5. ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM
2.1.1.Diode cụng suất
Diode cụng suất do hai mặt ghộp p-n ghộp thành, diện tớch mặt ghộp tỉ lệ với dũng điện cho phộp qua diode.
Trung bỡnh mật độ dũng cỡ 10A/mm2 . Nhiệt độ mặt ghộp cho phộp: 2000C.
Để diode làm việc và chịu dũng cao phải cú biện phỏp làm mỏt diode.
Hỡnh 2.1. Cấu tạo và ký hiệu diode
Đặc tớnh Vụn-ampe:
Hỡnh 2.2. Đặc tớnh V – A.
Đặc tớnh V-A gồm hai nhỏnh:
Nhỏnh thuận: Dƣới điện ỏp UAK>0. Diode phõn cực thuận. Đƣờng đặc tớnh cú dạng hàm mũ.
Nhỏnh ngƣợc: Dƣới điện ỏp UAK<0. Diode phõn cực ngƣợc. Khi tăng U dũng điện cũng tăng.
Khi U > 0,1V. Dũng ngƣợc khụng tăng.
Tới giỏ trị giới hạn. Khi U UBR. Dũng điện tăng đột biến phỏ huỷ diode. P N A K A K
Giải thớch:
Dũng điện ngƣợc hỡnh thành do sự di chuyển của cỏc điện tớch thiểu số làm nờn. Ở thời điểm đầu: Khi U I. Đến giới hạn Ut toàn bộ cỏc điện tớch thiểu số cú mặt trong diode đều di chuyển để tạo dũng điện ngƣợc nờn dũng điện khụng tăng (tăng rất chậm).
Khi U UBR cỏc điện tớch di chuyển trong điện trƣờng và đƣợc tớch luỹ năng
lƣợng W= 2
2
mv
. Trong quỏ trỡnh di chuyển chỳng va chạm với cỏc nguyờn tử, vỡ động năng lớn chỳng bẻ gẫy cỏc liờn kết của cỏc nguyờn tử trong mạng tinh thể tại vựng chuyển tiếp làm xuất hiện điện tử tự do mới. Cỏc điện tớch mới này chịu tỏc động của điện trƣờng sẽ đƣợc gia tốc và bắn phỏ cỏc nguyờn tử khỏc. Do vậy một phản ứng dõy chuyền xảy ra làm dũng ngƣợc tăng nhanh. Dũng điện này sẽ gõy phỏ huỷ diode.
Để bảo vệ diode trong thực tế ngƣời ta cho diode làm việc với điện ỏp U≤(0,7- 0,8)UBR.
Biểu thức giải thớch đặc tớnh V-A:
1 1 u s KT eu s e I e I i Với: e=1,59.10-19 C Với: 3,84 KT e K=1,38.10-23 Is: Là dũng điện dũ. Nhận xột:
Khi điện ỏp biến thiờn với tần số cao, f=100Khz thỡ diode bỡnh thƣờng sẽ khụng cũn chế độ khoỏ nữa. Đặc tớnh van một chiều sẽ mất. Khi đú diode gần giống với một điện trở.
Cỏc thụng số cơ bản của một diode:
- Giỏ trị trung bỡnh của dũng điện cho phộp qua diode, ID (IF). Đõy là dũng trung bỡnh cho phộp chảy qua diode với điều kiện nhiệt độ của cấu trỳc tinh thể bỏn dẫn khụng vƣợt quỏ một giỏ trị cho phộp. Trong thực tế dũng điện trung bỡnh qua diode phụ thuộc vào cỏc điều kiện làm mỏt và nhiệt độ mụi trƣờng. Cụng suất phỏt nhiệt sẽ bằng tớch của dũng điện chạy qua diode với điện ỏp rơi trờn nú. Vỡ vậy dũng trung bỡnh là một tham số quan trọng để chọn diode.
- Dũng điện thuận cực đại khụng lặp lại, IFSM
- Điện ỏp ngƣợc lớn nhất mà diode bị đỏnh thủng, Ungmax (UBR). Là giỏ trị điện ỏp lớn nhất cho phộp đặt lờn diode. Khi sử dụng cần đảm bảo tại bất kỳ thời điểm nào điện ỏp ngƣợc trờn diode khụng lớn hơn Ungmax . Trong thực tế phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện ỏp, nghĩa là phải chọn diode cú thụng số Ungmax ớt nhất bằng 1,2 đến 2 lần giỏ trị biờn độ điện ỏp lớn nhất đặt trờn diode tớnh toỏn đƣợc trờn sơ đồ.
