Chuong 1

Bài giả ng Đ iện T Công Suấ t GV: Thượng Văn Bé Chương 1: CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT I Diode công suất: Giới thiệ u: Diode c ông suất c ó cấu tạo, ký hiệu nguyên lý hoạt ñộng dựa chuyển P-N loại diode khác thường ñược c hế tạo ñể làm việc với dòng ñiện lớn ñiện áp c ao (hình I.1) A A iD A vD vγ K K a) cấu tạo b) ký hiệu K d) Một số hình dạng c) ðặc tuyến V-A Hình I.1 • Nhiệt độ mặt ghép Tj : Dịng điện chạy qua diode làm diode nóng lên, c hủ yếu vùng chuyển tiếp ðối với diode loại Si, nhiệt ñộ mặt ghép Tj cho phép 200 oC Vượt nhiệt độ nầy diode c ó thể bị phá hỏng ðể làm mát diode, người ta thường dùng cánh tản nhiệt ñược quạt mát cho nước hay dầu biến c hạy qua với tốc ñộ lớn hay nhỏ tùy theo dịng điện Q trình chuyển trạng thái: (Hình I.2) E vs vs t is t −E vD E vs vR vR t vR tON t OFF −E E t f ≈ 100KHz vD t −E Hình I.2 Khi tác ñộng lên diode ñiện áp xoay chiều Trong bán kỳ dương ñiện áp nguồn, diode ñược phân c ực thuận nên cho dòng c hạy qua, ta nói diode c hế độ bão hịa S Trong bán kỳ âm, diode bị phân cực nghịch, trở thành cách điện, ta nói diode chế độ khóa B Duøng cho Hệ CĐ Trườn g CĐ Kỹ Thuật Cao Thắn g Trang Bài giả ng Điện Tử Công Suấ t GV: Thượng Văn Bé Sự c huyển từ chế ñộ s ang chế ñộ ñược thực c ác h tức khắc mà trình xảy sau: • Từ chế ñộ S sang chế ñộ B: Khi ñược ñặt ñiện áp dương, nhiều ñiện tử từ vùng N vượt qua mặt ghép J sang vùng P ñể ñến cực dương c nguồn Nếu nhiên diode bị ñặt ñiện áp âm, ñiện tử ñang có m ặt vùng P phải quay trở vùng N di c huyển quay trở điện tử tạo nên dịng điện ngược chạy qua diode từ K ñến A khoảng thời g ian ngắn, c ường ñộ lớn nhiều s o với dịng điện ngược bình thường Cường độ dịng điện ngược lúc đầu lớn suy giảm, sau khoảng thời gian ñược ký hiệu toff (tu rn of time) giảm xuống gần Toff tớnh bng às ã T ch ủ B sang chế độ S: ðang chế độ khóa, dịng ñiện ngược nhỏ, không ñáng kể, diode nhiên đặt điện áp thuận, dịng điện I khơng thể nga y tức khắc đạt giá trị E/R mà phải sau khoảng thời gian ñược ký hiệu t0n (turn on time) ñể hạt dẫn ña s ố ñồng loạt c huyển ñộng, t0n tính µs Nh n xét: Khi điện áp nguồn biến thiên với tần số cao, f >100KHz diode bình thường s ẽ khơng cịn chế độ khóa II Transistor cơng suất: ðại cương: Hình I.3 Transitor cơng s uất dùng để đóng/cắt dịng điện chiều có cường độ tương đối lớn, chúng c hỉ làm việc hai trạng thái: • Trạng thái ñóng, ký h iệu F, ñể ñóng mạc h ñiện • Trạng thái mở, ký hiệu 0, ñể c mạc h ñiện Thực tế nhiều loại trans istor c ơng suất cấu trúc có mắc ñiện trở cực B cực E diode song s ong ngược s au: Dùng cho Hệ CĐ Trườn g CĐ Kỹ Thuật Cao Thắn g Trang Bài giả ng Điện Tử Công Suấ t GV: Thượng Văn Bé • Các thơng số transistor: Ic: Dịng điện c olec tor mà T chịu ñược VCEsat: ðiện áp V CE T dẫn bão hòa VCEO : ðiện áp V CE m T