Chương 2: Công suất DIOT pdf

18 CHƯƠNG 2 : CÔNG SUẤT DIOT Đề cương học tập 2.1. Giới thiệu 2.2. Nồi âm dương diot (PN) 2.3. Đặc tính dòng điện – điện áp của diot 2.4. Điot lý tưởng 2.5. Diot schottky 2.6. Phân tích mạch điện diot 2.6.1. Các diot trong mạch DC 2.6.2. Các diot trong mạch AC 2.7. Tổn hao diot 2.8. Các đánh giá chủ yếu đối với diot 2.8.1. Điện áp ngược đỉnh ( PIV) 2.8.2. Dòng điện thuận trung bình cực đại ( I f(avg)max ) 2.8.3. Thời gian khôi phục nghòch ( t rr ) 2.8.4. Nhiệt độ nối cực đại ( T j(max) ) 2.8.5. Dòng điện tràn cực đại ( I FSM ) 2.9. Bảo vệ diot 2.9.1. Điện áp qúa tải 2.9.2. Dòng điện qúa tải 2.9.3. bảo vệ tạm thời 2.10. Kiểm tra một diot 2.11. Hoạt động nối tiếp và song song của diot 2.11.1. Mắc nối tiếp các diot 2.11.2. Mắc song song các diot 2.12. Bài tập thảo luận 2.13. Các công thức Trọng tâm học tập Sau khi hoàn thành phần này, sinh viên cần có khả năng để  Mô tả các đặc tính và hoạt động của diot  Phân tích các mạch điện diot  Xác đònh tổn hao công suất của diot  Mô tả làm thế nào để kiểm tra diot  Mô tả làm thế nào để bảo vệ các diot  Giải thích làm thế nào các diot có thể mắc nối tiếp và song song để tăng hiệu suất của chúng 19 2.1 Giới thiệu Các diot công suất có vai trò quan trọng trong các mạch điện tử công suất . Chúng được dùng chủ yếu trong các chỉnh lư không điều khiển để biến đổi điện áp AC thành điện áp DC ổn đònh và như các diot líp (FWD) để cung cấp đường dẫn cho dòng điện chảy trong tải cảm ứng . Các diot công suất giống như chức năng các diot nối PN; tuy nhiên các điện tử công suất có các tiềm năng lớn về công suất, điện áp và dòng điện. 2.2 Diot nối âm dương PN Các diot có thể làm từ một hoặc hai vật liệu bán dẫn là silic và germani. Các điện tử công suất thường dùng cấu trúc silic. Diot silic có thể làm việc ở dòng điện cao và nhiệt độ nối cao và chúng có điện trở ngược lớn. Cấu trúc của một diot bán dẫn và ký hiệu của nó trình bày trong hình 2.1. Diot có hai cực – một cực dương A ( chỗ nối P ) và một cực âm K ( mối nối N ). Khi điện áp cực dương là dương nhất hơn cực âm, diot được gọi là thuận, và nó dẫn điện dễ dàng với điện áp thấp. Khi điện áp cực âm là âm nhất hơn cực dương, diot được gọi là nghòch và nó chặn dòng điện chảy.Mũi tên trên ký hiệu diot trình bày hướng quy ước của dòng điện chảy khi diot dẫn điện. Hình 2.1 Cấu trúc và ký hiệu của diot 2.3 Đặc tích điện áp – dòng điện của diot Hình 2.2 trình bày đặc tính V – I của diot. Khi thuận, diot bắt đầu dẫn dòng vì điện áp qua cực dương của nó là tăng dần. Khi điện áp gần đến cái gọi là điện áp xoay, khoảng 1 V cho diot silic, điện áp tăng nhẹ làm dòng điện tăng nhanh. Dòng điện tăng chỉ đến giới hạn bởi điện trở mắc nối tiếp với diot 20 Hình 2.2 Đặc tính áp dòng V-I của diot Khi