Silic là nguyên tố hoá học thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn, là thành phần cấu tạo chủ yếu trong một điốt công suất. Silic có 4 điện tử thuộc lớp ngoài của cấu trúc nguyên tử, nếu thêm vào một nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp ngoài có 5 điện tử thì 4 điện tử tham gia vào liên kết với 4 điện tử tự do của Silic và làm xuất hiện một điện tử tự do. Trong cấu trúc tinh thể các điện tử tự do làm tăng tính dẫn điện và vì điện tử có điện tích âm nên chất này gọi là bán dẫn loại n (negative âm).Nếu thêm vào 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 một điện tử và tạo nên một điện tích dương và làm tăng tính dẫn điện. Chất đó được gọi là bán dẫn loại p (positive – dương).
CHƯƠNG I CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT 1.1 ĐIỐT, TRANZITO CÔNG SUẤT 1.1.1.ĐIỐT Silic là nguyên tố hoá học thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn, là thành phần cấu tạo chủ yếu trong một điốt công suất. Silic có 4 điện tử thuộc lớp ngoài của cấu trúc nguyên tử, nếu thêm vào một nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp ngoài có 5 điện tử thì 4 điện tử tham gia vào liên kết với 4 điện tử tự do của Silic và làm xuất hiện một điện tử tự do. Trong cấu trúc tinh thể các điện tử tự do làm tăng tính dẫn điện và vì điện tử có điện tích âm nên chất này gọi là bán dẫn loại n (negative - âm). Nếu thêm vào 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 một điện tử và tạo nên một điện tích dương và làm tăng tính dẫn điện. Chất đó được gọi là bán dẫn loại p (positive – dương). Nồng độ của các nguyên tố sung vào khoảng một phần 10 7 nguyên tử. Trong bán dẫn loại n, điện tử là hạt mang điện đa số, còn lỗ hổng là thiểu số, với bán dẫn loại p thì ngược lại. Tuỳ theo nồng độ của các nguyên tố bổ sung vào mà tính dẫn điện của chất bán dẫn loại n và loại p cao hơn hẳn tính dẫn điện của silic nguyên chất. Anốt Catốt a) b) Hình 1.1. Điốt a) Cấu tạo; b) Ký hiệu Điốt trình bầy trên hình 1.1 tạo nên một lớp chuyển tiếp pn. Các điện tử tự do trong bán dẫn n sẽ liên kết với lỗ tự do của bán dẫn p, do đó phía n sẽ mang điện 1 1 tích dương và phía p có điện tích âm. Lớp chuyển tiếp p - n có hàng rào điện thế vào khoảng 0,6V, có chiều như hình vẽ. Hình 1.2 trình bày đặc tính vôn-ampe của một điốt. Nếu đặt vào p (anốt) một điện áp dương so với n (catốt) sẽ có dòng điện chạy qua và tạo nên một điện áp rơi khoảng 0,7V khi dòng điện định mức. Nếu điện áp ngược lại, các điện tử tự do và các lỗ hổng bị đẩy xa lớp chuyển tiếp , kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua. Khi tăng tiếp tục điện áp ngược , các điện tích được gia tốc, gây nên va chạm gia chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng. Kết quả, điốt mất tính chất dẫn điện theo một chiều khi điện áp vượt qua điện áp ngược cực đại. Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn điốt là: - Dòng điện định mức I đm (A) - Điện áp ngược cực đại U ngmax (V) - Điện áp rơi ∆U (V) Hình 1.2 Đặc tính V- A của điôt A Các thông số của các điốt thông dụng cho trong phụ lục 1. 