nhất định, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dương. Trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng qua triac, người ta thường tính toán sử dụng dòng điều khiển âm. Nguyên lý thực hiện điều khiển bằng xung dòng điều khiển âm được biểu diễn trên hình vẽ.
Hình 1.35. Điều khiển bằng xung âm
Triac được sử dụng nhiều trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều hoặc các công tắc tơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ.
1.8.3. Các thông số triac
Triac tương đương 2 tiristor mắc song song ngược vì vậy thông số của triac tương đương thông số tiristor
1.9 TỔN HAO CÔNG SUẤT TRÊN CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT
Tổn hao công suất bằng tích của dòng điện qua phần tử với điện áp rơi trên nó
1.9.1 Tổn thất trong chế độ tĩnh, đang dẫn dòng hoặc đang khóa
Khi phần tử bán dẫn công suất đang khóa, điện áp rơi trên nó có thể lớn nhưng dòng điện rò qua van sẽ rất nhỏ, vì vậy tổn hao công suất có thể bỏ qua. Tổn hao công suất trong chế độ tĩnh chủ yếu sinh
17
Hình 1.34. Đặc tính V-A của triac
u
i
Uthmax
IG3>IG2>IG1 > 0
0 < IG1<IG2<IG3
ra khi van dẫn dòng. Với đa số các phần tử bán dẫn công suất, điện áp rơi trên van khi dẫn thường không đổi, ít phụ thuộc vào giá trị dòng điện chạy qua. Như vậy, có thể dễ dàng xác định được tổn hao công suuát trong trạng thái van dẫn.
1.9.2 Tổn thất trong quá trình đóng cắt ( quá trình chuyển mạch )
Trong quá trình đóng cắt, công suất tổn hao tức thời có có thể có giá trị lớn vì dòng điện và điện áp trên van có thể có giá trị lớn đồng thời. Khi phần tử bán dẫn công suất làm việc với tần số đóng cắt cao thì tổn hao do đóng cắt chiếm một phần lớn trong công suất phát nhiệt.
Để giảm tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt người ta đưa thêm vào các mạch trợ giúp. Hình 1.36 là sơ đồ có mạch trợ giúp. Các phần tử chủ yếu của mạch trợ giúp là cuộn cảm L và tụ điện C. Chức năng của L2 làm giảm tốc độ tăng dòng ic trong quá trình Tr đóng mạch, còn tụ điện C có tác dụng làm giảm tốc độ tăng của điện áp trên Tr khi cắt mạch
Hình 1.36.Mạch trợ giúp khi transistor đóng cắt
Câu hỏi ôn tập
1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các van bán dẫn công suất ?
2. Các van bán dẫn công suất hoạt động ở chế độ nào?
3. Sự khác biệt giữa nhóm van họ tiristor và nhóm van họ transistor ?
4. Đặc tính V-A ảnh hưởng như thế nào đến sự hoạt động của các van bán dẫn ?
5. Đặc tính động của các van ảnh hưởng như thế nào?
18
