Đang tải... (xem toàn văn)
Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Các phần tử bán dãn công suất 1 LỜI GIỚI THIỆU Nhằm thống nhất nội dung giảng dạy trong các hệ đào tạo, tác giả đã xây dựng giáo trình điệ.Tổng quan về điện tử công suất 1.1.1 Khái niệm và các đặc điểm chung Điện tử công suất là một học phần thuộc chuyên ngành kỹ thuật điện điện tử, chuyên nghành điều khiển và tự động hóa, nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất. Nhiệm vụ chính của điện tử công suất là biến đổi nguồn năng lượng điện với các tham số không thay đổi được thành nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải. Như vậy các bộ biến đổi bán dẫn công suất là đối tượng nghiên cứu chính của môn học điện tử công suất. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như các khoá bán dẫn, còn gọi là các van bán dẫn, khi van bán dẫn mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn còn khi khoá thì không cho dòng điện chạy qua các van. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian, không gây tiếng ồn và có khả năng đóng cắt với tần số rất lớn. Không những vậy các van bán dẫn còn có thể đóng cắt các dòng điện rất lớn với điện áp cao nhưng các phần tử điều khiển của chúng lại được tạo bởi các mạch điện tử công suất rất nhỏ, do vậy công suất tiêu thụ cũng nhỏ dẫn đến hiệu suất làm việc cao. Quy luật nối tải vào nguồn trong các bộ biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ đồ các bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Quá trình biến đổi năng lượng sử dụng các van công suất được thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Các bộ biến đổi công suất không những đạt được hiệu suất cao mà các còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất nên rất phù hợp trong các hệ thống tự động đò hỏi độ chính xác cao. Đây là đặc tính nổi trội của các bộ biến đổi bán dẫn công suất mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu cơ điện tử thông thường không thể có được. Khi nghiên cứu điện tử công suất chúng ta cần hiểu rõ các đặc tính cơ bản của các van công suất để sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của van sông suất Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Các phần tử bán dãn công suất 7 trong các ứng dụng cụ thể. Tính năng kỹ thuật chủ yếu của các van công suất được thể hiện ở khả năng đóng cắt, khả năng chịu điện áp, dòng điện và các đặc tính liên quan đến quá trình làm việc và điều khiển chúng.Về cơ bản các van công suất đều có các đặc tính chung như sau: Các van bán dẫn công suất (BDCS) khi mở dẫn dòng đi qua thì điện trở tương đương rất nhỏ, còn khi khoá không cho dòng điện đi qua thì điện trở tương đương rất lớn. Bản chất bán dẫn công suất chỉ dẫn dòng điện theo một chiều khi được phân cực thuận và có tín hiệu điều khiển với các van có điều khiển. Nếu các van công suất bị phân cực ngược xẽ có dòng điện rất nhỏ đi qua khoảng vài mA, gọi là dòng điện ngược hay dòng rò. 1.1.2 Lịch sử phát triển của điện tử công suất Trong một thời gian dài ứng dụng của kỹ thuật điện tử chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực biến đổi tần số cao và trong dân dụng. Sự phát triển của truyền động điện nó đã thúc đẩy sự ra đời của điện tử công nghiệp từ những năm 1950. Tuy nhiên, những ứng dụng của chúng cũng bị hạn chế vì thiếu những linh kiện điện tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ và đặc biệt là có độ tin cậy cao. Các đèn điện tử chân không và có khí, các đèn thủy ngân không đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của điều khiển trong công nghiệp. Sự phát minh ra tranzitor vào năm 1948 do Bardeen, Brattain và Schockly tại phòng thí nghiệm Bell Telephone_Giải thưởng Nobel năm 1956_nó đánh dấu bước phát triển cách mạng trong kỹ thuật điện tử. Đến những năm 1960 do sự hoàn thiện của kỹ thuật bán dẫn, một loạt những linh kiện bán dẫn công suất như diode, tiristor, tranzitor công suất ra đời. Đến những năm 1970 thì kỹ thuật vi mạch và tin học ngày càng phát triển tạo nên những thiết bị điện tử công suất có điều khiển với tính năng ngày càng phong phú và nó đã làm thay đổi tận gốc ngành kỹ thuật điện. Kể từ đây, kỹ thuật điện và điện tử cùng hội nhập và thúc đẩy nhau cùng phát triển. Điện tử công suất với đặc điểm chủ yếu là chuyển mạch (đóng – cắt) với dòng điện lớn, điện áp cao có thể thay đổi với tốc độ lớn. Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương1 Các phần tử bán dãn công suất 8 Cho đến ngày nay điện tử công suất hầu hết được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp hiện đại. Có thể kể ra các nghành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện tự động, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất và trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau... Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng ưu vượt và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn. Trong thực tế bộ biến đổi được chế tạo rất đa dạng để có thể hiểu và phân tích được nguyên lý của các bộ biến đổi, trước hết ta phải tìm hiểu các phần tử bán dẫn công suất.
Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất LỜI GIỚI THIỆU Nhằm thống nội dung giảng dạy hệ đào tạo, tác giả xây dựng giáo trình điện tử cơng st áp dụng cho chuyên nghành kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử, điện tử thuộc lĩnh vực đào tạo theo định hướng ứng dụng Giáo trình xây dựng sở thừa kế nội dung giảng dạy giảng viên trường ĐHSP kỹ thuật Hưng Yên tài liệu tham khảo ngồi nước Giáo trình nhà giáo có nhiều năm kinh nghiệm tham gia giảng dạy tư đóng góp ý kiến Tuy tác giả có nhiều cố gắng biên soạn, giáo trình khơng tránh khỏi khiếm khuyết Hy vọng nhận góp ý bạn đọc, góp ý xin liên hệ tác giả Chương1- Các phần tử bán dãn công suất Trường Đại học SPKT Hưng n Điện tử cơng suất MỞ ĐẦU Giáo trình điện tử công suất biên soạn dựa theo chương trình mơn học điện tử cơng suất trường ĐHSP kỹ thuật Hưng Yên Nội dung giáo trình biên soạn ngắn gọn, đơn giản giúp người học nhanh chóng tiếp cận mơn học Khi biên soạn giáo trình tác giả cố gắng cập nhật thông tin mang tính chất thời đảm bảo kiến thức cho học viên đáp ứng kiến thức thực tiễn lý thuyết Nội dung giáo trình biên soạn tương đương với 45 đến 60 tiết học tuỳ theo đối tượng đào tạo Chương1- Các phần tử bán dãn công suất Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất GIỚI THIỆU TỔNG QUAN HỌC PHẦN tiết ( 1LT; 1TL) Mô tả cấu trúc học phần Vai trò học phần học phần liên quan học Mối liên hệ với việc hình thành chuẩn đầu lực cần có người học Những ứng dụng nội dung học phần với thực tế giới việc làm Phương pháp học tập, nghiên cứu học phần Tài liệu, học liệu liên quan Thảo luận CHƯƠNG CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT tiết (3 LT; BT) 1.1 Tổng quan điện tử công suất 1.1.1 Khái niệm chung 1.1.2 Lịch sử phát triển điện tử công suất 1.1.3 Phân loại mạch biến đổi bán dẫn công suất 1.1.4 Ứng dụng điện tử công suất 1.2 Các phần tử bán dẫn công suất 1.2.1 Chất bán dẫn 1.2.2 Phân loại linh kiện bán dẫn công suất 1.2.3 Diode công suất 1.2.4 Transistor BJT công suất 1.2.5 MOSFET 1.2.6 IGBT 1.2.7 Thyristor 1.2.8 GTO 1.2.9 Triac 1.2.10 IGTC 1.2.11 MCT 1.2.12 MTO 1.2.13 ETO 1.3 Câu hỏi ôn tập chương CHƯƠNG 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 MẠCH CHỈNH LƯU KHƠNG VÀ CĨ ĐIỀU KHIỂN 12 tiết (9 LT + 3BT) Những vấn đề chung mạch chỉnh lưu Khái niệm chỉnh lưu Phân loại mạch chỉnh lưu Cấu trúc chung mạch chỉnh lưu Các thông số đặc trưng mạch chỉnh lưu Các mạch chỉnh lưu khơng điều khiển Mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ khơng điều khiển Mạch chỉnh lưu hình tia pha hai nửa chu kỳ không điều khiển Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha khơng điều khiển Mạch chỉnh lưu hình cầu pha khơng điều khiển Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha khơng điều khiển Chương1- Các phần tử bán dãn công suất Trường Đại học SPKT Hưng Yên 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.5 Điện tử công suất Các mạch chỉnh lưu có điều khiển Mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ có điều khiển Mạch chỉnh lưu hình tia pha hai nửa chu kỳ có điều khiển Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển Mạch chỉnh lưu hình cầu pha có điều khiển Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha có điều khiển Các mạch chỉnh lưu bán điều khiển Mạch chỉnh lưu hình cầu pha bán điều khiển đối xứng Mạch chỉnh lưu hình cầu pha bán điều khiển khơng đối xứng Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha bán điều khiển Câu hỏi ôn tập tập chương CHƯƠNG MẠCH BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU tiết (3 LT; BT) 3.1 Giới thiệu chung mạch biến đổi điện áp xoay chiều 3.2 Mạch biến đổi điện áp xoay chiều pha 3.2.1 Với tải R 3.2.2 Với tải