- Điện ỏp rơi trờn diode khi phõn cực thuận UF - Nhiệt độ mặt ghộp Tj
2.1.2. TRANSISTOR CễNG SUẤT BJT( Bipolar Junction Tranzitor).
Tranzito là phần tử bỏn dẫn cú cấu trỳc gồm 3 lớp bỏn dẫn p-n-p hoặc n-p-n tạo nờn từ 2 tiếp giỏp p-n.Tranzito cú 3 cực nhƣ hỡnh vẽ.
Tranzito cụng suất thƣờng là loại n-p-n (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hỡnh 2.3. Cấu tạo transistor BJT
Hoạt động: Xột loại n-p-n
Lớp bỏn dẫn n- cú cấu tạo giống nhƣ lớp n, nhƣng cú ớt điện tử tự do hơn. p - n- là vựng cú trở khỏng cao, do đú tranzitor chịu đƣợc điện ỏp cao hay thấp phụ thuộc độ dày miền n- . Ở chế độ bóo hoà, dũng điện điều khiển Ib lớn, cỏc điện tử đƣợc đƣa thừa vào
vựng p, cỏc điện tớch trung gian khụng trung hoà hết vựng bazơ cú điện trở nhỏ cú dũng điện chạy qua. Do tốc độ trung hoà điện tớch khụng kịp, tranzitor khụng cũn khả năng khống chế dũng điện. Đặc tớnh V-A. 0: Hở mạch BE R: Kớn mạch BE qua điện trở R S: Ngắn mạch BE U: Đặt điện ỏp ngƣợc lờn BE
Transistor cụng suất cú 2 vựng làm việc: khuếch đại tuyến tớnh và đúng mở bóo hũa. Trong lĩnh vực điện tử cụng suất, transistor hoạt động chủ yếu ở vựng đúng mở bóo hũa (vựng gạch chộo ).
Hỡnh 2.4. Đặc tớnh V – A
Hỡnh 2.5. Quỏ trỡnh chuyển trạng thỏi.
Cỏc thụng số cơ bản.
IC – dũng điện định mức
- hệ số khuếch đại dũng điện IB = IC/ – dũng điện bazơ mA
U – sụt ỏp thuận
P – tổn hao cụng suất sinh nhiệt
Tcp- nhiệt độ làm việc cho phộp. Tại lớp tiếp giỏp khoảng 2000C với bỏn dẫn Si UCE - điện ỏp CE; UBE - điện ỏp BE;
2.1.3. TRANSISTOR TRƢỜNG MOSFET(Metal Oxide-Semiconductor Field-Effect Tranzitor). Effect Tranzitor).
Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động.
Khỏc với cấu trỳc BJT, MOSFET cú cấu trỳc bỏn dẫn cho phộp điều khiển bằng điện ỏp với dũng điều khiển cực nhỏ. Hỡnh 1.12 a, b thể hiện cấu trỳc và ký hiệu của một MOSFET kờnh dẫn kiểu n. Trong đú G là cực điều khiển đƣợc cỏch ly hoàn toàn với cấu trỳc bỏn dẫn cũn lại bởi lớp điện mụi cực mỏng nhƣng cú độ cỏch điện cực lớn Dioxit Silic (SiO2). Hai cực cũn lại là cực nguồn (S) và cực mỏng (D). Cực mỏng đún cỏc hạt mang điện. Nếu kờnh dẫn là n thỡ cỏc hạt mang điện sẽ là cỏc điện tử ( electron , do đú cực tớnh điện ỏp của cực mỏng sẽ là dƣơng so với cực nguồn. Trờn ký hiệu, phần chấm gạch giữa D và S thể hiện trong điều kiện chƣa cú tớn hiệu điều khiển thỡ khụng cú một kờnh dẫn thực sự nối giữa D và S.
Cấu trỳc bỏn dẫn của MOSFET kờnh dẫn kiểu p cũng tƣơng tự nhƣng cỏc lớp bỏn dẫn sẽ cú kiểu dẫn điện ngƣợc lại. Tuy nhiờn đa số cỏc MOSFET cụng suất là loại cú kờnh dẫn kiểu n.
