Điện tử công suất

Chương Các phần tử bán dẫn công suất 1.1 Nhiệm vụ điện tử công suất Điện tử công suất lĩnh vực kỹ thuật đại, nghiên cứu ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất làm việc chế độ chuyển mạch vào trình biến đổi điện Sự đời hồn thiện linh kiện điện tử công suất như: điốt công suất, thyristor, GTO, triac, MOSFET công suất, IGBT, SID, MCT… với tính dịng điện, điện áp, tốc độ chuyển mạch ngày nâng cao làm cho kỹ thuật điện truyền thống thay đổi cách sâu sắc Trong nghiên cứu điện tử cơng suất có ba cách tiếp cận: - Về linh kiện: Nghiên cứu chất vật lý, trình diễn linh kiện, tính kỹ thuật phạm vi ứng dụng linh kiện điện tử công suất - Về cấu trúc: Nghiên cứu sơ đồ phối hợp linh kiện điện tử công suất thiết bị điện – điện tử khác hợp thành mạch động lực nhằm tạo nên biến đổi phù hợp với mục đích sử dụng - Về điều khiển: Nghiên cứu chiến lược điều khiển khác để tạo nên biến đổi điện tử công suất với tính cần thiết Chú trọng kỹ thuật điều khiển nâng cao để tạo nên biến đổi thơng minh, linh hoạt, có tiêu kinh tế - kỹ thuật, lượng tối ưu Sự phát minh transistor vào năm 1948 Bardeen, Brattain Schockey, phịng thí nghiệm Bell Telephone, giải thưởng Nobel năm 1956 vật lý, đánh dấu bước phát triển cách mạng kỹ thuật điện tử Kể từ kỹ thuật điện tử phát triển mạnh mẽ theo hai hướng: - Kỹ thuật điện tử tín hiệu (điện tử dòng điện yếu) với đặc điểm chủ yếu xử lý tín hiệu qua khuếch đại, điều chế tần số cao Trong - Điện tử công suất với đặc điểm chủ yếu chuyển mạch đóng – cắt dòng điện lớn, điện áp cao để thay đối độ lớn, dạng điện sóng, tần số dịng cơng suất Hình 1.1: Điện tử tín hiệu điện tử cơng suất 1.2 Các phần tử bán dẫn công suất 1.2.1 Diode công suất 1.2.1.1 Chất bán dẫn Về phương diện dẫn điện, chất chia thành hai loại: chất dẫn điện (có điện trở suất nhỏ) chất khơng dẫn điện (có điện trở suất lớn) Chất khơng dẫn điện gọi chất cách điện chất điện mơi Giữa hai loại chất có chất trung gian mà điện trở suất thay đổi giới hạn rộng giảm mạnh nhiệt độ tăng (theo quy luật hàm mũ) Nói cách khác, chất dẫn điện tốt nhiệt độ cao dẫn điện không dẫn điện nhiệt độ thấp Đó chất bán dẫn (hay chất nửa dẫn điện) III IV V VI VII B C 14 16 15 Si 32 34 33 Ge 50 Se As 52 51 Sn S P Sb 53 Sb I a) Chất bán dẫn bảng tuần hoàn b) Tinh thể chất bán dẫn nhiệt độ thấp nguyên tố hóa học Hình 1.2: Chất bán dẫn Bán dẫn N Người ta tiến hành pha thêm nguyên tử thuộc nhóm bảng Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất nhờ công nghệ đặc biệt, với nồng độ 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3 Khi nguyên tử tạp chất thừa điện tử vành ngoài, liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ nguồn lượng yếu tạo nên cặp ion dương tạp chất điện tử tự Ở điều kiện bình thường (25 0C) tồn nguyên tử tạp chất bị ion