R + L 3.3 Mạch biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 3.3.1 Mạch biến đổi ĐAXC lưới điện ba pha khơng có dây trung tính 3.3.2 Mạch biến đổi ĐAXC lưới điện ba pha có dây trung tính 3.4 Câu hỏi ơn tập tập chương CHƯƠNG 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 MẠCH BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU tiết (3 LT; BT) Khái niệm chung Mạch biến đổi xung áp chiều nối tiếp Mạch biến đổi xung áp chiều song song Mạch biến đổi xung áp chiều đảo dòng Mạch biến đổi xung áp kép Câu hỏi ôn tập tập chương CHƯƠNG NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN tiết (3 LT; BT) 5.1 Khái niệm chung nghịch lưu 5.2 Mạch nghịch lưu pha 5.3 Mạch nghịch lưu ba pha 5.4 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu 5.5 Biến tần 5.5.1 Khái niệm, phân loại ứng dụng 5.5.2 Biến tần gián tiếp 5.5.3 Biến tần trực tiếp 5.6 Câu hỏi ôn tập tập chương Chương1- Các phần tử bán dãn công suất Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Vai trò học phần - Cung cấp kiến thức sở lĩnh vực điện tử công suất - Làm sở lý luận cho học phần truyền động điện; trang bị điện; lý thuyết điều khiển tự động - Định hướng tạo nên tảng cho việc nghiên cứu chuyên sâu lĩnh vực điện tử công suất Sự hình thành lực liện hệ chuẩn đầu - Sau nghiên cứu học phần người học có khả phân tích, sửa chữa, bảo dưỡng thiết kế biến đổi điện tử công suất - Môn học tiền đề cho việc hình thành tích lũy kiến thức cho việc tham gia đánh giá chuẩn đầu lĩnh vực điện tử công suất truyền động điện Phương pháp học tập, nghiên cứu học phần * Hình thức tổ chức - Học tập chung lớp - Tự học nhà * Phương pháp: - Kết hợp nhiều phương pháp khác phù hợp với nội dung học: Phân tích, thuyết trình, trực quan hình ảnh - vật thật, làm việc theo nhóm tự nghiên cứu… Tài liệu, học liệu liên quan [1] Nguyễn Đình Hùng- Điện tử cơng suất – Lưu hành nội [2] Nguyễn Bính- Điện tử cơng suất – NXB KHKT- 2000 [3] Võ Minh Chính – Phạm Quốc Hải - Trần Trọng Minh- Điện tử công suất – NXB KHKT- 2005 [4] Vụ trung học chuyên nghiệp - Điện tử công suất – NXB GD- 2000 [5] Nguyễn Đình Hùng- Thí nghiệm điện tử cơng suất – Lưu hành nội Chương1- Các phần tử bán dãn công suất Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương 1: CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN 1.1 Tổng quan điện tử công suất 1.1.1 Khái niệm đặc điểm chung Điện tử công suất học phần thuộc chuyên ngành kỹ thuật điện - điện tử, chuyên nghành điều khiển tự động hóa, nghiên cứu ứng dụng phần tử bán dẫn công suất Nhiệm vụ điện tử cơng suất biến đổi nguồn lượng điện với tham số không thay đổi thành nguồn lượng điện với tham số thay đổi để cung cấp cho phụ tải Như biến đổi bán dẫn cơng suất đối tượng nghiên cứu mơn học điện tử công suất Trong biến đổi phần tử bán dẫn công suất sử dụng khố bán dẫn, cịn gọi van bán dẫn, van bán dẫn mở dẫn dịng nối tải vào nguồn cịn khố khơng cho dòng điện chạy qua van Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn thực đóng cắt dịng điện mà khơng gây tia lửa điện, khơng bị mài mịn theo thời gian, khơng gây tiếng ồn có khả đóng cắt với tần số lớn Khơng van bán dẫn cịn đóng cắt dịng điện lớn với điện áp cao phần tử điều khiển chúng lại tạo mạch điện tử công suất nhỏ, công suất tiêu thụ nhỏ dẫn đến hiệu suất làm việc cao Quy luật nối tải vào nguồn biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ đồ biến đổi phụ thuộc vào cách thức điều khiển van biến đổi Quá trình biến đổi lượng sử dụng van công suất thực với hiệu suất cao tổn thất biến đổi tổn thất khoá điện tử, khơng đáng kể so với cơng suất điện cần biến đổi Các biến đổi công suất đạt hiệu suất cao mà cịn có khả cung cấp cho phụ tải nguồn lượng với đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng trình điều chỉnh, điều khiển thời gian ngắn nên phù hợp hệ thống tự động đị hỏi độ xác cao Đây đặc tính trội biến đổi bán dẫn cơng suất mà biến đổi có tiếp điểm kiểu điện tử thơng thường khơng thể có Khi nghiên cứu điện tử công suất cần hiểu rõ đặc tính van công suất để sử dụng phát huy hết hiệu van sông suất Chương1- Các phần tử bán dãn công suất Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất ứng dụng cụ thể Tính kỹ thuật chủ yếu van cơng suất thể khả đóng cắt, khả chịu điện áp, dòng điện đặc tính liên quan đến q trình làm việc điều khiển chúng Về van công suất có đặc tính chung sau: - Các van bán dẫn cơng suất (BDCS) mở dẫn dịng qua điện trở tương đương nhỏ, cịn khố khơng cho dịng điện qua điện trở tương đương lớn - Bản chất bán dẫn cơng suất dẫn dịng điện theo chiều phân cực thuận có tín hiệu điều khiển với van có điều khiển Nếu van cơng suất bị phân cực ngược xẽ có dịng điện nhỏ qua khoảng vài mA, gọi dòng điện ngược hay dòng rò 1.1.2 Lịch sử phát triển điện tử công suất Trong thời gian dài ứng dụng kỹ thuật điện tử chủ yếu sử dụng lĩnh vực biến đổi tần số cao dân dụng Sự phát triển truyền động điện thúc đẩy đời điện tử công nghiệp từ năm 1950 Tuy nhiên, ứng dụng chúng bị hạn chế thiếu linh kiện điện tử cơng suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ đặc biệt có độ tin cậy cao Các đèn điện tử chân khơng có khí, đèn thủy ngân không đáp ứng yêu cầu khắt khe điều khiển công nghiệp Sự phát minh tranzitor vào năm 1948 Bardeen, Brattain Schockly phịng thí nghiệm Bell Telephone_Giải thưởng Nobel năm 1956_nó đánh dấu bước phát triển cách mạng kỹ thuật điện tử Đến năm 1960 hoàn thiện kỹ thuật bán dẫn, loạt linh kiện bán dẫn công suất diode, tiristor, tranzitor cơng suất đời Đến năm 1970 kỹ thuật vi mạch tin học ngày phát triển tạo nên thiết bị điện tử cơng suất có điều khiển với tính ngày phong phú làm thay đổi tận gốc ngành kỹ thuật điện Kể từ đây, kỹ thuật điện điện tử hội nhập thúc đẩy phát triển Điện tử công suất với đặc điểm chủ yếu chuyển mạch (đóng – cắt) với dịng điện lớn, điện áp cao thay đổi với tốc độ lớn Chương1- Các phần tử bán dãn công suất Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Cho đến ngày điện tử công suất hầu hết ứng dụng nhiều ngành công nghiệp đại Có thể kể nghành kỹ thuật mà có ứng dụng tiêu biểu biến đổi bán dẫn công suất truyền động điện tự động, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, q trình điện phân cơng nghiệp hóa chất nhiều thiết bị công nghiệp dân dụng khác Trong năm gần công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn công suất có tiến vượt bậc ngày trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế tạo biến đổi ngày gọn nhẹ, nhiều tính ưu vượt sử dụng ngày dễ dàng Trong thực tế biến đổi chế tạo đa dạng để hiểu phân tích nguyên lý biến đổi, trước hết ta phải tìm hiểu phần tử bán dẫn cơng suất 1.1.3 Phân loại biến đổi bán dẫn công suất - Hiện theo tài liệu nước quốc tế biến đổi thường chia làm loại điển sau: Hình1.1: Các biến đổi công suất 1.1.4 Ứng dụng điện tử công suất Cho đến ngày điện tử công suất hầu hết ứng dụng nhiều ngành công nghiệp đại dân dụng Có thể kể nghành kỹ thuật mà có ứng dụng tiêu biểu biến đổi bán dẫn công Chương1- Các phần tử bán dãn công suất Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất suất truyền động điện tự động, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhơm từ quặng mỏ, q trình điện phân công nghiệp Trong dân dụng ngày điện tử công suất sử dụng rộng rãi điều khiển ánh sáng, chuyển đổi điện từ chiều sang xoay chiều ứng dụng lượng xanh, lượng tái tạo Những năm gần công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn công suất có tiến vượt bậc ngày trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế tạo biến đổi ngày gọn nhẹ, nhiều tính ưu vượt sử dụng ngày dễ dàng Để có cách nhìn tổng qt ứng dụng điện tử công suất đời sống với lĩnh vực ta nhìn nhận tổng quan ứng dụng sau: Như ta thấy lĩnh vực điện tử cơng suất có mặt hầu hết lĩnh vực, mở cho hội việc làm sở để đầu tư phát chuyển lĩnh vực chuyên môn điện tử công suất Chương1- Các phần tử bán dãn công suất Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất 1.2 Các phần tử bán dẫn công suất 1.2.1 Chất bán dẫn Về phương diện dẫn điện, chất chia thành hai loại: chất dẫn điện (có điện trở suất nhỏ) chất khơng dẫn điện (có điện trở suất lớn) Chất khơng dẫn điện cịn gọi chất cách điện chất điện môi Giữa hai loại chất có chất trung gian mà điện trở suất thay đổi giới hạn rộng giảm mạnh nhiệt độ tăng (theo quy luật hàm mũ) Nói cách khác, chất dẫn điện tốt nhiệt độ cao dẫn điện không dẫn điện nhiệt độ thấp Đó chất bán dẫn (hay chất nửa dẫn điện) Trong bảng tuần hoàn (Mendeleep) nguyên tố bán dẫn III chiếm vị trí trung gian kim loại kim Điển hình Ge, Si… Vì phân nhóm IV, lớp ngồi IV B chúng liên kết đồng hoá trị với tạo thành mạng bền vững VI VII C 14 16 15 Si 32 Ge 34 Se As 52 51 Sn S P 33 50 Ge, Si có điện tử (electron) V Sb 53 Sb I Hình 1.2 Các ngun tố bán dẫn Khi có tâm không khiết (nguyên tử lạ, nguyên tử thừa không liên kết bán dẫn, dẫn đến khuyết tật mạng tinh thể: nút chân không, nguyên tử hay ion nút mạng, phá vỡ tinh thể, rạn vỡ…) trường điện tuần hồn tinh thể bị biến đổi chuyển động điện tử bị ảnh hưởng, tính dẫn điện bán dẫn thay đổi Nếu trộn vào Ge đơn chất thuộc phân nhóm III chẳng hạn In, lớp điện tử ngồi In có ba điện tử nên thiếu điện tử để tạo cặp điện tử đồng hố trị Ngun tử In lấy điện tử nguyên tử Ge lân cận làm xuất lỗ trống (hole) dương Ion Ge lỗ trống lại lấy điện tử nguyên tử Ge khác để trung hoà biến nguyên tử Ge sau thành lỗ trống Quá trình tiếp diễn bán dẫn Ge gọi bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn dương (bán dẫn loại P – Positive) Tương tự, trộn vào Ge đơn chất thuộc phân nhóm V, chẳng hạn As, lớp điện tử ngồi As có điện tử nên sau tạo cặp điện tử đồng hoá trị với nguyên tử Ge xung quanh, As thừa điện tử Điện tử Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 10 Trường Đại học SPKT Hưng n Điện tử cơng suất tích di chuyển từ anot đến cathot Khi có xung điều khiển âm kích vào cực G với biên độ dịng lớn xẽ lấy lượng điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện bị thu hẹp lại phía n+ Kết dịng điện iAK bị giảm dần khơng, lúc dịng điều khiển cần trì thêm thời gian ngắn đề GTO khóa hồn tồn Để minh họa cho mạch khóa GTO đơn giản phân tích sơ đồ khóa GTO sau: iG A T1 C1 R1 Xung điều khiển mở GTO GTO C2 E G T2 Uc t K DZ1( 12 V) Xung điều khiển khóa GTO a> Mạch điều khiển b> Dạng xung điều khiển Hình 1.38: Mạch điều khiển dạng xung dịng điện mở khóa GTO Khi Uc xung áp dương, tranzitor T1 mở, dòng điện từ nguồn E chảy vào cực G qua T1, R1, C1 GTO mở cho dòng chảy qua Tụ điện C1 nạp đến điện áp 12V Để khoá GTO, người ta cho Uc xung áp âm, T1 bị khoá, T2 mở, tụ điện C1 phóng điện qua T2 - K - G - C1 GTO bị khoá lại * Đặc điểm ứng dụng GTO * *Ưu điểm GTO: - Cấu hình mạch cơng suất đơn giản - Thể tích trọng lượng nhỏ - Khơng gây nhiễu điện nhiễu âm - Khơng có tổn thất chuyển mạch, hiệu suất cao - So với tranzitor cơng suất GTO chịu dịng áp lớn nhiều ** Nhược điểm GTO - Giá thánh cao - Cần biên độ dòng điều khiển lơna độ dốc cao - Tần số làm việc thấp Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 47 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất c> Các thông số GTO Về thông số Gto giống SCR, nhiên để rõ xem bảng thông số cảu GTO sau : Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 48 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất 1.2.9 Triac (Triode Alternative Current) T2 J1 P2 J2 N1 J3 P1 N2 i N3 (+) (-) (-) (+) (+) G T1 (-) T2 G IG2 IG1 IG0 IG0 = T1 Idt N2 P2 N1 P1 U Đong dò IG0 = Hỡnh 1.39: Cấu trúc ký hiệu Triac Hình 1.40: Đặc tính vơn - ampe Triac -Triac thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp tiếp giáp, có đường đặc tính vơn – ampe đối xứng, nhận góc mở hai chiều Như triac dùng để làm việc mạch điện xoay chiều, có tác dụng hai thyristor đấu song song ngược Vì định nghĩa dịng thuận hay dịng ngược khơng có ý nghĩa, tương tự cho khái niệm điện áp ngược Việc kích dẫn Triac thực nhờ xung dòng điện đưa vào cổng điều khiển G Giống Thyristor, khơng thể điều khiển ngắt dịng qua Triac Triac ngắt theo quy luật giải thích Thyristor b Đặc tính V-A Đặc tính V-A Triac tương tự Thyristor khả dẫn điện theo hai chiều đặc tính Triac có dạng đối xứng qua tâm toạ độ Việc kích mở Triac chia làm trường hợp: - Mở xung điều khiển UGT1> UT2T1> - Mở xung điều khiển UGT1< UT2T1> - Mở xung điều khiển UGT1< UT1T2> - Mở xung điều khiển UGT1> UT1T2> Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 49 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử cơng suất Mặc dù tạo dịng kích có dấu tuỳ ý, thực tế việc kích thuận lợi dịng kích dương cho trường hợp dịng qua triac dương dịng kích âm dịng qua triac âm c> Các tham số -Dòng điện định mức Iđm (A):dòngđiện hiệu dụng cho phép qua triac thời gian dài triac mở - Điện áp ngược cực đại Ungmax (V): điện áp ngược cực đại cho phép đặt vào triac thời gian dài triac khoá - Điện áp rơi triac U (V): điện áp rơi triac triac mở với dòng qua triac dòng điện định mức -Dòng điện điều khiển Ig: dòng điện điều khiển đảm bảo mở triac Để hiểu rõ xem xét tham số triac cụ thể: Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 50 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất 1.2.10 IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) a, Cấu