Nghiên cứu, thiết kế kỹ thuật và công nghệ chế tạo các hệ thống điều khiển truyền động điện cho máy móc và các thiết bị tàu thuỷ (ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn) tổng quan về các phương pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các phần tử công suất lớn

Trước những nhu cầu và thách thức đó, vấn đề nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, ứng dụng kỹ thuật tự động hoá và vi xử lý để dần dần nội địa hoá các sản phẩm trên tàu thuỷ, đặc biệt là trong

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ

-o0o -

BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU

“TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ

KỸ THUẬT CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT”

Thuộc đề tài cấp nhà nước

“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ

CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ”

(Ứng dụng điện tử công suất lớn)

Mục lục

I Khái niệm chung và yêu cầu của các phần tử công suất lớn 4

1.1.Khái niệm chung: 4

1.2 Nhu cầu thực tế đòi hỏi: Sự cần thiết phải phát triển công nghệ chế tạo PTCS 4

II Phân loại và các đặc trưng kỹ thuật của các phần tử ĐTCS lớn 5

2.1 Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất lớn 5

2.2 Chất bán dẫn 6

2.3 Các phần tử công suất không điều khiển - Diode công suất 7

2.4 Phân tử công suất điều khiển không hoàn toàn - Thyristor, Triac 9

a Thyristor: 9

b Triac (Triode altractive curent) 14

2.5 Phần tử công suất điều khiển hoàn toàn 15

a Transistor công suất, BJT (Bipolar Junction Tranzitor) 15

b GTO ( Gate Turn- off Thyristor ) 16

c Transistor trường, Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect.) (Transistor mos công suất) 18

d MCT (Mos Controlled Thyristor) 20

2.6 So sánh tương đối giữa các phần tử bán dẫn công suất 20

III ứng dụng 21

3.1 Mạch chỉnh lưu: 21

3.1.1 Giới thiệu chung về mạch chỉnh lưu: 21

3.1.2 Các mạch chỉnh lưu cơ bản 24

3.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 42

3.2.1 Bộ biến đổi giảm điện áp (băm xung nối tiếp) 43

3.2.2 Bộ biến đổi tăng áp (băm xung song song) 43

3.2.3 Bộ biến đổi xung áp một chiều có đảo chiều dòng điện 44

3.2.4.Bộ băm xung đảo chiều điện áp nhưng không đảo chiều dòng điện 46

3.2.5 Bộ băm xung đảo chiều cả điện áp và dòng điện 46

3.3 Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 48

3.3.1 Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều một pha: 48

3.3.2 Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều ba pha 50

3.4 Nghịch lưu độc lập 52

3.3.1 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn điện áp cầu một pha tải có tính chất cảm kháng 52

3.3.2 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện cầu một pha tải cảm kháng 54

3.3.4 NghÞch lưu ¸p ba pha sö dông van ®iÒu khiÓn hoµn toµn 57

3.5 ThiÕt bÞ biÕn tÇn 60

3.5.1 BiÕn tÇn gi¸n tiÕp 60

3.5.2 BiÕn tÇn trùc tiÕp 61

Tµi liÖu tham kh¶o 64

Lời mở đầu

Tàu thuỷ là một trong những phương tiện vận tải rất quan trọng, đặc biệt là đối với các quốc gia nằm ven biển như Việt Nam Khi thực hiện các chức năng chính là vận tải, tàu có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài trên biển, chuyên chở được nhiều hàng hoá đến các cảng xa bờ với giá thành rẻ Ngoài ra, phương tiện này còn mang lại lợi ích phục vụ rất lớn cho việc thăm dò đại dương, đánh bắt hải sản xa bờ,

và đặc biệt là đảm bảo an ninh quốc phòng đối với vùng biển và hải đảo

Trong giai đoạn hiện nay, theo đường lối đổi mới, phát triển công nghiệp hoá, hiện đại hoá Đất nước nói chung và chủ trương hiện đại hoá ngành công nghiệp đóng tàu cũng như nội địa hoá các sản phẩm của ngành tàu thuỷ Các cán bộ, nhân viên của ngành tàu thuỷ đã không ngừng nâng cao năng lực thiết kế, cải tạo chiều sâu, đổi mới công nghệ đóng mới hàng loạt tầu Cùng với việc đóng mới là vấn đề về trang bị

kỹ thuật tự động hoá, hiện đại các hệ thống trên tàu Thực tế cho thấy là các sản phẩm, trang thiết bị trên phức tạp trên tàu hầu hết đều phải nhập ngoại từ nước ngoài với giá thành rất đắt

