Giáo trình đo lường điện 2017

Trang 1

TRUONG CAO DANG NGHE CO GIOI VA THUY LOI KHOA DIEN — DIEN TU

GIAO TRINH

DIEN TU CONG SUAT NGHE: DIEN CONG NGHIEP

TRINH DO: TRUNG CAP

Trang 2

Truong Cao dang Cơ giới và Thủy lợi Khoa: Điện - Điện tử

TUYEN BO BAN QUYEN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguôn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích vê đào tạo và tham khảo

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu

lành mạnh sẽ bị nghiêm câm

Trang 3

LỜI GIỚI THIỆU

Đề thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghé Điện công nghiệp ở trình độ

Cao Đăng Nghè, giáo trình Điện tử công suất là một trong những giáo trình môn

học đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình đào tạo của

Nhà Trường đã được phê duyệt Nội dung biên soạn ngăn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logíc

Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu câu thực tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao Nội đung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 120 giờ gồm có:

MĐ30- Các khái niệm cơ bản MĐ30-01: Các linh kiện bán dân

MĐ30-02: Bộ chỉnh lưu

MĐ30-03: Bộ biên đôi điện áp xoay chiêu

MĐ30-04: Bộ biến đổi điện áp 1 chiều DC - DC MĐ30-05: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần

Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thê điều chỉnh thời gian và bố sung những kiên thức mới cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực tập của từng bài để người học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng

Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có

thé str dung cho phù hợp Mặc dù đã cỗ gắng tô chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết Rất mong nhận

được đóng góp ý kiến của các thay, cô giáo, bạn độc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn

Trang 4

Truong Cao dang Cơ giới và Thủy lợi Khoa: Điện - Điện tử CỐ MỤC LỤC TUYỂN BO BẢN QUYEN 0 LỜI GIỚI THIỆU 2 MỤC LỤC 3 CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN ĐÀO TẠO ĐIỆN TỬ CONG SUAT 4 Mã số mô đun: MĐ30 4

BÀI MỞ ĐẦU: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 7 BÀI 1: CÁC LINH KIỆN BẢN DẪN 9

Mã bài: MĐ 30 - Ì ossseeeeessSss 5656565665596 se se se — 9 1.1 Phân ÏOại: -. 2< << 3080880888816 01.0300 0 họ 00 8 99 9

i0 1 ) , 12

II i905160005))000/0ìïï 6ï 6vy2 00 16 1.4 Transistor truong MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field-Effect TranzItor) - 18 1.5 IGBT UInsulated Gate Bipolar Transistor) .c.ccccccssssccsssecssssccsssecsseccsssecssnseesseecseseessesecsenseseeneesens 20 In 7ö 22 ca“ ỐỒỐ 5a CA (a A ae 26

1.8.Tiristor khóa bằng cực điều khiển GTO ( Gate turn ofŸ tirisfOr) - 55c cscscersceccee 28

BÀI 2: BỘ CHỈNH L.UƯU 5-<-s- << se sE2££sEE£EsEEEsEEESEEEsEEsEsESzEsesEsessesensrssrsese 31

M 30-2 d G655 6666669666 96.9.9196 96.64.94.94094.94009040000008069 8666866060606 09669694999949999999969999996896868668886886966660 31 2.1 Bộ chỉnh lưu một pha - Ă G5 0 9091019904013 1 00101 0 010 10 0 t0 0 0 40000988000 1 32 2.2 BO 9000000000 00.0) nh ./44đ 36

2.3 Các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu - - - cc c2 2221112 Sseressa 48

BÀI 3: BỘ BIẾN ĐÔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU . -< 5- << =<cseeseseesesessesessese 50

MD 30-Ổ c0 0660600600060666.9909 9696 06 66.04.0400 000.0 0000000000000 000006606696 9969.9999999999999966060066666666666666660 50

3.1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha -¿ c cc CC 1111021111111 11 11115 1111 x1 xk4 50

3.2 Bộ biến đối điện áp xoay chiều ba pha 2222-2222 EEEc+EEE2E2EEEEtEEEEEEErerrrrrrrrrrrrerre 56

BÀI 4: BỘ BIẾN ĐỐI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỂU 5-° 5c se cseesesessesessesessese 58

0/60 1 58

4.1 BỘ glảm ấp Q0 TT 00 01 8 00 9 114 800098000 1 58 4.2 Bộ tắng áp Ác TH HH HH Hà 0 0 101 0084 61

4.3 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiÊÒu 2 2 2E E++E£EE+Eevee+Errxevxsved 63

Bài 5 BỘ NGHỊCH LƯU VÀ BỘ BIẾN TẢN 5< << se se se 9 se se eess.eese 65

MD 30-00666606 0606.66.99 0966 66 69.04.0004 00.00000000 0666660660606 4 00096 90969.999990909909099909099996066066666666666696 65 5.1 BG nghich liu ap m6t pha 3 ecssecsssscesssecssnseeseeecssnsecsesecssasecseseessusecsesseseseesssuscseaeesssseeseaeeseeseesens 65 5.2 Phan tich b6 nghich 8000000 n0) 1 66 5.3 Các phuong phap diéu khién b6 nghich lu Ap o eeceseecsceseesessesesseeeseesesestssseesstssestsetssesesetsesseseseesen 69 5.4 BG nghich liu dong i2 0n 70 5.5 Biến biến tần gián tiẾp - - «HH T11 T111 TT TT T111 111111111 T111 72

5.6 Bộ biến tần trực tiẾp - - Lc HH ST SH SH TT TH TK TH nh ch ch hưệt 73

Trang 5

CHUONG TRINH MO DUN DAO TAO DIEN TU CONG SUAT

Mã số mô đun: MĐ30

Thời gian mô đun: 120 giò; (Lý thuyết: 45 giờ; Thực hành: 69, Kiểm tra: 6 giò)

I VI TRI, TINH CHAT CUA MO DUN:

