Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Cơ điện tử - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Điện tử công suất (Nghề: Cơ điện tử - Trình độ: Cao đẳng)" được biên soạn với mục tiêu giúp sinh viên nhận biết chính xác các hệ thống điều khiển sử dụng điện tử công suất; trình bày đúng cấu trúc, ứng dụng của điện tử công suất trong công nghiệp; phân tích chuẩn đoán đúng các hiện tượng hư hỏng có liên quan đến mạch điện tử công suất;...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Cơ điện tử - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 1
LỜI GIỚI THIỆU Điện tử công suất là một trong những mô đun chuyên ngành của nghề Cơ điện tử được biên soạn dựa theo chương trình đào tạo đã xây dựng và ban hành năm 2021 của trường Cao đẳng nghề Cần Thơ phục vụ cho nghề Cơ điện tử hệ Cao đẳng. Giáo trình được biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã được xây dựng ở mức độ đơn giản và dễ hiểu, trong mỗi bài học đều có thí dụ và bài tập tương ứng để áp dụng và làm sáng tỏ phần lý thuyết. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã dựa trên kinh nghiệm thực tế giảng dạy, thiết bị thực hành của trường, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo các giáo trình hiện có và cập nhật những kiến thức mới có liên quan để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế. Nội dung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 60 giờ gồm có: Bài 1 MĐ24-01: Linh kiện điện tử công suất Bài 2 MĐ24-02: Chỉnh lưu công suất một pha Bài 3 MĐ24-03: Chỉnh lưu công suất ba pha Bài 4 MĐ24-04: Điều khiển công suất xoay chiều Bài 5 MĐ24-05: Biến tần Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ điều chỉnh hoàn thiện hơn. Cần Thơ, ngày tháng năm 2021 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: Nguyễn Thanh Nhàn 2
MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN.........................................................................................1 LỜI GIỚI THIỆU.........................................................................................................2 MỤC LỤC....................................................................................................................3 BÀI 1: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT..........................................................10 1. DIODE.................................................................................................................... 10 1.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.........................................................................10 1.2.Đặc tính V-A (Volt-Ampe).................................................................................10 1.3.Đặc tính đóng cắt.................................................................................................11 1.4.Các thông số cơ bản............................................................................................12 1.5.Ứng dụng.............................................................................................................. 12 2. THYRISTO............................................................................................................13 2.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SCR (Silicon Controlled Rectifier)..............13 2.2.Các thông số cơ bản............................................................................................13 2.3.Ứng dụng.............................................................................................................. 14 3. Các linh kiện khác trong họ Thyristor..................................................................14 3.1. TRIAC..................................................................................................................14 3.2. THYRISTOR khoá được bằng cực điều khiển GTO.........................................15 3.3. Ứng dụng.............................................................................................................. 17 4. Transistor công suất BJT (Bipolar Junction Transistor).....................................17 4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.........................................................................17 4.2. Đặc tính đóng cắt của BJT..................................................................................18 5. Transistor trường MOSFET .................................................................................19 5.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.........................................................................19 5.2.Đặc tính đóng cắt của MOSFET.........................................................................19 6. Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT ........................................................20 6.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.........................................................................20 6.2.