Thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất part2

Chia sẻ: Vanthi Bichtram | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

72
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong điện tử công suất người ta dùng phổ biến nhất loại tranzito NPN. tranzito công suất được dùng để đóng ngắt dòng điện một chiều cường độ tương đối lớn, vì vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng và trạng thái mở. Để tranzito làm việc người ta phải đưa điện áp một chiều tới các cực B của tranzito gọi là phân cực cho tranzito.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất part2

B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 Líp ph¸t E cã c−êng ®é t¹p chÊt lín nhÊt, líp gèc B cã nång ®é t¹p chÊt nhá nhÊt. §Ó ph©n biÖt víi c¸c lo¹i tranzito kh¸c, tranzito PNP vµ NPN cßn gäi lµ tranzito l−ìng nèi viÕt BJT (Bipolar Juntion Tranzito). 1.2.1 Nguyªn t¾c ho¹t ®éng Trong ®iÖn tö c«ng suÊt ng−êi ta dïng phæ biÕn nhÊt lo¹i tranzito NPN. tranzito c«ng suÊt ®−îc dïng ®Ó ®ãng ng¾t dßng ®iÖn mét chiÒu c−êng ®é t−¬ng ®èi lín, v× vËy chóng chØ lµm viÖc ë hai tr¹ng th¸i ®ãng vµ tr¹ng th¸i më. §Ó tranzito lµm viÖc ng−êi ta ph¶i ®−a ®iÖn ¸p mét chiÒu tíi c¸c cùc B cña tranzito gäi lµ ph©n cùc cho tranzito. a) b) H×nh 1.10: S¬ ®å ph©n cùc cña tranzito npn (a) vµ pnp (b) ë chÕ ®é khuÕch ®¹i §Ó ph©n tÝch nguyªn lý lµm viÖc ta lÊy tranzito pnp lµm vÝ dô. Do JE ph©n cùc thuËn nªn c¸c h¹t ®a sè (lç trèng) tõ miÒn E phun qua JE t¹o nªn dßng emit¬ (IE). Chóng tíi vïng baz¬ t¹o thµnh h¹t thiÓu sè vµ tiÕp tôc khuÕch t¸n s©u vµo vïng baz¬ h−íng tíi JC. Trªn ®−êng khuÕch t¸n mét phÇn nhá bÞ t¸i hîp víi h¹t ®a sè cña baz¬ t¹o nªn dßng ®iÖn cùc baz¬ (IB). Do cÊu t¹o miÒn baz¬ máng nªn gÇn nh− toµn bé c¸c h¹t khuÕch t¸n tíi ®−îc bê cña JC vµ bÞ tr−êng gia tèc (do JC ph©n cùc ng−îc) cuèn qua tíi ®−îc miÒn colect¬ t¹o nªn dßng ®iÖn colect¬ (IC). Qua viÖc ph©n tÝch trªn ta cã mèi qua hÖ vÒ dßng ®iÖn trong tranzito: IE= IB + IC (1-3) §Ó ®¸nh gi¸ møc ®é hao hôt dßng khuÕch t¸n trong vïng baz¬ ng−êi ta ®Þnh nghÜa hÖ sè truyÒn ®¹t dßng ®iÖn α cña tranzito. 11
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 IC α= (1- 4) IE HÖ sè α x¸c ®Þnh chÊt l−îng cña tranzito vµ cã gi¸ trÞ cµng gÇn mét víi c¸c tranzito lo¹i tèt. §Ó ®¸nh gi¸ t¸c dông ®iÒu khiÓn cña dßng ®iÖn IB tíi dßng colect¬ (IC), ng−êi ta ®Þnh nghÜa vÒ hÖ sè khuÕch ®¹i dßng ®iÖn β cña tranzito. IC β= (1- 5) IB β th−êng cã gi¸ trÞ trong kho¶ng vµi chôc ®Õn vµi tr¨m. Tõ c¸c biÓu thøc trªn ta cã mèi quan hÖ gi÷a c¸c hÖ sè: IE= IB(1+β) (1- 6) β α= vµ (1- 7) 1+ β −u ®iÓm næi bËt cña tranzito lµ chØ cÇn ®iÒu khiÓn dßng IB lµ cã thÓ ®iÒu khiÓn cho tranzistor ®ãng ng¾t dÔ dµng. 1.2.3 C¸ch thøc ®iÒu khiÓn tranzito Gäi IC lµ dßng colect¬ chÞu ®−îc ®iÖn ¸p b·o hoµ VCEsat khi tranzito dÉn dßng b·o hoµ IB= IBbh vµ khi kho¸ IB= 0; VCEsat=VCE. + M¹ch trî gióp tranzito më Khi tranzito chuyÓn tõ tr¹ng th¸i ®ãng sang tr¹ng th¸i më. M¹ch trî gióp bao gåm c¸c phÇn tö tô ®iÖn (C), ®iÖn trë (R2), ®i«t(D2) 12