Trước những nhu cầu và thách thức đó, vấn đề nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, ứng dụng kỹ thuật tự động hoá và vi xử lý để dần dần nội địa hoá các sản phẩm trên tàu thuỷ, đặc biệt là trong việc điều khiển và tự động hoá tàu biển phù hợp với các không gian, tích chất hoạt động của tàu, việc khởi động, điều khiển các thiết bị công suất lớn,

động cơ công suất lớn càng đòi hỏi cấp thiết vì chức năng điều khiển, không gian, trọng lượng, độ bền và độ tin cậy của thiết bị điều khiển Việc nghiên cứu cải tiến và ứng dụng các phần tử công suất lớn vào việc điều khiển tối ưu cho các thiết bị, động cơ, máy móc tàu thuỷ nhằm giải quyết các yêu cầu đó đồng thời ứng dụng những kỹ thuật hiện đại nhất trên thế giới, đưa ngành công nghiệp tàu thuỷ nước nhà phát triển

Trong giới hạn chuyên đề này chúng tôi chỉ trình bày tổng quan về các phần tử công suất lớn áp dụng trong lĩnh vực điều khiển các thiết bị có công suất lớn trên tàu thuỷ

I Khái niệm chung và yêu cầu của các phần tử công suất lớn

1.1.Khái niệm chung:

Trước tiên ta phải làm rõ các phần tử công suất lớn là gì ?

Có thể hiểu 1 cách định tính các phần tử công suất là các linh kiện hay một thiết

bị công suất trong một hệ thống điều khiển như: thiết bị truyền tải, điều khiển hay chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác

Từ khi các phần tử công suất lớn ra đời cho đến nay đã làm thay đổi hoàn toàn cách nhìn nhận trong việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống và ngày càng đi sâu vào mọi mặt của nền kinh tế công nghiệp và kinh tế dân dụng nó đã góp phần nâng cao năng suất lao động cũng như hiệu quả kinh tế.Trong các lĩnh vực công nghiệp hay dân dụng đều áp dụng các phần tử công suất như : Các động cơ trong điều khiển các dây truyền với hàng trăm KW, các thiết bị nâng hạ trong công nghiệp và trong dân dụng, các thiết bị truyền tải điện, hay thiết bị chuyển đổi điện áp một chiều, xoay chiều với công suất lớn Đặc biệt như các thiết bị công suất lớn trên tàu thuỷ như: Cần cẩu, tời neo, máy lái, thang mạn

1.2 Nhu cầu thực tế đòi hỏi: Sự cần thiết phải phát triển công nghệ chế tạo

PTCS

Như ta đã biết: Việc điều khiển các thiết bị có công suất lớn trong một hệ thống truyền dộng có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất Đặc biệt trong thời đại phát triển công nghiệp, điều khiển và tự động hoá như hiện nay, các hệ truyền động với các phần tử công suất lớn góp phần quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất và mở rộng phạm vi hoạt động của hệ thống

Trong những năm đầu nhãng năm 50 của thế kỷ 20 thì ngành điện tử công công nghiệp ra đời nhưng các ứng dụng của chúng bị hạn chế vì thiếu những phần tử công suất lớn có hiệu quả cao, kích thước nhỏ và đặc biệt là có độ tin cậy cao, khi đó với các đèn điện tử chân không và có khí, các đèn thuỷ ngân không đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của điều khiển công nghiệp

Từ những năm 60 của thế kỷ 20 do sự hoàn thiện của kỹ thuật bán dẫn, một loạt những linh kiện bán dẫn như : Điốt, Tiristo, Tranzito công suất ra đời cũng đã làm thay đổi bộ mặt điều khiển các phần tử công xuất lớn đưa nền công nghiệp tiến lên một bước nữa Ngày nay với việc áp dụng các tiến bộ kỹ thuật tin học điện tử, nên công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện tạo ra các bộ

biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng được tính năng ngày càng phong phú, độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thước và hạ giá thành sản phẩm

Do vậy đông thời với việc phát triển nền kỹ thuật công nghệ cao, đồng thời sec thúc đẩy và phát triển công nghệ chế tạo các phần tử công suất lớn đáp ứng với nhu cầu và kỹ thuật ngày càng cao trong khoa hoc, công nghiệp và đời sống

II Phân loại và các đặc trưng kỹ thuật của các phần tử ĐTCS lớn

2.1 Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất lớn

Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổi như các khoá điện tử, gọi là các van bán dẫn; khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khoá thì ngắt tải ra khỏi nguồn, không cho dòng điện chạy qua Khác với các phần tử

có tiếp điểm, khi các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện không gây nên tia lửa