Đặc tính đóng cắt của IGBT...............................................................................21 6.3.Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển IGBT.........................................................21 7. Bảo vệ và làm mát cho các van bán dẫn công suất..............................................21 7.1.Đặc tính nhiệt.......................................................................................................21 7.2.Mạch trợ giúp van................................................................................................21 8. Thực hành...............................................................................................................22 8.1. Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ và linh kiện....................................................22 8.2. Các bước thực hiện tra cứu linh kiện theo sổ tay ECG....................................23 8.3. Tra cứu linh kiện trên mạng Internet.................................................................23 BÀI 2: CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT MỘT PHA......................................................24 1. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ..............................................................................24 1.1. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ không điều khiển..............................................24 1.1.1. Sơ đồ nguyên lý...............................................................................................24 1.1.2. Nguyên lý hoạt động.......................................................................................25 1.2. Chỉnh lưu một pha một nửa chu kì có điều khiển..............................................26 1.2.1. Tải thuần trở....................................................................................................26 1.2.2. Tải Trở - Cảm..................................................................................................27 2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính không điều khiển..........28 2.1. Sơ đồ nguyên lý...................................................................................................28 2.2. Nguyên lý hoạt động...........................................................................................28 3
3. Chỉnh lưu cầu một pha..........................................................................................30 3.1. Chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển..........................................................30 3.1.1. Sơ đồ nguyên lý...............................................................................................30 3.1.2. Nguyên lý hoạt động.......................................................................................30 3.2. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển.................................................................31 3.2.1. Tải thuần trở....................................................................................................31 3.2.2. Tải trở cảm (R-L)............................................................................................32 4. Thực hành...............................................................................................................33 4.1. Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ........................................................................33 4.2. Các bước thực hiện lắp đặt mạch trên bộ thực hành........................................33 BÀI 3: CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT BA PHA.........................................................38 1. Chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển.................................................................38 1.1. Sơ đồ nguyên lý...................................................................................................38 1.2. Nguyên lý hoạt động...........................................................................................38 2. Chỉnh lưu hình cầu ba pha không điều khiển.......................................................39 2.1. Sơ đồ nguyên lý...................................................................................................39 2.2. Nguyên lý hoạt động...........................................................................................40 3. Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển.....................................................................41 4. Chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển...............................................................42 4.1. Tải thuần trở.........................................................................................................42 4.2. Tải trở - Cảm (R-L).............................................................................................44 5.Thực hành................................................................................................................ 44 5.1. Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ.........................................................................44 5.2. Các bước thực hiện lắp đặt mạch trên bộ thực hành........................................44 BÀI 4: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT XOAY CHIỀU..............................................49 1. Khái quát về biến đổi điện áp xoay chiều............................................................49 2. Bộ biến đổi xung áp xoay chiều một pha tải thuần trở........................................49 2.1. Sơ đồ nguyên lý...................................................................................................49 2.2. Nguyên lý hoạt động...........................................................................................50 3. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải cảm.................................................51 3.1 Góc điều khiển .......................................................................................51 3.2 Góc điều khiển .......................................................................................52 4. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha.................................................................53 5. Thực hành...............................................................................................................54 5.1. Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ........................................................................54 5.2. Các bước thực hiện lắp đặt mạch trên bộ thực hành........................................54 BÀI 5: BIẾN TẦN.....................................................................................................58 1. Khái quát và phân loại...........................................................................................58 2. Bộ biến đổi trực tiếp..............................................................................................59 2.1. Biến tần trực tiếp một pha...................................................................................59 2.2. Bộ biến tần trực tiếp ba pha................................................................................59 3. Biến tần nguồn dòng..............................................................................................60 3.1. Biến tần nguồn dòng một pha.............................................................................60 3.2. Biến tần nguồn dòng ba pha................................................................................61 4. Biến tần nguồn áp..................................................................................................63 4.1.Biến tần nguồn áp một pha ................................................................................64 4.2.Biến tần nguồn áp ba pha....................................................................................64 5. Các bộ biến tần hiện đại........................................................................................65 4
5.1. Bộ biến tần chỉnh độ rộng xung (PWM)............................................................65 5.1.1. Cơ sở điều chỉnh độ rộng xung......................................................................65 5.1.2. Nguyên tắc điều khiển....................................................................................65 5.2. Bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung ba pha dùng IGBT.................................67 6. Thực hành...............................................................................................................68 6.1. Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ.........................................................................68 6.2. Các bước thực hiện lắp đặt mạch trên bộ thực hành.........................................68 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................73 5
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã mô đun: MĐ24 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun - Vị trí: Mô đun được bố trí dạy sau khi học xong các môn cơ sở như: linh kiện điện tử, mạch điện tử, kỹ thuật số, đo lường điện – điện tử,…và có thể học song song các mô đun: Bài tập tổng hợp Cơ điện tử, Robot công nghiệp, Công nghệ CAD/CAM... - Tính chất: Là mô đun chuyên môn nghề Cơ điện tử trình độ cao đẳng. - Ý nghĩa và vai trò của mô đun: Ngày nay, thiết bị điện tử công suất được đề xuất để phục vụ những yêu cầu ngày càng cao của một số lĩnh vực trong cuộc sống. Điện tử công suất đã giúp cho việc vận hành, sử dụng điện năng một cách hiệu quả. Một số loại linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong quá trình làm biến đổi cũng như điều khiển công suất, ví dụ như đem lại hiệu quả cao và tổn hao thấp trong lò cao tần, truyền tải điện DC. Điện tử công suất có nhiệm vụ là xử lý và điều khiển dòng năng lượng