Đồ án tốt nghiệp Điện tự động công nghiệp: Nghiên cứu độ tin cậy của các hệ thống điện tử công suất sử dụng trong công nghiệp

Đồ án gồm 3 chương với các nội dung: các linh kiện điện tử công suất; các bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng điện tử công suất; độ tin cậy của hệ thống điện điện tử công suất dùng trong công nghiệp.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG

ISO 9001:2015

NGHIÊN CỨU ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC HỆ THỐNG

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

HẢI PHÒNG - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG

Sinh viên Đào Văn Phán

Giảng viên hướng dẫn :GSTSKH Thân Ngọc Hoàn

HẢI PHÒNG - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG

-

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Sinh viên: Đào Văn Phán - Mã SV: 1512102053

Lớp: DC1901 - Ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp

Tên đề tài: Nghiên cứu độ tin cậy của hệ thống điện tử công suất sử dụng trong công nghiệp

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

1 Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ) ………

………

………

………

………

………

………

………

2 Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán ………

………

………

………

………

………

………

………

………

3 Địa điểm thực tập tốt nghiệp ………

………

………

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Người hướng dẫn thứ nhất:

Họ và tên : GSTSKH Thân Ngọc Hoàn

Học hàm, học vị : Giáo sư Tiến sĩ Khoa Học

Cơ quan công tác : Trường Đại Học Quản Lý và Công Nghệ Hải Phòng Nội dung hướng dẫn : Toàn bộ đề tài

Người hướng dẫn thứ hai:

Họ và tên:

Học hàm, học vị:

Cơ quan công tác:

Nội dung hướng dẫn:

Đề tài tốt nghiệp được giao ngày tháng năm Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng năm Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Người hướng dẫn Đào Văn Phán GSTSKH Thân Ngọc Hoàn Hải Phòng, ngày tháng năm 2019 Hiệu trưởng

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TỐT NGHIỆP

Họ và tên giảng viên:

Đơn vị công tác:

Họ và tên sinh viên: Chuyên ngành:

Đề tài tốt nghiệp:

Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp .

1 Đánh giá chất lượng của đồ án/khóa luận (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T T.N trên các mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số liệu…)

2 Ý kiến của giảng viên hướng dẫn tốt nghiệp Được bảo vệ Không được bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày … tháng … năm Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN CHẤM PHẢN BIỆN

Họ và tên giảng viên:

Đơn vị công tác:

Họ và tên sinh viên: Chuyên ngành:

Đề tài tốt nghiệp:

1 Phần nhận xét của giáo viên chấm phản biện

2 Những mặt còn hạn chế .

3 Ý kiến của giảng viên chấm phản biện Được bảo vệ Không được bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày … tháng … năm Giảng viên chấm phản biện

(Ký và ghi rõ họ tên)

1

MỤC LỤC

Chương 1: 3

CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 3

1.2 DIODE CÔNG SUẤT 4

1.2.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việcvới công suất của nguồn và tải 4

1.2.2 Đặc tính Volt – Ampere (V – A) 5

1.2.3 Trạng thái đóng ngắt 6

1.2.4 Các tính chất động 6

1.2.5 Mạch bảo vệ diode 7

1.2.6 Các đại lượng định mức của diode 8

1.3 BJT CÔNG SUẤT (BIPOLAR JUNTION TRANSISTOR) 8

1.3.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc 9

1.3.2 Đặc tính V-A trong mạch có Emitter chung 10

1.3.3 Trạng thái đóng ngắt 11

1.3.4 Các tính chất động 11

1.3.5 Các đại lượng định mức của transistor 12

1.3.6 Mạch kích và bảo vệ cho transistor 12

1.4 MOSFET (Metal – Oxide – Semiconductor Field Effect Transistor) 16

1.5 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 19

1.6 SCR (Silicon Controlled Rectifier) 21

1.6.1 Mô tả và chức năng 21

1.6.2 Các tính chất và trạng thái cơ bản 22

1.6.3 Đặc tính V-A 23

1.6.4 Khả năng mang tải 24

1.6.5 Mạch kích SCR 24

1.6.6 Mạch bảo vệ SCR 26

1.7 TRIAC 27

1.7.1 Đặc điểm cấu tạo 27

1.7.2 Đặc tính V-A 28

1.8 GTO 29

2

CHƯƠNG 2: 31

CÁC BỘ CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN DÙNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 31