điện, không bị mài mòn theo thời gian Tuy có thể đóng cắt các dòng điện lớn nhưng các van bán dẫn lại được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ, tạo bởi các mạch

điện tử công suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ bộ biến đổi và phụ thuộc cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi Như vậy hiệu suất của các

bộ biến đổi phụ thuộc trước hết vào tổn thất trên các van bán dẫn, trong quá trình làm việc tổn thất này bằng tích của dòng điện chạy qua van với điện áp rơi trên van

Công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn ngày nay đã đạt được những bước tiến

bộ vượt bậc, với việc cho ra đời những phần tử kích thước này càng nhỏ gọn, khả năng

đóng cắt dòng điện và chịu điện áp cao ngày càng lớn với tổn hao công suất giảm đáng

kể, ngày càng đáp ứng những yêu cầu phức tạp của các quy luật biến đổi năng lượng trong các bộ biến đổi Sự phát triển của các phần tử bán dẫn có vai trò quyết định cho

sự phát triển của Điện tử công suất, góp phần tạo ra nhiều chủng loại bộ biến đổi với những ứng dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp và trong cuộc sống

Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn là

điều vô cùng quan trọng để có thể sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của các phần

tử bán dẫn trong các ứng dụng cụ thể Tính năng kỹ thuật chủ yếu của các phần tử bán dẫn công suất thể hiện qua khả năng đóng cắt dòng điện, khả năng chịu điện áp và các

đặc tính liên quan đến quá trình đóng cắt cũng như vấn đề điều khiển chúng Trước hết

ta cần thấy rằng các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung,

đó là:

* Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện tở tương đương rất lớn Nhờ đó tổn hao công suất trong quá trình làm việc bằng tích của dòng điện chạy qua với điện áp rơi trên phần tử sẽ có giá trị rất nhỏ

* Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện

áp phân cực thuận Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược, dòng qua phần tử chỉ

có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò

Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn được phân loại thành:

* Van không điều khiển, như điốt,

* Van có điều khiển, trong đó lại phân ra:

- Điều khiển không hoàn toàn, như tiritsto, triac,

- Điều khiển hoàn toàn, như bipolar tranzito, MOSFET, IGBT, GTO

2.2 Chất bán dẫn

Chất bán dẫn là loại vật liệu có điện trở suất giới hạn trong khoảng điện trở suất của chất cách điện và chất dẫn điện, nó có thể thay đổi theo sự tăng giảm của nhiệt độ Khi t0 tăng thì điện trở suất của chất bán dẫn giảm và ngược lại

Loại vật liệu bán dẫn được sử dụng chủ yếu trong các phần tử bán dẫn công suất

là Silic (Si) Nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendelep - Có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng

Khi ta kết hợp nguyên tố Si với một nguyên tố thuộc PNC nhóm V như P mà lớp ngoài có 5 điện tử tự do thì 4 điện tử sẽ tham gia vào 4 liên kết với 4 điện tử tự do của

Si và làm xuất hiện 1 điện tử tự do trong cấu trúc mạng tinh thể Sự xuất hiện của 1 electron tự do này làm tăng tính dẫn điện và điện tử (e) có điện tích âm nên chất này gọi là bán dẫn loại n (Negative - âm)

Còn nếu kết hợp với Silic một nguyên tố thuộc nhóm III có 3 điện tử thuộc lớp ngoài thì xuất hiện một lỗ trống trong cấu trúc tinh thể Lỗ hổng này có thể nhận 1

điện tử và tạo nên 1 điện tích dương và làm tăng tính dẫn điện Chất đó được gọi là bán dẫn loại P (Positive - dương)

- ở chất bán dẫn loại n thì hạt mang điện chủ yếu là điện tử, còn đối với bán dẫn loại P thì lỗ trống lại là hạt mang được chủ yếu Tuỳ theo nồng độ thành phần của các

Điện trường tổng hợp làm dễ dàng cho sự di chuyển của điện tích đa số dẫn đến làm cho lớp tiếp giáp hẹp lại khiến nó trở thành dẫn điện Khi đó ta nói mặt ghép p - n

được phân cực thuận

+ Ngược lại nếu đặt vào hai mặt ghép p-n một điện trường ngoài E trùng với điện trường nội tại Ei thì điện trường tổng sẽ có chiều trùng với điện trường nội Ei làm ngăn cản sự di chuyển của điện tích đa số dễ dàng cho sự di chuyển của điện tích thiểu số Khi đó lớp tiếp giáp tăng lên làm tăng tính cách điện Người ta nói mặt ghép bị phân cực ngược