điện bằng cách đưa vào đó điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải. Các tải sẽ quyết định các thông số về điện áp, tần số, dòng điện và số pha tại đầu ra của bộ biến đổi. Mục tiêu của Mô đun: Sau khi học xong mô đun này học viên có năng lực - Về kiến thức: + Nhận biết chính xác các hệ thống điều khiển sử dụng điện tử công suất; + Trình bày đúng cấu trúc, ứng dụng của điện tử công suất trong công nghiệp; + Phân tích chuẩn đoán đúng các hiện tượng hư hỏng có liên quan đến mạch điện tử công suất; - Về kỹ năng: + Vận hành đúng các thiết bị và dây chuyền sản xuất dùng điện tử công suất; + Xác định đúng các nguyên nhân hư hỏng và biện pháp xử lý hư hỏng xảy ra trong thực tế; + Thực hiện thiết kế các ứng dụng điều của điện tử công suất vào thực tiễn sản xuất; + Kiểm tra, vận hành và sửa chữa các mạch điện tử công suất đúng kỹ thuật - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Cẩn thận, chủ động và sáng tạo trong học tập, an toàn cho người và thiết bị; + Tổ chức nơi làm việc gọn gàng, ngăn nắp và đúng các biện pháp an toàn; Nội dung của mô đun Thời gian (giờ) Thực hành, Số Tên các bài trong mô đun Tổng Lý thí nghiệm, Kiểm TT số thuyết thảo luận, tra bài tập Bài 1: Linh kiện điện tử công 1 8 4 4 suất 1. Diode 0.5 0.5 1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 1.2. Đặc tính V-A 1.3. Đặc tính đóng cắ 1.4. Các thông số cơ bản 6
1.5. Ứng dụng 2. Thyristor 0.5 0.5 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SCR 2.2. Các thông số cơ bản 2.3. Ứng dụng 3. Các linh kiện khác trong họ 1 1 THYRISTOR 3. 1. TRIAC 3.2. Thyristor khoá được bằng cực điều khiển GTO 3.3. Ứng dụng 4. Transistor công suất BJT 0.5 0.5 4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 4.2. Đặc tính đóng cắt của BJT 5. Transistor trường MOSFET 0.5 0.5 5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 5.2. Đặc tính đóng cắt của MOSFET 6. Transistor có cực điều khiển 0.5 0.5 cách ly IGBT 6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 6.2. Đặc tính đóng cắt của IGBT 6.3. Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển IGBT 7. Bảo vệ và làm mát cho các van 0.5 0.5 bán dẫn công suất 7.1. Đặc tính nhiệt 7.2. Mạch trợ giúp van 8. Thực hành 4 4 8.1. Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ và linh kiện 8.2. Các bước thực hiện tra cứu linh kiện theo sổ tay ECG 8.3. Tra cứu linh kiện trên mạng Internet Bài 2: Chỉnh lưu công suất một 2 8 4 4 pha 1. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ 1 1 1.1. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ không điều khiển 1.1.1. Sơ đồ nguyên lý 1.1.2. Nguyên lý hoạt động 1.2. Chỉnh lưu một pha một nửa 7
chu kì có điều khiển 1.2.1. Tải thuần trở 1.2.2. Tải Trở - Cảm 2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính không điều 1 1 khiển 2.1. Sơ đồ nguyên lý 2.2. Nguyên lý hoạt động 3. Chỉnh lưu cầu một pha 2 2 3.1. Chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển 3.1.1. Sơ đồ nguyên lý 3.1.2. Nguyên lý hoạt động 3.2. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển 3.2.1. Tải thuần trở 3.2.2. Tải trở cảm 4. Thực hành 4 4 4.1. Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 4.2. Các bước thực hiện lắp đặt mạch trên bộ thực hành Bài 3: Chỉnh lưu công suất ba 3 12 6 5 1 pha 1. Chỉnh lưu tia ba pha không điều 1 1 khiển 1.1. Sơ đồ nguyên lý 1.2. Nguyên lý hoạt động 2. Chỉnh lưu hình cầu ba pha 1 1 không điều khiển 2.1. Sơ đồ nguyên lý 2.2. Nguyên lý hoạt động 3. Chỉnh lưu cầu ba pha có điều 2 2 khiển 4. Chỉnh lưu hình tia ba pha có 2 2 điều khiển 4.1. Tải thuần trở 4.2. Tải trở - Cảm 5. Thực hành 5 5 5.1. Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 5.2. Các bước thực hiện lắp đặt mạch trên bộ thực hành Kiểm tra 1 1 Bài 4: Điều khiển công suất xoay 4 16 8 7 1 chiều 1. Khái quát về biến đổi điện áp 1 1 8
xoay chiều 2. Bộ biến đổi xung áp xoay chiều 2 2 một pha tải thuần trở 2.1. Sơ đồ nguyên lý 2.2. Nguyên lý hoạt động 3. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 2 2 một pha tải cảm 3.1 Góc điều khiển 3.2 Góc điều khiển 4. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 2 2 ba pha 5. Thực hành 8 1 7 5.1. Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 5.2. Các bước thực hiện lắp đặt mạch trên bộ thực hành Kiểm tra 1 1 5 Bài 5: Biến tần 16 8 7 1 1. Khái quát và phân loại 1 1 2. Bộ biến đổi trực tiếp 1 1 2.1. Biến tần trực tiếp một pha 2.2. Bộ biến tần trực tiếp ba pha 3. Biến tần nguồn dòng 2 2 3.1. Biến tần nguồn dòng một pha 3.2. Biến tần nguồn dòng ba pha 4. Biến tần nguồn áp 2 2 4.1.Biến tần nguồn áp một pha 4.2. Biến tần nguồn áp ba pha 5. Các bộ biến tần hiện đại 2 2 5.1. Bộ biến tần chỉnh độ rộng xung (PWM) 5.1.1.Cơ sở điều chỉnh độ rộng xung 5.1.2. Nguyên tắc điều khiển 5.2. Bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung ba pha dùng IGBT 6. Thực hành 7 7 6.1. Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 6.2. Các bước thực hiện lắp đặt mạch trên bộ thực hành Kiểm tra 1 1 Cộng 60 30 27 3 9
