bài giảng điện tử công suất và ứng dụng chương2

LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chương 2: 2.1 Diod công suất 2.2 Linh kiện họ transistor 2.3 Linh kiện họ thyristor Ngắt điện điện tử: linh kiện hay nhóm linh kiện điện tử làm việc hai chế độ: - Dẫn điện hay bảo hoà (ON): sụt áp bé, dòng phụ thuộc vào tải - Khóa (OFF): dòng qua bé ( 0), xem hở mạch Linh kiện chính: diode, thyristor (SCR), transistor (BJT, MosFET, IGBT) trang / 19 ch2 LK DTCS 2.1 DIOD COÂNG SUẤT: Là diod chịu dòng lớn, dùng ĐTCS Phân loại: - có hai loại: - tần số công nghiệp (diod chỉnh lưu) - diod tần số cao có diod Schotky chịu áp thấp, sụt áp thuận 0.2 – 0.4V Đặïc tính phục hồi diod (recovery): Từ dẫn -> khóa có khoãng dẫn dòng ngược TÁC DỤNG: hạn chế tần số làm việc, áp đóng ngắt trang / 19 ch2 LK DTCS 2.2 LINH KIEÄN HỌ TRANSISTOR: Là nhóm linh kiện đóng ngắt theo điều khieån: BJT, MosFET, IGBT… G D D C C G S S G G E MosFET kênh n (Ký hiệu quen dùng) Ký hiệu IGBT E Mạch nguyên lý IGBT - MosFET: transistor trường loại tăng (enhancement) - IGBT (Insulated Gate BJT) = MosFET ngỏ vào + BJT ngỏ BJT: điều khiển dòng cực B - IB = => BJT khóa, không dẫn điện MosFET, IGBT: điều khiển áp VGS VGE - VGS  : transistor khóa - IB đủ lớn (IB > IC / ) BJT bảo hòa: dòng - VGS > VTH : transistor dẫn điện tải IC phụ thuộc tải (V từ volt) TH transistor Darlington có  từ vài trăm đến Thực tế điều khiển: vài nghìn 0/10 – 15V hay ±(10 – 15)V trang / 19 ch2 LK DTCS 2.2.1 Đặc tính đóng ngắt BJT - Thí nghiệm đóng ngắt tải R RL: VCC L VCC i i VBB C Rt R2 R1 Rt VBB Q v CE C Q R2 R1 v CE - từ khóa  bảo hòa transistor qua trạng thái khuếch đại => có tổn hao đóng ngắt: phát nhiệt tăng cao theo tần số làm việc => cần có biện pháp: điều khiển tối ưu + mạch hỗ trợ trang / 19 ch2 LK DTCS 2.2.2 Mạch lái BJT: Khái niệm mạch lái (driver): Điề u khiể n vòng kín Điều khiển Mạ ch phát xung Khuếch đạ i xung Ghé p nố i NĐBD Mạch lái (driver) DRIVER: phận trung gian HT điều khiển - thiết bị - HT ĐKTĐ: Driver = điều khiển động cơ/ tải công suất - BBĐ: Driver = mạch cung cấp dòng điều khiển NĐBD gồm KĐ công suất + ghép nối - Ghép nối: trung gian mạch ĐK – động lực Trực tiếp – qua trung gian quang / từ trang / 19 ch2 LK DTCS a Dạng xung điều khiển tối ưu: - Dòng cực B tối ưu: i VBB Icb R2 Idt B R1 Q D R C t Ing maïch Snubber Giải thích: tụ điện ký sinh CBE cần nạp/xả nhanh MosFET, IGBT: có trình tương tự với CGS - Mạch cải thiện trình khóa: Tụ C tạo đường dẫn điện IC trrong trình khóa ngắt điện trang / 19 ch2 LK DTCS b Mạch lái BJT - dạng mạch lái trực tiếp: (a), (b), (d) VCC 1uF C VBB R3 Q R2 R1 (a) Q1 R2 T Q2 D (b) R1 Q2 Q 2.2k Q Q1 (c) - VCC - Ghép quang (OPTRON): Dùng nguồn độc lập cho