Việc lựa chọn bộ biến đổi công suất để ứng dụng cho hệ thống BESS là một vấn đề quan trọng đảm bảo chất lượng điện năng cho lưới điện, một cách lựa chọn đơn giản có thể sử dụng hai bộ cầu thyristor mắc song song ngược. Tuy nhiên hệ thống này đã thể hiện nhiều nhược điểm như khả năng chịu tần số đóng cắt thấp do đó không thể ứng dụng các phương pháp điều chế độ rộng xung tần số cao, phát sinh nhiều sóng hài, tồn tại dòng cân bằng… Vì vậy, trên hình 2.6 bộ biến đổi công suất sử dụng cầu ba pha IGBT là giải pháp tốt nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong đó, cấu tạo nguyên lý làm việc phần tử bán dẫn IGBT được phân tích:
Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT:
IGBT (trasistor có cực điều khiển cách ly) là phần tử kết hợp đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường. Điều khiển van IGBT thực hiện điều khiển theo điện áp.
C E E G i1 i2 G C E Cực điều khiển G n p n n p n n+ p Emitor E Conetor C n p n n n p n+ p i2 c) d) a) b)
Hình 2.7. Cấu trúc và ký hiệu IGBT.
a) cấu trúc bán dẫn, b) cấu trúc tương đương với một transistor npn và một MOSFET, c) Sơ đồ tương đương, d) ký hiệu.
Hình 2.7 giới thiệu cấu trúc van IGBT, cấu trúc tương đương và ký hiệu IGBT. Đây là một van IGBT kiểu nghịch loại n-p-n-p. Trong đó, G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc lớp bán dẫn còn lại bằng một lớp điện môi rất mỏng và có độ cách điện lớn đioxit-silic (SiO2), E là cực Emitơ cực này có cấu trúc bán dẫn loại n, C cực colecter có cấu trúc lớp bán dẫn loại p.Giữa các lớp bán dẫn hình thành tiếp giáp JGE và JGC, khi có điện trường giữa các điện cực sẽ xuất hiện điện tích trái dấu tạo nên các tụ ký sinh CGE và CGC tại đó, làm ảnh hưởng tới quá trình đóng, mở van.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Nguyên lý đóng, mở IGBT: Udc + - UG + - RG Cgc Cge T D D0 I0
Hình 2.8. Sơ đồ thử nghiệm IGBT.
Để thấy được nguyên lý đóng, mở một van IGBT khảo sát sơ đồ đơn giản như hình 2.8. Điốt Do được mắc song song với Tải điện cảm L nhằm mục đích bảo vệ quá sức điện động cho van trong quá trình khoá van.Điốt D được mắc song song với van IGBT với mục đích bảo vệ và tăng khả năng mở, cũng như khoá van bằng cách tạo đường phóng cho các tụ ký sinh trong thời gian ngắn.Udc là nguồn một chiều cung cấp cho tải và điện áp giữa hai cực colecter-Emiter (UCE> 0). t(µs) t(µs) t(µs) UGE UG UCE -UG UGE(th) UGE.Io Ic Udc Điốt Do phục hồi Io UCE.on tdon tr tfv1tfv2 tc i1 i2 trv tfi1 tfi2 ton=tr+tfv1+tfv2 toff=trv+tfi1+tfi2 Hình 2.9. Đặc tính đóng mở van IGBT.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Quá trình mở:
Khi điện áp UCE = Udc> 0 khi van đang khoá do đó để mở van thì xung điều khiển đưa vào cực G tăng dần từ 0 đến UG trên hình 2.9, trong khoảng thời gian trễ khi mở td(on) tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ CGE làm điện áp UGE tăng theo quy luật hàm mũ, từ không đến giá trị ngưỡng UGE(th) thì van bắt đầu được mở dòng điện giữa Colecter-Emiter tăng theo quy luật tuyến tính từ không đến dòng tải Io trong thời gian tr. Trong thời gian này điện áp giữa cực điều khiển và cực Emiter cũng tăng đến giá trị UGE.Io. Do diode Do còn đang dẫn dòng tải lên điện áp UCE vẫn được giữ không đổi bằng điện áp nguồn Udc.
Tiếp theo quá trình diễn ra theo hai giai đoạn tfv1 và tfv2. Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực điều khiển và Emiter giữ nguyên ở mức UGE.Io, để duy trì dòng tải ở mức Io, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng của tụ CGE nên IGBT vẫn làm việc trong chế độ tuyến tính, trong giai đoạn tfv1diễn ra quá trình phục hồi tính chất khoá của diode Do, dòng phục hồi diode Do tạo ra xung dòng trong dòng tải Io. Điện áp UCE bắt đầu giảm. IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hoà. Trong giai đoạn tfv2 tiếp tục giảm điện trở giữa hai điện cực Colecter-Emiter đến giá trị Ron lúc này khoá mở bão hoà đồng thời tụ CGE phóng điện xong. Sau đó nó lại được nạp tiếp làm điện áp giữa cực điều khiển và Emiter tiếp tục tăng theo hàm số mũ đến khi bằng UG với hằng số thời gian RG.CGE.
Quá trình khoá:
Quá trình khoá bắt đầu tại thời điểm tc trên hình 2.9 khi điện áp điều khiển giảm từ UG xuống -UG trong thời gian trễ khi khoá td(off) chỉ có tụ CGE phóng qua cực điều khiển đầu vào với hằng số thời gian RG.CGE, tới mức điện áp UGE.Io(mức Miller), mức điện áp này được giữ không đổi do điện áp UCE bắt đầu tăng lên và tụ CGE bắt đầu được nạp điện. Dòng điều khiển lúc này hoàn toàn là dòng nạp cho tụ CGE.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Điện áp UCE tăng từ giá trị bão hoà UCEon tới giá trị điện áp nguồn Udc
sau khoảng thời gian trv. Cuối khoảng thời gian này điốt Do bắt đầu dẫn làm ngắn mạch dòng tải Io, do đó dòng colecter bắt đầu giảm, quá trình giảm diễn ra theo hai giai đoạn:
+ Giai đoạn tfi1 thành phần dòng điện i1 của MOSFET của cấu trúc van suy giảm nhanh chóng về không điện áp UGE ra khỏi mức Miller. Và giảm về mức điện áp điều khiển –UG. với hằng số thời gian RG.(CGE+CGC). Ở cuối khoảng tfi1, UGE đạt mức ngưỡng khoá của MOSFET(UGE(th)) làm MOSFET khoá hoàn toàn.
+ Giai đoạn tfi2 thành phần dòng i2 của tranzitor p-n-p bắt đầu suy giảm, quá trình suy giảm này có thể rất dài do quá trình tự trung hoà điện tích trong lớp bán dẫn n-
, khi i2 bằng không tranzitor khoá hoàn toàn.
Như vậy để điều khiển đóng hoặc mở một van IGBT kiểu nghịch phụ thuộc vào hai điều kiện UCE>0 và tín hiệu điện áp điều khiển UG.Khả năng đóng cắt của van rất cao vì cấu tạo giống như MOSFET, khả năng chịu dòng tải lớn do tính chất giống Tranzitor thường nên được ứng dụng trong dải công suất lớn. Khi các van là các phần tử tạo lên các bộ biến đổi công suất thì thời điểm van khoá hoàn toàn rất quan trọng để tránh hiện tượng ngắn mạch qua các van.Tổn thất năng lượng trên van trong quá trình khoá và mở là rất nhỏ.