tạo chức Sự cải tiến công nghệ chế tạo GTO Thyristor dẫn đến phát minh công nghệ IGTC hay GCT (Gate-Commutated Thyristor) dạng phát triển GTO với khả kéo xung dòng điện lớn dòng định mức dẫn qua Cathode mạch cổng 1s để đảm bảo ngắt nhanh dòng điện Cờu trúc GCT mạch tương đương giống GTO hình vẽ sau: Hình 1.40: Cấu tạo sơ đồ tương đương IGTC IGCT linh kiện gồm GCT có thêm số phần tử hỗ trợ, bao gồm board mạch điều khiển đơi có thêm diode ngược Để kích đóng GCT xung dịng điện đưa vào cổng kích làm đóng GCT tương tự trường hợp GTO Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 51 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử cơng suất Để kích ngắt IGCT, mối nối pn base-emitter phân cực ngược cách cung cấp điện áp nguồn chiều Điều làm triệt tiêu dịng điện qua Cathode tồn dịng điện qua Cathode đẩy sang mạch cổng với tốc độ nhanh biến GCT trở thành transistor pnp Để tạo dịng điện qua mạch cổng tăng nhanh đủ lớn GCT chế tạo đặc biệt để giảm cảm kháng mạch cổng đến giá trị nhỏ Vấn đề mấu chốt GCT tạo khả tăng nhanh dòng điện qua cổng Điều đạt ống dẫn điện đồng trục qua mạch cổng cathode công nghệ mạch điều khiển nhiều lớp Chúng cho phép dòng cổng tăng nhanh với tốc độ 4kA/s điện cổng cathode mức 20V Trong thời gian 1s, Transistor npn GTO bị ngắt hồn tồn cực cổng transistor pnp cịn lại bị mở làm GCT bị ngắt Do việc thực xung dịng ngắn nên cơng suất tổn hao mạch cổng giảm đến mức tối thiểu Công suất tiêu thụ GCT giảm khoảng lần so với trường hợp GTO Lớp p phía anode làm mỏng làm giàu hạt mang điện chút phép khử hạt mang điện phía anode nhanh thời gian ngắt IGCT tích hợp diode ngược mối nối nnp Diode ngược cần thiết cấu tạo nghịch lưu áp b> khả chịu tải Ưu điểm IGCT thể mặt sau:-khả chịu áp khóa cao đến 6kV ( dự kiến tăng lên đến 10kV) với độ tin cậy cao; tổn hao thấp dẫn điện có khả dẫn thyristor; khả giới hạn dòng ngắn mạch sử dụng mạch bảo vệ chứa cuộn kháng hạn chế di/dt (turn on snubber) giá thành thấp tận dụng công nghệ silicon với mức tích hợp lượng cao 1.2.11 MCT (MOS CONTROLLED THYRISTOR) a Cấu tạo chức MCT có cấu tạo kết hợp công nghệ Thyristor với ưu điểm tổn hao dẫn điện thấp, khả chịu áp cao với cơng nghệ MOSFET có khả úng ngt nhanh iA iA Đóng Đóng Ngắt Ngắt UAK UAK Hình 1.41: Ký hiệu đặc tính MCT Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 52 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Hình vẽ 1.42 Mơ tả cấu trúc cắt ngang MCT, MOSFET tích hợp cấu trúc SCR để thực điều khiển trình đóng căt linh kiện MCT điều khiển qua cổng MOS Trong công nghiệp thường xuất MCT loại P, ký hiệu đặc tính MCT mơ tả hình 1.35 Để kích dẫn MCT, xung điện áp âm đưa vào cổng G-A Điều dẫn đến việc đóng On-FET (P- FET) cổng off-FET (n-FET) bị khố kích thích lớp cổng đệm Emitter transistor npn Q1 Transistor Q1 Q2 sau chuyển sang trạng thái dẫn điện G K A Q1 n p Kªnh n n Kªnh pp Q2 Q4 Off - PET Q3 on- PET G K A Hình 1.42: Cấu trúc sơ đồ tương đương MCT Để ngắt MCT, điện áp cổng G-A chuyển sang giá trị dương Điều làm Off-FET Q4 dẫn điện làm nối tắt mạch Emitter-lớp đệm Transistor Q2 bị tắt làm MCT bị ngắt MCT đạt độ sụt áp thấp dẫn điện (như GTO) thấp IGBT Phương pháp điều khiển dùng xung điện áp (như MOSFET, IGBT) Mạch điều khiển đơn giản so với GTO Vì thế, MCT dần trở thành linh kiện điều khiển ngắt lý tưởng cho tải có yêu cầu độ sụt áp thấp, tổn hao thấp đóng ngắt nhanh Khả dẫn dòng điện MCT thấp so với GTO b Khả chịu tải MCT áp dụng cho trường hợp yêu cầu điện trở độ tự cảm nhỏ với khả chịu giá trị dòng điện lớn tốc độ tăng trưởng dòng điện cao MCT có khả chịu độ tăng dòng điện lên tới 1.400kA/s giá trị dòng Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 53 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất đỉnh lên tới 14kA, tính quy đổi đơn vị diện tích 40kA/cm2 xung dịng điện Các MCT chế tạo dạng tích hợp từ 4-6 linh kiện trở lên MCT sử dụng làm thiết bị phóng nạp điện cho máy bay, xe ơtơ, tàu thuỷ, nguồn cung cấp, tivi MCT sử dụng làm công tắc chuyển mạch mềm (soft switching) mạch dao động cộng hưởng Khả chịu di/dt cao giá trị dòng lớn mở hướng phát triển dùng MCT chế tạo máy cắt với ưu điểm gọc nhẹ, giá thành hạ đáp ứng nhanh so với máy cắt bán dẫn MCT tích hợp sử dụng hệ truyền động máy kéo giao thông vận tải 1.2.12 MTO (MOS TURN OFF THYRISTOR) a Cấu tạo chức Linh kiện MTO Thyristor phát triển hãng SPCO (Silicon Power