Bộ nghịch lưu nguồn áp là một mạch nghịch lưu sử dụng các van điện tử công suất nhằm biến nổi năng lượng một chiều từ bộ cấp nguồn một chiều thành năng lượng xoay chiều (điện áp xoay chiều hình sin với biên độ và góc pha yêu cầu). Trong các ứng dụng DVR, bộ nghịch lưu nguồn áp được sử dụng để tạm thời thay thế điện áp cấp hoặc để tạo ra một phần của điện áp cấp cho phần điện áp thiếu hụt.
Bốn loại van điện tử công suất thường được dùng trong mạch nghịch lưu gồm: Transistor khóa cực điều khiển GTO (Gate turn–off Thyristor); Transistor lưỡng cực có cực điều khiển cách ly IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor); Transistor trường kim loại oxit bán dẫn MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors); và Thyristors đảo mạch cổng tích hợp IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristors).
- Transistor khóa cực điều khiển GTO (Gate turn–off Thyristor)
Cấu trúc của GTO gồm bốn lớp tiếp xúc n-p-n-p, với ba cực Anode (A), Cathode (K) và Gate (G), trong đó cực Anode và Cathode được cấu tạo bởi nhiều phần tử công nghệ như những thyristor mắc song song, nhờ đó tạo khả năng ngắt từ cực điều khiển.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
20
Hình 2.2. Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của GTO
a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu
GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển Gate với biên độ đủ lớn và duy trì trong thời gian đủ dài để dòng qua GTO kịp vượt xa giá trị dòng duy trì. Sau khi GTO đã dẫn thì dòng điều khiển không còn tác dụng. Như vậy, có thể mở GTO bằng các xung ngắn, với công suất không đáng kể.
Quá trình đóng của GTO bao gồm thời gian trễ đóng và thời gian tăng dòng, mà trong thời gian đó điện áp trên GTO giảm đến giá trị 10% so với giá trị bán đầu. Tổng hai khoảng thời gian trên gọi là thời gian đóng. Để giảm thời gian đóng và giảm tổn hao khi đóng thì dòng điều khiển (trên cực điều khiển) ở thời điểm đầu cần phải có tốc độ thay đổi lớn di/dt > 5A/mks.
Quá trình ngắt của GTO xảy ra khá chậm và bao gồm hai giai đoạn: Giai đoạn 1, dòng qua GTO giảm đến 10-20% giá trị ban đầu. Giai đoạn 2, dòng điện giảm khá chậm, thời gian kéo dài quá trình này lớn hơn khá nhiều so với thời gian của giai đoạn 1. Dòng trên cực điều khiển phải có giá trị âm và phải có biên độ khá lớn và gia tốc phải đạt giá trị di/dt > 20A/mks. Đối với GTO hiện tại, biên độ ngắt có giá trị bằng 30% biên độ dòng anode. Để giảm tổn hao khi đóng ngắt và bảo vệ GTO, người ta cũng thường sử dụng các mạch giảm xóc (mạch snubber).
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
21 GTO có trạng thái ngắt khi điện áp trên cực Anode âm so với cực Cathode; trạng thái ngắt khi điện áp trên cực Anode dương so với cực Cathode; và trạng thái dẫn.
GTO có khả năng điều khiển ngắt bằng dòng cổng Gate 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 khóa bán dẫn. Điện áp định mức hoạt động của GTO lên đến vài kV và dòng điện hoạt động đến vài kA. GTO thường được sử dụng cho các mạch công suất lớn. Tuy nhiên, không như IGBT, GTO thường yêu cầu bổ sung thêm mạch giảm xóc (mạch snubber) để gọt dòng điện đóng (cắt) nhằm ngăn chặn khả năng hư hỏng thiết bị.
- Transistor hiệu ứng trường oxit kim loại bán dẫn- MOSFET (Metal- Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)
MOSFET là một thuật ngữ chỉ các transistor hiệu ứng trường được sử dụng rất phổ biến trong các mạch số và các mạch tương tự. MOSFET là linh kiện bán dẫn điều khiển hoàn toàn bằng áp ở cổng điều khiển Gate. MOSFET có hai loại kênh dẫn n (PNP) và kênh dẫn p (NPN). MOSFET có ba điện cực Drain (D), Source (S) và Gate (G). Mạch điều khiển gắn vào điện cực G-S và điện áp điểu khiển UBE. Mạch điều khiển gắn vào điện cực D-S.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
22
Hình 2.3. Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của MOSFET (kênh dẫn n)
a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu
Khi điện áp cổng Gate có giá trị dương đủ lớn so với Source, điện tử từ lớp n+ sẽ dịch chuyển sang cổng p. Nó làm cho cổng gần với Gate và cho phép dòng điện chạy từ Drain đến Source. Silicon Oxide (SiO) sẽ cách điện giữa cổng và các lớp tiếp xúc n+ và p. Trên vùng cực Drain tạo lớp đệm n+ và lớp trôi n-. Các điều khiển và cực công suất bị cách ly.
- UDS > 0, UGS > 0: MOSFET đóng - UGS <= 0: MOSFET ngắt
Để MOSFET ở trạng thái đóng, đòi hỏi điện áp cổng tác dụng liên tục. Dòng điện đi vào mạch cổng điều khiển không đáng kể trừ khi mạch ở trạng thái quá độ, đóng hoặc ngắt dòng. Lúc đó xuất hiện dòng phóng và nạp điện cho tụ của mạch cổng.
Để bảo vệ MOSFET người ta sử dụng mạch RC mắc song song với ngõ ra của linh kiện để hạn chế tác dụng của các gai điện áp và các xung nhiễu dao động xuất hiện khi linh kiện đóng. Mạch kích cổng G của MOSFET có
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
23 thể được cách ly với mạch tạo tín hiệu điều khiển thông qua biến áp xung, optron hoặc cáp quang.
Tóm lại, MOSFET có thời gian đóng ngắt rất nhỏ, khoảng vài ns đến hàng trăm ns phụ thuộc vào linh kiện. Điện trở trong của MOSFET khi dẫn điện Ron thay đổi phụ thuộc vào khả năng chịu áp của linh kiện. Do đó, các linh kiện của MOSFET thường có định mức áp thấp tương ứng với trở kháng nhỏ và tổn hao ít. Tuy nhiên, do tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp. Do đó, với định mức áp từ 300V-400V MOSFET tỏ ra ưu điểm ở tần số vào chục kHz. MOSFET có thể sử dụng đến mức điện áp 1000V, dòng điện đến 100A với điện áp điều khiển tối đa 20V. MOSFET là linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt bằng điện áp, đáp ứng dòng điện nhỏ, tần số đóng ngắt rất cao và thời gian đạt đến 100kHz. MOSFET ứng dụng trong các bộ biến đổi công suất nhỏ và tần số cao. Tuy nhiên, linh kiện MOSFET khi kết hợp với công nghệ GTO lại phát huy hiệu quả cao và chúng kết hợp với nhau cho các ứng dụng tải công suất lớn. MOSFET đòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ kích đóng nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp. Tuy nhiên, MOSFET có điện trở khi dẫn điện lớn. Do đó, công suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nó không thể phát triển thành linh kiện công suất lớn.
- Transistor có cực điều khiển cách ly-IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT)
IGBT là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được phát minh bởi Hans W. Beck và Carl F. Wheatley vào năm 1982. IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
24 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.4 Cấu trúc bán dẫn, sơ đồ tương đương và ký hiệu của IGBT
a) Cấu trúc bán dẫn; b) Cấu trúc tương đương với một transistor n-p-n và một MOSFET; c) Sơ đồ tương đương; d) Ký hiệu
IGBT có cấu trúc bốn lớp p-n-p-n. IGBT có cấu tạo gồm ba cổng Gate (G), Collector (C), Emitor (E). Mạch điều khiển được nối vào vổng GE, mạch công suất được nối vào cổng C-E. Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp p nối với Collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa Emitter (tương tự cực gốc) với Collector (tương tự với cực máng), không phải là n-n như ở MOSFET . Có thề coi IGBT tương đương với một Transistor p-n-p với dòng Base được điều khiển bởi một MOSFET (hình
1.24b và c). Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào
cổng kích G. Khi tác dụng lên cổng G điện thế dương so với Emitor để kích đống IGBT, các hạt mang điện loại n được kéo vào kênh p gần cổng G làm giàu điện tích mạch cổng p của transistor n-p-n và làm cho IGBT dẫn điện. Để ngắt IGBT ta ngắt điện áp cấp cho cổng GE.