mạch lái + Mạch điện tương tự lái OPTO SCR cấp điện OPTRON (Cách ly tín hiệu ĐK) + sửa dạng + khuếch đại công suất (Ghép trực 10 mA tiếp) _ Khuếch đại xung (d) trang / 19 ch2 LK DTCS 2.2.3 mạch lái MosFET, IGBT: - Các thông số: Mạch cực cổng Ngưỡng áp điều khiển – V D MOSFET N 220 Tiêu bieåu – 10 V (hay 15 V) +/- 10 V (hay 15 V) Giới hạn +/- 20 V 330p Xung 15V 510/3w Dz7V2 22k - Mạch lái MosFET IGBT: Tần số thấp: lái trực tiếp từ vi mạch 12V Tần số cao: Mạch lái tương tự BJT cấp điện 15 – 20V Vi mạch lái: - IR21xx - optron + mạch KĐại trang / 19 ch2 LK DTCS II.3 LINH KIỆN HỌ THYRISTOR: Thyristor: linh kiện có ≥ lớp, đại diện SCR Cấu tạo nguyên lý hoạt động SCR: Ký hiệu SCR Hình II.2.2: Cấu tạo SCR dòng lớn tỉ lệ thực (a) phóng to mảnh tinh thể bán dẫn (b) Anod: Dương cực Katod: Âm cực Gate: Cổng hay cực điều khiển trang 10 / 19 ch2 LK DTCS A P G Hình II.2.1: nguyên lý SCR N P N K Cấu tạo nguyên lý Mạch tương đương hai BJT - Mạch tương đương giải thích hoạt động SCR phân cực thuận - Khi cấp điện, iG = : SCR khóa thuận ngược – IA dòng điện rò, bé, cở mA với VAK  - Khi SCR phân cực thuận VAK > 0, IG > 0, SCR  dẫn điện - SCR tự giữ trạng thái dẫn điện IA  Đặc tính tónh ( volt – ampe ): Mô tả quan hệ IA(VAK) với dòng IG khác trang 11 / 19 ch2 LK DTCS Hình II.2.3 Sơ đồ thí nghiệm đặc tuyến volt – ampe SCR * VAK < : Khóa ngược: có dòng rò ngược, cở mA Khi VAK < - VRB ta có tượng gãy ngược  SCR bị hỏng * VAK > IG = : Khóa thuận: có dòng rò thuận, cở mA Khi VAK > VFB ta có tượng gãy thuận: SCR  dẫn điện Định mức áp SCR cần lớn giá trị gãy với hệ số an toàn > * Quá trình kích: Khi phân cực thuận, IG tăng, VFB giảm dần => Kích dòng IG đủ lớn để SCR dẫn điện bất chấp áp phân cực thuận * Vùng dẫn điện: sụt áp VAK = VF khoảng - volt Có thông số dòng: IL : dòng cài, IH : dòng giữ trang 12 / 19 ch2 LK DTCS Đặc tính động ( đóng ngắt ): a Đặc tính mở: ( turn on ) - Thời gian trễ ton - Giới hạn tốc độ tăng dòng diA/dt có thời gian lan truyền vùng dẫn điện Hình II.2.4.a Đặc tính động : mở khóa SCR (1) (2) Hình II.2.4.b Cấu tạo SCR cực cổng để cải thiện đặc tính động trang 13 / 19 ch2 LK DTCS b Đặc tính khoá: ( turn off ) - Thời gian đảm bảo tắt toff toff = [ 10 50 ] usec với SCR tần số cao [ 100 300 ] usec với SCR chỉnh lưu - Có giới hạn tốc độ tăng du/dt để tránh tự kích dẫn - Có trình dẫn dòng ngược khóa (đặt áp âm) diod (đặc tính phục hồi ngược) - Cần có mạch bảo vệ chống tự kích dẫn (hình II.2.5) C2 = 0.05 – 0.1 uF; R2 = 33 – 100 ohm; R1 = 20 – 100 ohm; C1 = 0.1 – 0.5 uF Hình II.2.5: Mạch snubber R1C1 RC cực cổng bảo vệ SCR khỏi chế độ kích dẫn không mong muốn trang 14 / 19 ch2 LK DTCS Đặc tính cổng: (hay kích khởi cổng) Bao gồm: (1) IG(VG) tiêu