- VỊ trí: Trước khi học mô đun này cần hoàn thành các môn học, mô đun cơ sở, đặc biệt là các môn học, mô đun: Mạch điện; Điện tử cơ bản; Truyền động điện

- Tính chất: Là mô đun kĩ thuật chuyên môn , thuộc mô đun đào tạo nghẻ bắt buộc

II MỤC TIỂU MÔN HỌC:

- Mô tả được đặc trưng và những ứng dụng chủ yếu của các linh kiện Diode, Mosfet, DIAC, TRIAC, IGBT, SCR, GTO

- Giải thích được dạng sóng vào, ra ở bộ biến đổi AC-AC

- Giải thích được nguyên lý làm việc và tính toán những bộ biến đổi DC-DC

- Vận dụng được các kiến thức về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch tạo xung và biến đôi dạng xung

- Vận dụng được các loại mạch điện tử công suất trong thiết bị điện công nghiệp

Trang 8

BÀI MỞ ĐẦU: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Mục tiêu:

- Trình bày được các khái niệm cơ bản trong điện tử công suất

- Tính toán được các đại lượng trong điện tử công suất

- Rèn luyện đức tính cần thận, ti mi, tư duy sáng tạo và khoa học

Trong công nghiệp, ngoài tải riêng ra, phần lớn mạch điện tử công suất là điều khiển động cơ đề thực hiện các yêu câu của tải

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

1 Giá trị trung bình

Dinh nghia: Goi i(t) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp Giá

trị trung bình của đại lượng ¿(/), viết tắt là 14V (AV: average giá trị trung bình) được xác định bởi hệ thức: #o +2, 1 Liv = fama “2 Lo

2 Công suất trung bình Công suât trung bình:

Tải R: P,=U,1, >u, =RI,

TảiL: u, = pee at

Ở chế độ xác lập: iL(t0)=iL(t0 + Tp) thi: U„v =9

Tai R-L: U, = Ri, + Lên Una = Rl gay +U ray = Rl ow

3 Gia tri hiéu dung: Ộ

Dinh nghia: i(t) là đại lượng biên thiên theo thời gian, theo một hàm tuân hoàn với chu kỳ 7p hoặc với chu kỳ theo góc Giá trị hiệu dụng (RMS: Root Mean Square) của đại lượng 1(£) được tính theo công thức

- Công suất :

Công suât tức thời của một tải tiêu thụ được xác định băng tích điện ap va dong điện tức thời dẫn qua né:

pữ) =u()40) (beh io

Py “F | Peta = 5 J=0)/04

Trang 9

Công suất trung bình:

1ƒ 1ƒ

TaiR: Py =—|u(t)i(t)dt =— | Ri’ 1 (0)

Tải L và C: Pry =0

4 Hệ số công suất:

pF định nghĩa cho một tải tiêu thụ, như là tỉ số giữa công suất tiêu thụ thực tế trên

tải P và công suất biểu kiến Š của nguồn cung cấp cho tải đó: > a a — = Biểu thức tính hệ số công suất theo các thành phần công suất như sau pF = * - = S JP? +O? + D?’ - DO MEO DANG

D6 méo dang THD: (Total Harmonic Distortion) la dai lugng để đánh giá tác dụng

Trang 10

Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy loi Khoa: Điện - Điện tu

BÀI 1: CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TU CONG SUAT

Ma bai: MD 28 - 01

Là một chuyên ngành của kỹ thuật điện tử, nghiên cứu ứng dụng các phân 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 chuyên 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 suât đâu vào Tín hiệu đóng vai trò điêu khiên dòng công suât

Điện tử công suất đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong kỹ thuật hiện đại,

làm thay đôi tận gốc rễ kỹ thuật truyền động điện, trong sản xuất, truyền tải và

phân phối điện

Mục tiêu:

- Nhận dạng được các linh kiện điện tử công suât dùng trong các thiệt bị điện điện tử

- Trình bày được câu tạo các loại linh kiện điện tử công suât - Giải thích được nguyên lý làm việc các loại linh kiện

- Rèn luyện đức tính cân thận, tỉ mỉ, tư duy sáng tạo và khoa học, đảm bảo an toàn, tiết kiệm

1.1 Phân loại:

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 diéu khién GTO (Gate Turn off Tiristor), transistor lưỡng cuc céng suat BJT (Bipolar Junction Transistor), transistor truong céng suat FET (Field Effect Transistor), transistor lw6ng cyc céng cach ly IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), TRIAC (Triode Alternative Current), tiristor diéu khién bang MOSFET MCT (Mosfet Controlled Tiristor), linh kién cam ung tinh dién SID (Static Induction Device) Cac dac tinh co ban cua cdc phan tử bán dẫn công suất :

1 Diode cong suất : có dòng điện định mức tới 5000A, điện áp định mức tới 10kV, thời gian chuyên 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

9

Trang 11

1200V, thời gian chuyển mạch từ 0,5-100us Chức năng chủ yếu là biến đôi DC-DC, khuyêch đại tín hiệu, chuyển mạch, tạo dao động, phối hợp với điode 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 I — 100A, điện áp định mức 30- 1000V, thời gian chuyên mạch rất nhanh 50-200ns Chức năng chủ yếu là

biến đổi DC-DC và nghịch lưu

4 Transistor lưỡng cực công cách điện IGBÏT: là FET đặc biệt có chức năng của BJT va điều khiển công bằng EET Nhờ vậy IGBT nhanh hơn và dễ sử dung hon 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): dan điện tương tự như diode sau khi nhận được xung môi 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 mach 1-200us La linh kiện điện tử công suất chủ yếu, được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của điện tử cơng suất

6 Tiristor khố băng 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 BỊT 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 I00KW

7 TRIAC: là linh kiện phối hợp hai tiristor nối song song ngược và chỉ có một

cực điều khiến 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 khiến bằng FET vì thế nhanh và dễ sử dụng hơn GTO 9, Linh kiện cam tng tinh SID: 1a linh kiện được chuyên mạch băng cách điều

khiển hàng rào thế ở công Công suất 100KW ở tần số 100kHZ

10

Trang 12

Uu diém chu yéu là có toc độ chuyên mạch cao, điện áp ngược lớn, điện áp rơi thuận rât nhỏ

Tính năng của các phần tử bán dẫn công suất chủ yếu cho trong bảng sau: Linh kién xuất hiện (kV) cân (KA) cảm (kHZ) r (MW) " io ˆ (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 biên đôi điện tử công suât gôm các linh kiện điện tử công suât năm trong mạch động lực và các mạch điêu khiên nhắm biên đôi dòng điện, điện áp và tân 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 điên áp xoay chiêu tần số không đổi AC-AC

5 Bộ biến tần: Biến đổi dòng điện xoay chiều về tần số và điện áp AC-AC

1]

Trang 13

Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy loi Khoa: Điện - Điện tu Bộ chỉnh lưu ¬ Đại lượng xoay Đại lượng một chiêu chiêu < U,h Bộ nghịch lưu Vv Bộ biến tần Bộ băm Đại lượng xoay Đại lượng một chiều chiêu U2, Lb

Môn học điện tử công suât nghiên cứu:

- _ Ứng dụng phần tử bán dẫn công suất trong năng lượng điện - - Mạch điện tử điều khiến các phần tử bán dẫn công suất

Ưu điểm của các phần tử bán dẫn công suất:

Đóng cắt đòng điện không gây ra tia lửa điện Không bị mài mòn theo thời gian

Được điêu khiên bởi các tín hiệu công suât nhỏ Hiệu suât biên đôi điện năng cao

Cung cấp cho phụ tải được nguồn năng lượng theo yêu cầu Đáp ứng nhanh

1.2 Diode

Diode công suất do hai mặt ghép p-n ghép thành, diện tích mặt ghép tỉ lệ với dòng điện cho phép qua diode

12

Trang 14

Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy loi Khoa: Điện - Điện tu Trung bình mật độ dòng cỡ A A 10A/mm? [ Nhiệt độ mặt ghép cho phép: p \/ 200°C N

Đề điode làm việc và chịu dòng

cao phải có biện pháp K K làm mat diode - Lam mat ty nhién Hình 1.7 Câu tạo và ký hiệu diode - _ Dùng cánh tản nhiệt: + Làm mát băng gió + Làm mát băng dâu 1.2.1 Đặc tính Vôn-ampe yo Cc C 5 ¥G Upo Ubo Hinh 1.8 Dac tinh V-A Đặc tính V-A gồm hai nhánh: - Nhánh thuận: Dưới điện áp ƯaAx>0 Diode phân cực thuận Đường đặc tính có dạng hàm mũ - Nhánh ngược: Dưới điện áp Uax<0 Diode phân cực ngược Khi tăng |U| dòng điện cũng tăng

Khi U>0,1V Dòng ngược không tăng

Tới giá trị giới han Khi |U|>U,, Dong điện tăng đột biến phá huy diode

Giải thích: 13

Trang 15

Dòng điện ngược hình thành do sự di chuyên của các điện tích thiểu số làm

nên Ở thời điểm đầu: Khi UT > It Đến giới hạn U; toàn bộ các điện tích thiểu số có mặt trong diode đều di chuyên để tạo dòng điện ngược nên dòng điện không tăng (tăng rất chậm) Khi |U|>U,, các điện tích di chuyên trong điện trường và được tích luỹ năng 2 lượng W= mv Trong quá trình di chuyển chúng va chạm với các nguyên tử, vì 2

động năng lớn chúng bẻ gẫy các liên kết của các nguyên tử trong mạng tỉnh thể tại vùng chuyên tiếp làm xuất hiện điện tử tự do mới Các điện tích mới này chiu tac động của điện trường sẽ được gia tốc và bắn phá các nguyên tử khác Do vậy một phản ứng dây chuyển xảy ra làm dòng ngược tăng nhanh Dòng điện này sẽ gây phá huy diode Dé bao vé diode trong thuc té nguoi ta cho diode lam viéc voi dién ap U<(0,7-0,8)Upr Biéu thirc giai thich dic tinh V-A: pare -1}=r -]| Với: e=l,59.1012C Với: A=—— =3,84 KT K=1,38.102 I,: Lả dòng điện dò 1.2.2 Quá trình chuyên trạng thái

Khác với đặc tính V-A là đặc tính tĩnh, đặc tính u(), i(£) cho thấy đạng của điện áp và dòng điện theo trên diode theo thời gian

gọi là đặc tính động hay đặc tính đóng cắt của Đóng £ diode Đặc tính đóng/cát tiêu biêu của diode được , ¬ ! ve cho trén hinh _ ll > I ml 4 0.1 inns > | : oO ' T= t J t A = Uy S ig ' a ms + i, C Or Qua V1 11111 117C VMELvUuPS YUE uad khi dong khóa uA ; —— ( S Dong qua diode giam dân, trong khoảng thời o Md ¬ luc c0 ốc L_—

gian này diode van con phân cực thuận cho đên khi 14 Up , RM

Trang 16

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 điode ngừng dẫn dòng điện, điện áp rơi trên diode bắt đâu 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 điode giảm dẫn về giá trị băng dòng rò

Phần diện tích gạch chéo trên đường dòng điện i(¡) tương ứng bằng lượng

điện tích phải đi chuyển ra bên ngoài Phân điện tích này là điện tích phục hồi

Thời gian giữa giai đoạn t„ gọi là thời gian phục hồi Nhận xét:

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

gidng với một điện trở

1.2.3 Các thông số cơ bản của một điode

1 Gia tri trung binh cua dong dién cho phép qua diode, Ip (Ig), Day là dòng

trung bình cho phép chảy qua điode với điều kiện nhiệt độ của câu 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 điode với điện áp rơi trên nó Vì vậy dòng trung bình là một tham số quan trong dé chon diode

2 Dòng điện thuận cực đại không lặp lại,87 Irsw

3 Điện áp ngược lớn nhất mà diode bị đánh thủng, Uagmax (Uan) Là giá trị

điện áp lớn nhất cho phép đặt lên điode 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 it nhat bang 1,2 đến 2 lần giá trị biên độ điện ap lớn nhất đặt trên điode tính tốn được trên sơ đơ

4 Điện áp rơi trên diode khi phân cực thuận Ủy 5 Nhiệt độ mặt ghép T;

15

Trang 17

1.3 Transistor BJT( Bipolar Junction Tranzitor)

Tranzito là phân tử bán dẫn có cầu trúc gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p hoặc n-p-n tạo nên từ 2 tiệp giáp p-n Iranzito có 3 cực như hình vẽ

Tranzito công suất thường là loại n-p-n Eamnitơ Colectơ P n Pp | Bazy a) Emits Colectơ — | P on | | Baz B pt P n Pp P P n p ũ 220/02 00 C Cc

Hình 1.9 Cau tao transistor BJT

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 nr Ở chế độ bão hoà, dòng điện điều khiến Iy 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: Ngan mach 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 )

16

Trang 18

Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy loi Khoa: Điện - Điện tu Tog " Miền mở bão hòa lạ =0 U BR(CE0) EI lepÈ WY LhR(cpR) * |

lcry| x3 772 Un ore | ons Z7722/// TT si Uce = Ucn W ñ Mở M220 U Uc, = U- Rie Ty > Ta J Ũ rail —>> Uy Uces UẠy mg xay b CER CEL A i | ° * PE ‘i 4 rã BI R B `\ | P Ip =0 E ss i} ; Dong ' Vj - = -Ï Use Jen =— I Uey ——*»®= er I, " “ Upp < 0 Ucr - Miên đóng bão hòa

Hình 1.10 Dac tinh V-A Hinh 1.11 Dac tinh V-A

1.3.2 Qua trinh qua d6 cua transisto \ Ị 0.11p i “ | O —s t ty tr —— ae - _ ' 1 | \ Hé NW i 0.11 ' 0.91, _ O ton i tore ' Hình 1.11 Quá trình chuyển trạng thái 1.3.3 Các thông số cơ bản Ic — dòng điện định mức

B - hệ số khuếch đại đòng điện

Ip = I-/ B— dong dién bazo mA AU - sụt ap thuận AP — tốn hao công suất sinh nhiệt Tạy- nhiệt độ Ì àm việc cho phép Tại lớp tiếp giáp khoảng 200°C voi ban dan Si Uc - điện ap CE; Usps - điện ap BE; 17 ,

Giáo trình: Điện tử công suất

Trang 19

1.4 Transistor trường MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field-Effect Tranzitor)

Cầu tạo và nguyên lý hoạt động

Khác với cầu 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 câu trúc và ký hiệu

của một MOSFET kênh dẫn kiểu n Trong đó G là cực điều khiến 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 (S1O2) 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 tir ( electron , do đó cực tính điện ấp 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 khiến thì không có một kênh dẫn thực sự nối giữa D và

3

Câu trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng tương tự nhưng các lớp bán dẫn sẽ có kiêu dẫn điện ngược lại Tuy nhiên đa số các MOSEET công

suất là loại có kênh dẫn kiểu n Cực điều khiến — Cay, C2 n- 3 Ss 4) Ï Cuc mang O Kí

Hình 1.12: a Cấu trúc MOSFET kênhn b Ký hiệu MOSFET kênh n

Hình 1.13 mô tả sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dan cua MOSFET

Trong chế độ làm việc bình thường ups > 0, giả sử điện áp giữa cực điều khiển và cực nguồn bằng không uos = 0, khi đó kênh dẫn sẽ khơng hồn tồn xuất hiện Giữa cực nguồn và cực máng sẽ là tiếp giáp p —- n phân cực ngược Điện áp ups sẽ hoàn toàn rơi trên vùng nghèo điện tích của tiếp giáp này ( hình 1.13a)

Nếu điện áp điều khiển âm uos < 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 đương uos > 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 vay trong cau tric 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

18

Trang 20

với các hạt mang điện phi cơ bán Dòng điện giữa cực máng và cực nguồn bây giờ phụ thuộc vào điện áp ups

Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET ( hình 1.13c ), có thể thấy rằng giữa cực máng và cực nguồn tổn 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 nguôn 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 tai Gay [ey a) Vang nghéo dién teh ‘7 ? (II ((((((t(t((((((((((((((t(((á¿ ) WAq 7 S —{ 77 | 7 aA a P , ⁄ ~ Kế??? đZ nr 2272222222222272À7277772777777 c) ¬— CT Cay CC=.2E tas Ty 22t Dior trong i 4} ZZZZ2⁄2/0/00/0000000000//0///Ø4

Hình 1.13 Sự tạo thành kênh dan trong cau tric MOSFET kénh n 1.4.2 Dac tinh V-A

Khi Uos < 3V MOSFET ở trạng thái khóa

Khi Uss cỡ 5-7V MOSFET ở trạng thái dẫn

Đề hoạt động ở chế độ đóng cắt MOSFET được mở bang điện áp cỡ 12- 15V

19

Trang 21

Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy loi Khoa: Điện - Điện tu Ay U,,.=200 V Upg= 10 V 10 A- ;““V 5A - 5 0 5V 12 V OS

Hinh 1.16 Dac tinh tinh cia MOSFET 1.4.3 Qua trinh chuyén trang thai Đặc tính động Mi | tr i |_ tan Ƒ— - m— | | Vì Hình 2.17 1.5 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 1.5.1 Câu tạo và nguyên lý hoạt động

20

Trang 22

Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy loi Khoa: Điện - Điện tu h pe | ad \ œ ‹ 5 a ZILLA LLLAA AAA LLAMA CC C/2(24 —_ mnn Cofec lơ C a) “ Hình 1.19 IGBT

a Cấu trúc b Cau truc trong duong voi mot transistor n-p-n va mot MOSFET c So dé trong duong d Ký hiệu

IGBT là phân tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu dòng lớn của BJT Về mặt điều khiến, IGBT gần giéng nhu 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 Uoz > 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

1.5.2 Quá trình chuyền trạng thái

21

Trang 23

Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy loi Khoa: Điện - Điện tu | 4 laroay torom — — toe | t tt

Hinh 1.22 Dac tinh dong 1.5.3 Các thông số cơ bản cia IGBT

Ucps - Điện áp cực đại CE khi GE ngắn mạch

Uozs - Điện áp GE cực đại cho phép khi CE ngắn mach

Ic- Dòng điện một chiều cực đại

[cmax - Dòng điện đỉnh của colector;

Pm - Công suất tôn hao cực đại; Tcp - Nhiệt độ cho phép; I, - Dong dién tai cam cuc dai; I - Dòng điện rò Ucmng - Dién ap ngưỡng GE 1.6 Thyrirtor (SCR)

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

22

Trang 24

Trường Cao đắng Cơ giới và Thủy lợi Khoa: Điện - Điện tứ Hình 1.24 Cầu tạo tiristor 4 Nguyên lý, b) Ký hiệu

c) Mặt ghép, d) Câu trúc tương đương

Tiristor có 3 lớp tiếp giáp J¡ j›, J; hình thành 3 cực Anot: A, Katot: K,

cực điêu khiến: G

Meo tiristor

Khi phân cực thuận cho tiristor UAxy >0, mặt ghép J, va J3 phan cực thuận, mặt ghép J› phần cực ngược, gân như toàn bộ điện áp đặt vào mặt ghép j› Điện trường nội tại E của J cung 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 Uax cho đến khi lớn hon Ustnmax 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 (cân phải tránh) do những nguyên nhân sau:

Không phải khi nào cũng có thê tăng được điện áp đến giá trị Uwmax

Trường hợp này thường xảy ra do tác dụng của xung áp tại một thời điểm ngầu 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 khiên (UgK>0) Đây là phương pháp điêu khiến tiristor được áp dụng trong thực tế Xung dòng điện điều khién sẽ chuyền trạng thái của tiristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp Khi đó nêu dòng qua tiristor lon hon mot gia tri Ig thi tiristor sẽ tiếp tục ở trạng thái dẫn dòng mà không cân đến sự tôn tại của xung dòng điêu khiến Có nghĩa là có thê điêu khiến mở tiristor bằng các xung dòng có độ rộng nhất định, do vậy công suất mạch điêu khiến thực tế là rất nhỏ so với công suất mạch lực

Giai thích

Khi cấp dòng điện vào cực điêu khiến, các điện tử từ N chảy sang P Tai day một phân chảy vào nguôn U, và hình thành dòng điều khiến I„ theo mạch G-Js-K- G Một phân điện tử chịu sức hút của điện trường tông hợp tại mặt ghép J; chúng lao vào vùng chuyên tiếp này Được gia tốc bởi điện trường, động năng tăng lên, trong quá trình chuyên động chúng va quệt và bẻ gãy các liên kết giữa các nguyên tử S¡ tạo nên những điện tử tự do mới Số điện tử mới giải phóng này lại tham gia băn phá các nguyên tử SŠ¡ trong vùng chuyến tiếp Kết quả là phản ứng dây chuyên này làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N¡ gây nên hiện tượng dẫn

điện ào ạt, mặt ghép J; trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một diém nao dé

quanh cực G rơi lan ra tồn mặt ghép Dòng điện lIạx tăng mạnh các điện tử chuyển

động theo chiêu Ns - Pa —N¡ — P sẽ liên tiếp bắn phá mặt ghép J› làm cho mặt ghép

23

Trang 25

này không thê 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 chuyên động qua mặt ghép J; giảm xuống Khi dòng nhỏ hơn dòng duy trì thì sô điện tích chuyên động qua mặt ghép J, khong du để duy trì tính dẫn điện của mặt ghép Jo kết quả là mặt ghép sẽ khôi phục dần tính chất cách điện Tiristor trở về trạng thái khoá

Khoá tiristor

Khi một tiristor đã mở, sự hiện diện của tín hiệu điều khiến Ig là khơng cần thiết, để khố tiristor có 2 cách:

Giảm dòng qua tiristor xuống dưới giá trị dòng duy tri Ix Đặt một điện áp ngược lên tiristor (biện pháp thường dùng)

Khi đặt một điện áp ngược lên tiristor, mặt ghép J, va J3 bi phân cực ngược, Jo

được phân cực thuận Những điện tử tại thời điểm trước khi đặt điện áp ngược

đang có mặt tại Pl,NI, 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 J; trở nên cách điện, dòng điện ngược giảm dân Dòng điện ngược di chuyến các điện tích ra khỏi mặt ghép Jz va nap điện cho hai tụ điện tương duong cua hai mat ghep J; va 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 thé mở Thời gian khoá có giá trị 5-50Is đối với tiristor tần số cao và 50-200us đối với tiristor tần số thâp 1.6.2 Dac tinh V-A cua Tiristor ; lA ^— 1 leg> leo ler n 6s Ea ga lạ _ LẺ ý ý vu Vat VB a1 | _—==—” Zz Uax Une SCR 77 “ 4 — E — + = —Đ=-

Hình 1.25 Sơ đồ đấu nối Hình 1.26 Đặc tính V-A

Đặc tính V-A của tiristor gồm 2 phan : Phần thứ nhất nằm trong góc phan tu

thứ nhất là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp Uax > 0 Phần thứ hai

năm trong góc phân tư thứ ba tương ứng với trường hợp Uax< 0

Đoạn 4 ứng với trạng thái tiristor được đặt dưới điện áp ngược Khi điện áp u- Ak <0 theo cầu tạo bán dẫn của tiristor, tiếp giáp J¿ phân cực thuận, tiếp giáp Ji và J; phân cực ngược Qua tiristor chỉ có một dòng điện rất nhỏ (khoảng vài chục mA) chảy qua gọi là dòng rò Khi |Uax| tăng, dòng rò tăng với lượng rất nhỏ Khi Uak đạt đến một giá trị nhất định ngmax Sẽ xảy ra hiện tượng tiristor bị đánh thủng, đòng điện qua tiristor tăng lên mãnh liệt Giống như đoạn đặc tính ngược của điode

Đoạn 3 ứng với trạng thái khoá của tiristor, trạng thái này Ứng với tiristOr được phân cực thuận Uax >0 nhưng dòng điều khiến bằng không( I, =0) Khi do

24

Trang 26

chỉ có dòng rò chảy qua tiristor Khi tăng điện áp Uy đến Uz„z„ (điện áp chuyên trạng thái) dòng điện sẽ tăng nhanh, tiristor chuyển sang trạng thái mở

Bằng cach cho I, >0 sẽ nhận được một họ đường đặc tính V-A với các Uạ nhỏ đần đi Khi lš> lgm¿„ ta thu được đường đặc tính thuận giống với đặc tính của

điode Nói chung nếu đòng điều khiển lớn thì điểm chuyển mạch đặc tính làm việc

sẽ xảy ra với Uaxy nhỏ hơn

Đoạn 2 ứng với trạng thái phân cực thuận của mặt ghép jJ; 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 tôn tại điểm làm việc ôn định trên đoạn này

Doan 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 tri la

1.6.3 Đặc tính động

Đặc tính động thê hiện quá trình chuyên trạng thái của tiristor khi chuyển từ khóa sang dẫn và ngược lại NI G y Gmax| ff EEN AK rN [fo Ne Ỉ ler TH HE — = a" Hinh 1.27 Qua trinh mé Hình 1.28 Quá trình khóa Hình 1.29 Vùng điều khiển Đặc tính điều khiến cho biết mối quan hệ giữa điện áp điều khiến và dòng điều khiến Là đường đặc tính tiêu biểu Đường đặc tính ứng với Ro nhỏ Đường đặc tính ứng với Ro lớn Các thông số giới hạn (cực đại) của tín hiệu điều khiến để đảm bảo tiristor mở chắc chăn và an toàn

Được thê hiện bằng vùng diện tích được tô đậm trên hình vẽ 1.6.4 Các thông số cơ bản của tiristor

Gia tri dong trung bình, Iv Điện áp ngược lớn nhất Ủng max

Thời gian phục hôi tính chât khoá t;(us)

Là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên tiristor sau khi đòng điện qua

tiristor đã về băng 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

1 Tốc độ tăng trưởng điện áp cho phép du/dt (V/us)

Tiristo là một phần tử bán dẫn có điều khiến, nghĩa là khi tiristo được phân cực thuận và không có tín hiệu điều khiển đặt vào cực điều khiến thì nó phải

25

Trang 27

ở trạng thái khoá Lớp tiếp giáp J¿ 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 thê coi như một tụ điện có điện dung C Khi co dién ap biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện sẽ tăng đáng kể, đòng điện này đóng vai trò như dòng điều khiến, kết quả là tiristo có thé mo ra khi chưa có tín hiệu điều khiến 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

2 Tốc độ tăng dòng cho phép di/dt (A/us)

Khi tiristo bắt đầu mở không phải mọi điểm trên mặt ghép J¿ 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 toàn bộ mặt phép Ja 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 tính thê bán dẫn ở một vài điểm, từ đó

làm hỏng toàn bộ tiết diện tỉnh thê bán dẫn

Tốc độ tăng trưởng dong 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.Triac ( Triode Alternative Current) 1.7.1.Cau tạo, nguyên lý hoạt động | MT MT; N, = MT, Nz “< So =p Cy Na F- [NES MT, | MT,

Hinh 1.33 Mach diéu khién TRIAC

Trang 28

nên câu trúc p-n-p-n như ở tiristo theo cả 2 chiêu giữa các cực T1 và T2 như trên hình vẽ Về nguyên tắc có thể coi triac như 2 tiristo đấu song song ngược

1.7.2 Đặc tính V-A

Đặc tính V-A của triac bao gồm 2 đoạn đặc tính ở góc phan tu thir I, I mỗi đoạn nhu dic tinh thuan cua tiristo Triac cé thé điều khiển dẫn dong bang ca xung dương (dòng đi vào cực điều khiển) và cả xung âm (dong đi ra khỏi cực điều

khiến) 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

Trang 29

Triac được sử dụng nhiêu trong các ứng dụng điêu chỉnh điện áp xoay chiêu hoặc các công tắc tơ tĩnh ở dải công suât vừa và nhỏ

1.7.3 Các thông sô triac

Triac tương đương 2 tiristor mắc song song ngược vì vậy thông số của triac tương đương thông số tiristor

1.8 Gate turn off Thyristor GTO 1.8.1 Câu tạo, nguyên lý hoạt động

Tiristo được giới thiệu ở phần trên được ứng dụng tất 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 ap

một chiều nên điều kiện khoá tự nhiên sẽ không còn Khi đó để sử dụng tiristo cần

phải có các mạch chuyên mạch cưỡng bức phức tạp, tốn hao công suất lớn Ngày nay người ta đã chế tạo được các van bán dẫn có khả năng điều khiến 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 thoi diém mở và khoá dưới tác động của tín hiệu điêu khiên G a) 8) Cue diéy P+

khiển K4 cafét a) b) Hình 1.14 Nguyén ly diéu khién GTO:

a) Yêu cầu dạng xưng điều khiển;

“Hình 113 GTO: b) Nguyén ly thuc hién

Hình 1.30 GTO Hình 1.31 Điều khién GTO

a) Cau tric ban dan, b)Ký hiệu a) Yéu cau, b)Nguyén ly

Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp P, anot được bố xung thêm các lớp bán dẫn n+ Dấu (+) chỉ ra rằng mật độ các điện tích tương ứng được làm giàu thêm với

28

Trang 30

mục đích làm giảm điện trở khi dân của vùng này Cực điêu khiên vân được nôi 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 đương hơn K thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J; 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 khiến

như đối với tiristo Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác với tiristo nên đòng 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 đòng điều khiến nữa Như vậy có thể điều khiển mở GTO bằng những xung ngắn, cơng suất nhỏ

Đề khố GTO can lẫy một xung dòng ra khỏi cực điều khiên Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J;¿ 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 khiến 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 khiến cần được duy trì một thời gian ngắn dé GTO phục hỏi tính chất khoá

Trên hình ta thấy xung dòng khoá GTO phái 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

Sơ đồ điều khiển đơn giản như hình 1.32

29

Trang 31

Hình 1.15 Mach diéu khiển GTO

Khi tín hiệu điều khiến 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 điêu khiên kết thúc

Khi tín hiệu điều khiến 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

1.8.2 Một số thông số cơ bản của GTO 1

2

8

9

Dong dién trung binh qua GTO

Điện áp ngược lớn nhất (lặp lại)

Điện áp rơi trên GTO khi làm việc với dòng trung bình Điện áp kích mở

Dòng điện trung bình kích mở thuận

Dòng điện trung bình trong mạch G-K đề duy trì trạng thái mở

Điện áp ngược đặt vào cực G để khoá GTO

Điện áp ngược cần thiết đặt vào cực G dé duy trì trạng thái GTO khi đã khóa

Dòng điện cực đại trong mạch G-K

10.Thời gian khóa GTO

30

Trang 32

BÀI 2: BỘ CHỈNH LƯU MD 30-02

Muc tiéu:

- Xác định được nhiệm vụ và chức năng của từng khối của bộ chỉnh lưu không điều

khiển và có điều khiến

- Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong mạch chỉnh lưu AC - DC 1 pha va 3 pha theo đúng yêu cầu kỹ thuật

- Trình bày được mục tiêu tính tốn các thơng sỐ kỹ thuật của mạch chỉnh lưu - Thiết kế được biến áp cung cấp mạch chỉnh lưu

` Rèn luyện đức tính can than, ti mi, tu duy sáng tạo và khoa học, đảm bảo an toàn, tiệt kiệm - Khái quát về chỉnh lưu - Cấu trúc, định nghĩa: , Ộ *Định nghĩa: Chỉnh lưu là thiệt bị biên đôi dòng điện (điện áp) xoay chiêu thành dòng điện một chiều * Câu trúc chỉnh lưu như hình vẽ pA PA nà Ui, Pi BA [UP | CL |U-P-| Lọc Phân loại :

Theo số pha: một pha, hai pha, ba pha, sáu pha Theo loại van:

Chỉnh lưu không điều khiển sử dụng diode Chỉnh lưu có điêu khiến sử dụng tiristor

‹ Chỉnh lưu bán điều khiến sử dụng cả diode và tiristor - Các thông số cơ bản của chỉnh lưu:

Những thông số có ý nghĩa quan trong đề đánh giá chỉnh lưu bao gồm: 1 Điện áp tải

2 Dong dién tai: Id = Ude/ Rd

3 Dong dién chay qua van: IV = Id/m 4 Dién ap nguge cua van: UN = Umax 5 Cong suat bién ap:

6 Số lần đập mạch trong một chu kì : m 7 DO đập mạch (nhấp nhô) của điện áp tải Nguyên tắc dẫn của các van bán dẫn

Nhóm van nối chung catod + Nguyên tắc diode dẫn:

Điện áp anod van nào đương hơn diode ấy dẫn Khi đó điện thế điểm A bằng điện thế anode dương nhất

+ Nguyên tắc dẫn và điều khiến tiristor

3]

Trang 33

Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy loi Khoa: Điện - Điện tu Di Ti Vi ) | Vì > D2 J+ T2 [+ pi i Vv —p} -! v.—bL-! Nhóm van nối chung anod + Nguyên tắc diode dẫn: Điện áp catot van nảo âm hơn diode ấy dẫn Khi đó điện thế điểm K bằng điện thế anode âm nhất K 2.1 Bộ chỉnh lưu 1 pha

2.1.1 Chỉnh lưu một pha không điều khiến 2.1.1.1 Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ

Sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kì không điều khiến +) YL Ui U2 0 | \ 7T 7 On R N / ot Vv Vv UỦa —>

Trang 34

° - Dòng điện chạy qua diod: ID = Id °Ò Điện ấp ngược của van: Ung = 1.4U2

- Céng suat bién dp: S,, = Sipa TS2pa _ 3,09U,.1,

Xét trường hợp tải điện cảm 2

Do có tích luỹ và xả năng lượng của cuộn dây, do đó dòng điện và điện áp có dạng như hình vẽ Các thông sô của sơ đồ ¬ 17p 1+co °_ Diện áp tải U,=— |x2U; sinoft.dot = 0,45U, as 2m ‹ 2

¢ Dong dién tai: Id = Ude/ Rd ¢ Dong dién chay qua diod: ID = Id ¢ Dién ap ngugc cua van:

Trang 35

Thông sô của sơ đô Ưu =2.-— |x2U; sin ør.Jar = 220 =0,9U, 27 7r 0 "- R, I I Lng = 31 pha = %5 U yp =2.V2U, Sy, = Sia vn _ 1,23 5 1,74 U,1, ~1,48U ,1, 2.1.1.3 Chỉnh lưu cầu - _ Sơ đồ mạch điện:

Thông số của sơ đồ

Điện áp và đòng điện tải có hình dạng giống nh chỉnh lu cả chu kì với BATT, đo đó thông số giống nh trờng hợp trên

Một số thông số khác:

Udy = Ud + AUBA + 2.AUD + AUdn SBA = 1,23 Ud.Id

Un= U~

2.1.2 Chỉnh lưu một pha có điều khiến 2.1.2.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ

- Trường hợp tải thuân trở

Điện áp tải được tính U,= ——|v2u, sin ot.dot = 0,45U, 1+ cos @ Z

34

Trang 37

Trường Cao đắng Cơ giới và Thủy lợi Khoa: Điện - Điện tứ 2.1.2.3 Chính lưu cầu - So d6 mach điện: < —_—— — = | - l 1134 3,4

Đặc điêm điêu khiên đồng thời hai van +

Sơ đô điều khiến đông thời hai tiristor "TEN KN „ D T; (Ts) Mich 1; (T4) ®iÒu khiOn _ jac” 2.2 Bộ chỉnh lưu 3 pha