chịu ñược mạc h cực B ñể hở, IB = VCEX: ðiện áp V CE m T chịu cực B khóa điện áp ngược , IB < ton: Thời gian cần thiết ñể VCE từ g iá trị ñ iện áp nguồn E giảm xuống VCEsat≈0 tf: Thời gian c ần thiết ñể VCE từ giá trị VCESat tăng lên ñến ñiện áp nguồn E p: Công s uất tiêu tán bên trans ittor Ví d : BUX 48, IC = 10A, Vsat = ,5v VCEO = 400v, VCEX = 850v, IB = 2A ton = 1ms , tf = 0,8ms , t s = 3ms, P = 175w Cơng s uất tiêu tán bên trans istor tính theo cơng thức: P = VBE.IB + VCE.IC - Khi T trạng thái mở IB = 0, Ic = 0, nên p = - Khi T trạng thái đóng VCE = VCES với BUX 48 p = 1.2 + ,5.10 = 17w Công suất tiêu tán nà y nhỏ nhiều lần so với c ông suất tiêu tán T chuyển trạng thá i (từ đóng chuyển sang mở ngược lại) Ta c ũng biết nhiệ t ñộ bên c T khơng vượt q mức 2000C ðể giảm nhỏ c ông suất tiêu tán người ta phải dùng c ác m ạch "trợ giúp" T chuyển trạng thái Việc sử dụng mạc h trợ giúp ñược xem bắt buộc T làm việc ñiều kiện sau: f > 5KHz VCE ≥ 60v, Ic > A • ðặc tính tĩnh: IC = f(VCE), (Hình I.4) IC Vù ng khuế ch đại Vù ng bão hòa Vùn g dá nh thủn g IB=0 Vùn g ngưng dẫn Hình I.4 VCE ðể cho T đóng, điện áp sụt bên c ó giá trị nhỏ, người ta phải c ho làm việc c hế độ bão hịa, tức IB phải ñủ lớn ñể ic cho ñiện áp sụt V CE nhỏ Ở c hế độ bão hịa, điện áp sụt trans istor c ơng suất 0,5 đến 1V, ñối với Thyris tor khoảng 1,5V Mạch trợ giúp: a) M ạch trợ giúp mở: (Hình I.5) Mạch trợ giúp mở gồm phần tử C1, D 1, R1 Dịng điện tải i Vì thời gian chuyển trạng thái ngắn nên cho phép xem i=I=c onst lần chuyển trạng thái Sơ kiện: VCE=VCEsat≈0, Ic=I, ID = Khi c ho xung áp âm tác ñộng vào c ực B c Q, dịng ic giảm tuyến tính từ I xuống khoảng thời gian tf Nếu khơng có mạc h trợ giúp ta c ó: ic + iDr = i = I = c onst Vừa i c bắt ñầu giảm th ì i Dr tăng lên ngay, D r làm ngắn mạc h tải vCE = V + V Dr Duøng cho Hệ CĐ Trườn g CĐ Kỹ Thuật Cao Thắn g Trang Bài giả ng Điện Tử Công Suấ t GV: Thượng Văn Bé Năng lượng tiêu tán bên Q s ẽ là: tOFF VIt f PO = ∫ vCE iC dt = i1 Hình I.5 Nếu có mạc h trợ giúp, ta có: ic + i1 = I = c onst Vừ a kh i ic bắt ñầu giảm tuyến tính i1 bắt đầu tăng tuyến tính Tụ C ñư ợc nạp ñiện dv c1 dt = I −i c C1 t = tf, ic = VC(tf) = v0 = VCE tR, c) M ạch vào: (Hình I.7) DAS RB IB Dg1 IC Q Dg2 Hình I.7 dịng β = Mạch vào gồm diode D g1, D g2, D as, R B D g1 - T ạo mạch ñối với xung áp dư ơng ñặt vào c ực B D g2 - T ạo mạch ñối vớ i xung áp âm ñặt vào cực B R B - Hạn chế dòng c ực B D as - D iode c hống bão hòa sâu Q Sự có mặt c D as làm cho Ic = Icsat T a biết hệ số khuyếch ñại IC ñã ñượ c ấn ñịnh chế tạo transistor IB Transis tor làm việc với dịng Ic khơng phải lúc c ũng giá trị ñịnh mức Trườ ng hợp tả i nhỏ (Ic nhỏ) th ì rõ ràng IB lớn so với mức cần thiết, Q s ẽ làm việc chế ñộ "s iêu bão hịa", s ẽ kéo dài thời gian tf , làm tăng c ơng suất tiêu tán Q