BÀI 1: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã Bài: MĐ24 - 01 Giới thiệu: Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng trong các bộ biến đổi hoạt động như các khóa điện tử, gọi là các van bán dẫn; khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì ngắt tải ra khỏi nguồn. Khác với các phần tử có tiếp điện, khi các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian. Tuy có thể đóng cắt các dòng điện lớn nhưng các van bán dẫn lại được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ bộ biến đổi và phụ thuộc cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Các van bán dẫn được phân loại thành: - Van không điều khiển, như Diode - Van có điều khiển, trong đó phân loại ra: + Điều khiển không hoàn toàn, như thyritsto, TRIAC + Điều khiển hoàn toàn, như BJT, MOSFET, IGBT, GTO. Mục tiêu: - Nhận dạng đúng các linh kiện điện tử công suất; - Trình bày đúng cấu trúc, các thông số kỹ thuật và nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử công suất; - Kiểm tra đánh giá đúng chất lượng linh kiện điện tử công suất; - Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập. Nội dung chính: 1. Diode 1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn P-N. Diode có 2 cực, Anod (A) là cực nối với lớp bán dẫn P, Katod (K) là cực nối với lớp bán dẫn N (Hình 1.1). Hình 1.1. Diode a. Cấu tạo b. Ký hiệu c. Hình dạng Do hiệu ứng khuếch tán các phần tử tải điện cơ bản giữa 2 miền, tại lớp tiếp xúc (phần truyền) sẽ hình thành 1 hiệu điện thế tiếp xúc, tạo ra từ trường E để ngăn ngừa sự khuếch tán tiếp tục của các phần tử tải điện cơ bản. Kết quả là ở trạng thái cân bằng, ở ranh giới tiếp xúc tạo ra vùng nghèo các phần tử tải điện. 1.2. Đặc tính V-A (Volt-Ampe) Trên hình 1.2 mô tả đặc tuyến Volt-Ampe của Diode, ứng với nhánh phân cực ngược dòng rò là không đáng kể, nó phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. 10
Diode công suất làm việc với dòng thuận lớn vì vậy đòi hỏi chế độ giảm nhiệt thích hợp. Thông thường sẽ có 1 cực tính được chế tạo thuận lợi cho việc ghép với tản nhiệt. Các Diode công suất sử dụng cho các thiết bị công nghiệp thường đòi hỏi phải có khả năng chịu đựng điện áp ngược lớn, khoảng vài trăm cho đến vài ngàn Volt. Dòng điện định mức (dòng tải chính hay dòng thuận) phải đạt vài trăm Ampe. Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận nằm ở góc phần tư thứ I tương ứng với UAK>0, đặc tính ngược nằm ở góc phần tư thứ III tương ứng UAK
Hình 1.3. Đặc tính đóng cắt của một Diode Theo đặc tính trên hình 1.3, Diode ở trạng thái khóa trong các khoảng thời gian (1) và (6) với điện áp phân cực ngược và dòng điện bằng không. ở khoảng (2) Diode bắt đầu dẫn dòng. Dòng điện ban đầu nạp điện tích cho tụ điện tương đương của tiếp giáp P-N. Khi lượng điện tích đã đủ lớn, độ dẫn điện của tiếp giáp tăng lên, điện trở giảm và điện áp trên Diode trở về ổn định ở mức sụt áp UD.0 cỡ 1- 1,5V trong khoảng (3) Diode hoàn toàn ở trạng thái dẫn. Quá trình khóa Diode ở khoảng (4) Diode vẫn còn phân cực thuận cho đến khi các điện tích trong lớp tiếp giáp P-N được di chuyển hết ra bên ngoài. Ở cuối giai đoạn (4) tiếp giáp P-N phân cực ngược và Diode có khả năng ngăn cản dòng điện. Trong giai đoạn (5) tụ điện tương đương của tiếp giáp P-N được nạp tiếp tục tới điện áp phân cực ngược. Diện tích gạch chéo trên đường dòng điện i(t) tương ứng bằng với lượng điện tích phải di chuyển ra bên ngoài Qr. Điện tích Qr là điện tích phục hồi. Thời gian tr giữa đầu giai đoạn (5) gọi là thời gian phục hồi và là một trong những thông số quan trọng của Diode. 1.4. Các thông số cơ bản Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua Diode theo chiều thuận (ID). Trong quá trình làm việc Diode chỉ dẫn dòng theo một chiều từ Anod đến Katod, điều này có nghĩa là công suất phát nhiệt sẽ tỷ lệ với giá trị trung bình của dòng điện. Vì vậy dòng điện ID là thông số quan trọng để lựa chọn Diode cho một ứng dụng thực tế. Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà Diode có thể chịu đựng được (Ung.max). Theo đặc tính Volt - Ampe, quá trình Diode bị đánh thủng là quá trình không bị đảo ngược được, vì vậy trong mọi ứng dụng phải luôn luôn đảm bảo rằng UAK < Ung.max Tần số Quá trình phát nhiệt trên Diode còn phụ thuộc vào tần số đóng cắt của Diode. Trong quá trình Diode mở ra hoặc khóa lại, tổn hao công suất tức thời u(t).i(t) có giá trị lớn hơn lúc Diode đã dẫn dòng hoặc đang bị khóa. Các Diode được chế tạo với tần số làm việc khác nhau, do đó tần số là một thông số quan trọng phải lưu ý khi lựa chọn Diode. Thời gian phục hồi tr và điện tích phục hồi Qr Các Diode khi bị khóa lại có dòng ngược để di chuyển lượng điện tích Q r ra khỏi cấu trúc bán dẫn, phục hồi khả năng khóa cuả mình. Thời qian phục hồi t r nếu bị kéo dài làm chậm lại quá trình chuyển mạch ở các van và làm tăng tổn thất trong quá trình đóng cắt các van. Những lý do như trên khiến ta phải đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng của t r trong những trường hợp cụ thể. 1.5. Ứng dụng - Chỉnh lưu không điều khiển. - Bảo vệ các linh kiện bán dẫn khác 2. Thyristo đưa ra sau BJT 12