2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 31

2.2 CHỈNH LƯU MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN 32

2.2.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển 32

2.3 CHỈNH LƯU BA PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN 35

2.3.1 Chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển 35

2.3.2 Chỉnh lưu ba pha hình cầu có điều khiển 39

Chương 3 : 43

ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ CỘNG SUẤT DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP 43

3.1 MỘT TƯƠNG LAI CÔNG NGHIỆP 43

3.2 ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀO CÔNG NGHIỆP 45

3.3 ĐỘ TIN CẬY ỨNG DỤNG CỤ THỂ CỦA CÁC THÀNH PHẦN 47

3.4 YÊU CẦU TUỔI THỌ 48

3.5 CƠ CHẾ KHÔNG THÀNH PHẦN 54

3.6 TIỀM NĂNG ĐỂ CẢI THIỆN ĐỘ TIN CẬY 55

KẾT LUẬN: 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

Sự ra đời của các van bán dẫn công suất lớn như diode, BJT, thyristor, triac và tiếp đó là IGBT thực sự mang đến cho truyền động điện một sự biến đổi lớn về chất và lượng Bài nghiên cứu nhằm mục đích phân loại tìm hiểu độ tin cậy cảu điện tử công suát đối với ngành công nghiệp phát triển nhanh chóng như hiện

nay

CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1.1 PHÂN LOẠI LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

- Các linh kiện bán dẫn công suất có hai chức năng cơ bản là ĐÓNG và NGẮT dòng điện đi qua nó

- Trạng thái linh kiện dẫn điện (ĐÓNG): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất bé (gần bằng không)

- Trạng thái linh kiện không dẫn điện (NGẮT): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất lớn

- Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái không dẫn điện và ngược lại thông qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển của linh kiện Ta gọi linh kiện có điều khiển được Tín hiệu điều khiển có thể là dòng điện, điện áp hay ánh sáng với công suất nhỏ hơn nhiều so

4

- Nếu linh kiện không có cổng điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất ở ngõ ra, ta gọi linh kiện thộc loại khôngđiều khiển được

cho nó dẫn dòng điện mà không thể tác động ngắt dòng điện qua nó, ta gọi linh kiện không có khả năng kích ngắt (SCR, TRIAC) Ngược lại, nếu linh kiện có thể chuyển trạng thái làm việc từ đóng sang ngắt hay từ ngắt sang đóng thông qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển gọi là linh kiện có khả năng kích ngắt (BJT, MOSFET, IGBT,GTO…)

Ta có thể phân ra thành ba nhóm linh kiện như sau :

- Nhóm các linh kiện không điều khiển như Diode, DIAC

- Nhóm các linh kiện điều khiển kích đóng được như SCR, TRIAC

- Nhóm các linh kiện điều khiển kích ngắt được như BJT, MOSFET, IGBT, GTO

1.2 DIODE CÔNG SUẤT

1.2.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việcvới công suất của nguồn và tải

Hình H1.2.1: Cấu trúc Diode (a) và ký hiệu (b) Diode được cấu tạo bằng mối nối P-N, lớp N thừa điện tử, lớp P thiếu điện tử đồng thời chứa các phần tử mang điện dạng lỗ trống tạo ra hàng rào điện thế vào khoảng 0,6 V

5

Hình H1.2.1a : Sơ đồ nguyên lý phân cực cho diode

a) phân cực thuận b) phân cực ngược

Khi ta đặt một điện áp lên diode, cực dương gắn với lớp P và cực âm gắn với lớpN

(hình H1.2.1a.a), khi đó điện tử được chuyển từ lớp N qua lớp P Còn các hạt mang điện được chuyển từ lớp P sang lớp N và như vậy có một dòng điện chạy qua diode

Khi điện áp ngược được đặt lên diode (cực dương gắn với lớp N và cực

âm gắn với lớp P – hình H1.2.1a.b), điện tử và phần tử mang điện dạng lỗ trống

và các điện tử tự do bị kéo ra xa mối nối, kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua

Khi điện áp ngược tiếp tục tăng các điện tích cũng tăng gia tốc gây lên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng và diode mất tính chất dẫn điện theo một chiều (diode bị hỏng)

Trên hình vẽ, đầu ra của lớp P gọi là Anode (A) và lớp N là Cathode (K)

1.2.2 Đặc tính Volt – Ampere (V – A)

6

Hình H1.2.2: Đặc tính V – A thực tế (a) và lý tưởng(b)

Đặc tính có hai nhánh: nhánh thuận tương ứng với trạng thái dẫn điện (nằm ở góc phần tư I) và nhánh nghịch tương ứng với trạng thái ngắt (nằm ở góc phần tư III) như trên hình H1.2.2 Trong đó, hình H1.2.2a là đặc tính V – A thực

tế, hình H1.2.2b là đặc tính lý tưởng

Giải thích các ký hiệu :

dẫn.-UF: điện áp thuận của diode

1.2.3 Trạng thái đóng ngắt

Khi điện áp đặt vào anode và cathode lớn hơn điện áp khóa của diode thì diode sẽ dẫn điện, ngược lại thì diode sẽ khóa (không dẫn điện)

UAK> U0: diode dẫn điện

UAK< U0: diode ngưng dẫn

Ta xét với trường hợp diode lý tưởng :

UAK> 0: diode dẫn điện

UAK< 0: diode ngưng dẫn

1.2.4 Các tính chất động

7

Quá trình chuyển mạch: là quá trình diode chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái ngắt

Hình H1.2.4: Quá trình chuyển mạch của

Trong khoảng [0t0] diode dẫn và dòng qua nó là dòng thuận IF

Tại thời điểmt

0 diode ngắt, dòng qua diode (dòng thuận) giảm dần về 0

Khit  t

diode tiếp tục dẫn với dòng có chiều ngược lại

8

Hình H1.2.5: Mạch bảo vệ diode

Để hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng quá áp và bảo vệ cho diode công suất, ta mắc song song với diode mạch lọc RC.Tuy nhiên, các diode công suất trên thực tế đã tích hợp sẳn mạch RC

1.2.6 Các đại lượng định mức của diode

Điện áp định mức: là điện áp ngược lớn nhất (URM) có thể lặp lại tuần hoàn trêndiode

Dòng điện định mức: là dòng điện thuận lớn nhất (IFM) chạy qua diode

mà không làm cho diode bị hỏng

Để tăng khả năng chịu áp tải ta ghép nối tiếp các diode, để tăng khả năng chịu dòng tải ta ghép song song các diode

Hình dạng của một số diode trên thực tế như trên hình H1.2.6

Hình H1.2.6: Một số diode trên thực tế

1.3 BJT CÔNG SUẤT (BIPOLAR JUNTION TRANSISTOR)

9

1.3.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc

Transistor được cấu tạo bởi cấu trúc 3 lớp dạng n-p-n (hình H1.3.1a) hoặc p-n-p (hình H1.3.1b).Nhưng dạng n-p-n được sử dụng nhiều hơn vì loại này có kích thước nhỏ hơn với cùng một mức điện áp và dòng điện

Transistor có 3 cực: cực Base (B), cực Collector (C) và cực Emitter (E) và

là linh kiện được điều khiển hoàn toàn thông qua cực B và E Mạch công suất nối giữa 2 cực C và E

Ký hiệu của transistor như trên hình H1.3.1a

Hình H1.3.1: Nguyên lý cấu tạo của transistor

Hình H1.3.1a : Ký hiệu của transistor

Trong lĩnh vực điện tử công suất, transistor BJT được sử dụng như một công tắc đóng ngắt các mạch điện, phần lớn sử dụng loại NPN và mắc theo dạng mạch có Emitter chung (hình H1.3.1 b )

10

Trên hai cực B và E là điện áp điều khiển uBE.Các điện cực C, E được sử dụng làm công tắc đóng ngắt mạch công suất Điện áp điều khiển phải có tác dụng tạo ra dòng iB đủ lớn để điện áp giữa hai cực C và E đạt giá trị bằng không (uCE=0)

Transistor là linh kiện được điều khiển hoàn toàn bằng dòng điện iB

Hình H1.3.1b : Sơ đồ mắc theo dạng Emitter chung

1.3.2 Đặc tính V-A trong mạch có Emitter chung

Đặc tính V-A ngõ ra của mạch mắc theo dạng E chung như trên hình H1.3.2a (đặc tính thực tế) và hình H1.3.2b (đặc tính lý tưởng)

Hình H1.3.2: Đặc tính V-A ngõ ra của mạch E

I B= 0

Nếu điểm làm việc nằm trong vùng bảo hòa (xem điểm đóng như trên hình H1.3.2a), transistor sẽ đóng, transistor làm việc như một khóa đóng ngắt dòng điện

Vùng tích cực: là vùng transistor hoạt độngởchế độkhuếch đại tín hiệu

12

Hình H1.3.4: Quá trình chuyển mạch của transistor

Quá trình chuyển mạch tạo nên công suất tổn hao do đóng ngắt của transistor Công suất tổn hao làm giới hạn tần số hoạt động của transistor.Khi đóng ngắt, dòng điện qua transistor lớn và điện áp ở mức cao nên giá trị tức thời của công suất tổn hao lớn

Quá trình chuyển đổi điểm làm việc từ vị trí NGẮT đến vị trí ĐÓNG (hoặc ngược lại) được mô tả như trên hình H1.3.4a.Quá trình này kéo dài trong thời gian ton hoặc toff

1.3.5 Các đại lượng định mức của transistor

Định mức điện áp: giá trị điện áp cực đại trên hai cực C, E khi iB= 0 và trên haicực B, E khi iC = 0 Các giá trị này là giá trị tức thời

Định mức dòng điện: là giá trịcực của các dòng điện iC, iE, và iB Đó là các giá trịcực đại tức thời của transistor khi đóng trong trạng thái bảo hòa

Công suất tổn hao: công suất tổn hao tạo ra chủyếu trên cực C

PC = UCE.IC.Công suất tổn hao làm cho transistor nóng lên.Khi transistor làm việc, nhiệt độ sinh ra trên transistor không được vượt quá giá trị nhiệt độ cho phép, thường là 1500C

1.3.6 Mạch kích và bảo vệ cho transistor

a Điều khiển kích đóng:

13

Sơ đồ mạch và giản đồ xung kích như trên hình 1.3.6.Khi xung điện áp

UB được đưa vào, dòng điện qua cổng B bị giới hạn bởi điện trở R1

Hình 1.3.6: Sơ đồ mạch kích và giản đồ xung kích

14

Cổng Base của BJT công suất được điều khiển bởi cuộn thứ cấp C3 của biến áp xung 3 cuộn dây TX1.Cuộn sơ cấp C1, C2 Để điều khiển đóng BJT Q4, điện áp có giá trị dương được cấp cho đầu A làm cho Transistor Q3 đóng, cuộn C1 tích điện, điện áp dương xuất hiện trên cuộn C3, đồng thời cuộn C2 không có dịng chạy qua vì BJT Q2 ngắt, và Q1 đóng nối tắt cổng Base của Q2 xuống masse

Khi xung áp điều khiển ở đầu A giảm xuống 0, cả hai BJT Q1 và Q3 đều ngắt Khi Q3 ngắt cuộn C1 hở không được cấp nguồn, đồng thời cuộn C2 được cấp điện do Q2 đóng Do khác cực tính nên cuộn C3 xuất hiện điện áp ngược và ngắt Q4 Diode D1 và D2 có tác dụng bảo vệ quá dòng

Mạch phát tín hiệu để điều khiển mạch công suất dùng bán dẫn thường được yêu cầu cách ly về điện.Điều này có thể thực hiện được bằng optron hặc biến áp xung

Biến áp xung: gồm một cuộn sơ cấp và có thểcó nhiều cuộn thứcấp Sơ đồnguyên lý mạch cách ly tín hiệu điều khiển dùng biến áp xung như trên hình 1.3.6b

Optron: gồm một nguồn phát tia hồng ngoại dùng diode quang và mạch thu dùngphototransistor như trên hình 1.3.6c

Hình 1.3.6b: Sơ đồ nguyên lý cách ly tín hiệu điều khiển dùng

biến áp xung

15

Hình 1.3.6c: Sơ đồ nguyên lý cách ly tín hiệu điều khiển dùng Optron Mạch bảo vệ transistor: bảo vệ transistor trước các hiện tượng tăng quá nhanh của điện áp và dòng điện đi qua transisitor Mạch bảo vệ như trên hình 1.3.6d

Mạch RC có tác dụng hạn chế chế sự tăng của điện áp trên hai cực C, E Cuộn kháng Ls làm giảm sự tăng dòng điện qua BJT

Hình 1.3.6d :Mạch bảo vệ BJT Hình dạng của một số Transistor trên thực tế như trên hình 1.3.6e

16

Hình 1.3.6e : Hình dạng một số transistor trên thực tế

1.4 MOSFET (Metal – Oxide – Semiconductor Field Effect Transistor)

MOSFET là transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng

ngắt thấp MOSFET được sử dụng trong các ứng dụng công suất nhỏ (vài KW)

MOSFET có thể có cấu trúc NPN hoặc PNP Hình H1.4 mô tả cấu trúc

MOSFET loại NPN và ký hiệu của nó

Hình 1.4: Cấu trúc MOSFET loại NPN và ký hiệu

17

MOSFET được điều khiển đóng ngắt bằng xung điện áp đặt vào cực cổng (G).Khi điện áp dương đặt lên giữa hai cổng G và S thì dòng điện được dẫn từ cực D tới cực S

MOSFET có điện trở khi dẫn điện lớn nên công suất tổn hao khi dẫn điện lớn.Đặc tính V-A của MOSFET loại N như trên hình H.1.4.1 Đặc tính có dạnggiống như đặc tính V-A của BJT

Hình 1.4.1: Đặc tính V-A của MOSFET MOSFET ở trạng thái ngắt điện khi điện áp cổng thấp hơn giá trị UGS.Điện áp kích cho MOSFET phải ở dạng liên tục.Giá trị điện áp kích tối đa

18

Hình 1.4.2: Sơ đồ mạch kích cho MOSFET Đối với sơ đồ hình 1.4.1, khi điện áp kích U1 ở mức cao, Q1 dẫn và Q2 khóa làm cho MOSFET dẫn.Khi tín hiệu U1 ở mức thấp, Q1 ngắt, Q2 dẫn làm cho MOSFET ngắt điện

Mạch kích cho MOSFET có thể được cách ly với mạch tạo tín hiệu điều khiển thông qua biến áp xung hoặc optron (1.4.3.a,b)

Hình 1.4.3: Mạch cách ly tín hiệu điều khiển với mạch kích

19

Hình 1.4.4: Hình dạng một số MOSFET

1.5 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Nguyên lý cấu tạo, ký hiệu và mạch điện tương đương của IGBT như trên hình 1.5.IGBT là transistor công suất hiện đại, có kích thước gọn nhẹ, có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn, có độ sụt áp khi dẫn điện vừa phải

Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng G Đặc tính V-A của IGBT có dạng tương tư như đặc tính V-A của MOSFET

IGBT có khả năng đóng ngắt nhanh nên được sử dụng trong các bộ biến đổi điều chế độ rông xung tần số cao Phạm vi công suất của IGBT có thể đến 10MW

20

Hình 1.5: Cấu tạo(a), ký hiệu(b) và mạch tương đương(c) của IGBT

IGBT có khả năng làm việc với dòng điện lớn và chịu được điện áp ngược

cao

Thời gian đáp ứng đóng ngắt của IGBT rất nhanh (khoảng vài µs)

IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần đến mạch bảo vệ.Trong

trường hợp đặc biệt, có thể sử dụng mạch bảo vệ của MOSFET áp dụng cho

IGBT

Module IGBT thông minh (Intelligent Power Module): được chế tạo bởi

công nghệ tích hợp cao Trên module chức phần tử IGBT, mạch kích lái, mạch

bảo vệ, cảm biến dòng điện.Các module này đạt độ tin cậy rất cao

Mạch kích IGBT được thiết kế tương tự như mạch kích cho MOSFET Do

giá thành IGBT cao, và đặc biệt cho công suất lớn, mạch kích lái IGBT được

chế tạo dưới dạng IC công nghiệp Các IC này có khả năng tự bảo vệ chống quá

tải, nắn mạch, được chế tạo tích hợp dạng module riêng (1, 2, 4, 6 driver) hoặc

tích hợp trên cả module bán dẫn (bao gồm mạch lái, IGBT và mạch bảo vệ)

Hình dạng một số IGBT thực tế (hình 1.5.1a) và các board mạch điều

khiển và bảo vệ IGBT (hình 1.5.1b)

21

Hình 1.5.1a: Hình dạng một số IGBT thực tế

Hình 1.5.1b: Các board mạch điều khiển và bảo vệ IGBT

1.6 SCR (Silicon Controlled Rectifier)

1.6.1 Mô tả và chức năng

SCR là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn P-N-P-N liên tiếp tạo nên Anode (A), Cathode (K) và cực điều khiển Gate (G) như trên hình 1.6.1a

1.6.2 Các tính chất và trạng thái cơ bản

SCR có hai trạng thái:

+ Trạng thái khóa: khi Anode có thể chịu được điện áp dương so với cathode

+ Trạng thái nghịch: khi điện áp trên Anode âm hơn so với Cathode

Để SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện thì phải thỏa mãn hai điều kiện sau:

+ SCR ở trạng thái khóa

+ Có xung dòng điện kích IG> 0 đủ lớn

Hiện tượng ngắt SCR: quá trình chuyển từtrạng thái dẫn điện sang trạng tháikhông dẫn điện như trên hình 1.6.2 Quá trình này gồm hai giai đoạn:

+ Giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu

+ Giai đoạn khôi phục khả năng khóa của SCR

+ Nhánh nghịch (3): ứng với trạng thái nghịch tương tự như diode

+ Nhánh khóa (2):ứng với trạng thái khóa (IG= 0)

24

1.6.4 Khả năng mang tải

Khả năng chịu áp của SCR đạt đến hàng chục KV, thông thường ở mức 5

÷ 7KV.Dòng điện trung bình khoảng 5000A, độ sụt áp khi dẫn điện nằm trong khoảng 1,5 ÷ 3V, phần lớn các SCR được làm mát bằng không khí

Các SCR đặc biệt:

SCR cao áp: có điện áp lặp lại lớn nhất khoảng vài ngàn volt

SCR nhanh: đóng ngắt nhanh, khả năng chịu áp và dòng thấp hơn

Photothyristor: có thể đóng bình thường bằng xung kích vào cổng G hoặc bằng tia sáng lên vị trí nhất định của vỏ SCR

1.6.5 Mạch kích SCR

Trong các bộ biến đổi công suất dùng SCR, SCR và mạch tạo xung kích vào cổng điều khiển của nó cần cách điện với nhau.Một số mạch kích SCR như trên hình H1.6.5

25

Hình 1.6.5: Mạch kích SCR Mạch kích hình 1.6.5a: tác dụng điện áp lên mạch cổng B của Q1, Q1 dẫn bảo hòa làm xuất hiện điện áp Vcc trên cuộn sơ cấp của máy biến áp xung và làm cảm ứng xung điện áp ở phía thứ cấp Xung áp tác dụng lên cổng G của SCR làm cho nó dẫn điện.Khi khóa xung kích, Q1 bị ngắt, dòng qua máy biến

áp xung được duy trì qua mạch cuộn sơ cấp và diode Dm

Hình 1.6.5b: xung điều khiển kết hợp với tín hiệu ra của bộ phát xung vuông qua cổng AND trước khi đưa vào cổng B của Q1 để hạn chế tổn hao ở mạch cổng

Ta cũng có thể sử dụng các mạch kích đơn giản như trên hình 1.5.6a

27

Hình dạng của một số loại SCR trên thực tế như trên hình 1.6.6a

1.6.6a : Một số SCR trên thực tế

1.7 TRIAC

1.7.1 Đặc điểm cấu tạo

TRIAC được cấu tạo bởi hai SCR mắc đối song (hình 1.7.1) Do đó linh kiện cóthể dẫn điện theo cả hai chiều

Việc kích dẫn TRIAC được thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cổng điều khiển G điều kiện để TRIAC dẫn điện là đưa xung dòng kích vào cổng điều khiển trong điều kiện tồn tại điện áp trên linh kiện khác không

28

Hình 1.7.1: Cấu tạo TRIAC(a) ký hiệu (b) và đặc tính V-A (c)

Giống như SCR, ta không thể điều khiển ngắt dòng điện qua TRIAC được

Điều kiện ngắt dòng điện qua TRIAC giống như điều kiện ngắt SCR

1.7.2 Đặc tính V-A

Đặc tính V-A của TRIAC tương tự như của SCR Do khả năng dẫn điện theo cả hai chiều, đặc tính V-A của TRIAc có dạng đối xứng qua tâm góc tọa độ (hình 1.7.1c)

Việc kích đóng TRIAC có thể chia thành hai trường hợp:

âm (chiều dương qui ước chiều từ M1 đến M2 như trên hình 1.7.1a)

Mạch kích cho TRIAC như trên hình 1.7.2 và hình dáng của một số TRIAC trên thực tế như trên hình 1.7.2a

29

Hình 1.7.2: Một dạng mạch kích cho TRIAC

1.7.2a: Một số hình dáng của TRIAC

1.8 GTO

Đặc điểm cấu tạo :

GTO có cấu tạo như trên hình 1.8a Cũng giống như SCR, GTO được kích đóng bằng xung dòng điện đưa vào cổng G khi điện áp Anode -Cathode

đưa vào cổng

G có giá trị âm Vì vậy, GTO thích hợp cho một số ứng dụng khi yêu cầu điều khiển cả hai quá trình đóng và ngắt khoá bán dẫn

30

Hình 1.8: Cấu trúc GTO(a), sơ đồ tương đương(b) và ký hiệu (c)

Điểm khác biệt giữa GTO so với SCR là xung dòng kích IG đưa vào cổng

G của GTO phải được duy trì liên tục trong suốt thời gian GTO dẫn điện

Linh kiện GTO cần phải có mạch bảo vệ.quá trình ngắt của GTO đòi hỏi

sử dụng xung dòng kích đủ rộng nên thời gian ngắt sẽ kéo dài Mạch bảo vệ GTO như trên hình 1.8.Tụ điện C có giá trị từ 2µF ÷ 6 µF

Hình 1.8.1: Mạch bảo vệ GTOHình 1.8.2: Hình dáng thực tế

Hình dáng của một số GTO trên thực tế như trên hình 1.8.2

31

CHƯƠNG 2:

CÁC BỘ CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN DÙNG ĐIỆN TỬ

CÔNG SUẤT

2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Diode là linh kiện tự dẫn điện (khi UAK> 0) nên điện áp chỉnh lưu (điện

áp một chiều) có giá trị không đổi.Đối với một số loại tải có yêu cầu về thay đổi điện áp (ví dụ như điều chỉnh tốc độ động cơ) thì bộ chỉnh lưu dùng diode không đáp ứng được Do đó, người ta thay diode bằng thyristor (hay còn gọi là SCR)

để có thể điều chỉnh giá trị điện áp chỉnh lưu

SCR thuộc nhóm linh kiện chỉ điều khiển kích đóng.Việc ngắt SCR có thể thực hiện nằng cách đặt điện áp ngược hoặc triệt tiêu dòng điện qua nó

Để kích đóng được SCR thì phải thỏa hai điều kiện:

+ Xuất hiện điện áp khóa trên SCR: UAK> 0

+ Có dòng xung kích đủ lớn tác động vào cỗng G

Góc điều khiển (hay còn gọi là góc kích, ký hiệu là ): là góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm có xung kích đưa vào cực G của SCR

Thời điểm mở tự nhiên là thời điểm mà ở đó diode bắt đầu dẫn điện

Gọi X0 là thời điểm mở tự nhiên Ta có:

+ Đối với chỉnh lưu 1 pha: X0 = 0 (hình H2.1a)

+ Đối với chỉnh lưu ba pha: X0=6 hay X0=300 (hình H2.7b)

Hình H2.1: Vị trí X 0 của diode