Đặc tính Vôn-Ampe của Diode:

+ Vùng I là khi đặt vào Anot một điện áp dương so với Catot khi đó Diode được đặt

điện áp thuận nên Diode sẽ thông, có dòng điện chạy qua và tạo nên một điện áp rơi khoảng 0,7V

+ Vùng II là khi đặt một điện áp ngược lên Diode : Diode bị khoá, chỉ có dòng điện rò

cỡ mA có thể chạy qua

+ Vùng III là khi đặt điện áp ngược lớn hơn ngưỡng (cực đại) mà Diode có thể chịu

được khi đó hàng rào điện thế bị chọc thủng Người ta gọi Diode bị đánh thủng và mất tính dẫn điện một chiều

U (V)

I (A)

I II

+ Lớp Catôt (K) là bán dẫn loại n rất mỏng và mật độ điện tử rất cao, do đó nếu dòng điện thuận qua sẽ tạo nên nhiều điện tử ở lớp điều khiển Lớp Catốt có dòng điện ngược lớn nhưng chỉ chịu được điện áp ngược thấp

+ Lớp Điều khiển (G) là loại bán dẫn loại p mỏng và có mật độ trung bình, do

đó hầu hết các điện tử từ lớp catốt có thể tới được lớp điều khiển

+ Lớp chắn là bán dẫn loại n nó là lớp dày nhất và có mật độ điện tử ít nhất, do

đó thyristor có dòng điện ngược (dòng điện rò) nhỏ và chịu được điện áp ngược lớn

+ Lớp Anốt là bán dẫn loại p, có chiều dày và mật độ bình thường Lớp sát vỏ anôt có mật độ điện tích cao để giảm điện trở thuận Lớp Anốt có dòng điện ngược bé

và chịu gần như toàn bộ điện áp ngược đặt lên Thyristor

*Cách thứ nhất là giảm dòng điện làm việc I xuống dưới dòng điện duy trì IH(holding current) trong một khoảng thời gian nhất định để lớp điều khiển trở lại trạng thái bị khoá trước khi có thể mở lại để đảm bảo khi UAK > 0 thì Thyristor không dần trở lại

*Cách thứ hai là đặt một điện áp ngược UAK < 0 lên Thyristor, hai mặt ghép J1

và J3 bị phân cực ngược, J2 lại được phân cực thuận Các điện tử đảo chiều chuyển

động tạo nên dòng điện ngược chảy từ Catôt về Anot, về cực âm của nguồn điện áp ngoài

Thời gian khoá toff tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược (t0) cho đến khi dòng điện ngược bằng 0 (t2) Đấy là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặt điện áp thuận lên Thyristor, Thyristor cũng không thể mở (toff cỡ khoảng vài chục às)

- Đặc tính V-A của Thyristor:

Đặc tính V-A của Thyristor gồm 4 đoạn:

Đoạn 1: là trạng thái

điện rò chạy qua

Đoạn 3: là trạng thái

chế bởi điện trở mạch ngoài Điện áp rơi trên Thyristor rất nhỏ, khoảng 1V

Đoạn 4: ứng với trạng thái Thyristor bị đặt dưới điện áp ngược, dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ vài chục mA) Nếu tăng u > ung.max dòng điện ngược tăng lên mãnh liệt mặt ghép bị chọc thủng, Thyristor bị hỏng

- Các thông số cơ bản của Thyristor:

+ Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor( Iv):

Là giá trị trung bình chạy qua Thyristor trong điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể Thyristor không vượt quá giới hạn cho phép Thực tế dòng điện cho phép của Thyristor trong các điều kiện cụ thể phụ thuộc vào điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường

+ Điện áp ngược cho phép lớn nhất (Ung max):

Là giá trị điện áp lớn nhất đặt ngược lên Thyristor mà Thyristor không bị đánh thủng Trong các ứng dụng phải đảm bảo Uđk ≤ Ungmax và phải đảm bảo mật độ dự trữ nhất định về điện áp Thường bằng 1,2 ữ 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó

+ Thời gian phục hồi tính chất khoá của Thyristor tr (às):

Thời gian phục hồi là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên A-K của Thyristor Sau khi dòng IA-K = 0, để sau đó nếu đặt UAK > 0 thì Thyristor vẫn khoá, tr là thông số rất quan trọng

+ Tốc độ tăng điện áp cho phép,

dt

du (V/às):