hóa hết Ngoài tượng phát sinh hạt giống chế chất bán dẫn xảy với mức độ yếu Hình 1.3 a) Mơ hình cấu trúc mạng tinh thể b) Đồ thị lượng chất bán dẫn tạp chất loại n Vậy ta thu chất bán dẫn loại có khả dẫn điện chủ yếu điện tử gọi chất bán dẫn tạp chất loại n Dòng điện chất bán dẫn tạp chất loại n gồm điện tử (là hạt đa số) lỗ trống (là loại hạt thiểu số) tạo nên Bán dẫn P Nếu tiến hành pha thêm nguyên tử thuộc nhóm (Al, Ga, In…) bảng Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất xuất liên kết đôi bị khuyết (gọi lỗ trống) có khả nhận điện tử Khi kích thích lượng, nguyên tử tạp chất bị ion hóa sinh cặp: ion âm tạp chất – lỗ trống tự Mô hình mạng tinh đồ thị lượng chất bán dẫn tạp chất loại p cho hình 1.4 Hình 1.4 a) Cấu trúc mạng tinh thể b) Đồ thị lượng chất bán dẫn tạp chất loại p Mức lượng tạp chất nằm sát đỉnh vùng hóa trị tạo hội nhảy mức ạt cho điện tử hóa trị hình thành cặp ion âm tạp chất (khơng tham gia dịng điện) lỗ trống (hạt đa số) Dòng điện chất bán dẫn tạp chất loại p gồm lỗ trống (là hạt đa số) điện tử (là loại hạt thiểu số) tạo nên 1.2.1.2 Chuyển tiếp P-N Nối P-N cấu trúc linh kiện điện tử cấu trúc loại Diode Phần cung cấp cho sinh viên kiến thức tương đối đầy đủ chế hoạt động nối P-N hình thành phân cực Bằng công nghệ đặc biệt, người ta cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại n loại p tiếp xúc với Tại nới tiếp xúc xảy tượng vật lý Mặt ghép p-n chưa có điện áp ngồi Hình 1.5: Tiếp xúc p-n chưa có điện áp ngồi Do chênh lệch lớn nồng độ hai loại bán dẫn n p (nn>>np pp>>pn) vùng tiếp giáp có tượng khuếch tán hạt đa số qua nơi tiếp giáp, xuất dòng khuếch tán Ikt hướng từ p sang n Tại vùng lân cận mặt tiếp xúc xuất lớp điện tích khối ion tạp chất tạo ra, nghèo hạt dẫn đa số, đồng thời xuất điện trường nội hướng từ vùng n (lớp ion dương) sang vùng p (lớp ion âm) gọi điện trường tiếp xúc Điện trường Etx cản trở chuyển động dịng khuếch tán gây chuyển động trơi hạt thiểu số qua miềm tiếp xúc, có chiều ngược lại với dịng khuếch tán Q trình xảy dẫn tới trạng thái Ikt = Itr khơng có dịng điện qua tiếp xúc p-n b) Mặt ghét p-n có điện trường ngồi Trạng thái cân động bi phá vỡ đặt tới tiếp xúc p-n điện trường ngồi Có hai trường hợp xảy ra: Hình 1.6: Tiếp xúc p-n phân cực thuận - Khi đặt điện trường (Engoài) ngược chiều với Etx (Eng hướng từ p sang n), trạng thái cân bị phá vỡ, cường độ trường tổng cộng giảm đi, làm tăng chuyển động khuếch tán Ikt người ta gọi tượng phun hạt đa số qua miền tiếp xúc p-n mở Dịng điện trơi Itr Etx gây xuồng gần khơng Trường hợp ứng với hình 1.6 gọi phân cực thuận cho tiếp xúc p-n Hình 1.7: Tiếp xúc p-n phân cực ngược Khi Eng chiều với Etx ứng với hình 1.7 , trạng thái cân ban đầu bị phá vỡ, dòng Ikt giảm tới khơng, dịng gia tốc có tăng lên khơng đáng kể hạt dẫn thiểu số