điot là nghòch, một dòng điện nhỏ được gọi là dòng dò rỉ chảy qua vì điện áp từ cục dương đến cực âm là tăng dần. Tín hiệu này là do diot có điện trở rất cao trong hướng nghòch. Đặc tính điện trở lớn này được duy trì khi tăng điện áp ngược cho đến khí đạt đến điện áp ngược đánh thủng. Tại điện áp đánh thủng, diot để cho dòng điện lớn chảy với một điện áp tăng nhỏ. Một điện trở giới hạn dòng điện phải dùng mắc nối tiếp để ngăn ngừa phá hỏng diot. 2.4 Diot lý tưởng Trong các điện tử công suất các điện áp và dòng điện cao . Vì vậy đặc tính chi tiết của diot ( ví dụ hình 2.2 ) là không quan trọng; chúng ta có thể coi điot như một yếu tố lý tưởng. Hình 2.3 trình bày đặc tính lý tưởng của diot. Nên nhớ rằng khi diot thuận; không có điện áp qua nó. Dòng điện qua diot lúc này tùy thuộc điện áp nguồn và các yếu tố mạch điện. Khi diot nghòch, không có dòng điện qua nó. Điện áp qua diot tùy thuộc điện áp nguồn và các yếu tố mạch điện khác Hình 2.3 Đặc tính diot lý tưởng 21 Đặc tính này của diot lý tưởng làm cho nó giống như một chuyển mạch dẫn dòng điện chỉ trong một hướng. Chuyển mạch có thể tự mở hay đóng tùy thuộc phân cực của điện áp. Hính 2.4a trình bày một diot thuận, và hình 2.4b trình bày mạch điện chuyển mạch tương đương của nó. Khi cực dương của diot dương hơn cực âm của của nó, nó hoạt động giống như một chuyển mạch đóng. Hình 2.4c trình bày một diot ngòch , và hình 2.4 d trình bày chuyển mạch tương đương của nó. Khi cực dng của diot âm hơn cực dương của nó, coi như nó hoạt động giồng một chuyển mạch mở. Hình 2.4 Các mạch điện chuyển mạch tương đương của diot 2.5 Điot schottky diot schottky là một dụng cụ tốc độ cao, điện áp thấp làm việc khác với nguyên tắc diot nối PN. Nó cấu trúc không như nối PN thông thường. Thay cho một hàng rào kim loại mỏng ( như crom, platin, vonfram) là mặt phân giới bằng chất bán dẫn kiểu N. Cấu trúc này cho kết qủa một điện áp trạng thái mở thấp ( khoảng 0.6 V ) qua diot khi nó dẫn. Hơn nữa, nó có thể đóng nhanh hơn diot nối PN, như vậy tần số chuyển mạch cao. Tuy nhiên, dòng dò rỉ ngược phải cao hơn, và điện áp đánh thủng ngược thấp hơn so với diot nối PN. Các diot schottky vì vậy được dùng như các chỉnh lưu sử dụng điện áp thấp ở đây hiệu qủa biến đổi là quan trọng. Các diot này cũng dùng nhiều trong chuyển mạch công suất cung cấp làm việc ở tần số 20 kHz hay cao hơn. Ví dụ 2.1 Một diot schottky loại 40 V và 25 A có điện áp trạng thái mở 0,5 V và dòng dò rỉ ngược 50 nA. Tìm tổn hao công suất trạng thái mở và trạng thái đóng Giải đáp : Tổn hao công suất trạng thái mở = 25 * 0,5 = 12,5 W Tổn hao công suất trạng thái đóng = 40 * 50 (10 -9 ) = 2 µ W 22 Ví dụ 2.2 Giống như ví dụ 2.1 cho diot nối PN loại 40V và 25A, với điện áp trạng thái đóng 1,1V và dòng dò rỉ ngược 0,5 nA Giải đáp : Tổn hao công suất trạng thái mở = 25 * 1,1 = 27,5 W Tổn hao công suất trạng thái đóng = 40 * 0,5 (10 -9 ) = 0,02 µ W Tổn hao công suất trạng thái mở của diot schottky là ít hơn một nửa của diot nối PN, hoàn toàn có ý nghóa khi hiệu quả có lợi. Có tiêu hao công suất cao hơn trong trạng thái đóng và dòng dò cao hơn, tuy vậy tổng tổn hao công suất vẫn còn thấp hơn với diot nối âm dương. 