chuyển s ang trạng thái mở Có D as D g i c nhỏ, phần c dịng cực B đưa thẳng ñến cực C mà không qua khuyếc h ñại Dùng cho Hệ CĐ Trườn g CĐ Kỹ Thuật Cao Thắn g Trang Bài giả ng Điện Tử Công Suấ t GV: Thượng Văn Beù III Transistor MOS công suất: Giới thiệu: MOSFET (Meta l Oxide Semic onduc tor Field E ffect Trans is tor) gọi tắt trans istor MOS ñược c hia làm hai loại: MOS kênh liên tục MOS kênh gián ñoạn Mổi loại MOS lại có MOS kênh N MOS kênh P Ký hiệu đặc tính c trans istor MOS D ID gián ñoạn kênh N (NMOS) ñược trình bày hình I.8 Transis tor MOS có cực : D - Drain, c ực máng: Các ñiện tíc h đa s ố G VDS (điện tử N lỗ trống P) từ bán dẫn chạy m VGS S - Soure, c ực nguồn: Các điện tíc h đa s ố S từ cực nguồn chạy vào bán dẫn Hình I.8a: G - Gate, cực cổng, cực ñiều khiển ID ID VGS =9V VGS =6V VGS =3V VGS VT b) ðặc tuyến truyền dẫn VDS c) ðặc tuyến Hình I.8 Do cấu tạo kênh bị gián ñoạn nên b ình thường ID = ñiện trở D S lớn Khi c ó VGS dương có dịng ID từ D sang S ðiện áp VGS lớn dịng điện ID c àng lớn Ở ñặc tuyến truyền dẫn, VGS > VT có dịng ID VT gọi ñiện thềm giống BJT ðiện khoảng 1V ∗ Sự tương tự thuật ngữ BJT MOS: Transistor MOS T ransistor BJT D C S E G B VDD: Nguồn ñiện máng Vcc VGG : Nguồn điện cổng VBB ID: Dịng điện máng Ic Transis tor MOS tác ñộng nhanh tổn hao đóng/ngắt thấp , s dụng nhiều c ác ứng dụng công s uất nhỏ (vài kW) khơng th íc h hợp sử dụng cho ứng dụng c ó cơng s uất lớn ðiện trở MOS dẫn ñiện RON thay ñổi phụ thuộc vào khả c hịu áp chúng Do đó, c ác linh kiện MOS thường c ó ñịnh mức áp thấp tương ứng với trở kháng nhỏ tổn hao Do tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp nhờ có diode cấu trúc bên (H.I.8a) nên với ñịnh mức ñiện áp từ 300V- 400V MOS tỏ ưu ñiểm s o với BJT tần số vài chục kHz Dùng cho Hệ CĐ Trườn g CĐ Kỹ Thuật Cao Thắn g Trang Bài giả ng Điện Tử Công Suấ t GV: Thượng Văn Bé Mạch kích M OSFET: (Hình I.9) VG ID C ID Q1 R Q R1 R2 VDK RG Q V DK Q2 a) b) Hình I.9 ðể tăng tốc độ chuyển trạng thái m ạc h, c ó thể s dụng mạch kíc h đơn giản hình I.9a Trong ñó, C tụ tăng tốc, R1, R2 R G ñể xác lập ñiện áp ñiều RG khiển MOS VGS = VG = VDK RG + R1 + R2 Hình I.9b m ạch kích cải thiện Q1, Q đóng vai trị mạch đệm c ó tổng trỏ nhỏ ñể tăng tốc ñộ nạp/xả ñiện G S IV IGBT: ( INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR ) IGBT c ó ký hiệu, mạch điện tương đương vẽ hình I.10 C C-Collector G-Gate G E-Emmiter E b) Mạch tương đương a) Ký Hiệu Hình I.10 IGBT transistor cơng s uất đại, có khả c hịu điện áp dịng điện lớn c ũng tạo nên ñộ sụt áp vừa phải dẫn ñiện IGBT c ó phần tử MOS với cổng cách điện tích hợp cấu trúc Việc ñiều khiển ñóng/ngắt IGBT ñược thực nhờ phần tử MOSFET ñấu nối hai c ực trans istor NPN Việc kích dẫn IGBT thực xung điện áp đưa vào cổng kíc h G E ðặc tính V-A IGBT có dạng tương tự đặc tính