Khi tốc độ tăng điện áp đặt vào A-K quá lớn làm cho Thyristor có thể mở ra mà không cần tín hiệu điều khiển vào cực G Với các Thyristor tần số làm việc khác nhau thì có tốc độ tăng điện áp cho phép khác nhau Với Thyristor tần số thấp,

Nếu

dt

di

lớn dẫn đến phá vỡ cấu trúc tinh thể bán dẫn do nhiệt phát ra lớn

Với những Thyristor tần số thấp

dt

di = 50 ữ100A/às, với các Thyristor tần số làm việc di

Triac có thể điều khiển mở bằng xung dòng dương (dòng đi vào cực điều khiển) hoặc bằng xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển) Tuy nhiên, xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là dòng chỉ chạy qua triac khi điện áp giữa T1 và

T2 phải lớn hơn một giá trị nhất định Ung, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dương Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua triac sử dụng xung điều khiển âm là tốt hơn cả

Triac chỉ bị khoá khi Ig = 0 và điện áp đặt vào hai cực bé hơn Ung

2.5 Phần tử công suất điều khiển hoàn toàn

Van điều khiển hoàn toàn là loại van có thể mở và khoá bằng tín hiệu điều khiển phát vào cực điều khiển

a Transistor công suất, BJT (Bipolar Junction Tranzitor)

p n

Base

C

E B

npn

n p

Base

C

E B

pnp

Hình 1.10 Transistor công suất

Transistor là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm ba lớp npn (bóng ngược) hoặc pnp (bóng thuận), tạo nên hai tiếp giáp p-n Transistor có ba cực: Base (B), Colector (C), Emitter (E) và BJT công suất thường là loại bóng ngược

Transistor có thể làm việc được ở hai chế độ:

+ Chế độ khuếch đại (chế độ tuyến tính ): Transitor là phần tử khuếch đại dòng

điện với dòng vào là IB và dòng ra là IC ta có : IC=βIB (β là hệ số khuếch đại) Chế độ này thường hay được sử dụng trong các mạch điện tử thông thường

+ Chế độ đóng cắt : thường được sử dụng trong điện tử công suất Tức là khi dòng điều khiển IB >

điều khiển IB ≈ 0 → IC ≈ 0, UCE lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp với transistor Transistor được coi như hở mạch

Đặc tính tĩnh của transistor loại npn :

b GTO ( Gate Turn- off Thyristor )

GTO là loại Thyristor khoá được bằng xung điều khiển

Thyristor thường là loại van điện tử công suất bán điều khiển hay được ứng dụng trong các sơ đồ chỉnh lưu, ở đó việc khoá van được thực hiện một cách tự nhiên dưới tác dụng của điện áp lưới, và bằng việc điều khiển góc mở van ta có thể điều chỉnh được điện áp chỉnh lưu

Tuy nhiên với các ứng dụng trong các bộ nghịch lưu độc lập hoặc các bộ biến

đổi xung áp 1 chiều thì các van bán dẫn luôn bị đặt dưới điện áp 1 chiều thì điều kiện

để khoá tự nhiên sẽ không còn nữa Vì vậy để khoá các van cần phải có các mạch phụ thực hiện việc khoá cưỡng bức Tuy nhiên mạch phụ trở này gồm 1 tổ hợp các tụ điện,

điện trở , diode gây tổn hao lớn về công suất Do đó làm giảm hiệu suất của bộ biến

đổi Để khắc phục nhược điểm này của Thyristor thường trong các mạch điện tử công

suất người ta đã sử dụng loại Thyristor có thể điều khiển khoá (GTO) gọi là van điều khiển hoàn toàn, chúng ta có thể chủ động mở và khoá bằng tín hiệu điều khiển đưa vào cực điều khiển

Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p (anot) được bổ sung các lớp n+ Dấu (+)

ở bên cạnh thể hiện mật độ các điện tích tương ứng, các lỗ hoặc điện tử, được làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của các vùng này

Cực điều khiển vẫn được nối vào lớp P thứ ba nhưng được chia nhỏ ra và phân bố đều

so với lớp n+ của Catốt

Khi Ig = 0, nếu UAK > 0 thì J1, J3 được phân cực thuận và J2 bị phân cực ngược như Thyristor Tuy nhiên nếu UAK < 0 thì tiép giáp P+- n ở lớp tiếp giáp J1 sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp rất thấp Điều đó có nghĩa GTO không thể chịu được điện áp ngược Vì vậy người ta thường nối tiếp GTO với một Diode để chống điện áp ngược