2.6 phân tích mạch điện diot 2.6.1 Các diot trong mạch điện DC Để phân tích mạch điện diot, đầu tiên phải tìm trạng thái diot ( mở hay đóng ). Diot có thể được thay thế bằng mạch điện chuyển mạch tương đương trình bày trong hình 2.4 . Tuy nhiên, trong một vài mạch điện có thể khác với hình vẽ chuyển mạch tương đương này ( ví dụ như các mạch điện nhiều nguồn hay nhiều diot mắc nối tiếp ). Trong các mạch điện này nó giúp để thay thế diot về tình thần bằng yếu tố điện trở và kết qủa hướng dòng điện theo điện áp cung cấp. Nếu kết qủa dòng điện có hướng như mũi tên trên ký hiệu diot thì diot là mở Ví dụ 2.3: Cho mạch điện trình bày trong hình 2.5 tìm dòng diot I D , điện áp diot V D và điện áp qua điện trở V R Hình 2.5 Xem ví dụ 2.3 Giải đáp : Vì dòng điện chảy từ nguồn theo hướng mũi tên của diot, diot là mở và được thay thế bằng một chuyển mạch đóng Điện áp qua diot V D = 0 V Điện áp qua điện trơ& V R = E s - V D = 20-0= 20 V 23 Dòng điện qua diot I D = V R / R = 20 / 100 = 0,2 A Ví dụ 2.4 Diot nghòch trong hình 2.5 và lặp lại ví dụ 2.3 Giải đáp : Hướng của dòng điện bây giờ ngược với mũi tên . Diot là đóng và được thay thế bằng một chuyển mạch mở. Dòng điện qua diot I D = 0A Điện áp qua điện trở V R = I D * R = 0V Điện áp qua diot V D = E s - V R = 20 - 0 = 20 V Ví dụ 2.5 Cho mạch điện trong hình 2.6, tìm dòng điện I, và điện áp V o , V 1 và V 2 Hình 2.6 Xem ví dụ 2.5 Giải đáp : Hai nguồn giúp mỗi mạch đóng; diot là mở và có thể thay bằng chuyển mạch đóng p dụng đònh luật điện áp của Kirchhoff E 1 - V 1 - V 2 + E 2 = 0 E 1 - I*R 1 – I*R 2 + E 2 = 0 Giải pháp cho I 1 2 1 2 25 3,5 7 E E I mA R R k + = = = + V 1 = I*R 1 = 17,5V V 2 = I*R 2 = 7,0 V V 0 = V 2 - E 2 = 7 - 5 = 2 V 2.62. Các diot trong mạch AC Mạch điện AC có điện áp thay đổi theo thời gian. Vì vậy có những lúc điện áp AC thuận với diot và có những lúc nó ngược với diot. Mạch điện diot có thể không tách riêng các nửa chu kỳ dương và âm. Nó phải lưu ý khi điện áp phân cực qua diot thuận và diot ngược với nó. Diot lúc này được thay bằng mạch điện chuyển mạch tương đương. 