1.1.2. TRANZITO CÔNG SUẤTHình 1.3 Tranzito npn a) Cấu tạo; b) Ký hiệu Tranzito là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp npn hay pnp và được biểu diễn trên hình Ở chế độ làm việc tuyến tính dòng điện cực góp I C là hàm số của dòng điện cực gốc I B , với một điện áp cực góp – phát U CB đã định một biến thiên rất nhỏ của dòng điện gốc dẫn đến sự biến thiên lớn của dòng điện góp, tỉ số của hai dòng điện đó vào khoảng từ 15 đến 100. Hình 1.5 vẽ đặc tính của tranzito loại npn. Hình 1.4 Tranzito pnp a) Cấu tạo; b) Ký hiệu 2 2 a) b) Cũng như các linh kiện loại bán dẫn khác, điện áp tăng gây nên sự va chạm dây chuyền. Điện áp cực góp và cực phát ngược gây nên va chạm dây chuyền ở lớp chuyển tiếp gốc – phát ở điện áp thấp vào khoảng 10V. Vì thế không thể để tranzito chịu điện áp ngược. Trong các mạch có điện áp đổi chiều người ta mắc một điốt nối tiếp với tranzito. Các đặc tính của tranzito pnp trên hình 1.4 cũng có dạng tượng tự. Tổn hao công suất trong tranzito bằng tích của điện áp góp – phát nhân với dòng điện góp. Ví dụ trên hình 1.6 nếu ta biến đổi dòng điện gốc để điều khiển dòng điện qua tải đặt ở cực góp thì có thể xuất hiện các điện áp cao ở các cực của tranzito. Ví dụ U = 200V, dòng điện gốc I B được điều chỉnh để tạo nên dòng điện 10 A qua tải 10 Ω, điện áp rơi trên tranzito là 100V, như vậy tổn hao công suất của tranzito là 1kW và hiệu suất tổng cộng là 50%, hiệu suất đó không thể chấp nhận được. Hình 1.5 Đặc tính của tranzitor Trong thực tế sử dụng, tranzito công suất thường được cho làm việc ở chế độ khoá. ở chế độ này, khi dòng điện gốc bằng không, dòng cực góp bằng không, tranzito được coi như là hở mạch ( hình 1.7) . Nhưng với dòng điện gốc ở trạng thái có giá trị bão hoà, thì tranzito trở về trạng thái đóng hoàn toàn. Tranzito là một linh kiện phụ thuộc nên cần phải phối hợp dòng điện gốc với dòng điện góp. Ở trạng thái bão hoà để duy trì khả năng điều khiển và để tránh điện tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đầu phải cao để chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng. Ở chế độ khoá dòng điện gốc phải giảm cùng quy luật như dòng điện góp để tránh hiện tượng chọc thủng thứ cấp Hình 1.6 Tải được điều khiển bằng tranzitor 3 3 Hình 1.7 Tranzitor chuyển mạch a) trạng thái dẫn v bà ị khoá; b) Diện tích an to n à ở chế độ xung Để giảm dòng điện góp ở trạng thái khoá người ta duy trì một điện áp ngược với giá trị nhỏ ở cực gốc như một khoá chuyển mạch, tổn hao trong công suất tranzito là nhỏ. Tổn hao đó tính ra do dòng rò nhỏ ở trạng thái mở, do điện áp bão hoà (trong hình 1.5) và dòng góp ở trong trạng thái đóng. Điện áp bão hoà thông thương của tranzito công suất silic khoảng 1,1V. Để sử dụng triệt để tranzito mà không bị quá tải trong khi chuyển mạch cần đảm bảo có điện tích an toàn vẽ trên hình 1.7b. Trong lúc chuyển mậch giữa hai trạng thái trình bầy trên hình 1.7 a điện áp và dòng điện tức thời phải nằm trong vòng biểu diễn trên hình 1.7b. Chỉ trong khoảng thời gian chuyển mạch rất ngắn có giới hạn hình chữ nhật. Tổn hao công suất tức thời có thể chấp nhận được làm hạn chế thời gian chuyển mạch, điều đó dẫn tới làm thay đổi vòng ngoài của điện tích an toàn. Lưu ý là hình 1.7 vẽ theo thang lôgarit. Các tổn hao chuyển mạch của tranzito có thể lớn. Trong lúc chuyển mạch, điện áp trên các cực và dòng điện của tranzito cũng lớn. Tích của điện áp với dòng điện và thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lượng trong một lần chuyển mạch. Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thông số của mạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc. Với thời gian chuyển mạch vào khoảng 1 đến 2 µs, tranzito chuyển mạch nhanh hơn tiristo. Các điều kiện làm việc ở cực gốc của tranzito nặng nề hơn so với cực điều khiển của tiristo. Ví dụ như với tiristo 30A xung điều khiển có thể khoảng 0,1A, trong khi đó dòng điện gốc của tranzito 30A liên tục là 2A trong suốt thời gian chuyển mạch. Khả năng chịu tải của tranzito rõ ràng là kém hơn tiristo. Người ta có thể khoá một tranzito đang dẫn bằng cách điều khiển dòng điện gốc trong khi đó cực điều khiển của tiristo sẽ mất tác dụng điều khiển sau khi đã mồi. Người ta cải thiện hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito công suất một cách dáng kể bằng cách lấy dòng điện gốc từ một tranzito khác theo mạch Darlington . Nếu tranzito hỗ trợ được chế tạo trên cùng một miếng silic, hệ số khuếch đại dòng điện tổng vào khoảng 250, nhưng thời gian chuyển mạch dài hơn. Hình 1.8. Tiristo a) Cấu tạo; b) Cấu trúc thông thường; c) Ký hiệu 4 4 1.2 TIRISTO Tiristo là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn pnpn liên tiếp tạo nên anốt, catốt và cực điều khiển (hình 1.8a). Cấu tạo thường gặp của tiristo cho trên hình 1.8b, còn hình 1.8c là ký hiệu của tiristo Về mặt cấu tạo tiristo gồm một đĩa silic từ đơn tinh thể loại n, trên lớp đệm loại bán dẫn p có cực điều khiển bằng dây nhôm, các lớp chuyển tiếp được tạo nên bằng kỹ thuật bay hơi của gali. Lớp tiếp xúc giữa anốt và catốt làm bằng đĩa môlipđen hay tungsten có hệ số nóng chảy gần với silic. Cấu tạo dạng đĩa kim loại để dễ dàng tản nhiệt. Hình 1.9 trình bày mặt cắt của một tiristo. Ngoài cùng là lớp vỏ bọc có tác dụng chống các ứng suất cơ học, để dễ dàng tản nhiệt cũng như để dễ nối với mạch ngoài. Để giải thích sự làm việc của tiristo ta hãy xét chi tiết các lớp bán dẫn trong một tiristo. Hình 1. 9 Mặt cắt của tiristo Hình 1.10 trình bày chi tiết các lớp bán dẫn đó. a)Lớp catốt là bán dẫn loại n rất mỏng và mật độ điện tử rất cao, do đó nếu có 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. b)Lớp điều khiển là 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. Hình 1.10 Chi tiết mặt cắt của tiristo c)Lớp chắn là bán dẫn loại n là lớp dầy nhất và có mật độ điện tử ít nhất, do đó tiristo có dòng điện ngược (dòng điện rò) nhỏ và chịu được điện áp ngược lớn. d)Lớp anốt là bán dẫn loại p, có chiều dầy và mật độ trung bình. Lớp sát vỏ anốt có mật độ điện tích cao để giảm điện trở thuận. Lớp anốt có dòng điện ngược bévà chịu gần như toàn bộ điện áp ngược đặt lên tiristo. Tiristo 300A, 200V có lớp silic đường kính 30 mm dầy 0,7 mm. Để nghiên cứu sự làm việc của tiristo ta xét riêng rẽ trong hai trường hợp : p n p n + 5 5 - u i Dòng điện ngược Điện áp ngược Hình 1.11. Tiristo phân cực ngược. a) Sơ đồ; b) Đặc tính vôn ampe 1) Tiristo phân cực ngược (hình 1.11a): tiristo làm việc như một điốt phân cực ngược và chỉ cho dòng điện rò khoảng vài mA chạy qua. Giá trị điện áp ngược khoảng từ 100 đến 3000V tuỳ theo loại tiristo, dòng điện tăng đột ngột và tiristor bị chọc thủng (hình 1.11b). 