Cũng giống như điều khiển mở Thyristor, GTO cũng được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển Tuy nhiên điểm khác nhau là dòng điều khiển duy trì (IH) ở GTO cao hơn Thyristor thường Do đó dòng điều khiển phải có biên độ lớn hơn và duy trì trong thời gian dài hơn để dòng qua GT0 kịp vượt xa giá trị dòng duy trì

Khoá GT0 bằng cách lấy ra một xung dòng từ cực điều khiển Khi đó dòng Anot

sẽ bị giảm cho đến khi về không, dòng điều khiển phải được duy trì một thời gian ngắn

để GTO phục hồi tính chất khoá

c Transistor trường, Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect.) (Transistor mos công suất)

Mosfet được chế tạo theo công nghệ Mos (Metal - Oxide - Semiconductor) thường gọi là Transistor Mos công suất, được sử dụng như những chuyển mạch điện tử

có công suất lớn Khác với transistor lưỡng cực (BJT) được điều khiển bằng dòng bazơ, transistor Mos được điều khiển bằng điện áp đặt lên cực cổng

Hình vẽ là ký hiệu và họ đặc tính ra của transistor Mos:

U GS =

Transistor MOS có ba cực:

D - Drain, cực máng là cực đón các hạt mang điện (điện tử và lỗ trống) từ các thanh bán dẫn chảy ra

S - Source, cực nguồn: Các hạt mang điện từ đây chảy ra các thanh bán dẫn

G - Gate, cực cổng, cực điều khiển: được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp đệm môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn (SiO2) đioxit-Silic

+ Khi điện áp giữa cực điều khiển và cực nguồn UGS ≤ 0 → Transistor MOS vẫn

bị khoá ở điện áp máng - nguồn (UDS) dương tới vài trăm vôn

+ Khi UGS > 3V transistor MOS trở nên dẫn dòng tải: thông thường người ta

điều khiển MOSFet bằng điện áp điều khiển cỡ 15V để làm giảm điện áp rơi trên D và

S

+ Transistor MOS có đặc điểm tác động rất nhanh, có thể đóng, mở với tần số hơn 100kHZ Khi Transistor MOS dẫn dòng thì điện trở của nó khoảng 0,1Ω đối với MOS - 1000V, và khoảng 1Ω đối với MOS - 500V

d.IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)-Transistor có cực điều khiển cách ly:

IGBT là loại van công suất kết hợp công nghệ MOS Fet và Bipolar Transistor để

được đặc tính điều khiển của MOS Fet (đóng cắt nhanh) và đặc tính ra của Bipolar Transistor (có khả năng chịu dòng lớn) với những tính năng đặc biệt của công nghệ IGBT mà hiện nay trong hầu hết các bộ năng lượng có công suất lớn đều sử dụng van bán dẫn IGBT điều khiẻn hoàn toàn

Về mặt điều khiển, IGBT gần như giống hoàn toàn MOS Fet, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ

Ký hiệu và đặc tính ra:

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống MOS Fet, điểm khác nhau là có thêm lớp P nối với Colector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitter (tương tự cực gốc) với colector (tương tự với cực máng), không phải là n-n như ở MOS Fet Có thể coi IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi một MOSFet

Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE > 0, kênh dẫn với các hạt mang điện

là các điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET Các điện tử di chuyển

về phía colector vượt qua lớp tiếp giáp n = p như ở cấu trúc giữa base và colector ở transistor thường, tạo nên dòng colector

IGBT là phân tử điều khiển bằng điện áp, giống như MOSFET, nên yêu cầu điện

d MCT (Mos Controlled Thyristor)

MCT có thể coi như một Thyristor kết hợp với hai bóng MOSFET Bằng cách này đã đạt được khả năng điều khiển nhanh chóng đồng thời với công suất điều khiển nhỏ Tần số làm việc của MCT đạt tới 40kHZ MCT có nhiều ưu điểm như IGBT, song MCT có sụt áp khi dẫn nhỏ hơn (~ 1,1V) → Nó là một nhánh mới về phân tử công suất đang được tiến hành nghiên cứu để được vào ứng dụng

2.6 So sánh tương đối giữa các phần tử bán dẫn công suất

Bảng giới hạn về dải làm việc lớn nhất của các van bán dẫn công suất:

Loại van Điện áp (max) Dòng điện (max) Tần số (max)

Từ bảng giới hạn của các van ta thấy Thyristor và GTO là những phần tử làm việc ở dải tần số thấp nhất dưới 1kHz, Tuy nhiên chúng được chế tạo để làm việc với

