Mô phỏng mạch nghịch lưu một pha sử dụng Matlab simulink

Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạngthái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anode-cathode nhỏ.Khi đó nếu dòng qua anode-cathode lớn hơn một giá trị nhấ

LỜI MỞ ĐẦU

Điện tử công suất là một ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng các phần tử bándẫn trong các bộ biến đổi để khống chế biến đổi nguồn năng lượng điện Các bộ biến đổiđiện tử công suất thế hệ mới ngày càng thể hiện rõ các ưu việt nổi bật như: kích thước gọnnhẹ, độ tác động nhanh, làm việc ổn định với độ tin cậy cao, giá thành hạ…

Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến các bộ biến đổi điện

áp DC/DC, DC/AC Các bộ biến đổi này ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt tronglĩnh vực điều khiển động cơ, truyền động điện, tiết kiệm năng lượng,…

Từ những yêu cầu thực thế đó, em xin chọn đề tài: “ Mô phỏng mạch nghịch lưu mộtpha sử dụng Matlab simulink”

Em xin chân thành cảm ơn Th.s Phan Văn Dư cùng các thầy cô giáo bộ môn đã hướngdẫn em hoàn thành đồ án này Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã nỗ lực hết sức, tuynhiên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót và những nội dung trình bày trong báo cáo này

là những hiểu biết và những thành quả của em đạt được trong suốt quá trình nghiên cứu sựchỉ bảo tận tình của các thầy

Em rất mong được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để nội dung đề tài này ngàycàng hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

SINH VIÊN THỰC HIỆN

Hoàng Văn Sỹ

CHƯƠNG 1:

CÁC PHẦN TỬ LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN

1.1 Đi ốt

1.1.1 Khái niệm

Điốt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện đi qua

nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các chất bándẫn

Hình 1.1 Hình ảnh đi ốt

1.1.2 Cấu tạo

- Khi ghép hai chất bán dẫn là P và N ta được một Diode

- Tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn

N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trunghoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn

Hình 1.2.Hình ảnh mô phỏng cấu tạo

1.1.3 Đặc tính Vôn-Ampe

- Phân cực thuận:

Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt (vùng bán dẫn P ) và điện áp âm (-) vào Katôt( vùng bán dẫn N ) , khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp

lại, khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) hoặc 0,2V ( với Diodeloại Ge ) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không => Diode bắt đầu dẫn điện Nếutiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữahai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V)

Diode (Si) phân cực thuận - Khi Dode dẫn điện áp thuận đựơc gim ở mức 0,6V

Đường đặc tính của nó là đồ thị UI với u là trục tung và i là trục hoành Giá trị điện ápđạt đến 0.6V thì bão hòa

Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận < 0,6V thì chưa

có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng đi qua Diode sau đódòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V

Hình 1.3 Mạch điện chứa điot

Hình 1.4 Điện áp của điot

Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng > = 1000V

1.1.4 Các tham số cơ bản

* UD ngược max

- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode mà không làm hỏng diode

- UD ngược max = (0,4-0,6) Uct

* ID dòng điện thuận định mức của diode

* ΔUD giá trị điện áp cần để diode dẫn

+ Điện áp nguồn: 0,7-1,4 (V)

+ Tăng theo về cấu trúc tinh thể bán dẫn

* Tần số : quá trình phát nhiệt phụ thuộc vào tần số đóng cắt của điot

*cp : nhiệt độ cho phép bán dẫn hoạt động bình thường ( < 1400 C)

*ΔP= UD.iD : công suất phát nóng cho phép

Ngoài ra điốt có nội trở thay đổi rất lớn, nếu phân cực thuận RD 0 (nối tắt), phân cựcnghịch RD (hở mạch), nên điốt được dùng làm các công tắc điện tử, đóng ngắt bằng điềukhiển mức điện áp Điốt chỉnh lưu dòng điện, giúp chuyển dòng điện xoay chiều thànhdòng điện một chiều, điều đó có ý nghĩa rất lớn trong kĩ thuật điện tử Vì vậy điốt đượcứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử.

Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong thực tế, là đưa một xung dòng điện có giá trịnhất định vào các cực điều khiển và cathode Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạngthái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anode-cathode nhỏ.Khi đó nếu dòng qua anode-cathode lớn hơn một giá trị nhất định gọi là dòng duy trì (Idt)thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xungdòng điều khiển, nghĩa là có thể điều khiển mở các thyristor bằng các xung dòng có độrộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với côngsuất của mạch lực mà thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.