Coperation) sơ công nghệ GTO MOSFET Chúng khắc phục nhược điểm GTO liên quan đến cơng suất mạch kích, mạch bảo vệ hạn chế tham số du/dt Khơng giống IGBT tích hợp cấu trúc MOS phủ lên toàn tiết diện bán dẫn, MTO đặt MOSFET phiến silicon A G K K G turn on turn off Q n+ p n G turn off turn on turn on Q n+ G p A K turn off A Hình 1.43: Cấu tạo, ký hiệu sơ đồ tương đương MTO Các linh kiện có cấu trúc tương tự thyristor MTO GTO thường sử dụng trường hợp yêu cầu công suất lớn nhờ khả hoạt động công tắc hai trạng thái lý tưởng có tổn hao thấp hai trạng thái “on” “off” Cấu trúc MTO gồm bốn lớp hai cổng điều khiển: kích đóng kích ngắt Tại hai cổng lớp kim loại ghép lớp p Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 54 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử cơng suất MTO kích đóng xung dòng điện khoảng thời gian 5-10s vào cổng turn on G1, tương tự kích GTO Xung dịng cung cấp dòng điện vào lớp đệm Transistor n-p-n Q1 mà dịng qua collector cung cấp dòng đệm cho transitor n-p-n Q2 trình tái sinh diễn sau tạo thành trạng thái dẫn điện MTO Để ngắt dòng điện qua MTO, cần đưa xung điện áp khoảng 15V vào cổng “off” G2 tương tự ngắt MCT Xung điện áp làm cấu trúc mạch FET dẫn điện, làm nối tắt, mạch emitter cổng kích transistor n-p-n Q1 Do làm giảm khẳ dẫn lớp emitter lớp đệm transistor Q1 trình tái sinh dừng lại So với trường hợp GTO phải sử dụng xung dòng âm lớn để dập tắt trình tái sinh Transistor Q1, trình ngắt dòng MTO diễn nhanh nhiều (1-2s so với 10-20s) MTO tắt dòng với thời gian phục hồi ngắn nhiều so với GTO, tổn hao tương ứng gần loại bỏ đáp ứng nhanh so với GTO Những ưu điểm làm giảm giá thành chế tạo tăng độ tin cậy hoạt động b Khả chịu tải MTO thích hợp cho truyền động cơng suất lớn, điện áp cao (3kV 10kV), dòng điện > 4000A, độ sụt áp thấp (thấp nhiều so với IGBT) cho công suất phạm vi từ MVA đến 20MVA khả điều khiển đơn giản chịu áp khố lớn MTO sử dụng thiết bị điều chỉnh công suất hệ thống điện (FACTS Controller) làm việc nguyên lý PWM Các nguồn điện dự phịng cơng suất lớn (UPS) hướng áp dụng MTO Khả điều khiển cắt nhanh dễ dàng MTO làm cho ứng dụng thuận lợi làm thiết bị cắt dòng điện DC dòng điện AC Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 55 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất 1.2.13 ETO (EMITTER TURN OFF THYRISTOR) Giống MTO, ETO phát triển sở kết hợp công nghệ GTO MOSFET ETO phát minh trung tâm Điện tử công suất Virgina hợp tác với hãng SPCO Ký hiệu ETO mạch tương đương vẽ hình 1.44 K p-MOSFET turn off turn on n-MOSFET T2 T1 turn on A Hình 1.44: Ký hiệu sơ đồ tương đương ETO Linh kiện MOSFET T1 mắc nối tiếp với GTO linh kiện MOSFET T2 mắc nối tắt cổng kích GTO linh kiện MOSFET T1 Thực tế T1 bao gồm số n-MOSFET T2 bao gồm số p-MOSFET, chúng thiết kế bao quanh GTO để giảm tối đa cảm kháng linh kiện MOSFET cổng Cathode GTO ETO có hai cổng điều khiển: cổng riêng GTO sử dụng để đóng cổng thứ hai cổng kích vào cổng MOSFET nối tiếp để ngắt ETO Khi áp đặt điện để kích ngắt ETO lên cổng P-MOSFET, n-MOSFET bị tắt đẩy tồn dịng điện dẫn qua mạch cathode (lớp emitter n transistor n-p-n cấu tạo GTO) sang mạch cổng kích ETO với hỗ trợ MOSFET T2 Do q trình tái sinh linh kiện kết thúc làm linh kiện bị ngắt Điểm thuận lợi cấu trúc chứa MOSFET nối tiếp mang lại tạo điều kiện để chuyển dòng điện từ cathode sang mạch cổng thực hồn tồn nhanh chóng, cho phép ngắt đồng thời tất cathode cấu hình linh kiện Điểm không thuận lợi linh kiện nối tiếp phải dẫn tồn dịng điện qua Cathode GTO làm tăng thêm độ sụt áp tổn hao Tuy nhiên, MOSFET có điện áp thấp dẫn (0,3-0,5V) nên hệ không quan trọng ETO gồm GTO có trang bị thêm linh kiện phụ dạng MOSFET, giúp ngắt GTO nhanh, giảm đáng kể tổn hao mạch cổng Với đặc điểm Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 56 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử cơng suất chi phí mạch điều khiển mạch bảo vệ giảm đáng kể, đồng thời nâng cao khả công suất GTO 1.3 Khả làm việc phần tử bán dẫn công suất Để nhanh chóng đánh giá nhận biết khả phạm vi làm việc van bán dẫn công suất ta xét tương đối thơng qua bảng thông số van bán dẫn công suất sau: Để trực quan ta so sánh tương đối khả làm việc van bán dẫn công suất thông qua đồ thị sau: Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 57 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử cơng suất Hình 1.45: Đồ thị mơ tả tương đối khả làm việc van bán dẫn công suất 1.3 Câu hỏi tập chương 1 Trình bày phân cực mặt ghép P-N Trình bày cấu trúc, ký hiệu đặc tính V-A điốt Trình bày cấu trúc, ký hiệu đặc tính V-A Transitor lưỡng cực Trình bày cấu trúc, ký hiệu đặc tính V-A Transitor MOS cơng suất Trình bày cấu trúc, ký hiệu đặc tính V-A tiristo Trình bày q trình mở cho dịng chảy qua Tiristo Trình bày q trình khố khơng cho dịng chảy qua Tiristo Trình bày q trính mở khố GTO? Trình bày ngun lý làm việc đặc tính V-A triac? 