UCE > 0, UGE > 0: IGBT đóng UGE <=0: IGBT ngắt
IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần đến mạch bảo vệ. Trường hợp đặc biệt, có thể sử dụng mạch bảo vệ của MOSFET áp dụng cho IGBT. Mạch kích của IGBT được thiết kế tương tự như mạch kích cho MOSFET. Do giá thành IGBT cao, và đặc biệt là cho công suất lớn, mạch kích IGBT
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
25 được chế tạo dưới dạng IC công nghiệp. Các IC này có khả năng tự bảo vệ công suất chống quá tải, ngắn mạch.
Tóm lại, IGBT kết hợp những ưu điểm của MOSFET và BJT. Ưu điểm của IGBT là khả năng đóng ngắt nhanh, làm cho nó được sử dụng trong các bộ biến đổi chế độ rộng xung tần số cao. Giống như MOSFET, linh kiện IGBT có điện trở cổng lớn làm hạn chế công suất tổn hao khi đóng và ngắt. Giống như BJT, linh kiện IGBT có độ sụt áp khi dẫn điện thấp (~2-3V; 1000V định mức) nhưng cao hơn so với GTO. Khả năng chịu áp khóa tuy cao nhưng thấp hơn các thyristor. So với các thyristor, thời gian đáp ứng đóng và ngắt IGBT rất nhanh, khoảng một vài s và khả năng chịu tải đạt đến mức điện áp vào ngàn Volt (6kV) và dòng điện vài ngàn Amper. Tương tự như GTO, transistor IGBT có khả năng chịu áp ngược cao. IGBT hiện chiếm vị trí quan với trong hoạt động trong phạm vi công suất đến 10MW hoặc cao hơn nữa. Công nghệ chế tạo IGBT phát triển tăng nhanh công suất của IGBT đã giúp nó thay thế dần GTO trong một số ứng dụng công suất lớn.
- Thyristors đảo mạch cổng tích hợp-IGCT (Integrated gate-
commutated thyristor-IGCT)
IGCT là một phát minh mới trong bán dẫn công suất vào năm 1993 và được giới thiệu lần đầu bởi ABB năm 1997. Đây là loại linh kiện có tốc độ chuyển mạch nhanh và dòng xung lớn, như dòng làm việc. Linh kiện này có thể đẩy tất cả các dòng từ Cathode đến cực cửa trong s để khóa hoàn toàn van. Cấu tạo như nguyên lý Hình 2.6.
IGCT là một dạng đặng biệt của thyristor tương tự như GTO. Về cơ bản IGCT là một GTO điều khiển cứng cộng với một phần tử điều khiển trên mạch và đường dẫn cảm ứng giá trị rất thấp. IGCT có thể đóng và ngắt bằng những tín hiệu điều khiển, nó có tổn thất truyền dẫn nhỏ hơn so với GTO và khả năng chống lại tốt hơn đối với biến đổi điện áp dv/dt. Vì vậy khác biệt với GTO, IGCT không cần mạch giảm xóc (mạch snubber) trong nhiều trường hợp ứng dụng.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ 26 n p+ n- n+ p Gate Cathode Anode
Hình 2.5. Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của MOSFET (kênh dẫn n)
a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu
IGCT có thời gian đóng ngắt ngắn hơn rất nhiều so với GTO, điều đó cho phép nó có thể làm việc ở tần số cao hơn, lên đến một vài kHz cho một thời gian ngắn. Tuy nhiên, do tổn thất trong quá trình đóng cắt cao, tần số làm việc bình thường của IGCT thường nằm dưới 500Hz.
Các ứng dụng GTO và IGCT thường được sử dụng cho các ứng dụng có điện áp làm việc lên đến vài kV trở lên và với dòng điện làm việc đến vài kA. Tần số làm việc của GTO giới hạn đến vài trăm Hz, trong khi tần số làm việc của IGCT có thể lên đến kHz. Đối với MOSFET, Do đó, với định mức áp từ 300V-400V MOSFET tỏ ra ưu điểm ở tần số vào chục kHz, có nghĩa là MOSFET thích hợp đối với các ứng dụng trong bộ biến đổi công suất nhỏ và tần số cao. IGBT thường được sử dụng trong các ứng dụng có điện áp đến vài kV, dòng điện đến vài kA, tần số làm việc lên đến 10kHz và với công suất đến 10MW. Đề án lựa chọn công nghệ IGBT với thiết kế đơn giản hơn IGCT và nằm ở giữa giới hạn hoạt động của hai thiết bị GTO và MOSFET cũng như tính thiết thực trong áp dụng đối với phụ tải là một động cơ cụ thể (có giới hạn công suất hoạt động xác định và biến động trong phạm vi hẹp).