Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng ngày càng nhiều do những ưu điểm lớn như gọn, nhẹ, làm vệc tin cậy, tác động nhanh, hiệu suất cao, dễ dàng tự động hóa. Khi sử dụng cần đặc biệt quan tâm và tuân thủ đầy đủ các yêu cầu về thông số của linh kiện. Các thông số cơ bản cần chú ý đó là:
- Điện áp ngược lớn nhất;
- Giá trị dòng điện trung bình cho phép; - Nhiệt độ lớn nhất của mặt ghép;
- Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của điện áp (du/dt) và dòng điện (di/dt); - Thời gian khóa chuyển mạch toff
Quá trình làm việc của linh kiện công suất cần phải được thiết kế để bảo vệ các sự cố xảy ra như ngắn mạch tải, quá điện áp, quá dòng điện và tản nhiệt mọt cách hợp lý.
2.4.1. Tản nhiệt cho linh kiện
Khi linh kiện công suất (SCR, diode, MOSFET,…) dẫn cho dòng điện chạy qua, công suất tổn thất bên trong sẽ đốt nóng chúng. Mặt ghép là nơi bị đốt nóng nhiều nhất. Ta dùng ký hiệu Tj để chỉ nhiệt độ mặt ghép, Tjm là nhiệt độ lớn nhất cho phép.
- Đối với chất bán dẫn Ge: Tjm = 801000C; - Đối với chất bán dẫn Si: Tjm = 1502000C;
Tổn hao công suất, bằng tích của dòng điện chạy qua phần tử với điện áp rơi trên phần tử, tỏa ra dưới dạng nhiệt trong quá trình làm việc. Nhiệt lượng tỏa ra tỷ lệ với giá trị trung bình của tổn hao công suất. Trong quá trình làm việc của bán dẫn phải luôn ở dưới một giá trị cho phép (khoảng 1200C đến 1500C theo đặc tính kỹ thuật của phần tử). Vì vậy nhiệt lượng sinh ra cần phải được dẫn ra ngoài, nghĩa là đòi hỏi phải có quá trình làm mát các phần tử bán dẫn.
Đối với các linh kiện công suất không thể làm việc lâu dài trên tải nếu không được làm mát đầy đủ. Vì vậy việc tính toán điều kiện tổn hao công suất và vấn đề tản nhiệt là một nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế.
Công suất tản nhiệt tỉ lệ thuận với kích thước của tấm tản nhiệt. Trên thực tế hình dạng của tấm tản nhiệt thường có thiết diện dạng răng lược như trên hình 2.31 nhằm làm tăng hiệu
quả tản nhiệt ra môi trường.
Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt luôn là nguyên liệu ưu tiên cho việc làm đế tải nhiệt. Chỉ số đo khả năng dẫn nhiệt của kim loại được tính bằng W/cm-K (watt trên centimét mỗi độ kelvin). Kim cương và bạc là các vật liệu có tính dẫn nhiệt rất tốt nhưng trên thực tế, đa số các nhà sản xuất đều sử dụng nhôm làm chất liệu chủ yếu vì nhôm sẵn có, giá rẻ và chế tác dễ dàng. Đồng ngày càng trở nên thông dụng và được dùng trong các loại tản nhiệt cao cấp. Mặc dù khả năng dẫn nhiệt của đồng cao hơn
nhôm nhưng việc gia công tương đối khó nên giá thành thường cao.
2.4.2. Bảo vệ ngắn mạch và quá tải bằng áp tô mát
Áp tô mát vừa có chức năng đóng cắt mạch động lực cấp điện cho bộ biến đổi đồng thời vừa dùng làm thiết bị tự động bảo vệ khi có quá tải và ngắn mạch van bán dẫn, ngắn mạch trên đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp hay ngắn mạch ở chế độ làm việc nghịch lưu của bộ biến đổi.
2.4.3. Bảo vệ ngắn mạch và quá tải bằng cầu chì
Để bảo vệ SCR và diode tránh dòng điện ngắn mạch người ta thường dùng
cầu chì tác động nhanh. Loại Hình 2.33. Đồ thị nhiệt độ và công suất tản nhiệt lớn nhất cho phép
Hình 2.32. Cách lắp linh kiện công suất vỏ TO 220AB vào tản nhiệt
cầu chì này làm bằng bạc lá, đặt trong vỏ sứ có chứa cát thạch anh hoặc nước cất.
Để bảo vệ mạch và linh kiện bán dẫn, cầu chì được lắp theo nhiều cách như:
- Mắc nối tiếp ở từng pha trong mạch sơ cấp (1) và thứ cấp (2) của máy biến áp nguồn;
- Mắc nối tiếp với từng nhóm van bán dẫn đấu song song nhau (4) hoặc trên từng van bán dẫn (4) trong mạch bộ biến đổi;
- Mắc nối tiếp ở đầu ra của bộ biến đổi điện (5);
Khi lắp đặt cầu chì cần chọn dòng điện định mức của dây chảy phải bằng hoặc lớn hơn dòng điện
trong mạch cần bảo vệ nhưng không lớn hơn 10%.
Bảo vệ riêng biệt từng linh kiện bán dẫn được sử dụng trong trường hợp khi một van bán dẫn bị đánh thủng nhưng vẫn yêu cầu thiết bị biến đổi tiếp tục làm việc. Vì vậy khi chọn dòng điện của dây chảy cần tính toán đến trường hợp này.
2.4.4. Bảo vệ quá điện áp
SCR rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức, ta gọi là quá điện áp. Có thể chia ra hai loại nguyên nhân gây nên quá điện áp đó là:
- Nguyên nhân nội tại: Đó là sự tính tụ điện tích trong các lớp bán dẫn. Khi khóa van bán dẫn bằng điện áp ngược, các điện tích đổi ngược lại hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, nên xuất hiện quá điện áp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Nguyên nhân bên ngoài: Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi cắt không tải một máy biến áp trên đường dây, khi một cầu chì bảo vệ đứt, khi có sấm sét,... (1) (2) (3) (4) (5) Hình 2.34. Các cách bố trí cầu chì
Để bảo vệ quá điện áp người ta thường dùng mạch RC mắc như hình 2.35:
+ Mạch RC đấu song song với van bán dẫn để bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây ra.
+ Mạch RC đấu giữa các pha thứ cấp máy biến áp nguồn để bảo vệ quá điện áp do cắt không tải máy biến áp gây ra (khi đó có dòng điện không tải).
Thông số của R, C phụ
thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch, điện cảm trên đường dây, dòng điện không tải máy biến áp,...
Bài thực hành số 03
THỰC HÀNH KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 3.1. Mục đích, yêu cầu
3.1.1. Mục đích
Giúp cho học viên nắm chắc đặc tính và thông số làm việc của các loại linh kiện điện tử ở trạng thái dẫn và khóa.
3.1.2 Yêu cầu kiến thức nền
Nắm chắc lý thuyết về các loại linh kiện công suất, các thông số của linh kiện và đường đặc tính V-A tương ứng.
3.1.3. Các dụng cụ thực hành
Học viên cần chuẩn bị các dụng cụ thực hành sau: - Đồng hồ vạn năng (VOM);
- Máy hiện sóng;
- Các linh kiện công suất: Diode, BJT, SCR, MOSFET và các linh kiện điện tử hỗ trợ lắp ráp mạch thực hành.
- Các chi tiết khác: Dây điện đơn, nguồn điện 12VDC, 24VAC một pha, cầu chì, biến trở, mỏ hàn,…
3.1.4. Nhiệm vụ chung của bài thực hành
a) Nhiệm vụ chuẩn bị ngoài giờ
- Đọc trước phần nội dung kiến thức bổ trợ cho bài thực hành, các nội dung thực hiện và hướng dẫn thực hành trong tài liệu;
- Chuẩn bị dụng cụ, linh kiện hỗ trợ thêm cho bài thực hành được giảng viên yêu cầu.
b) Nhiệm vụ tại phòng thực hành
Học viên cần thực hiện các nội dung theo trình tự như sau:
- Sử dụng các linh kiện điện tử và dụng cụ thực hành để thực hiện các nội dung hướng dẫn;
- Báo cáo bằng văn bản và rút ra kết luận theo mẫu sau:
Loại linh kiện Lần đo Giá trị
dòng tải Sụt áp trên linh kiện Kết luận Lần đo 1 Lần đo 2 .... ... Giá trị TB ... ...