* Trường hợp cực G để hở hay VG = OV

Khi cực G và VG = OV có nghĩa là transistor T1 không có phân cực ở cực B nên

T1ngưng dẫn Khi T1 ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn Như vậy trường hợpnày Thyristor không dẫn điện được, dòng điện qua Thyristor là IA = 0 và VAK ≈ VCC Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn VCC lên mức đủ lớn là điện áp VAK tăng theo đến điệnthế ngập VBO (Beak over) thì điện áp VAK giảm xuống như diode và dòng điện IAtăngnhanh Lúc này Thyristor chuyển sang trạng thái dẫn điện, dòng điện ứng với lúc điện áp

VAK giảm nhanh gọi là dòng điện duy trì IH (Holding) Sau đó đặc tính của Thyristor giốngnhư một diode nắn điện

Trường hợp đóng khóa K: VG = VDC – IGRG, lúc này Thyristor dễ chuyển sang trạng thaidẫn điện Lúc này transistor T1 được phân cực ở cực B1 nên dòng điện IG chính là IB1 làm

T1 dẫn điện, cho ra IC1 chính là dòng điện IB2 nên lúc đó I2 dẫn điện, cho ra dòng điện IC2 lạicung cấp ngược lại cho T1 và IC2 = IB1 Nhờ đó mà Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn màkhông cần có dòng IG liên tục

IC1 = IB2 ; IC2 = IB1

Theo nguyên lý này dòng điện qua hai transistor sẽ được khuếch đại lớn dần và haitransistor chạy ở trạng thái bão hòa Khi đó điện áp VAK giảm rất nhỏ (≈ 0,7V) và dòngđiện qua Thyristor là:

Thực nghiệm cho thấy khi dòng điện cung cấp cho cực G càng lớn thì áp ngập càng nhỏtức Thyristor càng dễ dẫn điện

* Trường hợp phân cực ngược Thyristor

Phân cực ngược Thyristor là nối A vào cực âm, K vào cực dương của nguồn VCC.Trường hợp này giống như diode bị phân cự ngược.Thyristor sẽ không dẫn điện mà chỉ códòng rỉ rất nhỏ đi qua Khi tăng điện áp ngược lên đủ lớn thì Thyristor sẽ bị đánh thủng vàdòng điện qua theo chiều ngược Điện áp ngược đủ để đánh thủng Thyristor là VBR Thôngthường trị số VBR và VBO bằng nhau và ngược dấu.

* Không có dòng điện vào cực điều khiển

Khi dòng điện vào cực điều khiển của thyristor bằng 0, hay khi hở mạch cực điều khiển,thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anode vàcathode Khi điện áp Uak < 0 theo cấu tạo bán dẫn của thyristor hai tiếp giáp J1, J3 đềuphân cực ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận, như vậy thyristor sẽ giống như hai điốtmắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua,gọi là dòng rò Khi Uak tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượngthyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn Giống như ở đoạn đặc tính ngượccủa điốt quá trình đánh thủng là không thể đảo ngược được, nghĩa là thyristor đã bị hỏng Khi tăng điện áp anode-cathode theo chiều thuận, Uak > 0, lúc đầu cũng chỉ có mộtdòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Điện trở tương đương mạch anode-cathode vẫn

có giá trị rất lớn Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến khiUak tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đươngmạch anode-cathode đột ngột giảm, dòng điện có thể chạy qua thyristor và giá trị sẽ chỉ bịgiới hạn bởi điện trở tải ở mạch ngoài Nếu khi đó dòng qua thyristor có giá trị lớn hơn mộtmực dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì, Idt, thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặctính thuận, giống như đường đặc tính thuận của điốt.

* Có dòng điện vào cực điều khiển (iG > 0)

Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và cathode thì quá trình chuyểnđiểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt giátrị lớn nhất Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽxảy ra với Uak nhỏ hơn

1.2.4 Các thông số kỹ thuật

Dòng điện thuận cực đại Đây là trị số lớn nhất dòng điện qua mà Thyristor có thể chịu

đựng liên tục, quá trị số này Thyristor bị hư Khi Thyristor đã dẫn điện VAKkhoảng 0,7Vnên dòng điện thuận qua có thể tính theo công thức

Điện áp ngược cực đại Đây là điện áp ngược lớn nhất có thể đặt giữa A và K màThyristor chưa bị đánh thủng, nếu vượt qua trị số này Thyristor sẽ bị phá hủy Điện ápngược cực đại của Thyristor thường khoảng 100V đến 1000V

Dòng điện kích cực tiểu.IGmin Để Thyristor có thể dẫn điện trong trường hợp điện áp

VAK thấp thì phải có dòng điện kích cho cực G của Thyristor Dòng IGmin là trị số dòng kíchnhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristor dẫn điện và dòng IGmin có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộccông suất của Thyristor, nếu Thyristor có công suất càng lớn thì IGmin phải càng lớn Thôngthường IGmin từ 1mA đến vài chục mA

Thời gian mở Thyristor.Là thời gian cần thiết hay độ rộng của xung kích để Thyristor

có thể chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, thời gian mở khoảng vài micrô giây

Thời gian tắt Theo nguyên lý Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện sau khi được

kích Muốn Thyristor đang ở trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái ngưng thì phải cho IG =

0 và cho điện áp VAK = 0 để Thyristor có thể tắt được thì thời gian cho VAK = OV phải đủdài, nếu không VAK tăng lên cao lại ngay thì Thyristor sẽ dẫn điện trở lại Thời gian tắt củaThyristor khoảng vài chục micrô giây

Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs).s).