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 H×nh 1.11: M¹ch trî gióp tranzito më tf: thêi gian cÇn thiÕt ®Ó IC tõ gi¸ trÞ max gi¶m xuèng 0 Dßng ®iÖn t¶i I lµ thêi gian chuyÓn m¹ch cña tranzito rÊt ng¾n vËy cho nªn dßng t¶i = const. S¬ kiÖn: VCE = 0 IC = I ID = 0 (1- 8) Khi cho xung ¸p ©m t¸c ®éng vµo cùc gèc baz¬ cña tranzito dßng IC gi¶m xuèng kh«ng trong kho¶ng thêi gian tf. NÕu kh«ng cã m¹ch trî gióp ta cã: I = IC + ID = const (1-9) Khi gi¶m IC th× ID T¨ng lªn ngang D1 sÏ lµm ng¾n m¹ch t¶i n¨ng l−îng tiªu t¸n bªn trong tranzito sÏ lµ: U . I .t f WT = (1-10) 2 ChÝnh v× vËy ta ph¶i m¾c thªm m¹ch trî gióp më cho trazito. I= IC ≈ ID = const Khi IC b¾t ®Çu gi¶m th× I1 còng b¾t ®Çu t¨ng(IC vµ I1 phi tuyÕn víi nhau, lóc nµy tô ®iÖn C ®−îc n¹p ®iÖn) dV c I − I C = (1-11) dt C 13
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 Khi t = tf ; Ic = 0 Vc (tf)= V0 = VCE
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 n¨ng h¹n chÕ sù t¨ng vät cña dßng IC trong kho¶ng thêi gian ®ãng Ton cña tranzito. Ton: lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó VCE gi¶m tõ ®iÖn ¸p nguån VCC xuèng VCE≈ 0. Thêi gian tæng céng cho qóa tr×nh ®ãng lµ tf. ®iÖn c¶m L ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: Δi di I UR =U = L = L ⇒ L = L (1- 14) Δt dt R I §Ó chän L ta chän thêi gian ®ãng tr trong kho¶ng: 2ton < tr < 5ton §iÖn trë R4 cã t¸c dông h¹n chÕ dßng do søc ®iÖn ®éng tù c¶m trong cuén c¶m (L) t¹o ra trong m¹ch L; D5; R4 trong kho¶ng thêi gian tc chuyÓn sang tr¹ng th¸i më cña tranzito. Nh− vËy tc ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn. i tc > (1-15) R4 §iÖn trë R5 cã t¸c dông h¹n chÕ dßng ®iÖn phãng cña tô ®iÖn C trong m¹ch víi kho¶ng thêi gian ®ãng tf. Ta cã D6: T¹o m¹ch ®èi víi xung ¸p d−¬ng ®Æt vµo cùc gèc baz¬ D5: h¹n chÕ dßng ®iÒu khiÓn cho cùc gèc (baz¬) D4: Dïng ®Ó chèng b·o hoµ 1.2.4 øng dông cña tranzito c«ng suÊt + M¹ch khuÕch ®¹i H×nh: 1.13: Tranzito lµm viÖc ë chÕ ®é khuÕch ®¹i - Trong thùc tÕ tranzito th−êng ®−îc lµm viÖc ë chÕ ®é kho¸ - Khi dßng ë cùc gèc b»ng kh«ng dßng ®iÖn cùc ghãp b»ng kh«ng, 15