Hỡnh 2.6: a. Cấu trỳc MOSFET kờnh n b. Ký hiệu MOSFET kờnh n
Hỡnh 2.7 mụ tả sự tạo thành kờnh dẫn trong cấu trỳc bỏn dẫn của MOSFET. Trong chế độ làm việc bỡnh thƣờng uDS > 0, giả sử điện ỏp giữa cực điều khiển và cực nguồn bằng khụng uGS = 0, khi đú kờnh dẫn sẽ khụng hoàn toàn xuất hiện. Giữa cực nguồn và cực mỏng sẽ là tiếp giỏp p – n- phõn cực ngƣợc. Điện ỏp uDS sẽ hoàn toàn rơi trờn vựng nghốo điện tớch của tiếp giỏp này ( hỡnh 2.7a).
Nếu điện ỏp điều khiển õm uGS < 0, thỡ vựng bề mặt giỏp cực điều khiển sẽ tớch tụ cỏc lỗ p , do đú dũng điện giữa cực nguồn và cực mỏng sẽ khụng xuất hiện. Khi điện ỏp điều khiển dƣơng uGS > 0, và đủ lớn, bề mặt tiếp giỏp cực điều khiển sẽ tớch tụ cỏc điện tử, và một kờnh dẫn thực sự đó hỡnh thành ( hỡnh 2.7b ). Nhƣ vậy trong cấu trỳc bỏn dẫn của MOSFET, cỏc phần tử mang điện là cỏc điện tử, giống nhƣ của lớp n tạo nờn cực mỏng, nờn MOSFET đƣợc gọi là phần tử với cỏc hạt mang điện cơ bản, khỏc với cấu trỳc của BJT, IGBT, TIRISTOR là cỏc phần tử với cỏc hạt mang điện phi cơ bản. Dũng điện giữa cực mỏng và cực nguồn bõy giờ phụ thuộc vào điện ỏp uDS.
Từ cấu trỳc bỏn dẫn của MOSFET ( hỡnh 2.7c ), cú thể thấy rằng giữa cực mỏng và cực nguồn tồn tại một tiếp giỏp p – n-
, tƣơng đƣơng với một DIODE ngƣợc nối giữa D và S. Trong cỏc sơ đồ của cỏc bộ biến đổi, để trao đổi năng lƣợng giữa tải và nguồn thƣờng cần cú cỏc DIODE mắc song song với cỏc van bỏn dẫn. Nhƣ vậy, ƣu điểm của MOSFET là đó cú sẵn một DIODE nội tại.
Hỡnh 2.7. Sự tạo thành kờnh dẫn trong cấu trỳc MOSFET kờnh n.
Đặc tớnh V-A.
Khi UGS < 3V MOSFET ở trạng thỏi khúa. Khi UGS cỡ 5-7V MOSFET ở trạng thỏi dẫn.
Để hoạt động ở chế độ đúng cắt MOSFET đƣợc mở bằng điện ỏp cỡ 12-15V.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Quỏ trỡnh chuyển trạng thỏi
Hỡnh 2.9. Quỏ trỡnh chuyển trạng thỏi.
2.1.4. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động:
Hỡnh 2.10. Cấu tạo nguyờn lý IGBT.
a. Cấu trỳc b. Cấu trỳc tương đương với một transistor n-p-n và một MOSFET c. Sơ đồ tương đương d. Ký hiệu
IGBT là phần tử kết hợp khả năng đúng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu dũng lớn của BJT. Về mặt điều khiển, IGBT gần giống nhƣ MOSFET, nghĩa là đƣợc điều khiển bằng điện ỏp, do đú cụng suất điều khiển yờu cầu cực nhỏ.
Về cấu trỳc bỏn dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khỏc nhau là cú thờm lớp p nối với colectơ tạo nờn cấu trỳc bỏn dẫn p-n-p giữa emitơ ( tƣơng tự nhƣ cực nguồn ) với colectơ ( tƣơng tự nhƣ cực mỏng ), khụng phải là n-n nhƣ ở MOSFET ( hỡnh 1.19 b) . Cú thể coi IGBT tƣơng đƣơng với một transistor p-n-p với dũng bazơ đƣợc điều khiển bởi một MOSFET ( hỡnh 2.10 b,c).
Dƣới tỏc dụng của điện ỏp điều khiển UGE > 0, kờnh dẫn với cỏc hạt mang điện là cỏc điện tử đƣợc hỡnh thành, giống nhƣ ở cấu trỳc MOSFET. Cỏc điện tử di chuyển về phớa colectơ vƣợt qua lớp tiếp giỏp n-p nhƣ ở cấu trỳc giữa bazơ và colectơ ở transistor thƣờng, tạo nờn dũng colectơ.