Thiristor là một phần tử bán dẫn có điều khiển, có nghĩa là dù được phân cực thuận(Uak>0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng chạy qua Khithyristor phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 như hình vẽ

Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó mở ra, tạo ra vùng không giannghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua Vùng không gian này có thể coi như một tụdiện có điện dung Cj2 Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ có thể cógiá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển Kết quả là thyristor có thể mở ra khichưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G

Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor tần sốcao Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs).s còn với các thyristor tần sốcao dU/dt có thể lên tới 500 đến 2000 V/μs).s

- Tốc độ tăng dòng cho phép dI/dt (A/μs).s)

Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đềudẫn dòng đồng đều Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một vài điểm, gần với cực điều khiểnnhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện Nếu tốc độ tăng dòngđiện quá lớn có thể dẫn tới mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệtcục bộ quá nhanh dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bándẫn

Tốc độ tăng dòng cho phép ở các thyristor tần số thấp vào khoảng 50÷100A/μs).s, với cácthyristor tần số cao dI/dt vào khoảng 500÷2000A/μs).s Trong các bộ biến đổi phải luôn cócác biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới giá trị cho phép Điều này đạt được nhờ mắcnối tiếp các phần tử bán dẫn với các điện kháng nhỏ, lõi không khí hoặc đơn giản hơn làcác xuyến ferit lồng lên nhau Các xuyến ferit rất phổ biến vì cấu tạo đơn giản, dễ thay đổiđiện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên thanh dẫn Xuyến ferit còn có tính chất củacuộn cảm bão hòa, khi dòng qua thanh dẫn còn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độtăng dòng Khi dòng đã lớn ferit bị bão hòa từ, điện cảm giảm gần như bằng không Vì vậycuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức chạy qua dây dẫn

1.2.5 Ứng dụng của Thyristor.

Thyristor chủ yếu được sử dụng ở những ứng dụng yêu cầu điện áp và dòng điện lớn, vàthường được sử dụng để điều khiển dòng xoay chiều AC (Alternating current), vì sự thayđổi cực tính của dòng điện khiến thiết bị có thể đóng một cách tự động(được biết như làquá trình Zero Cross-quá trình đóng cắt đầu ra tại lân cận điểm 0 của điện áp3 hình sin)

• Tiếp theo ta thấy công tắc K1 ngắt nhưng đèn vẫn sáng, vì khi Q1 dẫn, điện áp chân

B đèn Q2 tăng làm Q2 dẫn, khi Q2 dẫn làm áp chân B đèn Q1 giảm làm đèn Q1 dẫn , nhưvậy hai đèn định thiên cho nhau và duy trì trang thái dẫn điện

• Đèn sáng duy trì cho đến khi K2 ngắt => Thyristor không được cấp điện và ngưngtrang thái hoạt động

1.3 Triac

TRIAC là phần tử bán dẫn gồm năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như ởthyristor theo cả hai chiều giữa các cực T1 và T2, do đó có thể dẫn dòng theo cả hai chiềugiữa T1 và T2 TRIAC có thể coi tương đương với hai thyristor đấu song song songngược.để điều khiển Triac ta chỉ cần cấp xung cho chân G của Triac

1.3.1 Cấu tạo

Triac là một linh kiện bán dẫn có ba cực năm lớp, làm việc như 2 Thyristor mắc songsong ngược chiều, có thể dẫn điện theo hai chiều

Hình 1.9: Cấu tạo Triac

Triac có bốn tổ hợp điện thế có thể mở cho dòng chảy qua:

B2 – G : + xung + , + xung - : Dòng điện chạy từ B2 sang B1

B2 – G : - xung - , - xung + : Dòng điện chạy từ B1 sang B2

1.3.2 Ký hiệu

Hình 1.10 Ký hiệu TRIAC

+ Chân G là chân kích mở cho Triac

+ Chân T1 (A1, B1, MT1 ) là chân Anod 1

+ Chân T2 (A2, B2, MT2 ) là chân Anod 2

Hai chân Anod 1 và Anod 2 dòng điện có thể chạy cả 2 chiều

1.3.3 Đặc tuyến

Đặc tuyến Volt – Ampe gồm hai phần đối xứng nhau qua gốc O, mỗi phần tương tựđặc tuyến thuận của Thyristor

Đặc tính Volt-Ampere của TRIAC bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ nhất

và thứ ba (hệ trục Descartes), mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một thyristor.TRIAC có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cựcđiều khiển) lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển).Tuy nhiên xung dòng điều khiển

âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là để mở được TRIAC sẽ cần một dòng điều khiển âm lớnhơn so với dòng điều khiển dương.Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòngđiện qua TRIAC thì sử dụng dòng điện dương là tốt hơn cả.