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 tranzito lóc nµy hë m¹ch hoµn toµn. - Khi dßng ®iÖn ë cùc gèc cã gi¸ trÞ b·o hoµ th× tranzito trë vÒ tr¹ng th¸i dÉn hoµn toµn. 1.2.5 C¸c th«ng sè kü thuËt c¬ b¶n cña tranzito - §é khuÕch ®¹i dßng ®iÖn β β cã trÞ sè thay ®æi theo dßng IC. Khi dßng IC nhá th× β thÊp, dßng IC t¨ng th× β t¨ng ®Õn gi¸ trÞ cùc ®¹i nÕu tiÕp tôc t¨ng IC ®Õn møc b·o hoµ th× β gi¶m. IC β= (1-16) IB - Dßng ®iÖn giíi h¹n Dßng ®iÖn qua tranzito ph¶i ®−îc giíi h¹n ë møc cho phÐp nÕu qu¸ trÞ sè th× tranzito sÏ bÞ h−. ICmax : lµ dßng ®iÖn tèi ®a ë cùc colect¬ IBmax: lµ dßng ®iÖn tèi ®a ë cùc baz¬ - §iÖn thÕ giíi h¹n §iÖn thÕ ®¸nh thñng BV (breakdown Voltage) lµ ®iÖn thÕ ng−îc tèi ®a ®Æt vµo gi÷a c¸c cÆp cùc. - TÇn sè c¾t TÇn sè thiÕt ®o¹n (f cut- off) lµ tÇn sè mµ tranzito hÕt kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i lóc ®ã ®iÖn thÕ ngâ ra b»ng ®iÖn thÕ ngâ vµo. B¶ng 1.2 Giíi thiÖu mét sè lo¹i tranzito 16
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 VCE VCE0 VCE,sat IC I tf ton ts Pm M· hiÖu μs μs μs V V V A A W BUV, (BUX)20 160 125 1,2 50 5 0,3 1,5 1,2 250 (50) 21 250 200 1,5 40 3 0,12 1,8 1,2 50 22 300 250 1,5 40 2,5 0,5 1,3 2 50 23 400 325 1 30 3,2 1,2 1,3 2,5 50 24 450 400 1 20 2,4 1,4 1,6 3 50 BUT 90 200 125 1,2 50 7 0,4 1,2 1,5 250 91 300 200 1,2 50 4 0,3 1 1,5 250 BUX 47 850 400 1,5 9 1,2 0,8 1 3 125 47A 1000 450 1,5 9 1 0,8 1 3 125 48 850 400 1,5 15 2 0,8 1 3 175 48A 850 400 1,5 15 2 0,8 1 3 175 98 850 400 1,5 30 4 0,8 1 3 250 98C 1200 700 1,5 30 3 0,8 1 3 250 ESM 3000 200 100 1,5 150 15 0,5 1,5 1,8 400 3001 200 150 1,5 150 15 0,5 1,5 1,8 400 3002 250 200 1,5 140 28 0,7 1,5 2 400 3004 600 400 1,5 120 13 1 1,5 3,5 400 3005 600 500 1,5 120 10 1 1,5 3,5 400 3006 1000 600 1,5 50 7 1,5 1,5 5 300 3007 1000 700 1,5 50 6 1,5 1,5 5 300 1.3 Thyristor 1.3.1 CÊu t¹o 17
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 Thyristor cßn ®−îc gäi lµ SCR (Silicon controlled Rectifier) bé n¾n ®iÖn ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng chÊt silicum. Thyristor lµ linh kiÖn b¸n dÉn gåm b¸n dÉn gåm 4 líp P- N- P- N ghÐp nèi tiÕp t¹o nªn 3 cùc Anode ký hiÖu lµ A d−¬ng cùc, Catode ký hiÖu lµ K ©m cùc vµ cùc Gate ký hiÖu lµ G lµ cùc ®iÒu khiÓn hay cùc cöa. J1, J2, J3 lµ c¸c mÆt ghÐp. a b c c H×nh 1.14: Thyristor a- S¬ ®å cÊu tróc bªn trong b- Ký hiÖu c- C¸c lo¹i thyristor 1.3.2 Nguyªn lý lµm viÖc Tïy theo c¸ch nèi cña A vµ K cña thyristor víi nguån ®iÖn mét chiÒu mµ thyristor cã thÓ ®−îc ph©n ¸p ng−îc hay ph©n ¸p thuËn. Khi ph©n ¸p ng−îc (an«t nèi víi cùc ©m nguån, cat«t nèi víi cùc d−¬ng nguån) nh− h×nh1.15 th× líp ph©n cùc J2 ph©n cùc thuËn (®iÖn trë rÊt nhá) nh−ng c¸c líp tiÕp xóc J1 vµ J3 l¹i ph©n cùc ng−îc (®iÖn trë rÊt lín) kh«ng cã dßng ®iÖn qua tõ K sang A. Phô t¶i (bãng ®Ìn) kh«ng cã dßng ®iÖn ch¶y qua vµ kh«ng s¸ng. Thùc sù th× vÉn cã mét dßng ®iÖn rß rÊt nhá, kh«ng ®¸ng kÓ cì vµi mA. §Æc tÝnh V- A khi ph©n ¸p ng−îc lµ nh¸nh thuéc gãc phÇn t− thø III. 18