đóng góp, nhanh tới giá trị bão hịa Người ta nói phân cực ngược cho tiếp xúc p-n Kết luận: Tiếp xúc p-n có tính dẫn điện khơng đối xứng, bị khóa dịng qua nhỏ điện áp đặt vào (hướng từ n sang p) có giá trị lớn (vài chục vơn) tiếp xúc có điện trở tương đối lớn Khi mở, tiếp xúc p-n dẫn điện tốt, dịng qua lớn (hướng từ p sang n) điện áp rơi nhỏ 1.2.1.3 Điơt cơng suất (diode) Cấu tạo Cấu tạo diode bán dẫn gồm tiếp xúc p-n hai tiếp xúc để lấy điện cực anốt (từ vùng p) katốt (từ vùng n), ký hiệu quy ước hình 1.8 Hình 1.8 Ký hiệu hình dáng Diode bán dẫn Nguyên lý làm việc - Khi phân cực thuận cho diode: ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt ( vùng bán dẫn P ) điện áp âm (-) vào Katôt ( vùng bán dẫn N ) hình 1.9 Khi điện áp chênh lệch giữ hai cực anốt katốt đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) 0,2V ( với Diode loại Ge ) diode bắt đầu dẫn điện theo chiều anốt đến katốt Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn dịng qua Diode tăng nhanh chênh lệch điện áp hai cực Diode không tăng (vẫn giữ mức 0,6V ) Hình 1.9 Diode phân cực thuận Hình 1.10 Đường đặc tuyến điện áp thuận qua diode Kết luận : Khi Diode (loại Si) phân cực thuận, điện áp phân cực thuận < 0,6V chưa có dịng qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V có dịng qua Diode sau dịng điện qua Diode tăng nhanh sụt áp thuận giữ giá trị 0,6V Khi phân cực ngược cho diode: Khi phân cực ngược cho Diode tức cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P) hình 1.11, tương tác điện áp ngược, miền cách điện rộng ngăn cản dịng điện qua mối tiếp giáp, Diode chịu điện áp ngược lớn khoảng 1000V diode bị đánh thủng Hình 1.11 Diode phân cực ngược 1.2.3.4 Điơt đệm Diode đệm (cịn gọi Diode phóng điện, Diode hồn lượng) Diode mắc song song ngược với phụ tải điện chiều có tính chất cảm kháng (hình8) Diode đệm D0 có hai nhiệm vụ: Khi phụ tải làm việc, Diode đệm D0 chịu điện áp ngược trạng thái khố Dịng điện tải cấp từ nguồn chiều (hình 1.13a) Khi ngắt nguồn (U= 0), s.đ.đ tự cảm của cảm kháng phụ tải lúc ngắt mạch, dòng cảm ứng phụ tải khép kín qua Diode D0 (hình 1.13b) Nếu khơng có Diode D0, điện cảm ứng lớn đặt lên phần tử nguồn phá hỏng chúng, đánh thủng cách điện nguy hiểm cho người Đảm bảo dòng điện liên tục cho I + + I R Do U=0 U>0 L L b, a, tải R Hình 1.12: Diode đệm nối vào mạch có tính chất cảm kháng để tránh giảm đột ngột dịng điện Bình thường, dịng điện phụ tải có tính chất cảm kháng nguồn cung cấp Khi dòng điện phụ tải giảm (đột ngột) bị ngắt lại có, phụ tải xuất điện áp cảm ứng qúa độ lớn, dẫn đến nguy hiểm nêu cho thiết bị nguồn Diode D0 cho dòng cảm ứng khép kín qua trì dịng tải Dịng cảm ứng phóng qua D0 có độ lớn tuỳ thuộc lượng điện từ tích luỹ cuộn dây phụ tải tức tuỳ thuộc trị số độ tự cảm L nhỏ hay lớn Cường độ dịng điện phóng giảm theo hàm mũ với số thời gian:  = L/R Nếu  >> T (T- chu kỳ điện áp hình sin) cường độ dịng điện qua tải coi không đổi 1.2.2 Transitor BJT công suất 1.2.2.1 Cấu tạo ký hiệu Cấu tạo Transistor có cấu tạo gồm miền bán dẫn p n xen kẽ nhau, tuỳ theo trình tự xếp miền p n mà ta có hai loại cấu trúc điển hình pnp npn hình 1.13 Để tạo cấu trúc này, người ta áp dụng công nghệ khác phương pháp khuếch tán, phương pháp hợp kim, … Miền bán dẫn emitơ (E) có đặc điểm có nồng độ tạp chất lớn, điện cực nối với miền cực emitơ Miền bán dẫn bazơ (B) có nồng độ tạp chất nhỏ độ dày cỡ vào m, điện cực nối với miền cực bazơ Hình1.13: Cấu tạo transistor Miền colectơ (C) có nồng độ tạp chất trung bình điện cực tương ứng colectơ Tiếp giáp p-n miền emitơ bazơ gọi tiếp giáp emitơ (JE), tiếp giáp p-n miền bazơ miền colectơ gọi tiếp giáp colectơ (JC) Về cấu trúc coi transistor hai diode mắc đối hình 1.13 Điều khơng hồn tồn có nghĩa mắc diode hình 1.13 thực chức transistor Bởi khơng có tác dụng tương hỗ lẫn hai tiếp giáp p-n Hiệu ứng transistor xảy khoảng cách hai tiếp giáp nhỏ nhiều so với độ dài khuếch tán hạt dẫn Ký hiệu Hình1.14: Ký hiệu Transistor Kí hiệu transistor mạch điện cần ý mũi tên đặt cực bazơ cực colectơ có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n 1.2.2.1 Hoạt động Nguyên lý hoạt động: Để transistor làm việc cần phải đưa điện áp chiều tới cực nó, gọi phân cực cho transistor Đối với chế độ khuếch đại J E phân cực thuận JC phân cực ngược hình 1.15 10 5.3 Bộ nghịch lưu Đây loại biến tần biến đổi từ điện chiều thành điện xoay chiều Điện áp nguồn cấp chiều, nên biến đổi điện áp xoay chiều xung vng có dạng hình 5.3.1 Đại cương Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi lương từ nguồn điện chiều không đổi sang dạng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Đại lượng điều khiển nguồn điện áp dòng điện Trong trường hợp đầu, nghịch lưu gọi l nghịch lưu áp va trường hợp sau l nghịch lưu dòng Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động khơng đồng bộ, lò cảm úng), dòng điện qua linh kiện khơng thể ngắt q trình chuyển mạch tự nhiên Do đó, mạch nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để điều khiển q trình ngắt dịng điện Trong trường hợp đặc biệt mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung kháng (động đồng kích từ dư ), dịng điện qua linh kiện bị ngắt trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn phụ thuộc vào điện áp mạch tải Khi đó, linh kiện bán dẫn chọn thyristor (SCR) 5.3.2 Bộ nghịch lưu áp pha Bộ nghịch lưu áp pha dạng mạch cầu (còn gọi l nghịch lưu dạng chữ H) chứa công tắc diode mắc đối song 96 Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu áp pha Giản đồ kích đóng cơng tắc đồ thị tải vẽ hình Bộ nghịch lưu mắc dạng mạch tia 5.3.3 Bộ nghịch lưu áp có điểm Hình 5.8: Bộ nghịch lưu áp có điểm Mạch gồm hai cơng tắc hai diode mắc đối song với chúng Mạch tải với ngõ nghịch lưu cách ly qua máy biến áp với cuộn sơ cấp phân chia Trong trường hợp khơng sử dụng máy biến áp cách ly phía tải, nguồn điện áp chiều cần thiết kế với nút phân 5.3.4 Bộ nghịch lưu nửa cầu Hình 5.9: Bộ nghịch lưu áp nửa cầu Trong trường hợp khơng sử dụng máy biến áp cách ly phía tải, nguồn điện áp chiều cần thiết kế với nút phân giữa, dạng mạch nghịch lưu áp nửa cầu 5.4 Bộ nghịch lưu áp ba pha sóng nửa chu kỳ 97 5.4.1 Nguyên lý Trong thực tế mạch nghịch lưu áp ba pha gặp dạng mạch cầu Mạch chứa công tắc S1,S2 S6 v diode đối song D1,D2 D6 Hình 5.10: Nghịch lưu áp pha 5.4.2 Các quan hệ chung 98 5.4.3 Áp dụng vào điều khiển tồn sóng Hệ quả: Q trình điện áp ngõ nghịch lưu áp ba pha xác định ta xác định điện áp trung gian u10, u20, u30 Qui tắc kích đóng đối nghịch: cặp cơng tắc pha kích đóng theo qui tắc đối nghịch hai công tắc cặp ln trạng thái kích đóng với kích ngắt Trạng thái hai kích đóng (trạng thái ngắn mạch điện áp nguồn ) kích ngắt khơng phép 5.5 Bộ nghịch lưu dịng sóng nửa chu kỳ 99 Bộ nghịch lưu có nguồn chiều nguồn dịng điện Bộ nghịch lưu dòng sử dụng lãnh vực truyền động động điện xoay chiều, cho cảm ứng Tương tự nghịch lưu áp, ta phân biệt nghịch lưu dịng với q trình chuyển mạch cưỡng nghịch lưu dòng với trình chuyển mạch tự nhiên (phụ thuộc) Bộ nghịch lưu động trình chuyển mạch cưỡng áp dụng cho tải tổng quát Trong trường hợp tảii mang tính dung kháng, nghịch lưu sử dụng với trình chuyển mạch phụ thuộc sử dụng linh kiện bán dẫn thyristor 5.5.1 Bộ nghịch lưu dòng pha Trong trường hợp tải tổng quát (R,RL,RL ỵ ), linh kiện phải có khả điều khiển ngắt dịng điện Có thể sử dụng IGBT mắc nối tiếp với diode cao áp sử dụng linh kiện cơng suất GTO Giả sử dịng dẫn qua S1D1S2D2 tải, dòng điện tải it= I Để đảo chiều dịng điện tải, xung kích đóng đưa vào S1S2 kích ngắt S3S4 Do tải mang tính cảm kháng, đảo chiều nhanh dòng điện gây điện áp đặt lên cơng tắc Nếu tải có độ tự cảm L nhỏ, mạch mắc nối tiếp công tắc với diode chịu điện áp cao; tải có L lớn, cần phải thay đổi cấu hình nghịch lưu dòng Chẳng hạn mắc tụ song song với tải dùng mạch tích lượng Tác dụng mạch phụ làm dịng tải q trình đối đầu khơng thay đổi đột ngột không gây áp áp phản kháng Cấu trúc dùng tụ xoay chiều mắc rẻ nhanh với tải làm xuất dao động dòng điện điện áp tương tác tụ điện với cảm kháng tải Tụ điện tính tốn cho biên độ thành phần dòng điện dẫn qua tụ có giá trị khơng lớn độ dao động điện áp sóng hài bậc cao tải nằm phạm vi cho phép 100 Hinh 5.11: Bộ nghịch lưu dịng pha Cấu trúc dùng mạch tích lượng có khả khắc phục nhược điểm Tuy nhiên, hệ thống mạch công suất trở nên phức tạp sử dụng mạch chỉnh lưu cầu diode phía mạch phải có phần tử có khả dự trữ lượng Mỗi lần dòng điện tải đổi chiều, mạch đóng cắt nạp lượng dịng tải Phần tử tích điện tụ điện, để điện áp tụ không tăng, ta cần thực điều khiển xả lượng tụ điều khiển lượng tụ trả lưới điện xoay chiều qua mạch bán dẫn cơng suất (ví dụ điều khiển chỉnh lưu chế độ nghịch lưu) Mặc khác, tác dụng mạch tích lượng làm dịng điện thực tế qua tải bị lệch pha so với dòng điện lý tưởng yêu cầu 5.5.2 Bộ nghịch lưu cầu ba pha 101 Hình 5.12: Nghịch lưu dịng pha Tương tự trường hợp nghịch lưu dòng pha, cấu tạo nghịch lưu dòng ba pha gồm dạng: mạch chứa diode cao áp bảo vệ, mạch chứa tụ chuyển mạch mạch chứa tụ tích lượng 102 Chương Điều khiển thiết bị điện tử công suất 6.1 Đại cương 6.2 Các yêu cầu mồi thyristor - Trong thùc tÕ ng-êi ta th-ờng dùng hai nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng tuyến tính thẳng đứng arcos để thực điều chỉnh vị trí xung nửa chu kỳ d-ơng điện áp đặt lên thyristor 1.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: -Đ-ợc thể nh- hình vẽ U Us Us m Uc m   2  t 103 -Theo nguyên tắc ng-ời ta dùng điện áp +US : Là điện áp đồng bộ, đồng với với điện áp đặt lên A-K thyristor, th-ờng đ-ợc đặt vào cổng đảo khâu so sánh +Ucm: Là điện áp điều khiển ( điện áp chiều điều chỉnh đ-ợc biên độ) th-ờng đặt vào cổng không đảo khâu so sánh -Khi hiệu điện đầu vào khâu so sánh là: U d =U cm U s -Mỗi Us = Ucm khâu so sánh lật trạng thái ta nhận đ-ợc s-ờn xuống điện áp đầu khâu so sánh S-ờn xuống thông qua mạch đa hài trạng thái ổn định để tạo xung ®iỊu khiĨn 104 -Nh- vËy b»ng c¸ch thay ®ỉi Ucm ta thay đổi đ-ợc thời điểm phát xung, tức điều chỉnh góc Giữa Ucm cã quan hÖ sau:  = U cm U sm Ng-ời ta th-ờng lấy Ucm = Usm 2.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS: -Đ-ợc thể nh- hình vẽ Theo nguyên tắc ng-ời ta dùng điện áp +US : Là điện áp đồng bộ, v-ợt tr-ớc UAK = Um sin t cña thyristor mét gãc b»ng /2 Us = Um cos t +Ucm: Là điện áp ®iỊu khiĨn ( ®iƯn ¸p mét chiỊu cã thĨ ®iỊu chỉnh đ-ợc biên độ theo hai chiều âm ,d-ơng) -Nếu đặt Us vào cổng đảo, Ucm vào cổng không đảo khâu so sánh Us = Ucm ta xẽ nhận đ-ợc xung mảnh đầu khâu so sánh -Khi lật trạng thái ta cã: U m cos  = U cm Do ®ã: U  = arccos( cm Um -Khi Ucm = Um th×  = -Khi Ucm = th×  = /2 -Khi Ucm = -Um th×  =  -Nh- vËy ®iỊu chØnh Ucm tõ + Um ®Õn -Um ta điều chỉnh đ-ợc góc từ ®Õn  105 6.3 Các loại xung mồi cho thyristor 6.3.1 Mồi qua điện trở 6.3.2 Mạch mồi R-C 106 107 Chương Ghép nối bảo vệ van bán dẫn công suất 7.1 Ghép song song phần tử cơng suất Trong trờng hợp dịng điện làm việc lớn (so với dòng cho phép làm việc có xét tới điều kiện toả nhiệt), người ta phải tiến hành mắc song song van bán dẫn Hình 7.1: Ghép nối song song phần tử song song 7.2 Ghép nối tiếp phần tử công suất Mắc nối tiếp van Van bán dẫn bị điện áp UCPV