10 So sánh khả hoạt động van công suất 11 So sánh Transistor Bipolar với Mosfet 12 So sánh SCR với GTO 13 Liệt kê tham số Transistor công suất 14 Hãy tra cứu, phân tích thơng số kỹ thuật van công suất IRF150; NEC 5P4M; BTA41-600B; 6MBI100S-060; 4MBI100T-060 15 Phân tích đường đặc tính động diode cơng suất 16 Phân tích đường đặc tính động BJT cơng suất 17 Phân tích đường đặc tính động mosfet cơng suất 18 Phân tích đường đặc tính động SCR Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 58 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất 19 Hãy điền (sai) vào gợi ý sau: Nội dung Các biến đổi cơng suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn? Đáp án Đúng Các biến đổi điện tử cơng suất sử dụng ngày nay? Sai Điện tử công suất ngành học Sai Điện tử công suất áp dụng cho sinh viên ngành điện Sai Điện tử công suất dùng để đóng cắt thiết bị điện Sai Điện tử cơng suất có biến đổi (AC-DC; AC-AC; DC-DC; DC-AC) Đúng 7.Các van công suất làm việc chế độ đống cắt Đúng Các van cơng suất gồm có van khơng điều khiển, điều khiển hoàn toàn Đúng bán điều khiển Diode van công suất không điều khiển Đúng 10 Thyitstor van cơng suất điều khiển hồn tồn S 11 Tranzitor van cơng suất điều khiển hồn tồn Đ 12 Điode cho dịng qua chiều Đ 13 Khi chọn van diode cần chọn giá trị dòng điện, điện áp S 14 Diode tự khóa bị phân cực ngược Đ 15 Thyritstor dẫn có xung điều khiển S 16 Thyritstor khóa xung điều khiển S 17 BJT loại NPN dẫn có xung dương cấp vào cực (B) UCE > Đ 18 BJT loại PNP dẫn có xung dương cấp vào cực (B) UEC > S 19 BJT điều khiển dòng điện Đ 20 BJT có tần số làm việc cao IGBT Đ 21 Mosfets van cơng suất có tần số làm việc cao Đ 22 Thyristor van công suất có khả làm việc với dịng điện điện áp cao Đ so với van bán dẫn công suất khác 23 Mosfets công suất chủ yếu dung loại kênh N, kênh cảm ứng Đ 24 Mosfets dẫn dòng điện xoay chiều S 25 Van triac dẫn dòng điện theo hai chiều Đ 26 Hai SCR tương đương triac Đ 27 Điode đệm dung với tải dung kháng S Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 59 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử cơng suất 28 Điều khiển Mosfets cần dịng lớn điện áp nhỏ S 29 GTO SCR khóa cực điều khiển Đ 30 Triac mở phân cực thuận có xung điều khiển dương S 31 IGBT ghép tương đương BJT-NPN với Mosfets Đ 32 Điều khiển cho GTO SCR Đ 33 Điều khiển cho Mosfets IGBT Đ 34 Khi van công suất làm việc không gây tổn hao S 35 Xét chi tiết van cơng suất khóa có dòng điện nhỏ qua van Đ 36 Điện áp rơi van bán dẫn công suất làm việc cao tốt S 37 Các van bán dẫn không cần phải làm mát S 38 Điện áp điều khiển cho IGBT thường +5V S 39 IGBT giá thành rẻ nhiều so với BJT S 40 Van cơng suất chế tạo vật liệu Si có khả chịu điện áp nhiệt độ Đ cao vật liệu dung Ge 41 Khi làm việc dòng điện lớn điện áp thấp nên chọn van công suất làm Ge Đ 42 Triac thường dùng mạch chỉnh lưu S 43 Trong mạch chiều SCR dẫn xung điều khiển khóa S lại 44 SCR thyritstor Đ 45 Điode đệm diode hồn lượng, diode khơng loại Đ Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 60 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất 20 Hãy ghi tên vẽ lại ký hiệu van bán dẫn công suất học vào bảng sau Tên van công suất Chương1- Các phần tử bán dãn công suất Ký hiệu 61 ... lớp điện tử ngồi As có điện tử nên sau tạo cặp điện tử đồng hoá trị với nguyên tử Ge xung quanh, As thừa điện tử Điện tử Chương1- Các phần tử bán dãn công suất 10 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện. .. In, lớp điện tử In có ba điện tử nên thiếu điện tử để tạo cặp điện tử đồng hoá trị Nguyên tử In lấy điện tử nguyên tử Ge lân cận làm xuất lỗ trống (hole) dương Ion Ge lỗ trống lại lấy điện tử nguyên... nghiệp - Điện tử công suất – NXB GD- 2000 [5] Nguyễn Đình Hùng- Thí nghiệm điện tử công suất – Lưu hành nội Chương1- Các phần tử bán dãn công suất Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất
