Bài giảng Điện tử công suất – Chương 1: Các linh kiện bán dẫn cơ bản

ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH CHƯƠNG I CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN 1.1 CÁC TÍNH CHẤT, KHÁI NIỆM, HỆ THỨC CƠ BẢN: Trị trung bình (average): Xét dòng điện i(t) có chu kỳ T Trị trung bình dòng điện tính công thức : T I dc = i (t ) ⋅ dt T ∫0 (1.1) ¾ Ghi chú: Trường hợp dòng điện i biểu diễn hàm suốt chu kỳ T Nếu chu kỳ T : ≤ t ≤ t1 , i = ii ' (t ) t1 ≤ t ≤ T , i = i2 ' (t ) I dc = t T ⎞ ⎛⎜ i ( t ) ⋅ dt + i2 (t ) ⋅ dt ⎟ ∫ ∫ ⎟ T ⎜⎝ t1 ⎠ Tương tự tính trị trung bình áp; Udc Trị hiệu dụng (rms – root mean square): Công thức: T I rms = ⋅ i (t ) ⋅ dt T ∫0 (1.2) ¾ Ghi chú: Ghi chú: Trường hợp dòng điện i biểu diễn hàm suốt chu kỳ T Nếu chu kỳ T : ≤ t ≤ t1 , i = ii ' (t ) t1 ≤ t ≤ T , i = i2 ' (t ) I dc t T ⎞ ⎛⎜ 2 ⎟ i ( t ) dt i ( t ) dt = ⋅ + ⋅ ∫t ⎟ T ⎜⎝ ∫0 ⎠ Tương tự tính trị hiệu dụng áp; Urms Ví dụ1.1 : H.1.1 Dạng sóng dòng điện có dạng H.1.1 Tính trị trung bình, trị hiệu dụng giá trị tức thời lớn (giá trị đỉnh) dòng điện Ví dụ1.2 : ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H1.2 Dạng sóng dòng điện có dạng H.1.2 Tính trị trung bình, trị hiệu dụng giá trị tức thời lớn (giá trị đỉnh) dòng điện Khái niệm trình độ trạng thái xác lập : Khái niệm thường gặp ĐTCS, liên quan đến trình đóng ngắt khoá công suất, gọi trình chuyển trạng thái khoá công suất từ đóng sang ngắt ngược lại Quá trình độ trình xảy sau đóng (ngắt) khoá công suất, diễn khoảng thời gian ngắn liên quan đến tính chất động (thời gian khóa chuyển sang trạng thái đóng tON thời gian khóa chuyển sang ngắt toff ) linh kiện bán dẫn công suất Trạng thái xác lập mạch ĐTCS trạng thái diễn khoảng thời gian tương đối dài (so với thời gian đóng ngắt khoá), khoá công suất trạng thái đóng hoàn toàn ngắt hoàn toàn Sự liên tục gián đoạn: Khái niệm liên quan đến tính dẫn điện chiều khoá công suất (BJT, IGBT, SCR, GTO…) Khi dòng qua theo chiều thuận khoá lớn ta có dòng liên tục Nếu dòng giảm xuống giá trị nhỏ ⇒ khoá ngắt ⇒ ta có tượng dòng gián đoạn Trường hợp gián đoạn dòng điện yêu cầu giải tích mạch phức tạp bất lợi cho trình điều khiển Phân tích Fourier : Nhằm mục đích xác định thành phần chiều thành phần sóng hài điện áp, dòng điện trạng thái xác lập, điện áp (hoặc dòng điện) ngõ biến đổi công suất nói chung hàm số tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T, ta có: v0 (t ) = v0 (t + T ) (1.3) Goïi f tần số điện áp (Hz) ω vận tốc góc (rad) ta có : 2π = 2πf T v0 (ωt ) = v0 (ωt + 2π ) ω= (1.4) (1.5) Định lý Fourier phát biểu hàm số tuần hoàn v0(t) biểu diễn công thức sau: v0 (t ) = ∞ a0 + ∑ (a n cos nωt + bn sin nωt ) , n =1, 2, với : a0 : Trị trung bình áp v0(t): thành phần chiều không đổi (1.6) ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ÑKH 2π T a = ∫ v0 (t )dt = ∫ v (ωt )d (ωt ) π T (1.7) Các thành phần sin, cos đặc trưng cho thành phần xoay chiều điện áp ngõ hệ số sòng hài xác định theo biểu thức sau: 2π T an = v0 (t ) cos nωtdt = ∫ v0 (ωt ) cos nωtd (ωt ) ∫ T π (1.8) 2π T bn = ∫ v0 (t ) ⋅ sin nωtdt = ∫ v0 (ωt ) ⋅ sin nωtd (ωt ) T π (1.9) Nếu n = – ta có hài n≥ – hài bậc cao Phép phân tích Fourier sử dụng để đánh giá thành phần chiều xoay chiều đại lượng điện áp (dòng) ngõ biến đổi công suất (thường dạng chuẩn chiều xoay chiều) thông qua đánh giá so sánh chất lượng đại lượng điện Ví dụ 1.3 Phân tích Fourier cho dạng sóng vuông có dạng đối xứng so với trục α = Do giản đồ hoàn toàn xoay chiều (thành phần dc 0) nên chuỗi Fourier chứa sóng hài bậc lẻ hàm số cosin Do tính đối xứng nên phép tích phân lấy ¼ chu kỳ, nghóa từ 0÷π/2 Kết phân tích Fourier cho điện áp tức thời u có dạng sau: a(n) = π /2 π /2 ∫U d cos(nα )dα = 41 [sin (nα )]π0 / U d = ± ⋅ ⋅ U d π n π n + cho n = 1,5,9, - cho n = 3,7,11, ⇒u = 1 ⎡ ⎤ ⋅ U d ⎢cos(α ) − cos(3α ) + cos(5α ) ⎥ π ⎣ ⎦ Bài tập : Viết phương trình hài điện áp có giản đồ sau (H1.3a): H1.3a ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ÑKH u1 = 1600 π sin (100πt ) , [V] Hình 1.3b Phổ hài uz = ∞ 1600 sin (100nπt ) n =1, 3, 5, nπ ∑ Các hệ số phẩm chất : a Hệ số hài (HFn) sóng hài thứ n : Tỷ lệ trị hiệu dụng sóng hài bậc n so với sóng hài HFn = Vn V1 (1.10) b Hệ số méo dạng toàn phần : tỷ lệ sóng hài bậc cao so với sóng hài THD = V1 ∞ ∑V n=2 n (1.11) c Hệ số công suất λ : Tỷ lệ công suất sử dụng (tải) so với công suất biểu kiến (nguồn) Hiện tượng sóng nhiễu biện pháp khắc phục : a Các vấn đề thường gặp ví dụ với biến tần : • Nguyên nhân : Nguyên lý vận hành biến đổi công suất phần lớn dựa nguyên lý đóng ngắt khoá công suất (BJT, IGBT, MOSFET, Thyristor …) tần số cao Hơn nữa, hoạt động biến đổi làm méo dạng áp (dòng) ngõ vào, ngõ so với dạng chuẩn • Hậu quả: Điều gây nhiễu cao tần (sự xuất sóng hài bậc cao áp dòng) cáp dẫn xạ sóng điện từ ảnh hưởng đến phía nguồn phía cổng biến đổi công suất ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH BBĐ M H1.4 Nhiễu truyền cáp dẫn nhiễu tia b Giải pháp : - Phía nguồn : Sử dụng lọc RFI khử nhiễu sóng dẫn sóng xạ loại tia - Bộ biến đổi công suất : Sử dụng tủ kim loại (lồng Faraday) - Phía cổng biến đổi đến tải: Sử dụng cáp bọc Đối với biến đổi công suất dạng khác ta gặp tượng hoạt động biến đổi với khả chuyển đổi dạng lượng điều khiển tham số điện làm méo dạng điện áp (dòng) so với dạng chuẩn (một chiều sin) 1.2 PHẦN GIỚI THIỆU: Định nghóa : Điện tử công suất (ĐTCS) công nghệ chuyển đổi (hoặc/ điều khiển) lượng điện từ dạng sang dạng khác nhờ ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất lớn Đặc điểm linh kiện ĐTCS: + Phát triển với công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn công suất lớn + Là thành phần biến đổi công suất tónh + Làm việc khoá công suất thường làm việc chế độ đóng ngắt (dựa vào tính chất bán dẫn : làm việc chất cách điện tương đương trạng thái khóa ngắt, làm việc chất dẫn điện tương đương trạng thái khóa đóng) + Ưu điểm so với công tắc học với tiếp điểm chuyển động: công tắc bán dẫn có độ bền vững cao hơn, độ xác cao tần số đóng ngắt cao + Ứng dụng khóa bán dẫn : cấu phần biến đổi công suất dùng để điều khiển tham số áp, dòng, công suất, tần số dạng sóng Phân loại khoá công suất: • Theo đặc tính điều khiển: Các khóa công suất chia làm loại khóa : + Không điều khiển trạng thái đóng ngắt (ví dụ diode công suất) + điều khiển trạng thái đóng ngắt tín hiệu điều khiển (đóng ngắt mạch điều khiển) : tùy theo khả điều khiển đóng ngắt hai, linh kiện chia thành khóa điều khiển hoàn toàn (điều khiển trình đóng ngắt tín hiệu điều khiển) khóa điều khiển bán phần (chỉ kích đóng không kích ngắt tín hiệu điều khiển) • Theo chiều dòng điện chạy qua: Khóa chia làm loại khóa : + chiều: Diode, BJT, IGBT, Thyristor (SCR), GTO dẫn điện theo chiều + chiều: MOSFET, Thyristor dẫn ngược, DiAC,TriAC dẫn điện theo hai chiều • Theo khả khoá áp ngược trị số cao + Có khả :Diode, GTO, Thyristor, TriAC + Không có khả khóa áp ngược trị số lớn : BJT, IGBT ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Tín hiệu điều khiển: Đối với loại khóa bán dẫn có điều khiển, tín hiệu điều khiển chia làm hai dạng + Tín hiệu liên tục (cho BJT, IGBT, MOSFET): muốn trì khóa trạng thái đóng cần phải trì tín hiệu điều khiển suốt khoảng thời gian này, + Tín hiệu xung (cho Thyristor, GTO, TriAC) : cần kích đóng linh kiện tín hiệu điều khiển dạng xung hẹp, sau tắt xung điều khiển mà linh kiện tiếp tục trạng thái đóng điện điều kiện ngắt thỏa Phân loại biến đổi công suất tónh : • Bộ chỉnh lưu (Rectifier, Redresseur) - AC/DC : Biến đổi lượng dạng xoay chiều thành lượng dạng chiều • Bộ biến đổi điện áp chiều (Chopper, Hacheur) - DC/DC : Biến đổi áp chiều ngõ vào có giá trị không đổi thành dạng điện áp chiều điều khiển được, • Bộ biến đổi điện áp xoay chiều (AC Voltage Controller, Gradateur) AC/AC: Biến đổi áp xoay chiều ngõ vào có trị hiệu dụng không đổi thành dạng điện áp xoay chiều điều khiển trị hiệu dụng (nhưng không điều khiển tần số), • Bộ nghịch lưu (Inverter, Onduleur) DC/AC : Biến đổi lượng dạng chiều thành lượng dạng xoay chiều, • Bộ biến tần (Frequency Converter, Convertisseur de fréquence) AC/AC AC/DC/AC : Biến đổi áp xoay chiều tần số không đổi ngõ vào thành điện áp xoay chiều có tần số khác (hoặc điều khiển được) ngõ ra, song song có khả điều khiển giá trị hiệu dụng áp hài ngõ 5.Tính chất tónh tính chất động : Khóa phân làm hai loại: + Khoá công suất lý tưởng + Khoá công suất thực tế a Tính chất tónh: Công suất nhiệt tiêu tán khoá trạng thái đóng (Pon) ngắt (Poff) + khóa lý tưởng Pon Poff =0 + khóa thực tế : Khi khóa đóng : điện áp rơi khoá khác không (do khóa có cấu trúc lớp bán dẫn ghép nối với nhau) suy (1.12) Pon = Vf If ≠ Với Vf – điện áp rơi hai điện cực công suất khóa trạng thái dẫn điện If - dòng qua khóa công suất dẫn điện Khi khóa ngắt : dòng rò qua khoá khác không, suy Poff = Vbl Ir ≠ (1.13) Với Vbl – điện áp rơi hai điện cực công suất khóa trạng thái khóa dòng Ir - dòng rò qua khóa công suất ngắt điện b Tính chất động: đặc trưng thời gian khoá chuyển trạng thái từ ngắt sang đóng điện ton ngược lại toff- giá trị khác cho loại khóa công suất Hệ quả: + Thời gian khóa chuyển trạng thái ton, toff làm giới hạn tần số đóng ngắt khoá tần số làm việc biến đổi công suất; + Phát sinh công suất tiêu tán nhiệt chuyển trạng thái gọi công suất tổn hao động hay công suất tổn hao đóng cắt • 10 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH 1.3 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN : www.semikron.com ; www.eupec.com ; www.fujielectric.com DIODE CÔNG SUẤT 1.1 Cấu tạo- đặc điểm : b) Ký hiệu a) Cấu trúc bán dẫn Kim loại Gốm cách điện c) Các dạng vỏ diode H1.5 Diode công suất • • • • • • • • 1.2 Linh kiện không điều khiển, Có cấu tạo gồm lớp chuyển tiếp p-n, điện cực ngoài, Phương pháp chế tạo : Khuyếch tán nguyên tử tạp chất loại p vào mặt phiến tinh thể Si loại n, Cực Anode nối với lớp p, Cathode nối với lớp n, Quá trình đóng ngắt : Nếu VAK > (điện áp Anode dương điện áp Cathode) diode dẫn (đóng), ngược lại diode ngắt, Tiết diện phiến bán dẫn Si định khả chịu dòng diode, Điện trở nguyên liệu ban đầu (ví dụ phiến bán dẫn loại n) chiều dày định khả chịu áp khoá diode, Các tham số : + Khả điều khiển dòng điện (vài A → vài kA ) + Khả khóa điện áp (vài chục V → vài kV ) + Thời gian phục hồi tính nghịch : thời gian cần thiết để diode phục hồi khả chịu áp khoá trình dẫn thuận chấm dứt : chia làm loại – phục hồi nhanh : sử dụng mạch có tần số làm việc cao - phục hồi chậm : sử dụng mạch làm việc với tần số thấp (tần số công nghiệp) Đặc tuyến VA: 11 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Sụt áp lúc dẫn điện Nhánh dẫn Dòng rò Nhánh khóa Điện áp đánh thủng kiểu thác H1.6 Đặc tuyến Volt-Ampère diode công suất Các tham số: 1.3 1.4 VTO – điện áp đóng diode (turn -on) VBR – điện áp ngược đánh thủng lớp pn (break- down) rf = du f - điện trở vi phân thuận (1.14) rr = du r - điện trở vi phân nghịch dir (1.15) di f Đặc điểm đóng ngắt: Khi diode dẫn tương đương công tắc đóng : độ rơi áp linh kiện Vf nhỏ, dòng thuận qua linh kiện If lớn Khi diode ngắt tương đương công tắc ngắt : điện áp khóa Vbl lớn, dòng rò qua linh kiện Ir bé Thời gian phục hồi tính nghịch Trr: Trong tượng độ, trình ngắt diode đóng vai trò quan trọng Ta khảo sát diode dẫn điện, ngắt điện nguồn điện áp ngược Vng đặt lên Cathode –Anode đóng khoá S, dòng qua diode theo chiều thuận có giá trị IF Ở thời điểm: t = : khoá S ngắt; i = IF t = t0 : đóng khoá S, áp ngược Vng đặt lên diode dòng thuận giảm dần; t = t1 : dòng thuận giảm 0, IF = Do tồn chuyển động hạt dẫn không nên diode tiếp tục dẫn, cho dòng ngược qua; t = t2 : hạt dẫn không tiêu tán hết, diode khôi phục nhanh khả khoá áp ngược; t = t3 : dòng ngược giảm Quá trình ngắt diode kết thúc Thời gian phục hồi tính nghịch định nghóa là: trr = t3 – t1 =ta+tb (1.16) Thời gian phục hồi ngược trr thường nhỏ 1µs Hiện tượng trở nên quan trọng cho ứng dụng có tần số làm việc cao Diode phục hồi nhanh sử dụng trường hợp với trr nhỏ so với thời gian phục hồi diode tần số công nghiệp 50Hz 12 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH R C D L S Vng a) Mạch khảo sát trr b) Quá trình ngắt diode H1.7 Khảo sát thời gian phục hồi tính nghịch diode công suất 1.5 Mạch bảo vệ : Khi dòng ir giảm đột ngột (ở thời điểm t=t2) ta quan sát tượng áp diode (nếu mạch diode có cảm kháng mắc nối tiếp): v r = Vng − L 1.6 di L , (iL=ir) dt (1.17) tốc độ giảm dòng lớn mức làm hỏng diode Người ta hạn chế ảnh hưởng tượng áp bảo vệ cho linh kiện diode công suất mạch lọc RC mắc song song với diode làm trình tắt dòng diễn chậm (xem hình H1.7.a) (mạch RC không cho phép điện áp tăng đột ngột hai đầu điện cực diode) Trong diode nay, module diode công suất chứa mạch RC tích hợp bên lúc sản xuất Một số vấn đề phụ : • Khả chịu áp tải dòng tải ⇒ ghép nối tiếp diode để tăng khả khóa áp ghép song song diode để tăng khả tải dòng; • Các loại diode đặc biệt công nghiệp: diode cao áp, tần số đóng ngắt cao (trr nhỏ, giá thành cao), diode Schottky… xuất dạng mạch đặc biệt Schottky diode với lớp chuyển tiếp kim loại –bán dẫn thay lớp p-n Sụt áp diode Schottky khoảng 0.3V thường sử dụng ứng dụng điện áp thấp, sụt áp diode cần xét đến Điện áp ngược tối đa trường hợp khoảng 100V Lớp chuyển tiếp kim loại –bàn dẫn độ lúc phục hồi nên đóng ngắt nhanh diode với lớp chuyển tiếp p-n TRANSISTOR CÔNG SUẤT 2.1 Cấu tạo: 13 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H1.8 Cấu trúc BJT H1.9 (a) BJT(NPN) (b) Đặc tuyến V-A (c ) Đặc tuyến BJT lý tưởng (d) Mắc Darlington BJT có hai loại : npn pnp, nhiên npn (H1.8) thường dùng với định mức áp dòng loại có kích thước nhỏ gọn hơn; • Linh kiện điều khiển hoàn toàn có ba cực Collector (C) , Emitter (E) cổng điều khiển Base (B) (H1.9a) + Mạch công suất nối cực C E + Mạch điều khiển nối cực B E Đặc điểm: + Transistor vận hành khóa đóng cắt bán dẫn sử dụng điện tử công suất thường làm việc chế độ đóng ngắt; + BJT công suất định mức đến 1200V 400A Chúng thường sử dụng biến đổi vận hành đến 10kHz BJT công suất có định mức cao MOSFET + Không có khả khoá áp ngược trị số lớn ⇒ chuyên dùng khoá áp thuận (áp VCE > 0) + Đặc tính BJT trình bày H1.9b BJT chuyển sang trạng thái dẫn cấp cho dòng cổng Base đủ lớn để BJT dẫn bão hoà Điện áp bão hoà collectoremitter khoảng – 2V BJT công suất Dòng Base làm BJT ngắt + BJT linh kiện điều khiển dòng, có hệ số khuếch đại hFE thấp, thường nhỏ 20 Sự vận hành khoá đặc trưng dòng vào cực điều khiển IB để đóng dòng IC cực • 2.2 hFE = 2.3 IC , IB hFE ≤ 20 Đặc tuyến VA: 14 (1.18) ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H1.10 Đặc tuyến Volt-Ampère BJT + Đặc tuyến Volt-Ampère (V-A) trình bày H1.10: Đó mối quan hệ dòng collector IC vào áp hai đầu cực công suất VCE phụthuộc tham số điều khiển dòng IB + Hai vùng làm việc tương ứng với trạng thái đóng ngắt BJT: vùng ngắt vùng bão hoà 2.4 Thời gian đóng ngắt : Tính chất động khảo sát thông qua đáp ứng dòng IC so với dòng điều khiển IB (H1.11) IB 2.5 H1.11 Thời gian đóng cắt BJT t1 – t0 : thời gian trễ trình chuyển sang đóng t2 – t0 : thời gian đóng tON – khoảng vài µs t4 – t3 : thời gian trễ trình chuyển sang ngắt t5 – t3 : thời gian ngắt tOFF - lớn 10µs Mạch kích: Nguyên tắc thiết kế mạch cho BJT đóng ngắt dòng IB thích hợp điều kiện thay đổi dòng IC trình vận hành 15 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Nhiệm vụ mạch kích : + giảm thời gian khóa chuyển trạng thái tON tOFF , dạng dòng cổng thường có dạng H1.12 H1.12 + đủ dòng IB để đóng BJT bão hòa – cần có khâu khuếch đại tín hiệu + cách ly điện mạch điều khiển mạch công suất : sử dụng biến áp xung linh kiện quang điện tử (optocoupleur) Các dạng mạch kích : + mạch kích đóng : dòng kích cổng base có gai nhọn H1.12 tạo mạch H1.13 Khi điện áp V1 xuất ngõ vào, dòng cổng base bị hạn chế điện trở R1 giá trị ban đầu là: I B1 = V1 − V BE R1 (1.19) I Bs = V1 − V BE R1 + R2 (1.20) giá trị cuối tụ điện C nạp điện đến giá trị cuối : Vc = V1 thời nạp tụ τ = R1 R2 C1 R1 + R2 R2 R1 + R2 (1.21) (1.22) điện áp VB 0, lớp chuyển tiếp base-emitter phân cực ngược, tụ C1 phóng điện qua điện trở R2 thời xả tụ τ = R2 C1 (1.23) Để đảm bảo đủ thời gian nạp xả tụ, thời gian tạo xung t1≥ 5τ1 ; t2≥ 5τ2, tần số đóng cắt tối đa fs=1/T = 1/(t1+t2) = 0.2/(τ1+τ2) + mạch kích ngắt: Nếu điện áp ngõ vào giảm xuống giá trị –V2 lúc ngắt, điện áp tụ điện Vc theo (1.21) cộng với điện áp V2 áp ngược đặt cổng điều khiển BJT hình thành dòng cổng kích ngắt Khi tụ C1 phóng điện, điện áp ngược giảm đến giá trị xác lập V2 16 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H1.13 Mạch kích H1.14 trình bày chức khuyếch đại tín hiệu dùng Transistor cách ly dùng biến áp xung R5 VCC R6 C D2 D1 Q4 R4 TX1 C2 R7 C1 C3 Q1 R1 Q2 E A R2 Q3 R8 GND 2.6 R3 H1.14 Cổng Base BJT công suất điều khiển cuộn thứ cấp C3 biến áp xung ba cuộn dây Cuộn sơ cấp ký hiệu C1 C2 Để điều khiển đóng BJT Q4, điện áp có giá trị dương cấp cho đầu A làm cho Transistor Q3 đóng, cuộn C1 tích điện, diện áp dương xuất cuộn C3 Đồng thời cuộn C2 dòng qua Q2 ngắt Q1 đóng nối tắt cổng Base Q2 xuống masse Khi xung áp điều khiển đầu A giảm xuống 0, hai BJT Q1 Q3 ngắt Khi Q3 ngắt cuộn C1 hở không cấp nguồn, Q1 ngắt làm cuộn C2 cấp điện Q2 đóng Do khác cực tính nên cuộn C3 xuất điện áp ngược ngắt Q4 Mạch bảo vệ: + Để bảo vệ áp trình ngắt mạch ta sử dụng mạch sau: dV/dt dV/dt di/dt a) b) c) H1.15 17 ÑHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH 2.7 Công dụng tụ C mắc nối tiếp với điện trở R (H1.15a) diode D (H1.115b) giảm tốc độ tăng áp khoá tên BJT trình ngắt (dV/dt lớn làm hỏng linh kiện) Mạch gọi mạch đệm (snubber) Quá trình nạp tụ : dòng nạp qua D,C vàTransistor chuyển sang trạng thái ngắt; trình xả tụ dòng phóng điện qua mạch C, R,Transistor lần đóng + Để bảo vệ dòng di/dt đóng mạch (nếu cần thiết): sử dụng cuộn cảm mắc nối tiếp với linh kiện H1.15c L giảm tốc độ tăng dòng, tích lượng Mạch xả lượng lượng tích lũy cuộn L giải phóng qua mạch L, R, D Mắc Darlington: Ta có hệ số khuyếch đại hFE = IC/IB thường có giá trị không lớn Vì cần điều khiển dòng Ic có trị số cao (ví dụ IC = 200 A) ⇒ ta cần thiết kế mạch điều khiển tạo dòng IB cao (IB =10A) để kích đóng linh kiện ⇒ mạch điều khiển thiết kế khó hiệu suất Vì khắc phục nhược điểm cách dùng cách mắc Darlington (H1.9d) Mạch gồm Transistor: BJT BJT phụ dùng điều khiển BJT Ví dụ BJT phụ có hệ số hFE =20, ta cần dòng IB=10/20=0.5A để điều khiển dòng công suất 200A BJT MOSFET 3.1 Cấu tạo: Đặc điểm khác BJT + Linh kiện điều khiển áp, cần dòng điều khiển nhỏ cổng điều khiển ( vài mA ) để trì MOSFET trạng thái đóng Điện áp gate-source đủ lớn đóng MOSFET Mạch kích MOSFET thường đơn giản mạch kích BJT trạng thái dẫn, biến thiên vDS tỷ lệ thuận với biến thiên dòng iD + MOSFET đóng cắt nhanh BJT sử dụng biến đổi vận hành với tần số đến 100kHz + MOSFET có cấu trúc diode ngược ký sinh (do cấu trúc bán dẫn) có lợi cho số mạch ứng dụng + Sụt áp dẫn điện BJT thấp so với MOSFET ⇒ công suất tổn hao nhiệt trạng thái đóng MOSFET cao MOSFET điện áp thấp có điện trở lúc dẫn RDS(on) nhỏ 0.1Ω, nhiên MOSFET cao áp có điện trở dẫn lên đến vài Ω + Giá trị áp, dòng chịu BJT lớn MOSFET Định mức MOSFET khoảng 1000V 50A a) (b) MOSFET(kênh N) (c) Đặc tuyến V-A (d) Đặc tuyến MOSFET lý tưởng H1.16 MOSFET công suất 18 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH 3.2 Đặc tuyến VA: +Đặc tuyến VA tương tự BJT ( thay đổi ký hiệu cực , D ⇒ C, S⇒ E, G⇒ B ) (H1.16c) +Khi áp điều khiển VGS >0 áp khóa VDS >0 ⇒ MOSFET đóng ⇒ dòng ID chảy qua cực công suất DS +Khái niệm điện trở RDS trạng thái đóng: Do lớp chuyển tiếp p – n mà có n nên phiến bán dẫn xem điện trở Điện áp đầu cực trạng thái dẫn công suất tổn hao tónh: VF = ID RDS( ON ) P = I2D RDS ( ON) Do RDS(ON) cao ⇒ Tại MOSFET điều khiển áp dòng BJT 3.3 Quá trình đóng ngắt MOSFET H1.17 tON = t d ( ON) + tr tOFF = t d(OFF) + tf + So với khóa công suất, thời gian tON , tOFF MOSFET ngắn ⇒ linh kiện thích hợp để điều kiện đóng ngắt tần số cao 3.4 Mạch bảo vệ: ( Giống trường hợp BJT ) Quá trình độ ngắt, dòng nạp tụ chạy từ cực D ⇒ cực G ⇒ MOSFET dẫn ý muốn ⇒ áp dV/dt cao ( ic = C dV/dt ) Quaù trình độ đóng MOSFET gây nên áp giai đoạn diode ngược phục hồi tính nghịch Trong trường hợp này, mạch bảo vệ cần thiết 3.5.Mạch kích MOSFET: Có chức tương tự mạch kích BJT (H1.18) Khi P → , điện áp nguồn 15V cấp cho biến áp xung ferritetrong khoảng thời gian ngắn bão hòa, 19 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH xung dòng phóng điện qua diode zener Z2 (làm việc diode thường), điện dung tổng GateSource đóng MOSFET Điện áp cực Gate giới hạn diode zener Z1 Khi P → 0, biến áp xung không bão hòa xung dòng phóng điện từ tụ C qua diode Z2 Khi điện áp tụ C bắt đầu âm, diode Z1 dẫn điện (như diode thường) hạn chế điện áp âm công Gate nhỏ 1V H1.18 Mạch kích MOSFET IGBT 4.1.Cấu tạo, đặc điểm: IGBT (H1.19) mạch tích hợp MOSFET BJT Mạch kích BJT giống mạch kích MOSFET, đặc tính đóng giống BJT IJBT làm việc với tần số đóng cắt lên đến 20kHz thay BJT nhiều ứng dụng a) b) Sơ đồ tương đương c) Ký hiệu H1.19 IGBT - Kết hợp ưu điểm BJT MOSFET Linh kiện điều khiển áp ( giống MOSFET ) ⇒ mạch điều khiển giống MOSFET Điện áp rơi hai điện cực CE lúc đóng nhỏ MOSFET Không có diode ngược ký sinh 20 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH - Không có khả khóa áp ngược giá trị lớn 10V - Định mức IGBT áp U đưa vào cổng GK Mạch tương đương SCR gồm transistor mắc đối Collector Base với nhau, xung IG làm transistor nhanh chóng dẫn bão hòa Lúc SCR dẫn, trạng thái giống diode nên dòng IG không cần thiết để trì trạng thái đóng SCR b Hiện tượng ngắt mạch gồm giai đoạn; Chuyển từ đóng ⇒ ngắt • Giai đoạn 1: Giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu cách thay đổi điện trở điện áp anode cathode ( đặt áp ngược ) • Giai đoạn 2: khôi phục khả khóa SCR Sau dòng thuận bị triệt tiêu SCR cần có thời gian ngắt an toàn (tq) để SCR chuyển sang trạng thái khóa áp thuận an toàn 5.3 Đặc tuyến Volt-Ampère: Đó mối quan hệ IAK vào áp VAK phụ thuộc tham số điều khiển xung dòng IG Đặc tuyến V-A phản ảnh ba trạng thái làm việc SCR 22 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH a) b) H1.21 Các thông số : • VBO - áp thông dòng: Khi điện áp VAK đủ dương để đóng SCR mà không cần tín hiệu điều khiển (BO- Break Over) Khi thay đổi giá trị dòng kích áp thông dòng thay đổi theo IG2 > IG1 > IG0 = ⇒ VB02 < VB01 < VB0 • IL - Dòng chốt : Khi dòng thuận qua SCR iF lớn giá trị dòng chốt iL tắt xung điều khiển (L- latching) • IH – Dòng trì : trình dòng thuận SCR iF thấp dòng trì iH SCR chuyển sang trạng thái ngắt (H- Holding) • VBR –áp đánh thủng SCR kiểu thác 23 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH 5.4 Các tính chất động • dvBL/ dt : SCR xử lý tụ điện, dVBL/ dt lớn dẫn đến SCR dẫn ý muốn Vì người ta giới hạn tốc độ thay đổi điện áp khoựa khoaỷng 10 100V/às ã diF / dt: Nếu diF / dt lớn làm tiết diện SCR bị tải chổ nối với cổng làm hỏng SCR Vì người ta giới hạn độ taờng cuỷa doứng thuaọn khoaỷng 10 100A/às ã tq : sau phục hồi lớp điện trở nghịch J1 J3 trình ngắt chưa chấm dứt, cần có thêm thời gian để khôi phục khả khóa áp thuận tức khôi phục điện trở nghịch lớp J2 Thời gian ngắt an toàn định nghóa : tq- Nó bắt đầu dòng thuận trở không xuất điện áp khóa thuận mà SCR không bị đóng trở lại chưa có xung dòng điều khiển IG 5.5 Mạch bảo vệ: - Để giảm độ dốc diF/ dt dùng cảm kháng mắc nối tiếp với SCR - Việc áp hạn chế mạch dùng RC mạch D, R, C để giới hạn độ dốc dvBl / dt dV/dt dV/dt di/dt H1.22 5.6 Mạch kích SCR: VCC R4 Q1 A R3 TX1 D1 R2 X1 G R6 A Q2 D2 R1 R5 K - H1.23 Xung đóng đặt vào cổng base Q2 làm Q2 chuyển sang trạng thái đóng R5 & R6 có giá trị cao có chức cải thiện đặc tính làm việc cách tạo đường dẫn base emitter Q2 đóng cung cấp dòng điều khiển khuyếch đại cho Q1 làm Q1 đóng Giá trị dòng phụ thuộc R3 áp nguồn Vcc Q1 đóng cấp điện áp cho cuộn sơ cấp biến áp xung (có giá trị gần Vcc) Độ rộng xung áp tương đương độ rộng tín hiệu điều khiển ngõ vào A Cuộn thứ cấp cấp xung cho cổng G SCR Điện trở R1 & R2 hạn chế áp dòng cực cổng Diode D1 ngăn ngừa điện áp ngược đặt lên cực cổng từ biến áp xung R6 có chức tạo đường dẫn cổng G & K giúp hoạt động cổng G ổn định chịu ảnh hưởng điện áp trôi 24 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH GTO 6.1 Đặc điểm cấu tạo Thyritor GTO H.1.24 giống SCR, đóng xung dòng cổng Gate điện áp anode- cathode dương Tuy nhiên, khác với SCR, GTO có khả điều khiển ngắt dòng cổng Gate giá trị âm Vì vậy, GTO thích hợp cho số ứng dụng yêu cầu điều khiển hai trình đóng ngắt khóa bán dẫn Dòng âm ngắt GTO cần phải ngắn (vài µs), biên độ phải lớn so với dòng đóng GTO thông thường dòng kích ngắt GTO khoản 1/3 dòng anode trạng thái dẫn Đặc tuyến V-A cho GTO giống SCR Định mức GTO : dòng vài kA , áp vài kV: Dùng cho mạch công suất lớn b) a) H1.24 6.2 Đặc điểm đóng ngắt: Kích đóng tương tự SCR thường Kích ngắt dòng tương đối lớn 6.3 Mạch kích: +VGG + PS1 Q2A C1 A R5 R3 R1 G U1 X1 ON R6 Xung đóng Q1 OFF K Q4A R4 R2 Xung ngaét Q5 R7 U2 Q3 PS2 -VGG H1.25 Hai nguồn độc lập PS1 & PS2 Xung đóng cần trì, xung ngắt dạng xung hẹp Chức cách ly thực optron 6.4 Mạch bảo vệ: Tương tự SCR TRIAC: Linh kiện điều khiển dòng xoay chiều có cổng điều khiển Kích đóng xung dòng điều khiển giống SCR Ngắt tự nhiên áp ngược A1 G 25 A2 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ÑKH 26 ... dụng linh kiện bán dẫn công suất lớn Đặc điểm linh kiện ĐTCS: + Phát triển với công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn công suất lớn + Là thành phần biến đổi công suất tónh + Làm việc khoá công suất. .. tán nhiệt chuyển trạng thái gọi công suất tổn hao động hay công suất tổn hao đóng cắt • 10 ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH 1.3 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN : www.semikron.com ; www.eupec.com... TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Sụt áp lúc dẫn điện Nhánh dẫn Dòng rò Nhánh khóa Điện áp đánh thủng kiểu thác H1.6 Đặc tuyến Volt-Ampère diode công suất Các tham số: 1.3 1.4 VTO – điện