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SCR (Silicon Controlled Rectifier) SCR là phần tử bán dẫn trong họ Trisistor có cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn P-N-P-N, tạo ra ba tiếp giáp J1, J2, J3, Thyristor có ba cực: Anod (A), Katod (K), cực điều khiển (G) biểu diễn trên hình 1.4. Bổ sung mạch tương đương BJT Hình 1.4. Cấu tạo và ký hiệu của SCR Hình 1.5. Hình dạng bên ngoài SCR Hình 1.6. Đặc tuyến V-A của SCR VAK < 0: Van khóa: Chạy qua SCR là dòng rò ngược (cỡ mA). Khi VAK SCR bị hỏng. VAK > 0 và IG = 0: Khóa thuận: Ta có là dòng rò thuận(cỡ mA). Khi VAK > VRB ta có hiện tượng gãy thuận: SCR chuyển sang vùng dẫn điện. Ta phải chọn định mức áp của SCR lớn hơn các giá trị gãy này, hệ số an toàn điện áp thường chọn lớn hơn hay bằng 2. Khi phân cực thuận, nếu IG tăng lên từ giá trị 0, VRB giảm dần SCR chuyển sang trạng thái dẫn. Như vậy, dòng IG cần phải đủ lớn để sử dụng SCR như một khóa điện tử. Vùng dẫn điện: Ứng với trường hợp SCR đã được kích và dẫn điện, sụt áp qua SCR VAK = VF khoảng 1 - 2 volt. 2.2. Các thông số cơ bản Giá trị dòng cho phép chạy qua Thyristor (Iv ) Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điêu kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor không vượt quá một giá trị cho phép. Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào các điêu kiện làm mát 13
và nhiệt độ môi trường. Điện áp ngược cho phép lớn nhất (Ung.max) Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên Thyristor. Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng, tại bất kì thời điểm nào điện áp UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung.max. Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định vê điện áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó. Thời gian phục hồi tính chất khoá của Thyristor (tr (us)) Đây là thời gian tối thiểu phải đặt lên điện áp âm lên giữa A-K của Thyristor sau khi dòng A-K đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp dương mà Thyristor vẫn khóa. Thời gian phục hồi tr là một thông số rất quan trọng của Thyristor, nhất là trong các bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 đến 2 lần tr Tốc độ tăng điện áp cho phép (dU/dt (V/ ps)) Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dù đựơc phân cực thuận (UAK>0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng điện chạy qua. Khi Thyristor được phân cực thuận nếu điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện qua lớp tiếp giáp J2 có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là Thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G. Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt Thyristor tần số thấp với Thyristor tần số cao. ở Thyristor tần số thấp dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/ ựs; với các Thyristor tần số cao dU/dt có thể đạt 500 đến 2000 V/ ựs. Tốc độ tăng dòng cho phép (dI/dt ( A/ µs)) Khi Thyristor bắt đầu mở, không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan toả dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ có thể dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn. Tốc độ tăng dòng Thyristor tần số thấp, có dI/dt cỡ 50-100 (A/ µs), với các Thyristor tần số cao với dI/dt cỡ 500-2000 (A/ µs). 2.3. Ứng dụng - Chỉnh lưu có điều khiển. - Nghịch lưu. - Biến tần. 3. Các linh kiện khác trong họ Thyristor 3.1. TRIAC (Triode for Alternating Current) TRIAC là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn bao gồm năm lớp, tạo nên cấu trúc P-N- P-N như ở Thyristor theo cả hai chiều giữa các cực T 1 và T2 như được thể hiện trên hình 1.7a. TRIAC có kí hiệu trên sơ đồ như trên hình 1.7b, có thể dẫn dòng theo cả 2 chiều T1 và T2. Về nguyên tắc TRIAC hoàn toàn có thể coi tương đương với hai Thyristor đấu song song ngược chiều như trên hình 1.7a. 14
Hình 1.7. TRIAC a. Sơ đồ tương đương b. Ký hiệu TRIAC. c. Hình dạng bên ngoài Đặc tính Volt-Ampe của TRIAC gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ I và thứ III, mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một Thyristor như được biểu diễn trên hình 1.8. Hình 1.8. Đặc tuyến V-A của TRIAC TRIAC có thể điều khiển mở dòng bằng cả xung dòng dương (dòng đi vào cực điêu khiển) hoặc bằng xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là dòng chỉ có thể chạy qua TRIAC khi điện áp giữa T1 và T2 phải lớn hơn một giá trị xác định, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dương. Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua TRIAC, sử dụng dòng điều khiển âm là tốt hơn cả. TRIAC đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều hoặc các côngtắctơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ. 