2) Tiristo phân cực thuận : Điện áp giữa anốt và catốt là dương. Để giải thích sự làm việc của các lớp bán dẫn pnpn trong một tiristo ta xem chúng như gồm 2 tranzito loại pnp và npn nối với nhau sao cho cực gốc của tranzito này được nối với cực góp của tranzito kia (hình 1.12a và b). Tranzito đầu tiên loại pnp có cực phát e 1 , gốc b 1 , và gốc c 1 . Dòng điện cực góp I c1 = I co + α 1 I α Trong đó I co1 là dòng điện rò, α 1 là hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito T 1 Tương tự đối với tranzito T 2 loại npn ta có: I c2 = I co 2 + αI α , I co 2 là dòng diện rò, α 2 là hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito T 2 . Dòng điện tổng chạy qua tranzito là: I α = (α 1 + α 2 ) I A + I co1 + I co2 đặt I co1 + I co2 = I co là tổng dòng điện rò qua tiristo ta có: p e 1 n 6 6 b 1 c 1 n p e 2 c 1 I c2 I c1 n c 2 T 2 T 1 A G K Hình 1.12: a) Tiristo phân cực thuận; b) Sơ đồ tương đương Để tăng I A , nghĩa là có sự khởi động hay còn gọi là để “mồi” tiristo cần cho biểu thức của mẫu số bằng không 1 – (α 1 +α ) = 0. Vậy khi phân cực thuận tiristo có hai trạng thái: (α 1 + α 2 ) < 1 tiristo vẫn tiếp tục bị khoá, dòng điện I A bằng dòng điện rò I co (α 1 + α 2 ) = 1 tiristo khởi động, trở nên dẫn điện tương tự như điốt phân cực thuận. Một trong những tính chất của tranzito silic là có hệ số khuếch đại dòng điện tăng theo dòng điện cực phát. Do đó có 2 khả năng “mồi” tiristo: a)Bằng cách tăng điện áp thuận Nếu tăng dần U thì điện áp trên các lớp chuyển tiếp tăng lên làm các điện tích thêm năng lượng tạo nên hiện tượng va chạm dây chuyền, tiristo trở nên dẫn điện. Trị số điện áp U B tại đó tiristo được mồi gọi là điện áp mở (hình 1.13). 7 7 b) Bằng xung mồi vào cực điều khiển Nếu dòng điện I g có cực tính dương so với catốt đặt vào cực điều khiển thì tiristo sẽ được mồi với điện áp mở nhỏ hơn ( hình 1.14). điểm khởi động Trạng thái dẫn Trạng thái bị khoá I H Dòng điện duy trì u i Hình 1. 13: Mồi tiristo bằng cách tăng điện áp thuận Bằng cách tăng dòng điện điều khiển I g các điểm khởi động của tiristo lùi về phía trái còn khi I g đạt tới một giá trị nào đó thì tiristo được mồi ngay lập tức. Trạng thái bị khoá I g =0 I g3 >I g2 >I g1 Trạng thái dẫn i I H Hình 1.14: Tiristo mồi bằng dòng điện điều khiển ` Khi tiristo đã chuyển sang trạng thái dẫn thì cực điều khiển không còn tác dụng. Tiristo chỉ trở về trạng thái khoá nếu dòng điện I A nhỏ hơn giá trị dòng điện duy trì I H và cần một khoảng thời gian tương đối dài để lớp điều khiển trở lại trạng thái bị khoá trước khi có thể mồi lại. Nói chính xác hơn để khó tiristo mạch ngoài nhận dòng điện anốt ngược trong khoảng thời gian ngắn, dòng điện ngược (hình 1.15) tạo nên sự chuyển dịch điện tích tại lớp pn và cho phép hai lớp ngoài khoá tất cả dòng điện ngược phụ. Cần khoảng thời gian từ 10 đến 100 µs để các hạt mang điện trong lớp điều khiển phối hợp trở lại, do đó có thể đặt điện áp thuận mà không bị mồi ngay lập tức. Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn tiristo là: - Dòng điện định mức I n (A) - Điện áp ngược cực đại U in. max (V) - Điện áp rơi ∆U (V) Hình 1.15 Biến thiên của dòng điện trong quá trình khoá - Điện áp điều khiển U g (V) - Dòng điện điều khiển I g (mA) - Tốc độ tăng dòng điện di/dt (A/ µs) - Tốc độ tăng điện áp dv/dt (V/ µs) - Dòng điện rò I co (mA) 8 8 9 9 CHƯƠNG II THIẾT BỊ CHỈNH LƯU 2.1 MẠCH CHỈNH LƯU MỘT PHA HAI NỬA CHU KỲ 2.1.1 Sơ đồ dùng máy biến áp có điểm giữa u θ 0 π 2π θ 0 u d π 2π HÌNH 2.2 ĐỒ THỊ BIẾN THIÊN ĐIỆN PÁ D 1 Z u d u 22 u 1 i d u 21 HÌNH 2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ D 2 0 u 21 u 22 u d i d Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu này bao gồm : a) Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu 10 10 [...]... dụng trong trường hợp công suất nhỏ - Sử dung hai điôt và hai tiristor ca tôt nối chung để đơn giản hoá mạch điều khiẻn - Sử dụng bốn điôt và một tiristor để giảm giá thành trong trường hợp công suất lớn nhưng tăng tổn hao dẫn Hình 6.1 Bộ điều áp xoay chiều một pha Trong bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều, các linh kiện điện tử công suất làm việc ở chế độ dẫn – khoá theo chu kỳ của điện áp nguồn Sự chuyển... tại giao điểm các điện áp pha điện áp chỉnh lưu sẽ cực đại bằng U m, còn điện áp ngược cực đại khi tiristor bị khoá umg max= 6U 2 • Khi α < 300 Ví dụ trên hình 3.6b góc mở α = 200 Không phụ thuộc vào tính chất của điện áp tải và dòng điện chỉnh lưu liên tục Tại α1 cấp xung điều khiển cho T1 Vì uα dương nhất nên T1 mở, điện áp rơi trên tiristor có thể bỏ qua, điện áp trên tải bằng điện áp nguồn Đến... phù hợp để mở chắc chắn các van, có nghĩa là thoả mãn các yêu cầu - Đủ công suất (về điện áp và dòng điện điều khiển) - Có sườn xung dốc đứng để mở van chính xác vào thời điểm quy định, thường tốc độ tăng áp điều khiển phải đạt 10V/µs, tốc độ tăng điều khiển 0.1A/µs - Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vượt trị số dòng điện duy trì Idt của nó, để khi ngắt xung van vẫn giữ trạng thái dẫn... dẫn: Khi van đã dẫn hoàn toàn và trị số dòng điện qua van lớn hơn giá trị duy trì để van tự giữ trạng thái mở của nó(Ia > Idt) thì điện áp rơi trên quá độ GK sẽ xấp xỉ điện áp rơi trên cả van: UGK ≈ UAK; điện trở vùng GK còn lại bằng RG 22 22 2 Ảnh hưởng của các phần tử nối song song với cực điều khiển • Ảnh hưởng của điện trở nối song song với cực điều khiển Điện trở này ảnh hưởng rất lớn đến tiristo:... hình vẽ Sự phóng nạp của tụ điện C được thể hiện bằng đường cong dạng hàm mũ trên hình vẽ Tại thời điểm O tụ điện C bắt đầu được nạp điện từ nguồn + V s qua R, ta có phương trình: R i + UC = Vs Giải phương trình này người ta có kết quả sau: T1 = R.C ln 2 R3 + R 4 R4 Nếu chọn R3 = R4 thì T1 = 1,1 RC Vì tụ C khi nạp điện từ nguồn + Vs cũng như khi nạp từ nguồn -Vs , dòng điện nạp đều chảy qua R, do... của điện áp chỉnh lưu: từ đường cong ud ta có: udmax= K0 = nên 0,5 2U 2 6 3 U2 π 2U 2 2U 2 sin ; udmin= = 0,3 d) Giá trị trung bình của dòng điện tải: 15 Id = 15 U do R u d max − u d min 2U do π 6 =0,5 2U 2 ( 2.12) Đặc biệt trong trường hợp phụ tải là một động cơ điện một chiều có sức phản điện E, điện trở R và điện cảm lớn L Với điều kiện E . trở do có van đang dẫn sớm hơn thời điểm mở tiristor của pha kế tiếp, do đó có vùng các tiristor đều bị khoá Điện áp trung bình của tải được xác định theo biểu thức: α π θθ π α π α π cos 2 63 sin 2 23 2 3 3 U d U U d == ∫ + +− (