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 Khi ®iÖn ¸p ng−îc t¨ng ®Õn mét trÞ sè nµo ®ã ®ñ lín (Uct) th× thyristor bÞ chäc thñng gièng nh− tr−êng hîp cña ®i«t vµ kÕt qu¶ lµ dßng ®iÖn ng−îc t¨ng lªn rÊt nhanh vµ m¹nh. Khi ph©n ¸p thuËn (an«t nèi víi cùc d−¬ng nguån, cat«t nèi víi cùc ©m nguån) nh− h×nh 1.15 th× c¸c líp J1 vµ J3 ®−îc ph©n cùc thuËn, ®iÖn trë rÊt nhá, nh−ng líp J2 l¹i bÞ ph©n cùc ng−îc, cã ®iÖn trá rÊt lín. Do vËy, tr−êng hîp nµy còng chØ cã mét dßng ®iÖn rß rÊt nhá ch¶y qua líp J2 (thuéc gãc phÇn t− thø I). H×nh 1.15: S¬ ®å ph©n ¸p ng−îc vµ thuËn cña mét thyristor Thyristor kh¸c víi ®i«t ë chç: ®i«t dÉn ®iÖn ngay sau khi ph©n ¸p thuËn, cßn thyristor cã ph©n ¸p thuËn còng ch−a dÉn ®iÖn. Muèn cho thyristor th«ng khi cã ph©n ¸p thuËn cÇn ph¶i cã ®iÒu kiÖn. §iÒu kiÖn g×? §ã lµ ph¶i cÊp mét xung ¸p d−¬ng vµo cùc ®iÒu khiÓn G khi thyristor ®−îc ph©n ¸p thuËn. Xung d−¬ng ®iÒu khiÓn cã thÓ ®−îc t¹o ra mét c¸ch ®¬n gi¶n nhê ®ãng c«ng t¾c K ë H×nh 1.16 19
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 H×nh 1.16: S¬ ®å nguyªn lý ®iÒu khiÓn thyristor Khi ®ã, líp tiÕp xóc J3 ®−îc ph©n ¸p thuËn thªm trùc tiÕp bëi nguån Eg nªn dßng ®iÖn qua líp J3 t¨ng m¹nh. C¸c ®iÖn tö tõ c¸c nguån ngoµi qua N2 chuyÓn dÞch sang P2 víi ®éng n¨ng lín. Mét phÇn vÒ cùc G h×nh thµnh dßng ®iÒu khiÓn Ig, phÇn kh¸c lín h¬n, v−ît qua líp J2 vµo N1 råi qua P1 vÒ nguån t¹o ra dßng Ia. Khi c¸c ®iÖn tö líp J2 víi ®éng n¨ng lín sÏ b¾n ph¸ c¸c nguyªn tö trung hßa trong líp tiÕp xóc, t¹o ra c¸c ®iÖn tö tù do kh¸c. Sè ®iÖn tö míi l¹i b¾n ph¸ tiÕp c¸c nguyªn tö trung hßa kh¸c.... cø nh− thÕ, sè ®iÖn tö tù do t¨ng lªn rÊt nhanh, sè c¸c phÇn tö dÉn ®iÖn t¨ng vät, ®iÖn trë trong cïng ®iÖn tr−êng rµo thÕ gi¶m m¹nh vµ dßng ®iÖn qua thyristor t¨ng vät. §iÓm lµm viÖc chuyÓn tõ T1 sang T2 råi T h×nh 1.17. Thyristor ë tr¹ng th¸i th«ng. TrÞ sè dßng ®iÖn Ia phô thuéc vµo ®iÖn trë trong m¹ch phô t¶i (ë h×nh: 1.16 dßng Ia phô thuéc vµo ®iÖn trë cña bãng ®Ìn). Khi thyristor th«ng ®iÖn trë trong R13 cña nã rÊt nhá (cì vµi phÇn trôc hoÆc phÇn tr¨m cña mét «m) nªn sôt ¸p ΔU13 kh«ng ®¸ng kÓ (kh«ng qu¸ 1V). Khi thyristor ®· th«ng, dßng ®iÒu khiÓn kh«ng cßn t¸c dông g× v× cã c¾t dßng ®iÒu khiÓn th× thyristor vÉn th«ng. Nguyªn do v× dßng Ia qua líp J2 sÏ tiÕp tôc lµm ®iÖn trë líp J2 gi¶m thÊp vµ duy tr× sù dÉn ®iÖn. Qua líp nµy tõ N1 sang P2. NÕu khi cho xung dßng ®iÒu khiÓn vµo cùc G ®Ó kÝch th«ng thyristor mµ ®iÖn ¸p thuËn gi¶m thÊp, ®o¹n OT1 trë thµnh OT’1, OT”1.... Th× cÇn ph¶i t¨ng dßng ®iÒu khiÓn lín h¬n I”®k1 > I’®k1> I®k1. Khi dßng ®iÒu khiÓn t¨ng tíi 20