3.2. Thyristor khoá được bằng cực điều khiển GTO (Gate Turn-off Thyrisstor) Thyristo thường, như được giới thiệu ở trên được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ chỉnh lưu, từ công suất nhỏ vài Kw đến công suất cực lớn vài trăm MW. Đó là vì Thyristor có thể khoá lại một cách tự nhiên dưới điện áp lưới. Tuy nhiên với các ứng dụng trong các bộ biến đổi xung áp một chiều hoặc các bộ nghịch lưu, các van bán dẫn luôn bị đặt dưới điện áp một chiều thì điều kiện để khoá tự nhiên sẽ không còn nữa. Khi đó việc dùng các Thyristor thường sẽ cần đến các mạch chuyển mạch cưỡng bức rất phức tạp, gây tổn hao lớn về công suất, giảm hiệu suất của các bộ biến đổi. Các GTO là một van điều khiển hoàn toàn có thể chủ động cả thời điểm khoá dưới tác động của tín hiệu điều khiển, có khả năng đóng cắt điện áp cao giống như Thyristor nhưng lại được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ. Cấu trúc bán dẫn của GTO phức tạp hơn so với Thyristor (hình 1.9). Dòng điện đi vào cực điều khiển để mở GTO, còn dòng đi ra khỏi cực điều khiển dùng để di chuyển các điện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của nó, nghĩa là khoá GTO lại. 15
Hình 1.9. GTO a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu Khi chưa có dòng điều khiển, nếu anod có điện áp dương hơn so với Katod thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J 2 ở giữa, giống như trong cấu trúc của Thyristor. Tuy nhiên nếu Katod có điện áp dương hơn so với Anod thì tiếp giáp p + -n ở anod sẽ bị đánh thủng ở điện áp rất thấp, nghĩa là GTO không thể chịu điện áp ngược. GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống như ở Thyristor thường. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì và biên độ ở GTO cao hơn ở Thyristor thường. 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. Để khoá GTO, một xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển. Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn các điện tích sinh ra do tác dụng của hiệu ứng bắn phá tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các điện tử di chuyển từ Katod vùng n+ đến Anod vùng p+ tạo nên dòng Anod. Bằng cách lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển. Kết quả là dòng Anod sẽ bị giảm cho đến khi về không. Dòng điều khiển được duy trì một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khoá. Yêu cầu về xung điều khiển thể hiện trên hình 1.10, xung dòng khoá GTO phải có biên độ rất lớn, vào khoảng 20 - 25% biên độ dòng Anod -Katod. Một yêu cầu quan trọng nữa là xung dòng điều khiển phải có độ dốc sườn xung rất lớn khoảng 0,5 đến 1 ps. Hình 1.10. Nguyên lý điều khiển GTO a) Yêu cầu dạng xung điều khiển; b) Nguyên lý thực hiện Sơ đồ hình 1.11 mô tả việc thực hiện nguyên lý điều khiển trên. Mạch điện dùng 16
hai khoá transito T1, T2. Khi tín hiệu điều khiển là 15V, T 1 mở, dòng chạy từ nguồn 15V qua điện trở R1 nạp điện cho tụ C1 tạo nên dòng chạy vào cực điều khiển của GTO. Hình 1.11. Mạch điều khiển GTO Khi tụ C1 nạp đầy đến điện áp của Diode ổn áp D z (12 V), dòng điều khiển kết thúc. Khi tín hiệu điều khiển rơi xuống mức 0 V thì T 1 bị khoá, T2 sẽ mở do có điện áp trên tụ C1, tụ C1 bị ngắn mạch qua cực điều khiển và Katod, transito T 2 tạo nên dòng đi ra khỏi cực điều khiển, khoá GTO lại. Diode Dz ngăn không cho tụ C1 nạp ngược lại. Ở đây vai trò của nguồn áp chính là tụ C1, do đó tụ C1 phải chọn là loại có chất lượng cao. Transito T2 phải chọn là loại chịu được xung dòng có biên độ lớn chạy qua. 3.3. Ứng dụng - Nghịch lưu. - Bộ biến đổi điện áp xoay chiều. 4. Transistor công suất BJT (Bipolar Junction Transistor) 4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Transistor BJT là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn P-N-P (Transistor thuận) hoặc N-P-N (Transistor ngược), tạo nên hai tiếp giáp P-N. BJT có ba cực: Base (B), Colectơ (C) và Emitor (E). BJT công suất thường là loại bóng ngược. Cấu trúc tiêu biểu và ký hiệu trên sơ đồ của một BJT công suất được biểu diễn trên hình 1.11. Hình 1.12. Sơ đồ cấu trúc và ký hiệu của BJT loại NPN Bổ sung cấu trúc PNP Trong đó lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh thủng của tiếp giáp B-C và do đó của C-E. Trong điện tử công suất, BJT chỉ được sử dụng như một phần tử khoá. Khi mở dòng điều khiển phải thoả mãn điều kiện IB > Ic/p hay IB = kbh. Ic/p Trong đó kbh = 1,2 ÷ 1,5 gọi là hệ số bão hoà. Khi đó BJT sẽ ở trong chế độ bão hoà với điện áp giữa C và E rất nhỏ, cỡ 1 ÷ 1,5V, gọi là điện áp bão hoà, Ucebh. Khi khoá dòng điều khiển IB bằng không, lúc đó dòng colectơ gần bằng không, điện áp UCE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp với BJT. Tổn hao công suất trên BJT bằng tích của dòng điện Ic với điện áp rơi trên C-E, sẽ có giá trị rất nhỏ trong chế độ khoá. Ở chế độ khoá, cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều bị phân cực ngược. Điện áp đặt giữa C-E sẽ rơi chủ yếu trên vùng trở kháng cao của tiếp giáp P-N. BJT ở chế độ tuyến tính nếu tiếp giáp B-E phân cực thuận và tiếp giáp B-C phân cực ngược. BJT ở trong chế độ bão hoà nếu cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều phân cực thuận. 17