24 Hình 2.7 Diot trong mạch A Ví dụ 2.6 Tìm mạch điện chuyển mạch tương đương của diot với nguồn AC điện áp V s trình bày trong hình 2.7 Giải đáp: Trong nửa chu kỳ dương cực dương dương hơn cực âm , vì thế diot là thuận. Chúng ta có thể thay diot bằng một chuyển mạch đóng Trong nửa chu kỳ âm cực dương âm hơn cực dương của nó, diot là ngòch. Chúng ta có thể thay diot bằng một chuyển mạch mở Ví dụ 2.7 Cho mạch điện trình bày trong hình 2.8, vẽ dạng sóng của điện áp qua điện trở V R và điện áp qua diot V D Hình 2.8 Xem ví dụ 2.7 Giải đáp : Trong nửa chu kỳ dương, diot là thuận và được thay bằng chuyển mạch đóng. Điện áp qua diot bằng 0, và điện áp qua điện trở giống như điện áp nguồn. Trong nửa chu kỳ âm, diot là nghòch và được thay bằng chuyển mạch mở. Điện áp qua điện trở bằng 0, và điện áp qua diot giống như điện áp nguồn. Dạng sóng của V R và V D trình bày trong hình 2.9 25 Hình 2.9 Dạng sóng của V R và V D 2.7 Tổn hao diot Tổng công suất tổn hao xảy ra trong diot là tổng số của tổn hao trạng thái mở, trạng thái đóng và chuyển mạch: P T = P on + P off + P sw 2.1 đây : P on = V f * I f * on t T 2.2 P off = V R * I R * off t T 2.3 P sw = P sw(on) + P sw(off) 2.4 P sw(on) = 1 6 V F(max) * I F(max) * t f * f 2.5 P sw(off) = 1 6 V F(max) * I F(max) * t R * f 2.6 Trong các công thức này V F = điện áp thuận I F = dòng điện thuận V R = điện áp nghòch I R = dòng điện dò rỉ nghòch T on = thời gian diot dẫn T off = thời gian diot nghòch 26 T F = thời gian chuyển mạch hướng thuận T R = thời gian chuyển mạch hướng nghòch Ví dụ 2.8 Trên mạch điện trình bày trong hình 2.8 , V s = 400 V ; f = 10 kHz ; d = 50% và I D = 30A. Nếi diot có các đặc tính sau, tìm tổng công suất tổn hao trong diot V F = 1,1 V I R = 0,3 mA T F = 1 µ s T R = 0,1 µ s Giải đáp : T = 1 / f = 0,1 ms T = t on + t F + T off + t R T on = t off = 100 1 0,1 49, 45 2 2 F R T t t s s µ µ − − − −     = =         P on = 1,1 * 30 * 6 3 49, 45*10 16,32 0,1*10 W − −   =     P off = 400*0,3* 10 -3 * 6 3 49, 45*10 0,06 0,1*10 W − −   =     P sw = 2 6 3 1 1,1*10 *400*30* 44 6 0,1*10 W − −   =     P T = 16,32 + 0,06 + 44 = 60,38 W Ví dụ 2.9 Lặp lại ví dụ 2.8 với f = 100 kHz Giải đáp : T = 1 / f = 10 µ s T on = t off = 10 1,1 2 s µ − = 4,95 µ s P on = 1,1 * 30 * 6 6 4,95*10 10*10 − − = 16,32 W P off = 400 * 0,3 * 10 -3 * 6 6 4,95*10 10*10 − − = 0,06 W P sw = 2 6 6 1 1,1*10 * 400*30* 6 10*10 − −       = 440 W P T = 16,32 + 0,06 + 440 = 456,40 W Tổng tổn hao công suất gần gấp tám lần trong ví dụ 2.8 27 2.8 Các đánh giá chủ yếu cho diot 2.8.1 Điện áp ngược đỉnh (PIV) Điện áp ngược đỉnh của diot là điện áp ngược cực đại có thể qua diot mà không đánh thủng. Nếu vượt quá PIV, diot trở thành dẫn điện nghòch hướng và có thể là mất hiệu lực tức thời. Các dải PIV dàn rộng từ 10 vol đến vài ngàn vol, tùy theo cấu trúc. Dải PIV còn được gọi là điện áp ngược đỉnh ( PRV) hay điện áp đánh thủng (BRV) 2.8.2 Dòng điện thuận trung bình cực đại ( I f(avg)max ) Dòng điện thuận trung bình cực đại là dòng cực đại diot có thể sờ tay an toàn