Hình 1.11: Đặc tuyến của TRIAC

1.3.4 Ứng dụng

Hình 1.12: Mạch điều khiển dòng điện qua tải dùng triac

Triac kết hợp với quang trở Cds để tác động theo ánh sáng Khi Cds được chiếu sáng

sẽ có trị số điện trở nhỏ làm điện thế nạp được trên tụ C thấp và diac không dẫn điện,triac không được kích nên không có dòng qua tải Khi Cds bị che tối sẽ có trị số điện trởlớn làm điện thế trên tụ C tăng đến mức đủ để triac dẫn điện và triac được kích dẫn điệncho dòng điện qua tải Tải ở đây có thể là các loại đèn chiếu sáng lối đi hay chiếu sáng bảo

vệ, khi trời tối thì đèn tự động sáng

+ Mạch mở điện tự động về đêm dùng điện AC:

Hình 1.13 Mạch mở điện tự động về đêm dùng điện AC

Ban ngày, trị số của quang điện trở nhỏ Điện thế ở điểm A không đủ để mở Diac nênTriac không hoạt động, đèn tắt về đêm, quang trở tăng trị số, làm tăng điện thế ở điểm A,thông Diac và kích Triac dẫn điện, bóng đèn sáng lên

Chú ý khi sử dụng: Những dụng cụ điện tải thuần trở làm việc tốt với các giá trị trungbình nhờ tác dụng san làm đồng đều Nhưng các dụng cụ điện tải điện kháng sẽ bị ảnhhưởng đáng kể, ví dụ động cơ sẽ bị phát nóng hơn mức bình thường, tiêu tốn năng lượngcao hơn

Kết luận: Triac có ưu điểm trong mọi vấn đề như gọn nhẹ, rẻ tiền … Dùng Triac làmbiến dạng sin là nhược điểm chính trong sử dụng

1.3.5.Cách kiểm tra Triac

+ Chuẩn bị một đồng hồ VOM kim có dòng ở thang điện trở đủ lớn Nếu dòng yếu ko

đủ kích cho chân G

+ Đồng hồ VOM kim để ở thang đo điện trở có dòng phát ra là lớn nhất

Đối với VOM kim thì que đen là nguồn dương và que đỏ là nguồn âm

+ Lần 1 : Đặt que nguồn âm vào A1 (B1, MT1 ) và que nguồn dương vào A2 (B2,MT2 ) khi đo VOM không nhảy kim Vẫn giữ nguyên que đo và kích điện áp cho chân G

từ que đỏ (nghiêng que đo hoặc bằng dụng cụ khác) khi đó trên màn hình VOM kim dịchkim và bỏ kích cho chân G, VOM kim vẫn giữ nguyên => Triac còn tốt Nếu bỏ kích chân

G mà VOM kim về vô cùng => Triac hỏng Có trường hợp nếu ban đầu chỉ đưa vào haique đo vào A1, A2 kim đã dịch => Triac hỏng

+ Lần 2 : Thao tác đổi que đo ngược lại như lần 1 Nếu giống nhau thì

Transitor tốt Nếu có có sự khác thì Transitor hỏng

.Dùng VOM số cũng tương tự

1.4 GTO(Gate turn off)

GTO là một linh kiện có 4 lớp bán dẫn PNPN như SCR cấu tạo và ký hiệu được mô

tả như sau:

Hình 1.14 Cấu tạo và ký hiệu của GTO

Tuy có ký hiệu khác với SCR và SCS nhưng các tính chất thì tương tự Sự khác biệt

cơ bản cũng là sự tiến bộ của GTO so với SCR hoặc SCS là có thể mở hoặc tắt GTO chỉbằng một cổng (mở GTO bằng cách đưa xung dương vào cực cổng và tắt GTO bằng cáchđưa xung âm vào cực cổng)

- So với SCR, GTO cần dòng điện kích lớn hơn (thường hàng trăm mA)

- Một tính chất quan trọng nữa của GTO là tính chuyển mạch Thới gian mở củaGTO cũng giống như SCR (khoảng 1μs).s), nhưng thời gian tắt (thời gian chuyển từ trạngthái dẫn điện sang trạng thái ngưng dẫn) thì nhỏ hơn SCR rất nhiều (khoảng 1μs).s ở GTO và

từ 5μs).s đến 30μs).s ở SCR) Do đó GTO dùng như một linh kiệncó chuyển mạch nhanh GTOthường được dùng rất phổ biến trong các mạch đếm, mạch tạo xung, mạch điều hoà điệnthế… mạch sau đây là một ứng dụng của GTO để tạo tín hiệu răng cưa kết hợp với DiodZener

Hình 1.15 Nguyên lí hoạt động GTO

Khi cấp điện, GTO dẫn, anod và catod xem như nối tắt C1 nạp điện đến điện thếnguồn VAA, lúc đó VGK<0 làm GTO ngưng dẫn Tụ C1 xả điện qua R3=VR+R2 Thời gian xảđiện tùy thuộc vào thời hằng τ=R3C1 Khi Vo<VZ, GTO lại dẫn điện và chu kỳ mới lại đượclập lại

1.5 Mosfet

1.5.1 Giới thiệu về Mosfet

Hình 1.16: Transistor hiệu ứng trừơng Mosfet

Mosfet, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" trong tiếngAnh, có nghĩa là "transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn", là một thuật ngữ chỉcác transistor hiệu ứng trường được sử dụng rất phổ biến trong cácmạch số và các mạchtương tự

Transistor MOSFET được xây dựng dựa trên lớp chuyển tiếp Oxit Kim loại và bándẫn (ví dụ Oxit Bạc và bán dẫn Silic)

MOSFET có hai loại:

+ N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bên trong vẫntiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input

+ P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào ngỏGate

1.5.2 Cấu tạo và kí hiệu

Hình 1.17: Cấu tạo và kí hiệu

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn, cònđiện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S( UGS ) Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệuứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càngnhỏ

1.5.3.Nguyên lý hoạt động

Xét loại kênh dẫn n

- Để JFET làm việc ta phân cực cho nó bởi 2 nguồn điện áp: UDS > 0 và UGS < 0

- Giữa cực D và cực S có một điện trường mạnh do nguồn điện cực máng UDS cungcấp, nguồn này có tác dụng đẩy các hạt điện tích đa số (điện tử) từ cực nguồn S tới cựcmáng D, hình thành nên dòng điện cực máng ID

- Điện áp điều khiển UGS < 0 luôn làm cho tiếp giáp p-n bị phân cực ngược, do đó bềrộng vùng nghèo tăng dần khi UGS < 0 tăng dần Khi đó tiết diện dẫn điện giảm dần, điệntrở R kênh dẫn tăng lên làm dòng ID giảm xuống

và ngược lại

Như vậy: điện áp điều khiển UGS có tác dụng điều khiển đối với dòng điện cực mángID.

- Trường hợp: UDS > 0, UGS = 0 trong kênh dẫn xuất hiện dòng điện ID có giá trịphụ thuộc vào UDS

- UDS > 0, UGS < 0 tăng dần, bề rộng vùng nghèo mở rộng về phía cực D vì vớicách mắc như hình vẽ thì điện thế tại D lớn hơn điện thế tại S do đó mức độ phân cựcngược tăng dần từ S tới D  tiết diện kênh dẫn giảm dần làm cho dòng ID giảm dần

* Thí nghiệm về nguyên lý hoạt động của Mosfet

Cấp nguồn một chiều UD qua một bóng đèn D vào hai cực D và S của Mosfet Q (Phâncực thuận cho Mosfet ngược) ta thấy bóng đèn không sáng nghĩa là không có dòng điện điqua cực DS khi chân G không được cấp điện.Khi công tắc K đóng, nguồn UG cấp vào haicực GS làm điện áp UGS > 0V => Đèn Q1 dẫn => bóng đèn D sáng

Khi công tắc K ngắt, Nguồn cấp vào hai cực GS = 0V nên Q1 khóa ==>Bóng đèn tắt

Từ thực nghiệm trên ta thấy rằng : điện áp đặt vào chân G không tạo ra dòng GS nhưtrong Transistor thông thường mà điện áp này chỉ tạo ra từ trường => làm cho điện trởRDS giảm xuống

* Các thông số thể hiện khả năng đóng cắt của Mosfet

Thời gian trễ khi đóng/mở khóa phụ thuộc giá trị các tụ kí sinh Cgs.Cgd,Cds Tuynhiên các thông số này thường được cho dưới dạng trị số tụ Ciss, Crss,Coss Nhưng dướiđiều kiện nhất đinh như là điện áp Ugs và Uds Ta có thể tính được giá trị các tụ đó

1.5.4 Xác định chân, kiểm tra-Mosfet

Thông thường thì chân của Mosfet có quy định chung không như Transitor Chân củaMosfet được quy định: chân G ở bên trái, chân S ở bên phải còn chân D ở giữa

* Kiểm tra Mosfet

Mosfet có thể được kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng Do có cấu tạo hơi khác so vớiTransitor nên cách kiểm tra Mosfet cũng không giống với Transitor

- Mosfet còn tốt

Là khi đo trở kháng giữa G với S và giữa G với D có điện trở bằng vô cùng ( kimkhông lên cả hai chiều đo) và khi G đã được thoát điện thì trở kháng giữa D và S phải là vôcùng

Bước 1 : Chuẩn bị để thang x1KW

Bước 2 : Nạp cho G một điện tích ( để que đen vào G que đỏ vào S hoặc D)

Bước 3 : Sau khi nạp cho G một điện tích ta đo giữa D và S ( que đen vào D que đỏvào S )

=>kim sẽ lên

Bước 4 : Chập G vào D hoặc G vào S để thoát điện chân G

Bước 5 : Sau khi đã thoát điện chân G đo lại DS như bước 3 kim không lên

=> Kết quả như vậy là Mosfet tốt

- Mosfet chết hay chập

Bước 1 : Để đồng hồ thang x 1KW

Đo giữa G và S hoặc giữa G và D nếu kim lên = 0 W là chập

- Đo giữa D và S mà cả hai chiều đo kim lên = 0 W là chập D S

- Đo kiểm tra Mosfet trong mạch

Khi kiểm tra Mosfet trong mạch , ta chỉ cần để thang x1W và đo giữa D và S Nếu 1chiều kim lên đảo chiều đo kim không lên => là Mosfet bình thường, Nếu cả hai chiều kimlên = 0 W là Mosfet bị chập DS

1.5.5.Ứng dung của Mosfet trong thực tế.

Mosfet trong nguồn xung của Monitor

Hình 1.17: Mosfet trong nguồn xung

Trong bộ nguồn xung của Monitor hoặc máy vi tính, người ta thường dùng cặp linhkiện là IC tạo dao động và đèn Mosfet, dao động tạo ra từ IC có dạng xung vuông đượcđưa đến chân G của Mosfet, tại thời điểm xung có điện áp > 0V => đèn Mosfet dẫn, khixung dao động = 0V Mosfet ngắt => như vậy dao động tạo ra sẽ điều khiển cho Mosfetliên tục đóng ngắt tạo thành dòng điện biến thiên liên tục chạy qua cuộn sơ cấp => sinh ra

từ trường biến thiên cảm ứng lên các cuộn thứ cấp => cho ta điện áp ra

1.6 IGBT

1.6.1.Cấu tạo và nguyên lý làm việc

IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tảilớn của tranzito thường Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển điện áp, do đó côngsuất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ

Cấu trúc bán dẫn của IGBT:

Hình 1.17: Cấu trúc bán dẫn IGBT

Cấu trúc tương đương của IGBT với 1 transitor N-P-N với 1 Mosfet:

Sơ đồ tương đương, ký hiệu của IGBT:

Hình 1.18: Kí hiệu IGBT

Về cấu trúc bán dẫn thì IGBT rất giống với Mosfet điểm khác là có thêm lớp P nối vớicolecto tạo nên cấu trúc bán dẫn P-N-P giữa emito với colecto Có thể coi IGBT tươngđương với một tranzito P-N-P với dòng bazo được điều khiển bởi một Mosfet

1.6.2 Đặc tính đóng cắt của IGBT

Do cấu trúc n-p-n mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT thấphơn hẳn so với Mosfet Tuy nhiên do cấu trúc này làm cho thời gian đóng cắt của IGBTchậm hơn so với Mosfet, đặc biệt là khi khóa lại Trên hình vẽ thể hiện cấu trúc tươngđương của IGBT với Mosfet và một Tranzitor p-n-p Ký hiệu dòng qua IGBT gồm haithành phần: i1 dòng qua Mosfet, i2 dòng qua Tranzitor Phần Mosfet trong IGBT có thểkhóa lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E, do đó dòng i1= 0, tuy nhiên i2

sẽ không suy giảm nhanh chóng được do lượng điện tích lũy trong (tương đươngvới bazocủa cấu trúc p-n-p) chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích Điều này xuất hiệnvùng dòng điện kéo dài khi khóa IGBT.

- Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT:

Hình 1.19: Đặc tính đóng cắt IGBT

a Quá trình mở của IGBT

Quá trình mở IGBT diễn ra giống với quá trình này ở Mosfet khi điện áp điều khiển vàotăng tử 0 đến giá trị Ug Trong thời gian trễ khi mở Io tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụCgc làm điện áp giữa cực điều khiển và emite tăng theo quy luật hàm mũ từ 0 đến giá trịngưỡn Uge( 3 đến 5v) Chỉ bắt đầu từ đó Mosfet trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở

ra Dòng điện giữa colecto-emite tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải Io trongthời gian Tr.Trong thời gian Tr điện áp giữa cực điểu khiển và emite tăng đến giá trị Ugexác định giá trị dòng Io qua colecto Do diode Do còn đang dẫn dòng tải Io nên điện ápUce vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn 1 chiều Udc Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo 2giai đoạn T1 và T2 Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực diều khiển giữ nguyênUge để duy trì dòng Io, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng tụ Cgc IGBT vẫn làmviệc trong chế đô tuyến tính Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa và phục hổi củadiode Do dòng phục hồi của diode Do tạo nên xung dòng trên mức dọng Io của IGBT Sau thời gian mở Ton khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển vàemito tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian CgcRg đến giá trị cuốicùng Ug

b Quá trình khóa của IGBT

Dạng điện áp,dòng điện của quá trình khóa thể hiện trên dưới đây Quá trình khóa bắtđầu khi diện áp điều khiển giảm từ UG xuống -UG Trong thời gian trễ khi khóa td(off) chỉ

có tụ đầu vào Cge phóng điện qua dòng điều khiển đầu vào với hằng số thời gian bằng