4.2. Đặc tính đóng cắt của BJT Chế độ đóng cắt của BJT phụ thuộc chủ yếu vào các tụ kí sinh CBE và CBC giữa các tiếp giáp BE và BC. Quá trình đóng cắt một BJT qua sơ đồ khóa trên hình 1.12a. Trong đó BJT đóng cắt một tải thuân trở Rt dưới điện áp +Un điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ - UB2 đến +UBI và ngược lại. Dạng sóng điện áp, điện áp cho trên hình 1.12b. Hình 1.13. Quá trình đóng cắt một BJT a) Sơ đồ b) Dạng sóng điện áp, dòng điện a. Quá trình mở UBI Theo đồ thị hình 1.12 trong khoảng thời gian (1) BJT đang trong chế độ khóa với điện áp ngược -UB2 đặt lên tiếp giáp B-E. Quá trình mở BJT bắt đầu khi tín hiệu điều khiển từ -UB2 lên mức UBI. Trong khoảng (2) tụ bắt đầu nạp điện từ điện áp -UB2 đến UBI ngưỡng mở UBE của tiếp giáp B-E, khoảng 0,6 - 0,7V bằng điện áp rơi trên diode theo chiều thuận thì quá trình nạp kết thúc. Trong khoảng thời gian (3), xuất hiện dòng collectơ. Quá trình tăng dòng IC, IE tiếp tục đến giá trị là IC = β. IB Đến cuối giai đoạn (3) thì dòng IC đã đạt đến giá trị bão hòa Ic.bh. Trong chế độ bão hòa cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận. Trong khoảng thời gian (4) điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hòa và phụ thuộc vào quá trình suy giảm điện trở của vùng n- và phụ thuộc vào cấu tạo của BJT. Trong giai đoạn (5) BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hòa. b. Quá trình khóa BJT Khi điện áp điều khiển thay đổi từ UB1 xuống – UB2 ở đầu giai đoạn (6). Dòng IB ngay lập tức có giá trị: IB2 = (UB2 -0,7)/ RB. Khoảng thời gian (6) gọi là khoảng thời gian trễ khi khóa ID (off). Trong khoảng thời gian (7), dòng collectơ IC bắt đầu giảm về bằng 0, điện áp UCE sẽ tăng dần tới giá trị +Un. Trong khoảng này BJT làm việc trong chế độ tuyến tính, trong đó dòng IC tỷ lệ với dòng base. Đến cuối khoảng (7) BJT mới được khóa lại hoàn toàn. Trong khoảng (8), tụ base - emitơ tiếp tục nạp với điện áp ngược -UB2, BJT ở chế độ khóa hoàn toàn trong khoảng (9). 5. Transistor trường MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect 18
Transistor) 5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ. Hình 1.14 a,b thể hiện cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của MOSFET kênh dẫn kiểu n. Trong đó G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxide - silic. Hai cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đón các hạt mang điện. Hình 1.14. MOSFET (kênh dẫn n) a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu Nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang điện sẽ là các điện tử (electron), do đó cực tích điện áp của cực máng sẽ là dương so với cực gốc. cấu trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng tương tự như các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện ngược lại. Tuy nhiên đa số các MOSFET công suất là loại có kênh dẫn kiểu n. 5.2. Đặc tính đóng cắt của MOSFET Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản, MOSFET có thể đóng cắt với tần số rất cao. Tuy nhiên để có thể đạt được thời gian đóng cắt rất ngắn thì vẫn đề điều khiển là rất quan trọng. Cơ chế ảnh hưởng tới thời gian đóng cắt của MOSFET là các tụ điện kí sinh giữa các cực. a) Các thành phần tụ ký sinh giữa các lớp bãn dẫn trong cấu trúc MOSFET; b) Mạch điện tương đương c) Sơ đồ điện áp điều khiển MOSFET 19
Hình 1. 15. Mô hình một khoá MOSFET Hình 1.15a thể hiện các thành phần tụ điện ký sinh tạo ra giữa các phần trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Tụ điện gữa cực điều khiển và cực gốc CGS phải được nạp đến điện áp UGS (th) trước khi dòng cực máng có thể xuất hiện. Tụ giữa cực điều khiển và cực máng CGD có thể ảnh hưởng mạnh đến giơi hạn tốc độ đóng cắt của MOSFET. Hình 1.15b chỉ ra sơ đồ tương đương của một MOSFET và các tụ kí sinh tương ứng. Hình 1.16. Nguyên tắc điều khiển MOSFET a. Sự phụ thuộc của tụ điện giữa cực điều khiển cực máng vào điện áp UDS b. Sơ đồ nguyên lý điều khiển MOSFET Các tụ này thực ra có giá trị thay đổi theo mức điện áp, ví dụ CGD thay đổi theo điện áp UDS giữa giá trị thấp CGDI và giá trị cao CGDH như được chia ra trên hình 1.16. Để xác định công suất cho mạch điều khiển MOSFET, các tài liệu kỹ thuật thường cho thông số điện tích nạp cho cực điều khiển QG (đơn vị culông, C) dưới điện áp khi khoá giữa cực máng và cực gốc UDS(OFF) nhất định. Khi đó công suất mạch điều khiển đươc tính bằng: PĐiều khiển=UDS.QG.fSW Trong đó fSW là tần số đóng cắt của MOSFET. Tổn hao công suất do quá trình đóng cắt trên MOSFET được tính bằng: Trong đó tON, tOFF là thời gian mở và khoá của MOSFET, tương ứng là các khoảng cách thời gian từ t1 đến t4 trên đồ thị dạng sóng các quá trình mở, khoá. 6. Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của Transistor thường. Về mặt điều khiển, IGBT gần giống như hoàn toàn MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ. Hình 1.17 giới thiệu cấu trúc bán dẫn của một IGBT. 20