khi hướng thuận. Các diot công suất hiện nay có khả năng dải từ vài ampe đến vài trăm ampe. Nếu một diot được sử dụng kinh tế khi nó làm việc gần với dải dòng điện thuận cực đại 2.8.3 Thời gian khôi phục nghòch ( t rr ) Thời gian khôi phục nghòch của diot có ý nghóa lớn trong sử dụng chuyển mạch tốc độ cao. Một diot thực không chuyển mạch ngay lập tức từ trạng thái dẫn đến trạng thái klhông dẫn. Thay vì một dòng điện ngòch chảy một thời gian ngắn, và diot không vặn đóng cho đến khi dòng điện nghòch suy giảm đến 0, như trong hình 2.10. Diot lúc ban đầu dẫn một dòng I F ; khi diot hướng nghòch, dòng điện này giảm và dòng nghòch chảy. Thời gian dòng nghòch chảy được gọi là thời gian khôi phục nghòch. Trong thời gian này, tích điện dự trữ trong chỗ nối khi dẫn điện thuận giới hạn chuyển tiếp. Hình 2.10 Đặc tính khôi phục ngòch [...]... một diot mở, trong khi một số ghi điện trở rất thấp cho cả hai hướng chỉ ra một diot đã ngắn mạch 2.11 Hoạt động nối tiếp và song song của các điot : Công suất cực đại có thể được điều khiển bởi một diot đơn được xác đònh bởi dải điện áp nghòch và bởi dải dòng điện thuận của nó Trong các ứng dụng công suất cao, một diot đơn có thể không đủ tiềm năng chứa công suất Để tăng tiềm năng công suất, các diot. .. 2.10 Kiểm tra một diot Một cái đo ôm ( ohmmeter) có thể dùng để kiểm tra các diot công suất một cách dễ dàng và an toàn Các mạch điện diot chuyển mạch tương đương trình bày trong hình 2.4 có thể dùng để kiểm tra các diot Nối đồng hồ điện sao cho thuận chiều với diot; điều này sẽ cho một số ghi ( trên đồng hồ điện ) một điện trở thấp Số ghi thực tế tuỳ thuộc vào dòng điện chảy qua diot từ cực pin của... đại là dòng điện cực đại mà diot có thể dùng như một nhất thời không thường xuyên hay từ một mạch điện rò 2.9 Bảøo vệ diot Một diot công suất phải được bảo vệ chống điện áp siêu tải, dòng điện siêu tải và đoản mạch ( transient = đột biến điện ) 2.9.1 Điện áp qúa tải Khi một diot hướng thuận, điện áp qua nó thấp Một diot hướng nghòch làm việc như một mạch mở Nếu điện áp qua diot vượt quá điện áp siêu... 75,8W c) Điện áp qua tổ hợp diot là V = VD1 + I D1 * R = VD 2 + I D 2 * R = 1,3 + 27,5 * 0,06 = 1,6 + 22,5 * 0,06 = 2,95 V 2.12 Bài tập thảo luận 2.1 Kiểu vật liệu bán dẫn gì được dùng trong các diot công suất ? 2.2 Các ưu điểm chính của các diot silic là gì ? 2.3 Một diot dẫn hướng thuận là gì ? 2.4 Một diot dẫn hướng nghòch là gì ? 2.5 Hướng thuận của diện áp qua một diot lý tưởng là gì ? 