Quỏ trỡnh chuyển trạng thỏi:
Hỡnh 2.11. Đặc tớnh động.
Cỏc thụng số cơ bản của IGBT.
UCES - Điện ỏp cực đại CE khi GE ngắn mạch.
UGES - Điện ỏp GE cực đại cho phộp khi CE ngắn mạch. IC- Dũng điện một chiều cực đại
ICmax - Dũng điện đỉnh của colector; Pm - Cụng suất tổn hao cực đại; TCP - Nhiệt độ cho phộp;
IL - Dũng điện tải cảm cực đại;
Ir - Dũng điện rũ UGEng - Điện ỏp ngƣỡng GE
2.1.5. TIRISTOR.
Cấu tạo, nguyờn lý làm việc:
Tiristor ( thyristor) do nhúm kỹ sƣ của hóng Bell Telephone phỏt minh và sỏng chế vào năm1956 .Cho đến nay ngƣời ta đó chế tạo đƣợc cỏc tiristor làm việc với điện ỏp hàng KV và chịu dũng tới KA.
Tiristor là phần tử bỏn dẫn cấu tạo từ bốn lớp bỏn dẫn p-n-p-n tạo thành.
Tiristor cú 3 lớp tiếp giỏp J1, J2, J3 hỡnh thành 3 cực Anot: A, Katot: K, cực điều khiển: G.
Mở tiristor.
Khi phõn cực thuận cho tiristor UAK >0, mặt ghộp J1 và J3 phõn cực thuận, mặt ghộp J2 phõn cực ngƣợc, gần nhƣ toàn bộ điện ỏp đặt vào mặt ghộp J2. Điện trƣờng nội tại E của J2 cựng hƣớng với điện trƣờng ngoài, vựng cỏch điện đƣợc mở rộng ra, khụng cú dũng chảy qua tiristor. Khi đú để mở tiristor cú 3 cỏch:
Tăng điện ỏp thuận UAK cho đến khi lớn hơn Uthmax khi đú điện trở nội của tiristor giảm mạnh, dũng qua tiristor sẽ do mạch ngoài xỏc định. Phƣơng phỏp này trong thực tế khụng dựng (cần phải trỏnh) do những nguyờn nhõn sau: - Khụng phải khi nào cũng cú thể tăng đƣợc điện ỏp đến giỏ trị Uthmax.
- Trƣờng hợp này thƣờng xảy ra do tỏc dụng của xung ỏp tại một thời điểm ngẫu nhiờn, khụng định trƣớc.
Tăng tốc độ biến thiờn điện ỏp du/dt. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đƣa một xung dũng điện cú giỏ trị nhất định vào cực điều khiển (UGK>0) . Đõy là phƣơng phỏp điều khiển tiristor đƣợc ỏp dụng trong thực tế. Xung dũng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thỏi của tiristor từ trở khỏng cao sang trở khỏng thấp. Khi đú nếu dũng qua tiristor lớn hơn một giỏ trị Idt thỡ tiristor sẽ tiếp tục ở trạng thỏi dẫn dũng mà khụng cần đến sự tồn tại của xung dũng điều khiển. Cú
A J 1 J2 J3 K p1 n 1 p2 n2 A K G p 2 p1 n1 n 2 T1 T2
nghĩa là cú thể điều khiển mở tiristor bằng cỏc xung dũng cú độ rộng nhất định, do vậy cụng suất mạch điều khiển thực tế là rất nhỏ so với cụng suất mạch lực. Giải thớch:
Khi cấp dũng điện vào cực điều khiển, cỏc điện tử từ N chảy sang P. Tại đõy một phần chảy vào nguồn Ug và hỡnh thành dũng điều khiển Ig theo mạch G-J3-K-G. Một phần điện tử chịu sức hỳt của điện trƣờng tổng hợp tại mặt ghộp J2 chỳng lao vào vựng chuyển tiếp này. Đƣợc gia tốc bởi điện trƣờng, động năng tăng lờn, trong quỏ trỡnh chuyển động chỳng va quệt và bẻ góy cỏc liờn kết giữa cỏc nguyờn tử Si tạo nờn những điện tử tự do mới. Số điện tử mới giải phúng này lại tham gia bắn phỏ cỏc nguyờn tử Si trong vựng chuyển tiếp. Kết quả là phản ứng dõy chuyền này làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N1 gõy nờn hiện tƣợng dẫn điện ào ạt, mặt ghộp J2 trở thành mặt ghộp dẫn điện, bắt đầu từ một điểm nào đú quanh cực G rồi lan ra toàn mặt ghộp. Dũng điện IAK tăng mạnh cỏc điện tử chuyển động theo chiều N2 - P2 – N1 – P1 sẽ liờn tiếp bắn phỏ mặt ghộp J2 làm cho mặt ghộp này khụng thể khụi phục tớnh chất cỏch điện, do vậy thời điểm này nếu Ig = 0 tiristor vẫn tiếp tục dẫn dũng.