điện áp và dòng điện lớn Thyristor thường được ứng dụng trong các mạch chỉnh lưu, trong đó các van sẽ chuyển mạch tự nhiên dưới tác dụng của điện áp lưới xoay chiều tần số 50 - 60 Hz GTO là bước cải tiến từ Thyristor, là loại van điều khiển hoàn toàn

có khả năng làm việc ở tần số cao hơn Thyristor GTO được ứng dụng trong các bộ biến tần với công suất lớn đến cực lớn hàng MW

MosFet là loại van bán dẫn có tần số làm việc cao nhất tới 1MHz, tuy nhiên do

điện trở thuận khi dẫn dòng lớn nên MosFet chỉ phù hợp với dòng điện cỡ 200A trở xuống và điện áp dưới 1kV

Các BJT có ưu thế hơn MosFet về dòng điện làm việc và điện áp cao hơn, tới 750A và 1500V.Tuy nhiên BJT đang dần bị thay thế bởi IGBT IGBT có khả năng

đóng cắt dòng tới 2000A và điện áp tới 2000V, tần số làm việc lên tới 100kHz IGBT

là sự kết hợp các ưu thế của Mosfet và BJT

MCT là phần tử bán dẫn loại mới, đang được nghiên cứu Trong tương lai phần

tử này có thể được chế tạo để chịu được dòng lên tới 3000A, điện áp 3000V và có thể chịu được tần số lên tới 100kHz

III ứng dụng

Mỗi phần tử bán dẫn công suất có tác dụng ứng dụng được điện tử công suất như một khoá đóng cắt đơn lẻ Vì vậy để có thể cho các hệ truyền động thì cần phải kết hợp các phần tử bán dẫn công suất thành các thiết bị lớn mà người ta gọi là thiết bị

điện tử công suất Tuỳ thuộc vào các phương pháp kết hợp và tính năng của các phần

tử bán dẫn công suất mà ta được các thiết bị công suất có chức năng, giới hạn khác nhau như các bộ: Nghịch lưu, Chỉnh lưu, Băm xung, Biến tần

Sau đây là các bộ bán dẫn công suất lớn điển hình hay được ứng dụng trong các

hệ truyền động điện

3.1 Mạch chỉnh lưu:

3.1.1 Giới thiệu chung về mạch chỉnh lưu:

Mạch chỉnh lưu hiện nay được dùng rất phổ biến trong các ứng dụng khoa học

kỹ thuật Chức năng của nó là biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều cung cấp cho các loại tải một chiều

Sơ đồ cấu trúc của một mạch chỉnh lưu như hình vẽ:

+ Công suất đầu ra chỉnh lưu: Pd = Ud Id

+ Tham số lựa chọn van:

Itbv là giá trị thiết bị của dòng điện chạy qua van

Ungmax là điện áp ngược cực đại mà van chịu được khi làm việc

Tr: là thời gian phục hồi tính chất khoá của van…

+ Công suất biến áp:

2

SS

2i 2i.I

u : U1, U2, I1, I2 là giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện phía

sơ cấp và thứ cấp ba

m: số pha bên thứ cấp ba

+ Hệ số đập mạch kđm thể hiện chất lượng điện áp một chiều sau chỉnh lưu

U0: thành phần cơ bản bằng giá trị thiết bị điện áp chỉnh lưu (Ud)

- Phân biệt chỉnh lưu không điều khiển, và chỉnh lưu điều khiển:

+ Chỉnh lưu không điều khiển là loại chỉnh lưu dùng toàn diode, điện áp ra là một chiều cố định Ud = ksđ U2

+ Chỉnh lưu có điều khiển là loại chỉnh lưu mà trong sơ đồ có sử dụng các loại van bán dẫn có thể điều khiển Thyristor (đôi khi transistor) bằng cách thay đổi góc mở

α của van mà người ta có thể thay đổi được điện áp một chiều

+ Đối với chỉnh lưu có điều khiển thì điều người ta quan tâm đầu tiên là góc mở

α Điểm khác biệt của sơ đồ dùng van bán dẫn điều khiển được so với sơ đồ không

van bán dẫn trong khi diode lại không thể qui định Bởi vì để mở được Thyristor cần

có đồng thời hai điều kiện:

* Điều kiện thứ nhất là: điện áp trên van phải dương (UAK >0), điều kiện này hoàn toàn như diode

*Điều kiện thứ hai là có dòng điều khiển đủ mạnh tác động vào cực điều khiển của nó, điều khiển này ở diode không có Do đó sử dụng điều kiện thứ hai ta có thể khống chế được thời điểm mở của Thyristor theo ý muốn Và để thể hiện trong mạch