2.6.Vẽ... Hình 2.12 Mắc nối tiếp các diot Hình 2.13 Đặc tính áp – dòng V-I của hai diot Sức điện động phân bổ có thể đạt được bởi nối các điện trở phân bổ điện áp giá trò phù hợp qua mỗi diot mắc nối tiếp Hình 2.14 trình bày tác dụng của vò trí các điện trở ngang qua diot Để có hiệu qủa, điện trở phải dẫn một dòng lớn hơn dòng điện rò của các diot Các điện trở phân bổ này sẽ tiêu thụ công suất trong hoạt động hướng... + 0,0014 = 4,55 mA Công suất tiêu thụ trong R là 2 2 PR = I R1 * R + I R 2 * R = 2,1 + 0, 44 = 2,54W 2.11.2 Nối song song các diot Nếu dòng điện tải lớn hơn dải dòng điện của một diot đơn, khi đó có thể mắc song song hai hay nhiều diot để thực hiện một dải dòng điện thuận cao hơn Các diot mắc nối song song không phân chia dòng điện bằng nhau với các đặc tính hướng thuận khác nhau Diot với điện áp thuận... tính V-I trạng thái mở của hia diot Nếu có hai diot mắc song song ở một điện áp, dòng chảy khác nhau trong mỗi diot Dòng điện tổng là tổng của ID1 và ID2 Dải dòng điện tổng của một cặp không là tổng của dải dòng điện cực đại cho mỗi cái nhưng l2 giá trò lớn hơn dải dòng của một diot 32 Hình 2.16 Mắc song song các diot Hình 2.17 Các đặc tính áp – dòng V-I của hai diot Các diot song song có tác dụng phân... cho dòng qua mỗi diot bất kỳ không lớn hơn 55% của I b) Tổng tổn hao công suất trong các điện trở c) Điện áp qua tổ hợp diot (V) Giải đáp : a) Với dòng phân chia tác dụng ID1 = 55% * 50 = 27,5 A ID2 = 50 - 27,5 = 22,5 A Chúng ta đạt được từ công thức 2.17 VD1 = 1,3 V VD2 = 1,6 V 34 V = VD1 + ID1 * R = VD2 + ID2 * R = 1,3 + 27,5 * R = 1,6 + 22,5 * R Giái pháp cho R R = 0,06 Ω b) Công suất tiêu thụ trong... lớn này qua diot, xảy ra công suât tiêu thụ tại chỗ nối sẽ vượt quá giá trò cực đại của nó, phá hủy diot Thường trong thực tế chọn diot có điện áp ngược đỉnh cao hơn 1,2 lần điện áp mong đợi trong điều kiện làm việc bình thường 2.9.2 Dòng điện qúa tải Nhưng trang dữ liệu của nhà sản xuất cung cấp dải dòng điện dựa trên nhiệt độ chỗ nối cực đại sản sinh bởi tổn hao công suất dẫn điện trong diot Trong... Một sự sắp xếp nối tiếp hay song song các diot được dùng cho các ứng dụng điện áp cao và dòng điện cao 29 2.11.1 Các diot mắc nối tiếp Trong các ứng dụng điện áp rất cao, dải điện áp ngược của một diot đơn có thể chưa đầy đủ Mắc nối tiếp hai hay nhiều diot ( xem hình 2.12 ) dùng khi tăng dải điện áp Tuy nhiên, điện áp ngược không thể chia đều giữa hai diot : diot với dòng dò thấp có thể có điện áp ngược . diot líp (FWD) để cung cấp đường dẫn cho dòng điện chảy trong tải cảm ứng . Các diot công suất giống như chức năng các diot nối PN; tuy nhiên các điện tử công suất có các tiềm năng lớn về công. hao công suất trạng thái mở = 25 * 1,1 = 27,5 W Tổn hao công suất trạng thái đóng = 40 * 0,5 (10 -9 ) = 0,02 µ W Tổn hao công suất trạng thái mở của diot schottky là ít hơn một nửa của diot. 18 CHƯƠNG 2 : CÔNG SUẤT DIOT Đề cương học tập 2.1. Giới thiệu 2.2. Nồi âm dương diot (PN) 2.3. Đặc tính dòng điện – điện áp của diot 2.4. Điot lý tưởng 2.5. Diot schottky