V-A c MOSFET Ưu điểm IGBT khả đóng ngắt nhanh nên s dụng biến ñổi ñiều chế ñộ rộng xung tần số c ao IGBT c vị trí quan trọng c ơng nghiệp với họat động phạm vi c ơng suất đến 10MW cao Giống MOSFET, IGBT có điện trở vào lớn nên hạn chế tổn hao cơng suất mạch điều khiển Khả chịu điện áp khóa tu y cao thấp so với Thyristor Dùng cho Hệ CĐ Trườn g CĐ Kỹ Thuật Cao Thắn g Trang 10 Bài giả ng Điện Tử Công Suấ t GV: Thượng Văn Bé So với Thyristor, thời g ian đáp ứng đóng ngắt IGBT nhanh, khoảng vài µs khả chịu tải đến 4,5kV-2.000A Hiện cơng nghệ c hế tạo IGBT ñược ñặc biệt phát triển ñể ñạt ñến mức ñiện áp vài ngàn Volt (6kV) dịng điện vài ngàn Amper Modul IGBT thông minh (Intelligent Power Modul): ðược c hế tạo c ơng nghệ tích hợp c ao Trên modul chứa đựng phần tử IGBT, mạch kích lái, mạc h bảo vệ, c ảm biến dịng điện Các modul đạt độ tin cậy cao Mạch kích IGBT thiết kế tương tự mạc h kíc h cho MOSFET Do giá thành IGBT c ao, đặc biệt cho cơng suất lớn, mạc h kích lái IGBT chế tạo dạng IC cơng nghiệp Các IC có khả tự bảo vệ chống tải, ngắn mạch, chế tạo tíc h hợp dạng modul riêng (1,2,4,6 driver) tích hợp c ả modul bán dẫn (hình thành dạng c omplex bao gồm mạch lái, IGBT mạc h bảo vệ) V Thyristor: Từ Thyristor hai từ thyratron transisto r ghép lại mà nh Thyristor nhóm kỹ sư hã ng Bell Té léphone phát minh sáng chế vào năm 1956 Một số Thyristor làm việc điện áp hàng kilơ-vol c hịu dịng ñiện hàng kilô-ampe Cấu trúc v ký hiệu: Thyristor mộ t linh kiện gồm bốn lớp bán dẫn P1 , N1, P2, N2 tạo nh, có cấu tạo, k ý hiệ u mạch tương ñương hình I.11: A-Anode P1 N1 G Gate P2 N2 A A J1 J2 G K G G J3 K K-Cathode a) Cấu tạo K b) Ký hiệu c) Mạch tương đương Hình I.11 A d) Hình dạng phổ biến Nguyên lý làm việc: Khi ñặt Thyristor ñiện áp chiều, anode nối vào cực dương, cathode nối vào cực âm nguồn, J J3 ñược phân cực thuận, J bị phân cực ngược nên khơng có dịng điện chạy qua Thyristor đặt điện áp thuận (VA > VK ) a Mở Thyristor: Nếu cho xung ñiện dương V G (dương so vói K) tác động vào cực G, ñiện tử từ N2 chạ y sang P2 ðến đây, số chúng chạy vào nguồn hình thành dịng điều khiển IG chạy từ G qua J3 sang K, cịn phần lớn điện tử chịu sức hút ñiện trường tổng hợp mặt ghép J2 chạ y vào N1 qua P1 ñến cực dương nguồn điện ngồi tạo nên dịng điện IA chạ y qua Thyristor Hình I.12 Dùng cho Hệ CĐ Trườn g CĐ Kỹ Thuật Cao Thắn g Trang 11 Bài giả ng Điện Tử Công Suấ t GV: Thượng Văn Bé ðiện trở thuận Thyristor khoảng 100kΩ cịn trạng thái khóa, trở nh khoảng 0,01Ω Thyris tor mở c ho dòng chạ y qua Một biện pháp mở Thyristor ñơn giản trình bà y hình I.12 Khi ấn vào K, Ig≥ Ig st T mở Người ta thường lấ y E Ig= (1,1 ÷ 1,2 ) Igst ðiện trở R1 tính theo cơng thức R1 = , cịn R2 (1,1 ÷ 1,2) I gst chọn k hỏang vài chục ñến hàng trăm Ohm Trong Ig st giá trị dịng điều khiển ghi sổ tay tra cứu