CgeRG, tới mức điện áp Miller Bắt dầu từ mức Miller điện áp giữa cực điều khiển vàEmitter bị giữ không đổi do điện áp Ucc bắt đầu tăng lên và do đó tụ Cgc bắt đầu được nạpđiện Dòng điều khiển bây giờ sẽ hoàn toàn là dòng nạp cho tụ Cgc nên điện áp UGE đượcgiữ không đổi Điện áp Ucc tăng từ giá trị bão hòa Ucc.on tới giá trị điện áp nguồn Udcsau khoảng thời gian trV Từ cuối khoảng trV diode D0 bắt đầu mở ra cho dòng tải I0 ngắnmạch qua, do đó dòng Collector bắt đầu giảm Quá trình giảm diễn ra theo hai giai đoạn,tfi1 và tfi2 Trong giai đoạn đầu,thành phần dòng i1 của MOSFET trong cấu trúc bán dẫnIGBT suy giảm nhanh chóng về không Điện áp UGC ra khỏi mức Miller và giảm về mứcđiện áp điều khiến ở đầu vào -UG với hằng số thời gian:

Thời gian khóa của IGBT có thể rút ngắn nếu thêm vào một lớp đệm n+ như trong cấutrúc Punch Through IGBT như hình minh họa.Cấu trúc này có 1 Thyristor ký sinh tạo từ batiếp giáp bán dẫn p-n,J1.J2,J3.Trong cấu trúc này , mật độ các điện tích dương,các lỗ , suygiảm mạnh theo hướng từ các lớp p+ đến n- đến n+,điều này giúp quá trình tự trung hòacác điện tích dương trong lớp n- xảy ra nhanh hơn.Công nghệ này tạo ra các IGBT cựcnhanh với thời gian nhỏ hơn 2 x 10^-6(s)

1.6.3 Vùng làm việc an toàn

Vùng làm việc an toàn được thể hiện dưới dạng đồ thị quan hệ giữa điện áp và giá trịdòng điện lớn nhất mà phần tử có thể hoạt động được trong mọi chế độ, khi dẫn, khi khóa,cũng như trong các quá trình đóng cắt SOA của IGBT được biểu diễn ở hình dưới

Ở hình đầu tiên biểu diễn khi điện áp đặt lên cực điều khiển và emitor là dương và hìnhthư hai thì điện áp này là âm Khi điện áp điều khiển dương, SOA có dạng hình chữ nhậtvới góc hạn chế ở phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn Điềunày có nghĩa là khi chu kì đóng cắt càng ngắn, ứng với tần số làm việc càng cao thì khảnăng đóng cắt công suất càng suy giảm

Hình 1.20: Vùng làm việc an toàn IGBT

IGBT là thiết bị điều khiển bằng điện áp giống như Mosfet nên yêu cầu điện áp có mặtliên tục trên cực điều khiển và emito để xác định chế độ khóa, mở Tín hiệu mở có biên độUge, tín hiệu khóa có biên độ -Uge cung cấp cho mạch GE qua điện trở Rg Mạch G-Eđược bảo vệ bởi diode ổn áp ở mức khoảng +-18V Do có tụ kí sinh giữa G và E nên kỹthuật điều khiển như điều khiển Mosfet có thể được áp dụng tuy nhiên điện áp khóa phảilớn hơn Nói chung tín hiệu điều khiển thường được chọn là +15 và -5V là phù hợp Mứcđiện áp âm khi khóa góp phần giảm tổn thất công suất trên mạch điều khiển

Điện trở Rg cũng làm tổn hao công suất điều khiển được mô tả ở hình dưới Điện trở

Rg nhỏ, giảm thời gian xác lập tín hiệu điều khiển, giảm tổn thất năng lượng trong quátrình điều khiển nhưng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với điện áp ký sinh trongmạch điều khiển

1.6.4.Bảo vệ IGBT

IGBT thường được sử dụng trong các mạch nghịch lưu hoặc các bộ biến đổi xung ápmột chiều, trong biến tần, mạch đóng cắt tần số cao từ 2 đến hàng chục kHz Ở tần số đóngcắt cao như vậy, những sự cố có thể phá hủy phần tử rất nhanh và dẫn đến phá hỏng toàn

bộ thiết bị Sự cố thường xảy ra nhất là quá dòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc từ cácphần tử có lỗi do chế tạo hoặc lắp ráp

Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm Tuy nhiên quátải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công suất phát nhiệt tăngđột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt Mặt khác khi khóa IGBT lại trong mộtthời gian rất ngắn khi dòng điện rất lớn dấn đến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áp trêncollector, emiter, lập tức đánh thủng phần tử

1.6.5.Ứng dụng

Công nghệ IGBT được áp dụng trong nhiều lĩnh vực thuộc ngành điện công nghiệp, cụ

thể công nghệ IGBT được sử dụng trong các máy hàn công nghiệp, các thiết bị điện côngnghiệp, các mạng điện công nghiệp, bộ biến tần…