2.2.1 Chỉnh lưu ba pha không điều khiến

Trang 38

Thông sô của sơ đồ

° Điện áp, dòng điện chỉnh lưu và van

3 5z/6 3/6

Uw => J ý2U, „Sin@tdaf = —U,„ =111U,,

U I I

Ly " Tp» = on TR

Up = V2V3U,, =2,45U,, =(2,45/117)U,

gy, = Sime * Soma - = U,1, >135U,1, 2 =3 DIEN AP NGUON 0975 0.98 0.985 AP CHINH LUU Ud 0.99 0.975 0.98 0.985 DONG DIEN|TAI Id 0.99 0.975 0.98 0.985 0.99 D iy S——x<*<—— DOE OM „ ee OSH 6 6 2 2 13a 6 <Š X< 7< 6

Hình H2.4: Mạch chỉnh lưu hình tia và dạng sóng điện áp

Sơ đồ bộ chỉnh lưu như trên hình H2.4a Giả sử nguồn ba pha lý tưởng, đối xứng như biểu thức (2.4) Tải một chiều gồm R, L và sức điện động E mắc nối tiếp (động cơ điện một chiều)

ạ (f)= Ư„ sn X

u(t)=

U sin( X —120 ° ) (2.4)

L nv

Qui tac dẫn điện cia céc diode: diode, _nao mắc vào nguồn áp xoay chiều có

Trang 39

giá trị tức thời lớn nhất trong các pha tại thời điểm đang xét thì diode đó sẽ dẫn

điện, các diode còn lại không dẫn điện

Trong khoảng thời gian 46 <X< >6; DT dẫn, D2 và D3 ngắt, dòng điện đẫn qua mach

(ua, D1, R, L, E); điện áp chỉnh lưu Ủa = ua

Trong khoảng thời gian 967 X= 3 2”; D2 dẫn, DI và D3 ngắt, dòng điện dẫn qua

mach (uv, D2, R, L, E); điện áp chỉnh lưu Ud = up

" ] 2 ; ¬

Trong khoảng thời gian 35% xX 1367 D3 dân, DI và D2 ngắt, dòng điện dân qua mạch (uc, D3, R, L, E); điện áp chỉnh lưu Ứa = uc Hệ quả: 1 Điện áp chỉnh lưu có ba xung, chu kỳ áp chỉnh lưu 7p= 3 7, vorT la chu ky cua dién áp nguồn Dòng tải liên tục, trị trung bình của áp chỉnh lưu: Z._27 63 5 U = J | U sin XdX= 3U nt _ cos X]'¢ = 3 BU voy (2.5a) 4 27 mm 2z Z 27 2z 3s

Với U là giá trị hiệu dụng của điện áp pha

Trị trung bình đòng điện qua tải ở trạng thái xác lập:

I = <i (2.5b)

Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian „chu kỳ của điện áp nguồn Do đó,

trị trung bình dòng điện qua diode:

_ I,

= 250)

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên điode bằng biên độ của điện áp dây:

Uy ¬l3U„ 3Í6U (2.54)

Trang 40

Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi Khoa: Điện - Điện tử U IT —E 257,4-100 Dòng điện tải ở xác lập: d = R= 5 =31,5A I Dong dién trung binh qua linhkién: ~« <= 4= 31,5=10,54 3

2.2.1.2 Chinh lwu ba pha hinh cau

Mach chỉnh lưu cầu ba pha gồm co 6 diode được mắc thành hai nhóm linh kiện như

trên hình H2.5a Nhóm linh kiện ở trên gọi là nhóm linh kiện lẻ, nhóm linh kiện ở dưới gọi là nhóm linh kiện chẵn

Qui luật dẫn điện của các linh kiện:

Đối với các linh kiện thuộc nhóm trên: linh kiện nào mắc vào nguồn có giá trị tức thời

của điện áp lớn nhất thì linh kiện đó dẫn, các linh kiện còn lại không dẫn

Đối với các linh kiện thuộc nhóm đưới: linh kiện nào mắc vào nguồn có giá trị tức thời của điện áp bé nhất thì linh kiện đó dẫn, các linh kiện còn lại không dẫn

Từ qui tắc đóng ngắt của các linh kiện ở trên, ta có thê vẽ được dạng sóng điện áp ngõ ra như trên hình H2.5b Các khoản dẫn của các linh kiện là (6, ., Ô6), sau đó

lặp lại tuần hoàn Mỗi khoản dẫn có một linh kiện ở nhóm trên và một linh kiện ở nhóm đưới cùng dẫn (như chú thích trên hình H23.5b)

Giá trị của các khoản dẫn như sau:

Trong khoản 46 <Ø< 4, (hay 30< 0i < 90°): diode D1 va D6 dan (so dé tuong

duong nhvu trén hinh H2.6), dong dién chay qua mach (ua, D1, R, L, E, D6, uv) Dién ap chinh luu Ua = ua — Ub = uab

Tương tự, ta có thể phân tích quá trình dẫn điện của các linh kiện trong các khoảng dẫn còn lại (2.6) Z<0 <3Z (90<0 <150) 2 ° 6 _2<6< 1Z (1500 <ø 3 3 < 210°) 6 °6 1Z<ø <3Z (1500<ø — <2709) 4 4 (2.6) 6 2 32<6< 12 (270° <6< 330°) 2 5 6 11Z< ø <13z (3309 <øØ< 3900) 6° 6

Từ việc phân tích ở trên ta nhận thấy: điện áp chỉnh lưu là điện áp dây trong các khoản

thời gian dẫn điện của các linh kiện (như trên hình H2.5b)

39

Tiêu đề	Giáo Trình Điện Tử Công Suất
Trường học	Trường Cao Đẳng Nghề Cơ Giới Và Thủy Lợi
Chuyên ngành	Điện - Điện Tử
Thể loại	Giáo Trình
Năm xuất bản	2017

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	16,06 MB