Thyristo r Có thể tưởng tượng sau Khi ñặt Thyristor ñiện áp VAK > Thyristor tình trạng sãn sàng mở cho dịng chạy qua, cịn đợi lệnh - tín hiệu Ig cực điều khiển Thời gian mở: t0n thời gian cần thiết để lập dịng ñiện chạ y Thyristor, tính từ thời ñiểm cấp dịng Ig vào cực điều khiển b Khóa Thyristor: Một Thyristor mở diện tín hiệu điều khiển (Ig ) khơng cịn cần thiết ðể khóa Thyristo r, có hai cách: • Làm giảm dịng điện làm việc I xuống giá trị dịng trì IH (holding current), là: • ðặt ñiện áp ngược lên Thyristor (biện pháp thường dùng) Khi ñặt ñiện áp ngược V AK < lên Thyristor, hai mặt ghép J J bị phân cực ngược, J ñược phân cực thuận Những điện tử, trước thời điểm đảo cực tính V AK có mặt P1 , N1 , P2 , đảo chiều hành trình, tạo nên dịng điện ngược chạy từ cathode cực âm nguồn điện áp ngồi Lúc đầu dịng điện ngược lớn, sau J J3 trở nên cách điện J khơi phục lại tính c hất mặt ghép điều khiển tOff Hình I.13 Thời gian khóa t0ff tính từ bắt đầu xuất dịng điện ngược dịng điện ngược ðấy khoảng thời gian mà sau ñó ñặt ñiện áp thuậ n lên Thyris tor, Thyristo r không mở Trong bất k ỳ trường hợp khơng đặt Thyristor điện áp thuận Thyristor chưa bị khóa, khơ ng Thyristor dẫn trở lại Trên sơ đồ Hình I.13 b, việc khóa Thyristor biện pháp điện áp ngược thực cách ấn vào nút bấm K Sơ ñồ Hình I.13c cho Dùng cho Hệ CĐ Trườn g CĐ Kỹ Thuật Cao Thắn g Trang 12 Bài giả ng Điện Tử Công Suấ t GV: Thượng Văn Bé phép khóa Thyristor cách tự động Trong mạch lật đảo này, việc mở Thyristor khóa Thyristor Giả thiết cho xung ñiện áp dương ñặt vào G1 Thyristo r T1 mở, xuất hai dịng điện: Dịng thứ chạ y theo mạch E - R1 - T1 - GND Dịng điện thứ hai chạ y theo mạch E - R2 - C - T1 - GND Tụ ñiện C ñược nạp ñiện ñến giá trị E , cực “+ ” B, cực “-“ở A Bây nế u cho xung ñiện áp dương tác ñộng vào G2, Thyristor T2 mở, đặt điện điểm B vào cathode T1 Như T1 bị ñặt ñiện áp Vc = -E, T bị khóa lại T mở , lại xuấ t hai dịng điện Dịng thứ chạ y theo mạch: E-R2 -T2- GND Dòng thứ hai chạ y theo mạch: E-R1 -CT2 - GND Tụ C nạp ngược lại ñến giá trị E, cực + A, cực - B, chuẩn bị khóa T2 ta cho xung mở T1 ðiện dung tụ ñiện chuyển mạch: Như nói trên, k hi T1 mở cho dịng chạy qua C nạp điện đến giá trị E Bản cực + phía điểm B Tại thời ñiểm cho xung mở T2 (cả hai Thyristor ñều mở ) Ta có mạch điện tương đương hình I.14) Phương trình mạch điện: E = iR + v C Với i = C dvc dt  Giải ta có vc = E 1 − e   Hình I.14 − t CR1   = vT   Thời gian toff khoảng thời gian kể từ mở T2 cho ñến vT1 bắt đầu  trở thành dương, ta có E 1 − 2e   − t Off CR1   = Tính C = tOFF Thế R 1=E/I  0,693R1  nhận ñược C = 1,44 ItOFF E Trong to ff tính ms, I tính A, E tính V C tính µF VI Triac: (Triac triode alternative current) T2 T2 T2 T2 P N G N G N P G N T1 a) Cấu tạo T1 b) Ký hiệu VT2 >VT1 VG >VT1 P N P N N G VT2 VT1 P N P N N G VT2