- Sử dụng trong bộ biến đổi DC-DC ,AC-AC,Biến tần

Cụ thể : Trong bộ biến tần, bộ chuyển đổi DC / DC cung cấp cho một hoặc nhiều trìnhđiều khiển IGBT sau đó cấp nguồn cho đầu ra của họ tới IGBT đang được điều khiển ở chế

độ xung Các IGBT và các trình điều khiển hoạt động ở chế độ xung được điều khiển ở cáctần số có thể vượt quá 10 KHz Thao tác này được mô tả sơ đồ trong biểu đồ khối trong

Hình 1 Bộ chuyển đổi DC-DC cung cấp cách ly điện giữa đầu vào và đầu ra của nó vàđiện áp cách ly là một chức năng của thiết kế biến thế biến đổi DC / DC.

*Một số quy ước về kí hiệu:

IB: (cường độ) dòng điện qua cực Base của transistor

IC: (cường độ) dòng điện qua cực Collector của transistor

IE: (cường độ) dòng điện qua cực Emitter của transistor

IR: (cường độ) dòng điện qua điện trở R.

VBE: (độ lớn) hiệu điện thế giữa 2 cực Base và Emitter của transistor Các thông sốtương tự cũng dùng kí hiệu tương tự

UB: điện áp ở cực Base Các thông số tương tự cũng dùng kí hiệu tương tự

Hình 1.23: Sơ đồ hoạt động

+ : Quá trình mở: Để cho transitor mở được thì bắt đầu từ giá trị -Ub2 đến Ub1

+ Quá trình đóng : Để cho transitor đóng thì bắt đầu từ giá trị từ Ub1 đến -Ub2

* Sơ đồ mắc Darlington

Nói chũng các BJT có hệ số khuyếch đại tương đối thấp mà yêu cầu dòng điều khiển lớnnên sơ đồ mắc Darlington là một yêu cầu đặt ra với các ghép 2 transitor Q1 và Q2 có hệ sốkhuyếch đại là β1 β2 Khi mắc thành Darling ton thì hệ số khuyếch đại tổng là[separator]

β = β1 + β2 + β1β2 Khuyếch đại lên ta có thể mắc từ 3 transotor

Sơ đồ mắc Darlington:

Hình 1.24: Sơ đồ mắc Darlington

1.7.3.Nguyên lý hoạt động của PNP

Hình 1.25: Sơ đồ hoạt động của PNP

Cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn

vào cực C và (-) nguồn vào cực E

Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E , trong

đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực

C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng

IC = 0 )

Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+)nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB,làm bóng đèn phát sáng

Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một côngthức

IC = β.IB

1.7.4.Ứng dụng

* Các ứng dụng điển hình

Mạch khuếch đại điện áp xoay chiều

Mạch khuếch đại công suất

Khuếch đại chuyển mạch

Mạch điều khiển đóng mở RƠ LE

CHƯƠNG 2:

NGHỊCH LƯU – CHỈNH LƯU2.1 Khái quát về bộ biến đổi DC-AC

Những lúc mất điện, người ta cần chuyển đổi điện 1 chiều từ pin, hoặc bình acquythành điện áp xoay chiều để điều khiển một số yêu cầu cấp thiết yếu như máy vi tính,đèn chiếu sang … Hoặc năng lượng tích tụ được từ pin mặt trời, năng lượng gió cần phảichuyển thành điện xoay chiều để hòa vào lưới điện Bộ đổi điện một chiều ra điện xoaychiều gọi là bộ nghịch lưu

Có một số loại thiết bị nghịch lưu sau đây :

- Thiết bị biến đổi điện một chiều từ bình acquy ra điện xoay chiều tần số

50HZ 220V để cấp điện dự phòng khi mất điện lưới

- Thiết bị đổi điện một chiều thành xoay chiều cung cấp cho phụ tải cộng hưởng tần số vàđiện áp phụ thuộc vào tải như lò nung thép trung tần

- Thiết bị đổi điện một chiều thành xoay chiều có tần số và điện áp thay đổi được cung cấp cho động cơ điện 3 pha

2.2 Các bộ biến đổi nghịch lưu

2.2.1 Nghịch lưu dòng

Nghịch lưu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số tùy ý Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cấp điện cho bộ biến đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào Ld thường có giá trị lớn vô cùng để dòng điện là liên tục

Hình 2.1 Sơ đồ nghịch lưu cầu một pha

Hình 2.2 Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm trung tính Điện cảm đầu vào nghịch lưu đủ lớn Ld =  do đó dòng điện đầu vào được san phẳng

(hình 1.3), nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện của nghịch lưu iN

có dạng xung vuông

Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN  id  Id Đồng thời

dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “+” ở bên trái và dấu

“-” ở bên phải Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không Do iN  iC iZ  Id =hằng số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên

Sau một nửa chu kỳ t = t1 người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4 Cặp T3, T4 mở tạo

ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-”

Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1 và T2 bị khóa lại