Nếu dũng điện qua tiristor giảm xuống, thỡ số lƣợng điện tớch chuyển động qua mặt ghộp J2 giảm xuống. Khi dũng nhỏ hơn dũng duy trỡ thỡ số điện tớch chuyển động qua mặt ghộp J2 khụng đủ để duy trỡ tớnh dẫn điện của mặt ghộp J2 kết quả là mặt ghộp sẽ khụi phục dần tớnh chất cỏch điện. Tiristor trở về trạng thỏi khoỏ.
Khoỏ tiristor
Khi một tiristor đó mở, sự hiện diện của tớn hiệu điều khiển Ig là khụng cần thiết, để khoỏ tiristor cú 2 cỏch:
- Giảm dũng qua tiristor xuống dƣới giỏ trị dũng duy trỡ Idt. - Đặt một điện ỏp ngƣợc lờn tiristor (biện phỏp thƣờng dựng).
Khi đặt một điện ỏp ngƣợc lờn tiristor, mặt ghộp J1 và J3 bị phõn cực ngƣợc, J2 đƣợc phõn cực thuận. Những điện tử tại thời điểm trƣớc khi đặt điện ỏp ngƣợc đang cú mặt tại P1,N1, P2 bõy giờ đảo chiều chuyển động tạo nờn dũng điện ngƣợc chảy từ K về A.
Lỳc đầu dũng điện ngƣợc lớn, sau đú mặt ghộp J1 và J3 trở nờn cỏch điện, dũng điện ngƣợc giảm dần. Dũng điện ngƣợc di chuyển cỏc điện tớch ra khỏi mặt ghộp J2 và nạp điện cho hai tụ điện tƣơng đƣơng của hai mặt ghộp J1 và J3.
Thời gian khoỏ của tiristor đƣợc tớnh từ khi bắt đầu xuất hiện dũng điện ngƣợc cho tới khi dũng điện ngƣợc bằng khụng. Đõy là khoảng thời gian mà ngay sau đú nếu lại đặt điện ỏp thuận lờn tiristor thỡ nú cũng khụng thể mở. Thời gian khoỏ cú giỏ trị 5- 50s đối với tiristor tần số cao và 50-200s đối với tiristor tần số thấp.
Đặc tớnh V-A của Tiristor:
Hỡnh 2.13. Sơ đồ đấu nối Hỡnh 2.14. Đặc tớnh V-A.
Đặc tớnh V-A của tiristor gồm 2 phần : Phần thứ nhất nằm trong gúc phần tƣ thứ nhất là đặc tớnh thuận tƣơng ứng với trƣờng hợp điện ỏp UAK > 0. Phần thứ hai nằm trong gúc phần tƣ thứ ba tƣơng ứng với trƣờng hợp UAK < 0.
Đoạn 4 ứng với trạng thỏi tiristor đƣợc đặt dƣới điện ỏp ngƣợc. Khi điện ỏp uAK <0 theo cấu tạo bỏn dẫn của tiristor, tiếp giỏp J2 phõn cực thuận, tiếp giỏp J1 và J3 phõn cực ngƣợc. Qua tiristor chỉ cú một dũng điện rất nhỏ (khoảng vài chục mA) chảy qua gọi là dũng rũ. Khi |UAK| tăng, dũng rũ tăng với lƣợng rất nhỏ. Khi UAK đạt đến một giỏ trị nhất định Ungmax sẽ xảy ra hiện tƣợng tiristor bị đỏnh thủng, dũng điện qua tiristor tăng lờn mónh liệt. Giống nhƣ đoạn đặc tớnh ngƣợc của diode.
Đoạn 3 ứng với trạng thỏi khoỏ của tiristor, trạng thỏi này ứng với tiristor đƣợc