điều này, người ta sử dụng khả năng góc điều khiển α (góc mở): Góc điều khiển α là góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm thyristor được phát xung vào cực điều khiển để mở van Thời điểm mở tự nhiên là thời điểm mà ở đó nếu van là diode thì nó bắt đầu dẫn

3.1.2 Các mạch chỉnh lưu cơ bản

3.1.2.1 Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ

- Tải thuần trở:

+ Hình 1.16 là sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển dùng diot:

Trong khoảng thời gian từ 0 < θ < Π, điện áp u2 > 0 → uAK của điot > 0 →

Điot D thông cho dòng ir chảy qua Khi đó ut = u2;

;R

uR

u

i

t

R t

t

t = = điện áp rơi trên Diot uD = 0

Trong khoảng thời gian từ Π < θ < 2Π, điện áp u2 < 0 → uAK< 0 → Diot D không thông, không cho dòng tải chạy qua: ut = 0, it = 0, uD = u2 < 0 Như vậy giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

U

d = = (6)

Gi¸ trÞ dßng qua van chÝnh lµ dßng qua t¶i vµ dßng ch¶y qua thø cÊp biÕn ¸p:

UtdR

t.SinU2

.2

1I

~ U1 U2~

T

Rt Ud

Trong giai đoạn (0 ữ π) UAK(T) > 0, song Thyristor chưa thông do chưa có tín hiệu điều khiển đến thời điểm α thì Thyristor mới thông

Do vậy: 0 ữ α (T khoá) ud = 0, uT = u2 > 0, it = 0

ở giai đoạn: α ữ π (T thông) ud = u2 (θ), it = ud/R , uT=0

π

π ữ 2 (T khoá) ud = 0, uT= u2 < 0, it = 0 Như vậy điện áp ud bây giờ không còn là toàn bộ nửa hình sin dương của điện áp nguồn xoay chiều u2 , mà chỉ là 1 phần của nó với độ lớn phụ thuộc vào góc α Ta có :

Điện áp trung bình sau chỉnh lưu:

R

UI

2

)cos(1U

2ttdsinU22

1t(t)du2

1U

d d

2 2

2

0 2 d

α α

π

α

π α

απ

ωωπ

Do vậy từ đây về sau các sơ đồ chỉnh lưu chỉ xét trường hợp chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn dùng Thyristor Để có mạch chỉnh lưu Diode ở dạng tải tương đương

ta chỉ cần cho góc mở α=0 vào các biểu thức tổng quát

- Đối với tải cảm kháng (R+L):

T−¬ng tù nh− víi tr−êng hîp t¶i thuÇn trë, Thyristor T chØ cã kh¶ n¨ng dÉn dßng

ë nöa chu kú khi ®iÖn ¸p u2 d−¬ng Tuy nhiªn van chØ dÉn ë thêi ®iÓm ph¸t xung t−¬ng øng gãc θ1 = α

Khi T th«ng ta cã ph−¬ng tr×nh m¹ch :

uL+ uR = u2 = 2U2sinθ (9) dßng ®iÖn id(θ) gåm 2 thµnh phÇn :

dßng c−ìng bøc icb vµ dßng tù do itd :

trong đó : sin(θ )

XR

U2i

2 d

2 d

=

ϕ

thành phần tự do là hàm tắt dần theo thời gian :

Q t

t

i = − /τ = −ω /ωτ = −θ/ (2) Với τ = Ld/Rd, Q=ωLd/Rd=Xd/Rd = tgϕ

d d

X R

ϕ

ε /tg 2

d

2 d

2 sin( )eX

R

U2

2 d

2

XR

U2)

đ−ợc Chỉ đến thời điểm θ2 > π , khi dòng id về đến 0, thyristor mới bắt đầu khoá

⇒gọi λlà góc tắt dòng : khi θ = λthì id= 0 do đó ta có :

ϕ ε λ

ϕαϕ

( )

22

22

2

2

λα

λα

πθ

θπ

λ

α

U Cos Cos

U d

Sin U

(17) + Giá trị trung bình Id là thành phần không đổi nên không gây sụt áp trên Ld nên

ta có:

πR Cos Cos

U R

U

I

d d

Khi đó giá trị trung bình dòng và áp trên tải được tính bằng công thức:

Sơ đồ dùng biến áp, thứ cấp có điểm giữa

+ Trong mạch chỉnh lưu nhiều pha, góc điều khiển α của các Thyristor phải bằng nhau α1 = α2 = α Sự sai lệch giữa chúng được đánh giá bằng độ mật đối xứng

I d = d