biểu, (2) IG(VG) ứng với điện trở RG bé, (3) IG(VG) ứng với điện trở RG lớn Các thông số giới hạn ( cực đại ): dòng IGmax, áp VGmax công suất tiêu tán trung bình PGmax (phụ thuộc bề rộng xung kích SCR) Các thông số giới hạn (bé nhất) cho đảm bảo kích: VGT, IGT Hình II.2.6: Đặc tính cổng SCR Điểm làm việc cực cổng SCR phải nằm giới hạn trang 15 / 19 ch2 LK DTCS Các linh kiện khác họ thyristor: Thyristor họ linh kiện có lớp với SCR đại diện Thyristor có khả tự giữ trạng thái dẫn điện (kích dẫn) Một số Thyristor chế tạo để điều khiển trình khoá làm thành ngắt điện điện bán dẫn chiều Hình II.2.7: Ký hiệu linh kiện hay gặp họ Thyristor IA / IG a DARLISTOR: SCR có cấu tạo nối tầng (cascade) để tăng hệ số khuếch đại dòng b DIAC: c LA SCR ( Light – activated – SCR ): SCR kích tia sáng d GTO: ( Gate turn off SCR, SCR tắt cực cổng ) GTO cho phép ngắt SCR xung âm cực cổng Từ mạch tương đương hai BJT (hình 1.2a), khả dự ñoaùn trang 16 / 19 ch2 LK DTCS e TRIAC: Là hai SCR song song ngược, chế tạo với dòng định mức đến hàng ngàn ampe - IG > hay IG < tổ hợp với VT > hay VT < cho ta kiểu hoạt động Hình II.2.8 Đặc tuyến V – I TRIAC DIAC Hình II.2.9: Hình dạng bên số TRIAC (SCR tương tự ) Nhược điểm TRIAC: - dễ bị tự kích nhiệt độ mối nối cao - có giới hạn du/dt thấp, khó làm việc với tải có tính cảm trang 17 / 19 ch2 LK DTCS 6V Mạch lái Thyristor: a Ghép trực tiếp: Mạch lái = mạch khuếch đại dòng R4 2.2 ohm 220 R2 XUNG DK 100 R1 Q1 C1061 2.2 ohm R5 SCR 0.1 uF C1 R3 100 R? R b Ghép quang: dùng OPTRON cách ly Điều khiển - Động lực 6V OPTRON (Optocoupler) OPTRON Triac họ MOC OPTRON thông thường có thời gian trễ lớn vài micro giây => tần số tối đa đến vài chục KHz OPTO1 2.2 ohm Q1 Q2 1K 2.2 ohm 4K7 R1 4K7 R2 4k7 SCR 100 Sơ đồ kích SCR dùng OPTRON thông thường trang 18 / 19 ch2 LK DTCS Đặc tính optron PS2521 (NEC) hay TLP521 (TI) Đặc tính optron TRIAC họ MOC Motorola trang 19 / 19 ch2 LK DTCS c Gheùp biến áp: biến áp xung (BAX) nguyên tắc BAX xung phải đủ hẹp: thời gian có xung đủ nhỏ – thời gian nghỉ đủ dài BAX VCC 100 D2 47n D2 3k3 3.3 ohm D1 3k3 Q1 3k3 Maïch lái xung hẹp SCR ... gồm: (1) IG(VG) tiêu biểu, (2) IG(VG) ứng với điện trở RG bé, (3) IG(VG) ứng với điện trở RG lớn Các thông số giới hạn ( cực đại ): dòng IGmax, áp VGmax công suất tiêu tán trung bình PGmax (phụ... (OPTRON): Dùng nguồn độc lập cho mạch lái + Mạch điện tương tự lái OPTO SCR cấp điện OPTRON (Cách ly tín hiệu ĐK) + sửa dạng + khuếch đại công suất (Ghép trực 10 mA tiếp) _ Khuếch đại xung (d)... thuận - Khi cấp điện, iG = : SCR khóa thuận ngược – IA dòng điện rò, bé, cở mA với VAK  - Khi SCR phân cực thuận VAK > 0, IG > 0, SCR  dẫn điện - SCR tự giữ trạng thái dẫn điện IA  Đặc tính